一種基于ArcGIS的地震采集質量分析評價技術

陳德武,何　欣,王萬里,魏新建,祿　娟

(中國石油勘探開發(fā)研究院　西北分院,蘭州　730020)

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一種基于ArcGIS的地震采集質量分析評價技術

陳德武,何欣,王萬里,魏新建,祿娟

(中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院,蘭州730020)

摘要：針對傳統(tǒng)的地震采集質量評價方法在自動化和科學化方面的不足，這里設計并實現(xiàn)了一種基于ArcGIS的地震采集質量分析評價方法。利用ArcGIS框架強大的空間數(shù)據(jù)分析處理和建模功能，完成工區(qū)觀測系統(tǒng)的設計，并結合高分辨率的衛(wèi)星影像和數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，對工區(qū)內炮點的信噪比、能量和分辨率屬性值進行散點渲染分析和插值成圖分析，最后對信噪比、能量和分辨率屬性值基于一定的規(guī)則進行融合，對炮點采集質量進行分析評價。

關鍵詞：地震采集；質量分析評價；ArcGIS；炮點屬性；屬性成圖；屬性融合

0引言

隨著地震勘探的不斷發(fā)展，地震資料采集工作逐步向地表、地下地質情況異常復雜的低信噪比地區(qū)延伸，地震勘探數(shù)據(jù)量增大(接收道數(shù)增多、覆蓋次數(shù)加大、面元變小和多分量等)[1]，要想對地震采集質量進行實時準確地分析評價，就需要設計出有效的評價方法。

ESRI公司開發(fā)的ArcGIS框架具有很強的海量數(shù)據(jù)空間分析處理和建模功能，利用它可對采集現(xiàn)場炮點和檢波點的分布情況進行建模，完成工區(qū)觀測系統(tǒng)的設計。將經過坐標配準后的衛(wèi)星遙感影像及數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)加載到ArcGIS中，可以為地震勘探施工設計和野外采集準確地提供地貌特征、地表巖性、人文、交通、水文、構造特征等直觀性信息[2]。

現(xiàn)有的地震采集質量分析評價方法大多是通過計算炮點的屬性，然后對它們進行簡單的數(shù)值分析，如KLSeis地震采集軟件是將炮點屬性的分析結果以柱狀圖的形式顯示，GeoMountain軟件系統(tǒng)也只是將炮點屬性的分析結果歸類為一級、二級和廢品三個等級，對炮點的具體屬性值在觀測系統(tǒng)中不進行投影分析。這里通過對工區(qū)內各炮的能量、分辨率和信噪比屬性在觀測系統(tǒng)中的對應位置進行散點渲染分析和插值網格成圖分析，并結合高分辨率的衛(wèi)星影像和構造圖等各種地質圖件，可以對采集質量進行綜合分析評價。因此，該技術將會在地震勘探野外采集質量定性科學化評價中,發(fā)揮比較重要的作用。

1基于ArcGIS的地震采集質量分析評價原理

基于ArcGIS的地震采集質量分析評價原理是：①根據(jù)地震采集的SPS文件中炮點和檢波點的大地坐標和高程信息生成炮點和檢波點的shapefile文件，shapefile文件是ArcGIS通用的一種數(shù)據(jù)格式，將兩個shapefile文件和衛(wèi)星遙感影像及數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)加載到ArcGIS中疊合顯示，利用它們疊加的直觀信息，可在室內精心做好各種復雜地表如高陡山區(qū)、丘陵、水網及城鎮(zhèn)等地區(qū)的觀測系統(tǒng)設計，圖1是對四川某工區(qū)觀測系統(tǒng)的設計；②加載工區(qū)內所有地震數(shù)據(jù)，利用每一炮的均方根振幅值計算該炮的能量，使用李慶忠[3]的VPRS算法計算出每一炮的信噪比和分辨率，將三個屬性的值寫進該工區(qū)炮點的shapefile文件；③利用ArcGIS的渲染和插值功能，操作該shapefile文件對所有炮的三個屬性進行成圖分析，并與測網信息、衛(wèi)星遙感影像的真地表信息(巖性、環(huán)境、地勢起伏等)疊合進行三維顯示，為用戶更好地監(jiān)控該工區(qū)的地震數(shù)據(jù)采集質量以及設計下一步的地震采集方案提供了詳盡的科學依據(jù)，其中，屬性成圖方式包括散點式和網格化兩種。

圖1　四川某工區(qū)觀測系統(tǒng)設計Fig.1　The observer systen design of　　one workspace in Sichuan

2炮點屬性分析結果投影顯示

2.1屬性分析結果散點式成圖

利用ArcGIS的分級渲染功能對炮點shapefile中的信噪比、能量和分辨率屬性值進行渲染，用某一種顏色表示某一范圍的屬性值，就可以得到該工區(qū)內所有炮點三個屬性的散點成圖。如圖2為大慶某工區(qū)部分炮點能量的散點成圖。從圖2中可以看出，呈現(xiàn)黃色、橙色或紅色的炮點能量值比較大，炮點采集質量較好。

2.2屬性分析結果網格化成圖

利用ArcGIS的插值功能對炮點shapefile中的信噪比、能量和分辨率屬性值進行插值計算，得到該工區(qū)內所有炮點三個屬性的網格圖。所用到的插值方式有反向距離權重插值(IDW)[4]和克里金插值(Kriging)。反向距離權重插值的公式見式(1)。

(1)

(2)

式(2)中，di0是預測點S0與已知樣點Si之間的距離，隨著di0的增加，樣點對預測點影響的權重也同時減少。

克里金插值方法最早是由南非金礦工程師克里金(D.G.Krige)于20世紀50年代提出來的，根據(jù)不同的條件又分為普通克里金插值、泛克里金插值、協(xié)同克里金插值等。

這里采用的是普通克里金法插值算法[5]，其原理如下：設研究區(qū)域為A，區(qū)域化變量為{Z(x)∈A}，x表示空間位置(一維、二維或三維坐標)，Z(x)在采樣點xi(i=1,2,…，n)處的屬性值為Z(xi)(i=1,2,…，n)，則根據(jù)普通克里金插值原理，未采樣點xo處的屬性值Z(xo)估計值是n個已知采樣點屬性值的加權和，即式(3)：

(3)

其中，λi為權重系數(shù)，其計算方程組為：

(4)

式(4)中：Cov(xi,xj)為Z(xi)的協(xié)方差，μ為拉格朗日乘子，求出每個權重系數(shù)λi(i=1,2,...,n)后，就可以求出未采樣點xo處的屬性值Z(xo)。

圖3是利用反向距離權重插值法和克里金插值法對大慶某工區(qū)部分炮點的能量進行插值生成的網格圖。圖4是利用兩種插值方式生成的網格圖和上面散點渲染圖的疊合顯示。因為散點渲染圖反映的是真實值，從圖4以看出，利用反向距離權重插值法生成的網格圖與散點渲染圖的吻合度更高，更符合實際情況，圖4(a)中呈現(xiàn)黃色、橙色或紅色的區(qū)域的炮點能量值較高，采集質量較好。

圖3　炮點能量網格圖Fig.3　The grid image of shot energy(a)反向距離權重插值；(b)克里金插值

圖4　炮點能量疊合圖Fig.4　The superimposed image of shot energy(a)反向距離權重插值；(b)克里金插值

3炮點屬性分析結果融合投影顯示

為了分析結果更能綜合地反映炮點的采集質量，將炮點的能量、信噪比和分辨率基于一定的規(guī)則進行融合，具體分兩種融合模式。

3.1基于校準系數(shù)的融合模式

某一炮點能量、信噪比和分辨率的融合值 QC按式(5)求得：

(5)

3.2基于變權重的融合模式

我們可根據(jù)工區(qū)和采集條件的實際情況，更改炮點能量、信噪比和分辨率所占的權重比例，該融合模式的融合值QC可按式(6)得：

QC=Ksn*SN′+Kse*SE′+Kres*RES′

(6)

其中：SN′是該炮歸一化后的信噪比；Ksn該炮的信噪比所占權重；SE′是該炮歸一化后的能量；Kse是該炮能量所占權重；RES是該炮歸一化后的分辨率；Kres是該炮的分辨率所占權重。

由于炮點的信噪比、能量及分辨率的值的范圍不在同一數(shù)量級上，在同一權重的情況下，容易造成只凸顯大值的效果。為了消除這一影響，這里首先將炮點的能量、信噪比和分辨率的值按公式(7)做了歸一化，將它們的值歸一化到[0，255]區(qū)域：

(7)

其中:Vmax是(能量、信噪比和分辨率)的最大值；Vmin是(能量、信噪比和分辨率)的最小值；V是(能量、信噪比和分辨率)的某一值。

3.3兩種屬性融合模式的比較

圖5為大慶某工區(qū)部分炮基于校準系數(shù)屬性融合模式和基于變權重屬性融合 模式的散點渲染成圖，其中，k=0.4，Ksn=1/3，Kse=1/2，Kres=1/6。圖6為該工區(qū)兩種屬性融合模式的散點渲染成圖和插值網格化成圖的疊合顯示。從圖6(a)中可以看出，在三個屬性權重相等的情況下，某個屬性凸顯大值的情況比較明顯，在圖6(b)中經過歸一化之后的屬性融合比較平滑，沒有凸顯大值的情況，比較符合實際情況，其中呈現(xiàn)黃色、橙色或紅色的區(qū)域的炮點采集質量較高。

圖5　屬性融合散點成圖Fig.5　The scatter plot of fused properties(a)基于校準系數(shù)的融合模式;(b)基于變權重的融合模式

圖6　屬性融合疊合成圖Fig.6　The superimposed image of fused properties(a)基于校準系數(shù)的融合模式;(b)基于變權重的融合模式

4結論

基于ArcGIS組件強大的空間分析和處理能力，實現(xiàn)快速縮放、平移和導航等操作的同時，能夠在對地震采集屬性散點渲染成圖以及插值網格化成圖時獲得較好效果和較高效率，進而直觀地反映出能量、信噪比和分辨率強弱的分布情況及它們的綜合表現(xiàn)情況，再結合衛(wèi)星照片和高程數(shù)據(jù)上的巖性、濕度和坡度等信息，就可以較好地判斷地震采集質量的好壞。另外，利用ArcGIS強大的可視化能力,可以進行疊前疊后聯(lián)動顯示(即地表上面是采集現(xiàn)場炮點和檢波點的三維顯示，地表下面是對應炮疊后數(shù)據(jù)的三維顯示)，這樣就可以將地震勘探中分離開來的采集、處理和解釋三個環(huán)節(jié)在某種程度上聯(lián)系起來。

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A comprehensive analysis and evaluation technology of seismic acquisition quality based on ArcGIS

CHEN De-wu,HE Xin,WANG Wan-li,WEI Xin-jian,LU Juan

(Research Institute of Petroleum Exploration &Development-NorthWest,PetroChina,Lanzhou730020，China)

Abstract:Aiming at the deficiency in automation and scientization of the traditional method of seismic acquisition quality control,we designed and implemented a comprehensive analysis and evaluation technique of seismic acquisition quality based on ArcGIS framework.Using powerful spatial data analysing and modeling capabilities of ArcGIS framework,we completed the design of observing system of current workspace,and combined with high-resolution satellite imagery and digital elevation model(DEM) data.We finished rendering analysis and grid analysis of workspace shots' signal to noise ratio,energy and resolution.Finally,we made a fusion of these three attribute values based on certain rules to finish a comprehensive analysis and evaluation of the quality of the seismic acquisition.

Key words:seismic acquisition;quality analysis and evaluation;ArcGIS;shot attribute;attribute mapping;attribute fusion

收稿日期：2015-03-20改回日期：2015-09-29

基金項目:中國石油天然氣集團公司科技管理部(2011B-3707)

作者簡介：陳德武(1987-)，男，碩士，主要從事數(shù)據(jù)挖掘與地學軟件方面的研究，E-mail:542032853@qq.com。

文章編號：1001-1749(2016)02-0259-05

中圖分類號：P 631.4

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.02.18