大地电磁测深资料预处理方法

郭勇

（中国建筑材料工业地质勘查中心福建总队）

大地电磁测深资料预处理方法

郭勇

（中国建筑材料工业地质勘查中心福建总队）

大地电磁测深资料预处理的方法主要有对数据进行平滑、极化视电阻率的识别、静态校正、空间滤波等。对数据进行平滑可以降低和消除负面影响；分析了TE，TM曲线的畸变规律，认识了TE，TM曲线畸变差异；静态校正可以减少静态效应对频率测深曲线的影响；空间滤波是对曲线进行平滑，减少误差，提高资料的质量。

视电阻率；预处理

1　研究意义

在野外勘探中，由于地质不均匀体、工业用电、天然电场等随机干扰的存在，常常使测量数据偏离正常值。这些随机干扰的存在给技术人员正确解释资料带来了困难。对测深资料进行预处理，可以降低和消除负面影响，以提高资料的信噪比，还可以减少静态效应对频率测深曲线的影响，减少误差，提高资料的质量。资料预处理对于资料解释有着很重要的意义。

2　数据平滑

在数据采集中，为保证精度，采用密集的采样方式，所测量得到的数据可达到几十万到几百万个点；另一方面，在测量过程中，由于受测量设备的精度、操作者经验和被测实物表面质量等诸多因素的影响，会产生大量的噪声点，它们的存在影响资料的解释。为降低和消除这种负面影响，须对数据进行平滑。采用平滑处理方法，应力求保持待求参数所能提供的信息不变。

数据的平滑滤波主要有以下三种方式：

（1）中值滤波法。该方法是将最相近的3个点取均值来替代原始点。中值滤波法将采样点的值取滤波窗口内所有数据点的统计中值，所以这种方法在消除数据毛刺效果较好。假设相邻的3点分别为x0，x1和x2，通过中值滤波法平滑获得点x1′，x1′=（x0+ x1+x2）/3，图1，其中，虚线所连接的点表示激光扫描所获得的点，直线所连接的点代表平滑后的点。

图1　中值滤波法

（2）平均值滤波法。该方法是将采样点的值取滤波窗口所有数据点的平均值来取代原始点，改变点的位置，使点平滑。假使相邻的3点分别为x0，x1和x2，通过平均值滤波法平沿很列的新点x1′，x1′=（x0+x1+x2）/3，如图2所示，其中虚线所连的点代表激光扫描得到的点，直线所连的点代表平滑后的点。

图2　平均值滤波法

（3）高斯滤波法。该方法以高斯滤波器在指定域内将高频的噪声滤除。高斯滤波法在指定域内的权重为高斯分布，其平均效果较小，在滤波的同时，能较好地保持原数据的形貌，因而常被使用。

3　TE，TM极化视电阻率曲线的识别方法

根据相关资料的分析可以看出，当测点位于地形或局部异常体附近时，地形或局部异常体使大地电磁测深视电阻率发生畸变，TM曲线畸变要比TE曲线畸变严重。因而，相邻测点的TE视电阻率曲线之间的相关程度要比TM曲线之间的相关程度要好。因此可根据两条视电阻率曲线的相关性来识别TE，TM视电阻率曲线。

对于给定的N组离散数据（Xn，Yn），（N2≥n≥N1），要使Xn与αYn相关。相关系数α的大小反映Xn与Yn相关的程度，可以用误差能量方法求取相关系数：

误差能量为：

由此得到相对误差能量：

其中：

根据许瓦兹不等式，知：

（1）对原始实测视电阻率数据进行平滑。

（2）用标准频率对实测频点进行插值运算，得到同一频点数相对应的视电阻率值Rx（yi，j）或Ry（xi，j）。

（3）分别计算各点与相邻道视电阻率曲线的相关值，得到4个相关因子于地形与静态偏移的影响，实测的TM极化视电阻率比TE极化视电阻率畸变严重，TE极化视电阻率主要反映区域构造特征，因此，相邻测点的TE极化视电阻率曲线之间的相关程度要比TM曲线之间的相关程度要高。根据这一特点，4个相关因子中最大的一个相关因子所对应的两条视电阻率曲线为TE极化视电阻率曲线，如此循环按以上步骤计算，识别整条测线的TE与TM极化视电阻率曲线。

4　静态效应校正

所谓静态效应是当接近地表存在部分导电性不够均匀的物体时，电流经过不均匀体表面从而位于其面上形成“积累电荷”，由此形成一个与外部电流场成正比（比例系数不会随频率变化）的外加电场。它导致实际测量的每个频率的视电阻率，相比较不存在部分不均匀物体时变化一个系数。进而导致绘于双对数标系中的频率测深曲线，顺着视电阻率轴（即纵轴）发生上下平移，当部分不均匀物体为低阻体时，测深曲线向下平移；而若为高阻体，则向上平移。

首先确定工作区的地电条件，选取一个在工作区域内电阻率、深度和厚度都相对稳定的电性层，并且大概估算其在频率测深线上相对应的频段（设为fm～fn，共n-m+1个）。之后计算每个测深点在该频段范围内实际测量的视电阻率的几何平均值：式中：ρsi（fj）为第i个测深点在第j个频率（fj）的视电阻率实际测量值，i为测深点号。

之后，将一滤波函数F作数字滤波运算与相接近的几个测深点（设为D=2L+1个）的平均视电阻率ρa，计算出平均视电阻率的滤波值：?

式中，D=2L+1为滤波窗口宽度；Fk为一低通滤波器的滤波系数；计算出的结果ρLi记在滤波窗口i上。

最后，把各个测点（设为第i点）的均视电阻率ρai去除以滤波值ρLi，得到静校正系数：

以此系数乘相应测点每个频点的视电阻率实际测量值ρsi（fj），便得静校正的视电阻率：

5　空间滤波

在勘探中，由于地质不均匀体、工业用电、天然电场等随机干扰的存在，常常使测量数据偏离正常数值，表现为视电阻率等值线上为杂乱无章的振动或锯齿状跳变，严重的会出现突变点或虚假点。这些随机干扰的因素存在使得视电阻率不能良好的反应地质上异常，就会给技术人员正确解释资料带来了干扰，应对原始数据中的干扰信号加以滤除，以提高资料的信噪比。

利用空间滤波法原理作为随机噪声影响处理的基本出发点，认为由地下地质体引起的视电阻率沿测线的变化是平缓渐变的，那么我们就可以利用一种叫做“中值空间滤波”的方法，对含有干扰的数据进行处理。

中值空间滤波算法的具体步骤如下：

首先，选择在同一个剖面深度的视电阻率值的几何平均：

式中：ρsj为实测视电阻率值；ρsi为第i个剖面深度上由第m至n视电阻率的平均值，称平均视电阻率。在矩型断面里，测线不是太长的状态下，可以令m=1，也就是当测线短，数据量不大时，取首尾（m=1～n）的所有数据参与进行运算；在倒梯型断面里，应用一种递归数据处理程序常用在施伦贝谢尔装置数据采集方式。当程序开始运行时，某个剖面深度上的数据求平均值之后，下个剖面深度上的数据自动减少两个再次进行下一步的运算，由此可知m=m+1，n=n-1，n>m。见图3。

图3　演算示意图

利用另外一种非线性滤波就是中位数法。先分析视电阻率断面图上的等值线变化情形，与测区地质资料相结合，选取多个近似位于同一电性层内的数据求出几何平均值，并按从大到小的顺序排列；再选择“中位数”（位于正中间的数值）用作电性层的背景值ρL。依据实际测量的数据多次实验计算出的结果，选出背景值ρL也就是每条测线里所有视电阻率几何平均值的中位数。用每个剖面的平均视电阻率ρsi除以得到的中位数背景值ρL，得到系数Ki：

最后，以此校正系数Ki乘以相应剖面上的实际测量的视电阻率值，便得到经过滤波校正后的视电阻率值ρsi′。

6　结束语

通过对大地电磁测深资料预处理，更进一步的理解和掌握了大地电磁测深资料预处理的方法。在野外勘探中，由于地质不均匀体、工业用电、天然电场等随机干扰的存在，常常使测量数据偏离正常值。这些随机干扰的存在给技术人员正确解释资料带来了困难，所以应对数据进行预处理，以提高资料的信噪比。对数据进行平滑可以降低和消除负面影响，以得到精确的模型和高质量的特征提取效果。大地电磁测深资料预处理中的另一项重要工作是正确识别TE，TM极化视电阻率曲线。通过分析了TE，TM曲线的畸变规律，认识了TE，TM曲线畸变差异。再对TE，TM曲线进行静态校正，可以减少静态效应对频率测深曲线的影响。如果静态效应的影响依然很多或由于数据质量太差导致一些杂乱无序的曲线，此时就可以使用空间滤波的办法对曲线进行平滑。减少误差，提高资料的质量。资料预处理对于资料解释有着很重要的意义。

[1]张翔，胡文宝，严良俊，等.大地电磁测深中的地形影响与校正[J].江汉石油学院学报，1999，21（1）：37～41.

[2]张翔.大地电磁测深资料的TE，TM极化视电阻率曲线识别研究.江汉石油学院地球物理勘探系，434102.

[3]罗延钟，何展翔，马瑞伍，等.可控源音频大地电磁法的静态效应校正.物探与化探，1991，6.

[4]陈乐寿，刘任，王天生.大地电磁测深资料处理与解释.石油工业出版社，1989.

P631.325

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1673-0038（2015）30-0274-02

2015-7-10