基于DEM數(shù)據(jù)體的山地地形地類劃分方法及在物探經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

楊連剛，江民，潘樹林，羅新生，宋金鵬，羅姜民

(1.中國(guó)石油塔里木油田公司，新疆庫(kù)爾勒 841000； 2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 610500)

0 引言

塔里木盆地庫(kù)車和塔西南山前受構(gòu)造擠壓、沉積風(fēng)化等因素影響，地表發(fā)育山體、溝壑等多種地形，施工條件復(fù)雜[1-5]。在地震采集項(xiàng)目部署、技術(shù)方案論證、工程造價(jià)測(cè)算等環(huán)節(jié)均需對(duì)山地地形地類進(jìn)行詳細(xì)劃分。傳統(tǒng)方法通常采用多輪次聯(lián)合野外踏勘方式，在踏勘效率、成本、安全性與全面性等方面均存在較大不足，主要體現(xiàn)在：①室內(nèi)地形地類劃分以遙感信息和人工目視解譯為主，多為定性評(píng)價(jià)，對(duì)地形、地貌信息的定量表征較少；②野外踏勘能夠到達(dá)的實(shí)際區(qū)域受限，存在“以偏概全、以點(diǎn)概面”的問題；③室內(nèi)地形地類劃分需收集大量資料，同時(shí)需要人工識(shí)別和統(tǒng)計(jì)，耗時(shí)較長(zhǎng)；④野外踏勘需要大量人力和物力，同時(shí)難以進(jìn)入尚未修路的工區(qū)，短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)分區(qū)。

近年來，隨著中秋1、博孜9等油氣藏的相繼發(fā)現(xiàn)，復(fù)雜山前構(gòu)造帶勘探力度持續(xù)加大，地震采集呈現(xiàn)出工作量大、周期短、節(jié)奏快、復(fù)雜程度日趨增高等特點(diǎn)[6-9]，僅僅通過野外踏勘劃分地形地類已無法滿足油田生產(chǎn)快節(jié)奏、科學(xué)化的發(fā)展需求，亟需探索一種科學(xué)合理、客觀、經(jīng)濟(jì)高效、可重復(fù)性強(qiáng)的地形地類劃分方法，以便準(zhǔn)確地掌握復(fù)雜山地工區(qū)的炮、檢點(diǎn)地形地類構(gòu)成，從而更好地滿足地震采集項(xiàng)目成本測(cè)算的需求。

高精度遙感信息廣泛運(yùn)用于國(guó)土資源調(diào)查、區(qū)域地貌研究、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防、地震采集方案優(yōu)選等方面。封志明等[10]利用遙感信息研究地形起伏度與人口分布的相關(guān)性；朗玲玲等[11]提出多尺度數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)提取起伏度劃分低山丘陵區(qū)地形、地貌；牛全富等[12]從坡度、起伏度等地形特征要素中優(yōu)選敏感因子實(shí)現(xiàn)了黃土區(qū)滑坡災(zāi)害分級(jí)預(yù)測(cè)；葉勇等[13]為改善高、陡山地極低信噪比地區(qū)測(cè)線的采集條件和可實(shí)施性，通過人工加權(quán)高程、坡度、相對(duì)濕度、巖性等信息計(jì)算出評(píng)價(jià)因子優(yōu)選地震測(cè)線部署方案；陳學(xué)強(qiáng)等[14]、張友焱等[15]提出利用高程、坡度等逐點(diǎn)優(yōu)選檢波點(diǎn)改善地震資料品質(zhì)；趙邦六等[16]、陳德武等[17]介紹了遙感技術(shù)在地震采集方面發(fā)揮的重要作用，并指出遙感信息在地震勘探中的應(yīng)用潛力需進(jìn)一步挖掘。山地地形地類劃分通常根據(jù)海拔高程并結(jié)合坡度、起伏度，由于地區(qū)特性和研究需要不同，劃分方式和標(biāo)準(zhǔn)也大不相同。前人的研究由于計(jì)算地理尺度較大，同時(shí)地震采集施工難度表征具有一定特殊性，無法直接應(yīng)用，但為本次研究提供了“利用DEM數(shù)據(jù)體來劃分山地地形地類”的技術(shù)思路。

結(jié)合多年生產(chǎn)實(shí)踐，本文提出一種基于高精度DEM數(shù)據(jù)體炮、檢點(diǎn)地形地類量化評(píng)價(jià)方法，通過提取遙感信息中的坡度、起伏度、縱深距離等地形特征要素定量表征野外施工難度，并在當(dāng)前塔里木盆地地震采集工程造價(jià)水平下，依據(jù)不同要素特點(diǎn)，合理建立地類劃分區(qū)間，實(shí)現(xiàn)地形地類的準(zhǔn)確劃分。

1 方法原理

目前影響塔里木盆地山地地震采集項(xiàng)目施工難度的主要因素有山地高大程度、山體風(fēng)化破碎程度、山地縱深距離、山地地表巖性等。其中地表巖性主要影響鉆井施工，而該部分在工程造價(jià)中已有明確的補(bǔ)償系數(shù)，因此在地形地類中暫不考慮。在近年山地地形地類劃分實(shí)踐過程中，將地形特征要素中的起伏度、坡度和縱深距離作為劃分地貌類型的3個(gè)重要指標(biāo)。

1.1 地形特征要素基本概念

1.1.1 起伏度

起伏度是指在當(dāng)前位置一定空間范圍內(nèi)，最高點(diǎn)與最低點(diǎn)海拔高度的差值[18]，可作為地震地形地類劃分過程中描述山體區(qū)域地形特征的宏觀指標(biāo)，主要反映山體高大程度(圖1)。它表征地震施工縱向上采集設(shè)備搬遷等施工難度。地形起伏度R的計(jì)算公式為

圖1 地形起伏度計(jì)算示意圖

R=Hmax-Hmin

(1)

式中Hmax、Hmin分別表示計(jì)算范圍內(nèi)DEM高程?hào)鸥駭?shù)據(jù)體的最大值、最小值。

1.1.2 坡度

圖2 高程網(wǎng)格(左)及地形坡度計(jì)算示意圖(右)

(2)

利用三階反距離平方權(quán)差分代替微分，則離散形式為

(3)

(4)

式中：h11、h12、h13、…、h32、h33為對(duì)應(yīng)高程?hào)鸥駭?shù)據(jù)的值；dx為柵格間距，即DEM數(shù)據(jù)體的精度；Hx、Hy分別為x、y方向差分算子。

1.1.3 縱深距離

為完善起伏度、坡度兩個(gè)地形特征要素在表征山地縱、橫向上施工搬遷難度的不足，引入縱深距離的概念，其為從當(dāng)前位置沿山體邊界法線方向向內(nèi)延伸的距離，它也是描述山體區(qū)域地形特征的一個(gè)宏觀指標(biāo)，在起伏度和坡度劃分結(jié)果的基礎(chǔ)上調(diào)整地類，從而更準(zhǔn)確的表征野外施工難度。

為計(jì)算方便，利用角平分線法將山體按照不同距離建立若干個(gè)與山體邊界等距離區(qū)域，即多個(gè)山體邊界縱深距離分析區(qū)?？v深距離分析區(qū)內(nèi)任意位置沿其法線方向距離山體邊界相等。

圖3 山體邊界縱深距離分析示意圖

(6)

(7)

(8)

(9)

重復(fù)計(jì)算式(6)～式(9)即可求得縱深距離為L(zhǎng)的分析區(qū)邊界點(diǎn)坐標(biāo)。

1.2 鄰域大小計(jì)算和地類劃分區(qū)間確定方法

上述起伏度、坡度、縱深距離等地形特征要素能否準(zhǔn)確表征山體施工難度，關(guān)鍵在于3個(gè)方面：DEM數(shù)據(jù)體的分辨率大??；地形特征要素中起伏度、坡度的最佳鄰域大小；各地形特征要素的地類劃分區(qū)間。

由于地形地類劃分主要應(yīng)用于地震采集技術(shù)經(jīng)濟(jì)技術(shù)一體化評(píng)價(jià)，側(cè)重于地震采集工程造價(jià)，不需采集方案設(shè)計(jì)中炮、檢點(diǎn)優(yōu)化選點(diǎn)布設(shè)那么高要求如(大于或等于5 m的DEM數(shù)據(jù)體分辨率)，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)體獲取難度和近年生產(chǎn)實(shí)踐，認(rèn)為DEM數(shù)據(jù)體分辨率大于或等于10 m即可。

為適應(yīng)塔里木盆地山地復(fù)雜多樣，這里分別采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的兩種方法：一是均值變點(diǎn)法，用于求取地形特征要素的計(jì)算鄰域大小；二是自然間斷分級(jí)法，用于求取地形特征要素的地類劃分區(qū)間。

1.2.1 均值變點(diǎn)法

(10)

(11)

Ti=S-Si

(12)

當(dāng)Ti取最大值時(shí)對(duì)應(yīng)位置為變點(diǎn)位置，即最佳的地形特征要素計(jì)算鄰域。

1.2.2 自然間斷分級(jí)法

自然間斷法是地理信息中的一種分類區(qū)間確定方法[20]，該方法能依據(jù)數(shù)據(jù)的分布特征，將數(shù)據(jù)按照區(qū)間內(nèi)相似性最高、區(qū)間之間差異性最大劃分為多個(gè)區(qū)間。

數(shù)據(jù)序列平均值的偏差平方和SDAM記作

(13)

SDCM1=SDCMi1+SDCMi2+…+SDCMik

(14)

最后利用方差擬合優(yōu)度GVF驗(yàn)證

(15)

GVF的取值范圍為0～1，其值越大表示組間差異越大。在地形地類劃分中，一般認(rèn)為GVF≥0.7時(shí)，自然間斷法計(jì)算的分類結(jié)果較好。

1.3 綜合劃分地形地類

依照中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司現(xiàn)行定額標(biāo)準(zhǔn)，塔里木盆地地形地類有山地、戈壁、平原農(nóng)田、沼澤水網(wǎng)和沙漠共5種地表類型。山地地震項(xiàng)目一般包括山地地表類型與戈壁、農(nóng)田、沼澤水網(wǎng)3種非山地地表類型。山地地形劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，當(dāng)前劃分標(biāo)準(zhǔn)多為定性描述，受主觀因素影響大。

表1 塔里木盆地山地地形地類劃分現(xiàn)行定額標(biāo)準(zhǔn)

為使山地地類劃分工作在現(xiàn)行定額下相對(duì)客觀合理、劃分過程利于量化統(tǒng)一，提出了一種劃分方法(圖4)，利用10 m精度DEM數(shù)據(jù)體計(jì)算坡度、起伏度、縱深距離，并依據(jù)施工難度將山地地類由小到大劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ及Ⅵ類；非山地由于區(qū)域連續(xù)且范圍較小，可直接通過高清衛(wèi)片結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況劃分地表類型及難度類別。

圖4 塔里木油田地震項(xiàng)目地形地類劃分示意圖

首先利用起伏度、坡度劃分地形地類，將任意DEM數(shù)據(jù)體柵格位置由起伏度地類劃分結(jié)果記作IR(x,y)，坡度地類劃分結(jié)果記作Iθ(x,y)，取值為0、1、2、3、4、5、6，分別對(duì)應(yīng)非山地、Ⅰ類山地、Ⅱ類山地、Ⅲ類山地、Ⅳ類山地、Ⅴ類山地、Ⅵ類山地等7種地類，計(jì)算起伏度、坡度兩者劃分結(jié)果最大值，得到的地類記作YZ0(x,y)，即

YZ0(x,y)=max[IR(x,y),Iθ(x,y)]

(16)

式中YZ0(x,y)表征山地施工難度。實(shí)際生產(chǎn)表明，Ⅲ類及Ⅲ類以上山體包圍的區(qū)域(如山間相對(duì)平坦的區(qū)域或更加陡峭的區(qū)域)施工難度會(huì)較該區(qū)域直接計(jì)算結(jié)果大，為進(jìn)一步刻畫此類區(qū)域搬遷距離對(duì)施工難度的影響，利用縱深距離對(duì)YZ0(x,y)做一定調(diào)整。沿Ⅲ類山體邊界建立3個(gè)不同縱深距離分析區(qū)，不同縱深距離地類調(diào)整因子記作D0(x,y)，即

(17)

(18)

圖5為山地地形地類自動(dòng)劃分的計(jì)算流程，在利用上述方法計(jì)算部署地震采集項(xiàng)目綜合地形地類之后，根據(jù)炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)、微測(cè)井點(diǎn)坐標(biāo)提取、統(tǒng)計(jì)每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)地類，結(jié)合地表巖性即可快速得到地震采集工程計(jì)價(jià)清單，從而實(shí)現(xiàn)高效測(cè)算項(xiàng)目工程造價(jià)，在采集設(shè)計(jì)階段完成經(jīng)濟(jì)技術(shù)一體化評(píng)價(jià)，從而優(yōu)選采集設(shè)計(jì)方案。

圖5 塔里木油田山地地形地類自動(dòng)劃分計(jì)算流程

2 地形地類劃分關(guān)鍵參數(shù)

2.1 坡度、起伏度的計(jì)算鄰域的確定

為確定地形地類劃分中坡度、起伏度的最佳計(jì)算鄰域，選取秋里塔格構(gòu)造帶典型山地地表西秋—卻勒—佳木段中的佳木地區(qū)作為分析數(shù)據(jù)(圖6a藍(lán)色區(qū)域)，并利用前文介紹的均值變點(diǎn)法分別計(jì)算(采用航拍的1 m精度DEM數(shù)據(jù)體)100 m×100 m、200 m×200 m、…、1000 m×1000 m范圍下的起伏度平均值和3.0 m×3.0 m、7.5 m×7.5 m、15.0 m×15.0 m、…、90.0×90.0 m范圍下坡度平均值作為均值變點(diǎn)分析序列。

如圖6所示，計(jì)算結(jié)果表明起伏度平均值隨鄰域大小增加而增加，變點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)鄰域大小為500 m，坡度平均值隨鄰域大小增加而減小，變點(diǎn)位置計(jì)算鄰域大小為30 m，即起伏度、坡度對(duì)應(yīng)的最佳計(jì)算鄰域大小分別為500 m和30 m。

圖6 坡度、起伏度對(duì)應(yīng)的計(jì)算鄰域

根據(jù)近年塔里木油田地震采集現(xiàn)場(chǎng)地形地類劃分經(jīng)驗(yàn)，將塔里木盆地地震采集地形地類劃分中山地定義為： 500 m計(jì)算范圍內(nèi)起伏度大于30 m或30 m計(jì)算范圍內(nèi)坡度大于5°(以DEM數(shù)據(jù)體分辨率≥10 m計(jì)算)的地表或第四系西域組以下老地層出露區(qū)。

依據(jù)上述定義計(jì)算出的西秋—卻勒—佳木段山地區(qū)域(圖6f黑色陰影部分)與DEM數(shù)據(jù)體吻合較好，同時(shí)秋里塔格構(gòu)造帶和克拉蘇構(gòu)造帶劃分出的山地分布區(qū)域與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形高度吻合，表明此類山地與非山地劃分方法可行、有效。

2.2 起伏度、坡度地類劃分區(qū)間確定

為得到適用于整個(gè)塔里木盆地山地地類坡度和起伏度的合理劃分區(qū)間，選取近三年新采集且具有代表性的6個(gè)地震采集項(xiàng)目用于分析，包括庫(kù)車山前的佳木3、卻勒4、克深1三維，柯坪地區(qū)的柯坪4、沙井子二維以及塔西南山前的烏泊爾二維。將山地地形地類劃分為非山地和山地共7種類型，利用自然間斷法分別計(jì)算坡度和起伏度計(jì)算劃分區(qū)間，并計(jì)算方差擬合優(yōu)度，計(jì)算結(jié)果見表2、表3。計(jì)算結(jié)果表明，采用自然間斷法分類計(jì)算出的各項(xiàng)目起伏度、坡度方差擬合優(yōu)度為0.96～0.98，表明該方法在山地地類劃分中是有效的。各項(xiàng)目之間的劃分結(jié)果雖然存在一定差異，但整體比較接近。由于二維項(xiàng)目工區(qū)跨度大于三維項(xiàng)目，其區(qū)間劃分范圍較三維項(xiàng)目稍大一些。

為統(tǒng)一地類劃分的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)與當(dāng)前塔里木油田地震采集工程造價(jià)水平和現(xiàn)有地類劃分認(rèn)識(shí)相適應(yīng)，需對(duì)坡度和起伏度地類劃分區(qū)間做出一定調(diào)整，調(diào)整后分類方案如表2、表3所示。從表可見，調(diào)整后所有項(xiàng)目方差擬合優(yōu)度均大于0.91，表明調(diào)整后地類劃分區(qū)間的聚類效果仍然合理。

表2 自然間斷法起伏度分析結(jié)果

表3 自然間斷法坡度分析結(jié)果

3 應(yīng)用實(shí)例——以庫(kù)北1三維為例

庫(kù)北1三維構(gòu)造位置位于庫(kù)車坳陷北部構(gòu)造帶庫(kù)北單斜帶，南部緊鄰克拉蘇構(gòu)造帶，位于阿克蘇地區(qū)拜城縣境內(nèi)，部署工作量偏移處理前的滿覆蓋面積為194.72 km2，其中東西長(zhǎng)19.8 km、南北寬9.4 km。

工區(qū)地形地貌以山地地表(圖7)為主，中部主體為一般山地，北部為落差較大的高難山體，非山體地表為戈壁。高密度采集中炮點(diǎn)范圍海拔高程為1550～2750 m，檢波點(diǎn)范圍海拔高程為1450～2900 m，屬于庫(kù)車山前典型的復(fù)雜山地地表類型。以往利用野外踏勘與衛(wèi)片結(jié)合的方式劃分地形地類，難以高效準(zhǔn)確地表征項(xiàng)目施工難度。

圖7 庫(kù)北1三維工區(qū)地理信息

工區(qū)選取5處典型地表位置(圖8a中的A～E處)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證標(biāo)定，并利用起伏度和坡度劃分地形地類(圖8b)，仔細(xì)對(duì)比可以看出，劃分結(jié)果與實(shí)際地表情況基本相符，但工區(qū)北部和中部Ⅲ類及Ⅲ類以上包圍的高難山體區(qū)域局部地類偏低(圖8b中的C和E處)，沿Ⅲ類山體邊界建立不同縱深距離分析區(qū)(圖8c)來調(diào)整地類，并依據(jù)縱深距離大小對(duì)地形地類進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的地類(圖8d)與實(shí)際地表更加吻合，劃分結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定結(jié)果一致。

圖8 庫(kù)北1三維工區(qū)地形地類劃分

在地震采集部署設(shè)計(jì)階段，一般會(huì)結(jié)合地質(zhì)任務(wù)和工區(qū)特點(diǎn)提出2或3種采集方案，庫(kù)北1三維工區(qū)共有2種設(shè)計(jì)了2種采集方案(表4)。

分別根據(jù)2種方案炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)坐標(biāo)位置提取對(duì)應(yīng)的地類，并統(tǒng)計(jì)得到炮點(diǎn)點(diǎn)、接收點(diǎn)不同地類占比(圖9)。兩種方案不同地表類型炮點(diǎn)、接收點(diǎn)占比較為接近，非山地約占8%，Ⅰ類～Ⅲ類山體約占72%，Ⅳ類～Ⅵ類山體占20%。

圖9 庫(kù)北1三維工區(qū)激發(fā)點(diǎn)、接收點(diǎn)不同地類占比柱狀圖

在觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合激發(fā)參數(shù)、接收參數(shù)和近地表巖性及厚度情況，即可快速獲得量化后的用于項(xiàng)目工程造價(jià)測(cè)算清單，為經(jīng)濟(jì)技術(shù)一體化評(píng)價(jià)優(yōu)選出最佳采集方案提供決策依據(jù)。

依據(jù)塔里木油田地震項(xiàng)目工程計(jì)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別計(jì)算表4和表5測(cè)算清單工程造價(jià)，方案1較方案2在炮道密度提升36.64萬道/km2的同時(shí)，每平方公里地震采集項(xiàng)目施工費(fèi)用單價(jià)降低0.99%，節(jié)約成本約115.94萬元。綜合考慮成本和采集效果，方案1明顯優(yōu)于方案2，這種“以道換炮”提高炮道密度、降低勘探成本的策略在塔里木探區(qū)山地地震采集經(jīng)常用到。

表4 庫(kù)北1三維觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

表5 庫(kù)北1三維項(xiàng)目采集方案1測(cè)算清單

目前基于起伏度、坡度、縱深距離三地形特征要素的復(fù)雜山地炮、檢點(diǎn)地形地類高效劃分方法已經(jīng)應(yīng)用到塔里木油田近3年全部山地地震采集項(xiàng)目經(jīng)營(yíng)測(cè)算和經(jīng)濟(jì)技術(shù)一體化評(píng)價(jià)中，并以此研發(fā)了基于GIS平臺(tái)的復(fù)雜山地地震智能工程造價(jià)系統(tǒng)。該方法大大提高了地形地類劃分的客觀性和科學(xué)性，野外踏勘周期從1周以上縮短至1天，同時(shí)踏勘范圍也從以往全工區(qū)踏勘轉(zhuǎn)變成安全有效的局部針對(duì)性踏勘，整個(gè)采集項(xiàng)目地類劃分周期由以往的1周以上縮減至2天以內(nèi)。

表6 庫(kù)北1三維項(xiàng)目采集方案2測(cè)算清單

4 結(jié)束語

針對(duì)山地地形地類存在的諸多問題，創(chuàng)新性地提出了一種利用起伏度、坡度、縱深距離高效劃分山地地形地類的方法，將地形地類劃分周期縮短至2天以內(nèi)，大幅提高了經(jīng)濟(jì)技術(shù)一體化評(píng)價(jià)工作的效率和科學(xué)性。

實(shí)際應(yīng)用表明，引入縱深距離這一地形特征要素后，標(biāo)定結(jié)果更加精準(zhǔn)，有效彌補(bǔ)了僅采用起伏度、坡度一些特殊區(qū)域(Ⅲ類及Ⅲ類以上山體包圍區(qū)的施工困難區(qū))地類劃分存在的不足，可進(jìn)一步提高地形地類劃分結(jié)果的可靠性。

此次地形地類劃分方法研究工作主要建立在塔里木探區(qū)工程造價(jià)水平上，各探區(qū)地震工程造價(jià)水平存在一定差異，其他探區(qū)通過結(jié)合自身工程造價(jià)水平適當(dāng)調(diào)整地類劃分參數(shù)后，該技術(shù)具備較好的推廣應(yīng)用潛力。