大地電磁測(cè)深資料預(yù)處理方法

郭勇

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心福建總隊(duì)）

大地電磁測(cè)深資料預(yù)處理方法

郭勇

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心福建總隊(duì)）

大地電磁測(cè)深資料預(yù)處理的方法主要有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑、極化視電阻率的識(shí)別、靜態(tài)校正、空間濾波等。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑可以降低和消除負(fù)面影響；分析了TE，TM曲線的畸變規(guī)律，認(rèn)識(shí)了TE，TM曲線畸變差異；靜態(tài)校正可以減少靜態(tài)效應(yīng)對(duì)頻率測(cè)深曲線的影響；空間濾波是對(duì)曲線進(jìn)行平滑，減少誤差，提高資料的質(zhì)量。

視電阻率；預(yù)處理

1　研究意義

在野外勘探中，由于地質(zhì)不均勻體、工業(yè)用電、天然電場(chǎng)等隨機(jī)干擾的存在，常常使測(cè)量數(shù)據(jù)偏離正常值。這些隨機(jī)干擾的存在給技術(shù)人員正確解釋資料帶來(lái)了困難。對(duì)測(cè)深資料進(jìn)行預(yù)處理，可以降低和消除負(fù)面影響，以提高資料的信噪比，還可以減少靜態(tài)效應(yīng)對(duì)頻率測(cè)深曲線的影響，減少誤差，提高資料的質(zhì)量。資料預(yù)處理對(duì)于資料解釋有著很重要的意義。

2　數(shù)據(jù)平滑

在數(shù)據(jù)采集中，為保證精度，采用密集的采樣方式，所測(cè)量得到的數(shù)據(jù)可達(dá)到幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)；另一方面，在測(cè)量過(guò)程中，由于受測(cè)量設(shè)備的精度、操作者經(jīng)驗(yàn)和被測(cè)實(shí)物表面質(zhì)量等諸多因素的影響，會(huì)產(chǎn)生大量的噪聲點(diǎn)，它們的存在影響資料的解釋。為降低和消除這種負(fù)面影響，須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑。采用平滑處理方法，應(yīng)力求保持待求參數(shù)所能提供的信息不變。

數(shù)據(jù)的平滑濾波主要有以下三種方式：

（1）中值濾波法。該方法是將最相近的3個(gè)點(diǎn)取均值來(lái)替代原始點(diǎn)。中值濾波法將采樣點(diǎn)的值取濾波窗口內(nèi)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)中值，所以這種方法在消除數(shù)據(jù)毛刺效果較好。假設(shè)相鄰的3點(diǎn)分別為x0，x1和x2，通過(guò)中值濾波法平滑獲得點(diǎn)x1′，x1′=（x0+ x1+x2）/3，圖1，其中，虛線所連接的點(diǎn)表示激光掃描所獲得的點(diǎn)，直線所連接的點(diǎn)代表平滑后的點(diǎn)。

圖1　中值濾波法

（2）平均值濾波法。該方法是將采樣點(diǎn)的值取濾波窗口所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值來(lái)取代原始點(diǎn)，改變點(diǎn)的位置，使點(diǎn)平滑。假使相鄰的3點(diǎn)分別為x0，x1和x2，通過(guò)平均值濾波法平沿很列的新點(diǎn)x1′，x1′=（x0+x1+x2）/3，如圖2所示，其中虛線所連的點(diǎn)代表激光掃描得到的點(diǎn)，直線所連的點(diǎn)代表平滑后的點(diǎn)。

圖2　平均值濾波法

（3）高斯濾波法。該方法以高斯濾波器在指定域內(nèi)將高頻的噪聲濾除。高斯濾波法在指定域內(nèi)的權(quán)重為高斯分布，其平均效果較小，在濾波的同時(shí)，能較好地保持原數(shù)據(jù)的形貌，因而常被使用。

3　TE，TM極化視電阻率曲線的識(shí)別方法

根據(jù)相關(guān)資料的分析可以看出，當(dāng)測(cè)點(diǎn)位于地形或局部異常體附近時(shí)，地形或局部異常體使大地電磁測(cè)深視電阻率發(fā)生畸變，TM曲線畸變要比TE曲線畸變嚴(yán)重。因而，相鄰測(cè)點(diǎn)的TE視電阻率曲線之間的相關(guān)程度要比TM曲線之間的相關(guān)程度要好。因此可根據(jù)兩條視電阻率曲線的相關(guān)性來(lái)識(shí)別TE，TM視電阻率曲線。

對(duì)于給定的N組離散數(shù)據(jù)（Xn，Yn），（N2≥n≥N1），要使Xn與αYn相關(guān)。相關(guān)系數(shù)α的大小反映Xn與Yn相關(guān)的程度，可以用誤差能量方法求取相關(guān)系數(shù)：

誤差能量為：

由此得到相對(duì)誤差能量：

其中：

根據(jù)許瓦茲不等式，知：

（1）對(duì)原始實(shí)測(cè)視電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑。

（2）用標(biāo)準(zhǔn)頻率對(duì)實(shí)測(cè)頻點(diǎn)進(jìn)行插值運(yùn)算，得到同一頻點(diǎn)數(shù)相對(duì)應(yīng)的視電阻率值Rx（yi，j）或Ry（xi，j）。

（3）分別計(jì)算各點(diǎn)與相鄰道視電阻率曲線的相關(guān)值，得到4個(gè)相關(guān)因子于地形與靜態(tài)偏移的影響，實(shí)測(cè)的TM極化視電阻率比TE極化視電阻率畸變嚴(yán)重，TE極化視電阻率主要反映區(qū)域構(gòu)造特征，因此，相鄰測(cè)點(diǎn)的TE極化視電阻率曲線之間的相關(guān)程度要比TM曲線之間的相關(guān)程度要高。根據(jù)這一特點(diǎn)，4個(gè)相關(guān)因子中最大的一個(gè)相關(guān)因子所對(duì)應(yīng)的兩條視電阻率曲線為TE極化視電阻率曲線，如此循環(huán)按以上步驟計(jì)算，識(shí)別整條測(cè)線的TE與TM極化視電阻率曲線。

4　靜態(tài)效應(yīng)校正

所謂靜態(tài)效應(yīng)是當(dāng)接近地表存在部分導(dǎo)電性不夠均勻的物體時(shí)，電流經(jīng)過(guò)不均勻體表面從而位于其面上形成“積累電荷”，由此形成一個(gè)與外部電流場(chǎng)成正比（比例系數(shù)不會(huì)隨頻率變化）的外加電場(chǎng)。它導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量的每個(gè)頻率的視電阻率，相比較不存在部分不均勻物體時(shí)變化一個(gè)系數(shù)。進(jìn)而導(dǎo)致繪于雙對(duì)數(shù)標(biāo)系中的頻率測(cè)深曲線，順著視電阻率軸（即縱軸）發(fā)生上下平移，當(dāng)部分不均勻物體為低阻體時(shí)，測(cè)深曲線向下平移；而若為高阻體，則向上平移。

首先確定工作區(qū)的地電條件，選取一個(gè)在工作區(qū)域內(nèi)電阻率、深度和厚度都相對(duì)穩(wěn)定的電性層，并且大概估算其在頻率測(cè)深線上相對(duì)應(yīng)的頻段（設(shè)為fm～fn，共n-m+1個(gè)）。之后計(jì)算每個(gè)測(cè)深點(diǎn)在該頻段范圍內(nèi)實(shí)際測(cè)量的視電阻率的幾何平均值：式中：ρsi（fj）為第i個(gè)測(cè)深點(diǎn)在第j個(gè)頻率（fj）的視電阻率實(shí)際測(cè)量值，i為測(cè)深點(diǎn)號(hào)。

之后，將一濾波函數(shù)F作數(shù)字濾波運(yùn)算與相接近的幾個(gè)測(cè)深點(diǎn)（設(shè)為D=2L+1個(gè)）的平均視電阻率ρa(bǔ)，計(jì)算出平均視電阻率的濾波值：?

式中，D=2L+1為濾波窗口寬度；Fk為一低通濾波器的濾波系數(shù)；計(jì)算出的結(jié)果ρLi記在濾波窗口i上。

最后，把各個(gè)測(cè)點(diǎn)（設(shè)為第i點(diǎn)）的均視電阻率ρa(bǔ)i去除以濾波值ρLi，得到靜校正系數(shù)：

以此系數(shù)乘相應(yīng)測(cè)點(diǎn)每個(gè)頻點(diǎn)的視電阻率實(shí)際測(cè)量值ρsi（fj），便得靜校正的視電阻率：

5　空間濾波

在勘探中，由于地質(zhì)不均勻體、工業(yè)用電、天然電場(chǎng)等隨機(jī)干擾的存在，常常使測(cè)量數(shù)據(jù)偏離正常數(shù)值，表現(xiàn)為視電阻率等值線上為雜亂無(wú)章的振動(dòng)或鋸齒狀跳變，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)突變點(diǎn)或虛假點(diǎn)。這些隨機(jī)干擾的因素存在使得視電阻率不能良好的反應(yīng)地質(zhì)上異常，就會(huì)給技術(shù)人員正確解釋資料帶來(lái)了干擾，應(yīng)對(duì)原始數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)加以濾除，以提高資料的信噪比。

利用空間濾波法原理作為隨機(jī)噪聲影響處理的基本出發(fā)點(diǎn)，認(rèn)為由地下地質(zhì)體引起的視電阻率沿測(cè)線的變化是平緩漸變的，那么我們就可以利用一種叫做“中值空間濾波”的方法，對(duì)含有干擾的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

中值空間濾波算法的具體步驟如下：

首先，選擇在同一個(gè)剖面深度的視電阻率值的幾何平均：

式中：ρsj為實(shí)測(cè)視電阻率值；ρsi為第i個(gè)剖面深度上由第m至n視電阻率的平均值，稱平均視電阻率。在矩型斷面里，測(cè)線不是太長(zhǎng)的狀態(tài)下，可以令m=1，也就是當(dāng)測(cè)線短，數(shù)據(jù)量不大時(shí)，取首尾（m=1～n）的所有數(shù)據(jù)參與進(jìn)行運(yùn)算；在倒梯型斷面里，應(yīng)用一種遞歸數(shù)據(jù)處理程序常用在施倫貝謝爾裝置數(shù)據(jù)采集方式。當(dāng)程序開始運(yùn)行時(shí)，某個(gè)剖面深度上的數(shù)據(jù)求平均值之后，下個(gè)剖面深度上的數(shù)據(jù)自動(dòng)減少兩個(gè)再次進(jìn)行下一步的運(yùn)算，由此可知m=m+1，n=n-1，n>m。見(jiàn)圖3。

圖3　演算示意圖

利用另外一種非線性濾波就是中位數(shù)法。先分析視電阻率斷面圖上的等值線變化情形，與測(cè)區(qū)地質(zhì)資料相結(jié)合，選取多個(gè)近似位于同一電性層內(nèi)的數(shù)據(jù)求出幾何平均值，并按從大到小的順序排列；再選擇“中位數(shù)”（位于正中間的數(shù)值）用作電性層的背景值ρL。依據(jù)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)多次實(shí)驗(yàn)計(jì)算出的結(jié)果，選出背景值ρL也就是每條測(cè)線里所有視電阻率幾何平均值的中位數(shù)。用每個(gè)剖面的平均視電阻率ρsi除以得到的中位數(shù)背景值ρL，得到系數(shù)Ki：

最后，以此校正系數(shù)Ki乘以相應(yīng)剖面上的實(shí)際測(cè)量的視電阻率值，便得到經(jīng)過(guò)濾波校正后的視電阻率值ρsi′。

6　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大地電磁測(cè)深資料預(yù)處理，更進(jìn)一步的理解和掌握了大地電磁測(cè)深資料預(yù)處理的方法。在野外勘探中，由于地質(zhì)不均勻體、工業(yè)用電、天然電場(chǎng)等隨機(jī)干擾的存在，常常使測(cè)量數(shù)據(jù)偏離正常值。這些隨機(jī)干擾的存在給技術(shù)人員正確解釋資料帶來(lái)了困難，所以應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以提高資料的信噪比。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑可以降低和消除負(fù)面影響，以得到精確的模型和高質(zhì)量的特征提取效果。大地電磁測(cè)深資料預(yù)處理中的另一項(xiàng)重要工作是正確識(shí)別TE，TM極化視電阻率曲線。通過(guò)分析了TE，TM曲線的畸變規(guī)律，認(rèn)識(shí)了TE，TM曲線畸變差異。再對(duì)TE，TM曲線進(jìn)行靜態(tài)校正，可以減少靜態(tài)效應(yīng)對(duì)頻率測(cè)深曲線的影響。如果靜態(tài)效應(yīng)的影響依然很多或由于數(shù)據(jù)質(zhì)量太差導(dǎo)致一些雜亂無(wú)序的曲線，此時(shí)就可以使用空間濾波的辦法對(duì)曲線進(jìn)行平滑。減少誤差，提高資料的質(zhì)量。資料預(yù)處理對(duì)于資料解釋有著很重要的意義。

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[2]張翔.大地電磁測(cè)深資料的TE，TM極化視電阻率曲線識(shí)別研究.江漢石油學(xué)院地球物理勘探系，434102.

[3]羅延鐘，何展翔，馬瑞伍，等.可控源音頻大地電磁法的靜態(tài)效應(yīng)校正.物探與化探，1991，6.

[4]陳樂(lè)壽，劉任，王天生.大地電磁測(cè)深資料處理與解釋.石油工業(yè)出版社，1989.

P631.325

A

1673-0038（2015）30-0274-02

2015-7-10