基于航測影像的復(fù)雜地表地震采集工程施工設(shè)計方法

涂偉，王大明，査柏源，陳旭東

(中石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司新疆物探處，新疆 烏魯木齊 830016)

基于航測影像的復(fù)雜地表地震采集工程施工設(shè)計方法

涂偉，王大明，査柏源，陳旭東

(中石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司新疆物探處，新疆 烏魯木齊 830016)

復(fù)雜地表條件帶來的未知因素，無法保證地震采集工程施工設(shè)計對地表地物的適應(yīng)性、時間順序的合理性以及技術(shù)設(shè)計與實施符合的準(zhǔn)確性，從而無法保證地震數(shù)據(jù)質(zhì)量和提高項目效益，限制了“兩寬一高”地震勘探技術(shù)的廣泛應(yīng)用。基于航測影像的無人機航測遙感技術(shù)能夠獲取高分辨率地面影像及高程數(shù)據(jù)技術(shù)，可為復(fù)雜地表區(qū)域的“兩寬一高”地震勘探技術(shù)提供實時精準(zhǔn)的地表數(shù)據(jù)支持，在順利完成地震采集工作的同時提高采集效率，且在環(huán)境保護方面效果顯著。

地震采集； 兩寬一高；施工設(shè)計；航測影像；復(fù)雜地表

近年來，隨著“兩寬一高”地震勘探技術(shù)的應(yīng)用，地震資料品質(zhì)有了大幅提升，以往無法進入的復(fù)雜地表區(qū)域也被納入“兩寬一高”地震勘探技術(shù)的應(yīng)用范圍。但是，復(fù)雜地表條件帶來的未知因素，無法保證地震采集工程施工設(shè)計對地表地物的適應(yīng)性、時間順序的合理性以及技術(shù)設(shè)計與實施符合的準(zhǔn)確性，從而無法保證地震數(shù)據(jù)質(zhì)量和提高項目效益，限制了“兩寬一高”地震勘探技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

1 復(fù)雜地表地震采集工程施工設(shè)計面臨問題

1.1 面臨問題

地震采集工程施工設(shè)計是用來指導(dǎo)地震采集項目全過程各項活動的綜合性文件，是采集技術(shù)與項目管理有機結(jié)合的產(chǎn)物，保證地震采集工程施工活動有序、高效、科學(xué)合理地進行。地震采集工程施工設(shè)計對提高地震采集項目的質(zhì)量、效率和效益起著重要的支撐作用，該作用在復(fù)雜地表的地震采集項目中表現(xiàn)得更為突出。隨著地震勘探領(lǐng)域的延伸，地震采集工程面對的地表環(huán)境越來越復(fù)雜，主要表現(xiàn)在地表分布有城鎮(zhèn)、村莊、農(nóng)田、農(nóng)場、工廠、廠礦、公路等人工活動的地物以及沙漠、山地、湖泊、沼澤和河流等自然形成的地物，一般一個地震采集項目要穿過一種或多種地表地物。上述地表地物是實施地震采集項目的噪聲源和障礙物，加重地震數(shù)據(jù)的噪聲，降低地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量，阻礙地震采集設(shè)備和人員通行，降低施工效率和效益。因此，地震采集工程施工設(shè)計對地表地物的適應(yīng)性、時間順序的合理性以及技術(shù)設(shè)計與實施符合的準(zhǔn)確性，是保證數(shù)據(jù)質(zhì)量和提高項目效益的重要基礎(chǔ)。要做好上述3點的關(guān)鍵是運用詳細、準(zhǔn)確的數(shù)字化地表信息，按照采集技術(shù)設(shè)計要求安排采集工程實施的方式、時間、順序和路徑。實施方式是指采用什么方式激發(fā)和接收，實施時間是指能順利實施采集并且最有利于資料品質(zhì)的季節(jié)，實施順序是指是否劃區(qū)塊實施采集和區(qū)塊采集的方向性，實施路徑是指施工班組的先后次序以及各種設(shè)備的采集線路。

目前，地震采集工程施工設(shè)計雖然能夠應(yīng)用部分數(shù)字化的地表地物信息，但是由于地表信息的精度和信息量低，同時缺乏相應(yīng)的技術(shù)手段，造成施工設(shè)計難以滿足實際需求，影響了采集工程的質(zhì)量和效益。上述影響在以“兩寬一高”地震勘探為主的地震采集項目中更加明顯，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1)地表地物的適應(yīng)性 隨著地震勘探技術(shù)的發(fā)展，以往多為區(qū)域格架二維勘探的復(fù)雜地表區(qū)域重新被納入精細三維勘探范圍。該類區(qū)域地表起伏劇烈、障礙物多、地物地貌變化大，由激發(fā)和接收方式確定的采集方法及設(shè)備能否適用于項目，取決于對工區(qū)地表起伏落差的大小、障礙物的分布和地物地貌的變化情況的了解程度。

2)時間順序的合理性 選擇合適的采集時間及順序，對地震勘探的資料品質(zhì)影響非常大。比如農(nóng)田區(qū)勘探，在秋收后進行采集會減少很多干擾；北方水域多的區(qū)塊，選擇冬季上凍后采集；沙漠地區(qū)，冬季風(fēng)少、行走條件好；遇上工區(qū)內(nèi)分布有煤礦、砂石廠等，選擇企業(yè)修工期采集更有利于施工。如果遇上工區(qū)內(nèi)包含多種地物地貌，合理安排采集時間和施工順序，才能使外界干擾最小化。

3)技術(shù)設(shè)計與實施符合的準(zhǔn)確性 為了得到高品質(zhì)地震勘探資料，完成地質(zhì)任務(wù)，就必須保證項目實施與技術(shù)設(shè)計的高度一致性。

項目實施中存在以下3方面困難：

1)合理布設(shè)炮點困難 炮點的布設(shè)不但要選擇激發(fā)效果好的區(qū)域，避開障礙物，盡量不空炮或少空炮，還需要滿足鉆機或可控震源易于到位施工，減少推土機修路帶來的環(huán)境破壞，減少鉆井進尺節(jié)約成本，讓可控震源在采集時更有連續(xù)性。如僅靠測量人員在施工現(xiàn)場依靠目測進行炮點放樣，無法兼顧上述內(nèi)容。

2)修路困難 對于越來越高的環(huán)保要求，推土機在公益林、動植物保護區(qū)內(nèi)不允許作業(yè)，僅能對以往老測線進行修繕，起伏變化劇烈區(qū)域也只能以修通道為主，不再允許每條測線一推到底。因此，推土機修路要少推、不推、能繞就繞，而且還要保證鉆機和可控震源在施工時能通過，采集時有連續(xù)性。

3)規(guī)劃采集線路困難 采集線路的規(guī)劃需要易于通行、減少繞路，能隨時應(yīng)對采集線束的變化，達到提高采集效率的目的。

1.2 現(xiàn)狀

在項目實施中，為了提高地表地物的適應(yīng)性、時間順序的合理性、技術(shù)設(shè)計與實施符合的準(zhǔn)確性，目前在復(fù)雜區(qū)勘探施工時均采用公共資源的衛(wèi)星圖片進行施工設(shè)計工作。

優(yōu)點：①免費使用公共資源；②可使炮點布設(shè)更合理、環(huán)境破壞更少、采集線路通行更方便。

缺點：①公共資源衛(wèi)星圖片平面及高程分辨率低，平面上無法分辨1m以內(nèi)物體，高程上無法分辨10m以內(nèi)起伏；②坐標(biāo)有偏差，部分偏差較大區(qū)域需要進行校正后才能使用；③數(shù)據(jù)陳舊，與工區(qū)現(xiàn)狀有差異，特別是城鄉(xiāng)村莊等區(qū)域；④不能進行數(shù)字化利用。

2 航測影像技術(shù)

航測影像是指通過無人機航測遙感技術(shù)，對地表影像、高程進行獲取，并最終形成詳細、準(zhǔn)確的數(shù)字化地表信息。航測影像的特點是分辨率高、精度高、數(shù)據(jù)時效性強，并可以對地表信息進行數(shù)字化處理。

使用基于航測影像的地震采集工程施工設(shè)計方法，其思路就是利用航測影像的高分辨率、高精度，識別地物、地貌和障礙物，選擇合理施工時間和順序，在室內(nèi)通過數(shù)字化航測影像數(shù)據(jù)，幫助布設(shè)炮檢點、修繕通道、規(guī)劃采集線路，從而解決施工設(shè)計對地表地物的適應(yīng)性、時間順序的合理性、技術(shù)設(shè)計與實施符合的準(zhǔn)確性3方面的問題。

2.1 方法流程

圖1 基于航測影像的地震采集施工設(shè)計方法流程圖

基于航測影像的地震采集施工設(shè)計方法流程如圖1所示，分為6個步驟：①通過無人機航測遙感技術(shù)，獲取地表高分辨率、高精度的影像及高程，并形成數(shù)字化的影像數(shù)據(jù)；②通過軟件對航測影像數(shù)據(jù)進行處理，形成可編輯、易操作的數(shù)據(jù)格式；③技術(shù)人員通過軟件在室內(nèi)對炮檢點進行布設(shè)，并形成數(shù)據(jù)交付測量組；④測量組現(xiàn)場實施人員根據(jù)炮檢點室內(nèi)布設(shè)成果，結(jié)合野外實際情況進行現(xiàn)場放樣；⑤綜合航測影像數(shù)據(jù)、炮檢點放樣成果、推土機航跡、技術(shù)人員踏勘線路，進行室內(nèi)通行線路編輯，規(guī)劃成采集線路網(wǎng)絡(luò)；⑥將航測影像數(shù)據(jù)和采集線路網(wǎng)絡(luò)加載到可視化導(dǎo)航設(shè)備上，采用航跡導(dǎo)航方法采集[1]。

2.2 主要配套技術(shù)

基于航測影像的地震勘探預(yù)設(shè)計方法，主要應(yīng)用地表屬性信息提取、炮檢點室內(nèi)布設(shè)、實施路徑規(guī)劃與修繕、航跡導(dǎo)航等4個技術(shù)。

2.2.1地表屬性信息提取技術(shù)

室外通過無人機航測遙感獲取高分辨率地表影像及高程數(shù)據(jù)，通過地面像控點對數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)及高程校正，最終得到誤差2m、分辨率20cm的高清影像及3m采樣高程數(shù)據(jù)。室內(nèi)通過對影像和高程數(shù)據(jù)的編輯處理，可生成坡度、等高線、三維數(shù)據(jù)和網(wǎng)格數(shù)據(jù)。坡度數(shù)據(jù)可根據(jù)車輛設(shè)備通行情況劃分并用不同顏色區(qū)分；等高線數(shù)據(jù)通過平滑可按生產(chǎn)需要生成最小3m的等高線圖；網(wǎng)格數(shù)據(jù)使炮點的偏移量可視；三維數(shù)據(jù)將施工區(qū)域立體化顯示，使地形起伏、障礙物等顯示得更直觀。

圖2為航測影像生成的多種數(shù)據(jù)圖：圖2(c)為坡度數(shù)據(jù)，按車輛、采集設(shè)備的通行能力，將坡度分為6個檔次，并用不同顏色標(biāo)注(0～10°暢行(無色)、10～15°難行(綠色)、15～20°少修路可行(黃色)、20～25°狠修路可行(橘色)、25～30°狠修路難行(粉紅)、30～90°繞行(深紅))，預(yù)設(shè)計時根據(jù)顏色不同即可對坡度大小做出直觀判斷；圖2(d)為網(wǎng)格數(shù)據(jù)，使炮點偏移量可視，網(wǎng)格大小可根據(jù)需要定義，一般與面元大小相同；圖2(e)為上述4種數(shù)據(jù)的疊加效果圖；圖2(f)為三維數(shù)據(jù)立體圖，在平面上無法做出準(zhǔn)確判斷的區(qū)域在該圖上可以更直觀得顯示。

2.2.2炮檢點室內(nèi)布設(shè)技術(shù)

利用航測影像生成的各種數(shù)據(jù)，對炮檢點提前偏移設(shè)計。設(shè)計遵循以下原則：辨識障礙物及老測線分布，便于炮點借道布設(shè)及設(shè)備通行；躲避坡度較大的陡坡和深溝；炮點布設(shè)必須嚴格執(zhí)行偏移原則，滿足技術(shù)上的要求，布設(shè)盡量均勻、連續(xù)；考慮推土機修路路線，避免后續(xù)施工時來回翻越沙梁子；對現(xiàn)場放樣反饋及通過航測影像檢查的不合理問題及時作出調(diào)整。

圖3(a)為蜂窩狀沙漠區(qū)炮檢點理論位置分布圖，圖中深色區(qū)域為深鍋，亮白色為沙梁子頂；圖3(b)為利用航拍坡度、等高線數(shù)據(jù)進行炮點偏移的圖示?？梢钥闯?，炮點偏移的預(yù)設(shè)計避開了陡坡和深鍋區(qū)域，炮點放樣成果與預(yù)設(shè)計位置趨勢符合，具體位置稍有差異。

2.2.3實施路徑規(guī)劃與修繕技術(shù)

利用航測影像生成的各種數(shù)據(jù)，對推土機修路和通行線路進行提前設(shè)計和規(guī)劃。設(shè)計遵循以下原則：躲避坡度較大的陡坡和深溝，多利用老測線或多條測線共用同一通道，在保證車輛、采集設(shè)備能通過的情況下減少修路的工作量，減少對環(huán)境的破壞，采集線路網(wǎng)絡(luò)必須通暢，保證后續(xù)施工班組的銜接順暢。

圖4(a)為蜂窩狀沙漠區(qū)推土機設(shè)計修繕線路及實際修繕航跡的圖示，圖中彩色線段為設(shè)計修繕線路，白色線段為實際修繕航跡；圖4(b)為利用航拍坡度、等高線數(shù)據(jù)、推土機實際修繕航跡繪制的采集線路網(wǎng)絡(luò)圖，黃色線段即為采集線路網(wǎng)絡(luò)。由圖4可以看出，推土機設(shè)計修繕線路避開了陡坡和深鍋區(qū)域，實際修繕航跡與設(shè)計線路基本符合，具體位置稍有差異；推土機按設(shè)計線路修繕，在避免頻繁繞路、找點、減少工作量的同時完成了修繕工作；采集線路網(wǎng)絡(luò)顯示清晰，連接每個炮點，方便指導(dǎo)采集設(shè)備行走。

圖2 航測影像生成的多種數(shù)據(jù)圖

圖3 炮檢點理論位置(a)與航測影像數(shù)據(jù)(b)對比圖

圖4 推土機修繕線路(a)及采集線路網(wǎng)絡(luò)(b)圖示

圖5 研究區(qū)航測影像

2.2.4航跡導(dǎo)航技術(shù)

應(yīng)用可視化導(dǎo)航設(shè)備，將航測影像作為底圖，加載設(shè)計線路或者采集線路網(wǎng)絡(luò)，指導(dǎo)完成推土機修路、采集等野外施工作業(yè)[1]。應(yīng)用航跡導(dǎo)航技術(shù)，操作手只需通過導(dǎo)航設(shè)備，跟隨線路指示，即可避免頻繁找路、繞路，減少無效施工時間，實現(xiàn)連續(xù)采集，提高效率。

3 應(yīng)用實例及效果

3.1 工區(qū)概況

利用基于航測影像的復(fù)雜地表地震采集工程施工設(shè)計方法在準(zhǔn)噶爾盆地腹部大沙漠區(qū)三維地震資料采集中進行了實際應(yīng)用。研究區(qū)地表大部分為沙漠(約占工區(qū)75%)，沙丘起伏較大，最大高差超過100m，以近南北向主條帶夾雜東西向橫條帶，呈現(xiàn)蜂窩狀分布。研究區(qū)西部為國家級公益林保護區(qū)(約占工區(qū)25%)，植被發(fā)育，地表起伏較為平緩。研究區(qū)航測影像如圖5所示，圖中東部大沙漠區(qū)域起伏明顯，沙梁子清晰可見。

該次研究項目的激發(fā)方式為低頻可控震源1臺1次滑動掃描；觀測方式為正交雙邊放炮；排列形式為20L(3×2)S480R；縱向觀測系統(tǒng)為5987.5-12.5-25-12.5-5987.5，覆蓋次數(shù)為800次，道距25m，接收線距150m，炮點距50m，激發(fā)線距150m。

3.2 應(yīng)用效果

該次研究在準(zhǔn)噶爾盆地大沙漠區(qū)第1次成功應(yīng)用低頻可控震源實施“兩寬一高”技術(shù)，完成規(guī)?；S地震采集工作。

1)降低了測量返工次數(shù) 對比準(zhǔn)噶爾盆地之前某可控震源滑動掃描三維項目，測量因炮點不合理放樣返工復(fù)測樁號1882個，該次項目測量因炮點不合理放樣返工復(fù)測樁號689個。

2)減輕了施工人員的勞動強度 減少測量施工人員來回翻越沙梁子尋找炮點合理布設(shè)位置；減少推土機、可控震源的帶樁號人員；減少推土機司機來回翻越沙梁子查看最佳修路路線；減少司機、震源操作手繞路；減少2名技術(shù)員每天進行工區(qū)路線踏勘。

3)物理點布設(shè)更加合理均勻、環(huán)保 通過炮點布設(shè)預(yù)設(shè)計，炮點布設(shè)更均勻，沒有出現(xiàn)特別大的缺口。大沙漠區(qū)共布設(shè)炮點57267炮，布設(shè)在大于10°半坡上炮點為9854炮。按以往施工方式，大沙漠區(qū)推土機修路長度(炮數(shù)×炮點距)為2863.35km。通過預(yù)設(shè)計，推土機修路充分借用老測線，僅對坡度大于10°區(qū)域的半坡放樣炮點和翻越沙梁子時打通道，坡度小于10°區(qū)域推土機僅路過，修路1852km，減少修路1011.35km。

4)提高了可控震源作業(yè)安全性和效率 炮點布設(shè)盡量避開高陡坡放樣，提高了可控震源在陡坡上的行車安全；根據(jù)航跡網(wǎng)絡(luò)進行采集，提高了可控震源在夜間施工的行車安全。項目采集36d，平均日效2735炮，最高日效4600炮，提高了可控震源在大沙漠區(qū)規(guī)模化三維采集日效。

5)提高了車輛管理的及時性和準(zhǔn)確性 提高了工區(qū)踏勘的準(zhǔn)確性；油罐車能更準(zhǔn)確地找到施工車輛，及時完成加油工作；送飯車能及時地將飯菜送到指定地點；工地緊急救援更加及時；工地檢查更具準(zhǔn)確性和目的性；儀器搬家地點的選擇更簡便，搬家路線更清晰；基地對施工現(xiàn)場的遠程遙控及時、準(zhǔn)確，具有可操作性。

4 結(jié)論

1)基于航測影像的復(fù)雜地表地震采集工程施工設(shè)計方法能使野外炮點布設(shè)更合理，在保證通行的前提下減少推土機修路工作量，能更合理地規(guī)劃通行線路，指導(dǎo)采集。

2)該方法可在復(fù)雜地表區(qū)域的地震勘探項目中推廣，提高經(jīng)濟效益的同時使綠色勘探得以更好的實現(xiàn)。

3)該方法的運用需要多個技術(shù)的配套集成使用。

[1]涂偉，閆杰，夏建軍，等.可控震源航跡導(dǎo)航施工方法及應(yīng)用實例[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2015,13(23)：27～30.

2016-06-14

中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項(2017E-0411)。

涂偉(1982-)，男，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事地震勘探采集方法研究工作，9137801@qq.com。

[引著格式]涂偉，王大明，査柏源，等.基于航測影像的復(fù)雜地表地震采集工程施工設(shè)計方法[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版), 2017,14(23):55～60.

P631.44

A

1673-1409(2017)23-0055-06

[編輯] 龔丹