油气勘探中高光谱遥感技术应用综述

白晓寅

油气勘探中高光谱遥感技术应用综述

白晓寅

白晓寅 孟旺才 陈义国 张 格 张洪美

陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院

白晓寅（1982年-）男，工程师，2008年毕业于中国石油大学（华东）地球探测与信息专业，获硕士学位，现从事石油天然气勘探技术研发及应用工作。

随着高光谱遥感技术的发展，高光谱遥感作为油气勘查中的一项新技术，其快速、经济、精确的特点受到众多油气勘探企业的重视。通过简述了高光谱遥感技术在油气勘探领域主要的两个研究内容及其研究方法：构造信息提取和各种烃类微渗漏信息的提取，并分国外、国内系统概述了高光谱遥感技术在油气勘探领域的研究进程和成功实例；指出了我国发展高光谱遥感油气勘查技术的必要性及其未来的发展方向。

引言

高光谱遥感油气勘探技术研究，旨在获取航天高光谱遥感数据，通过遥感数据处理与分析，提取油气微渗漏有关的油气勘探相关信息，实现对地下油气藏目标特性的综合探测与识别，被誉为油气勘探技术中的一次飞跃。高光谱遥感勘探技术之所以能够达到迅速发展和广泛应用，其突出特点就是快速、高效，并且不受自然地理条件、国界等的影响，且经济成本较低，这符合当前经济国际化、企业全球化的特点。高光谱遥感技术在油气勘探中的应用研究始于20世纪80年代，随着油气资源的日益紧缺，我国在油气资源勘探上对遥感关键技术也有强烈需求，可以通过已知油气区高光谱遥感油气勘查应用研究，提高遥感信息处理及分析水平，修正、完善高光谱遥感勘查技术体系，为在境外、未知区及无人区开展油气勘探提供技术支持。

主要研究内容

构造信息提取

众所周知，大多数油气藏的分布都与区域地质构造信息有着密不可分的关系，因此，构造信息的提取对油气勘探具有重大意义。而高光谱遥感数据由于其信息密度大、连续性好等特点能较为真实的记录地质构造的地表几何形体及其物理特征，尤其是还蕴藏了特殊地质构造德尔隐伏信息。因此，利用高光谱遥感数据提取构造信息就成为传统地质点线观测方法局限性的较为有效补充，其显著特点就是经济、便捷。实践证明：深部构造基底、古老断层活动的痕迹以及盆地演化、发展的过程都能在高光谱遥感数据上有所反应，主要解译为线-环形影像异常特征。该异常不同的分布规律及组合形体对应于不同的地质构造特征，通过分析可以获取有利的油气运聚条件，提高油气勘探成功率，降低油气勘探成本。

烃类微渗漏信息提取

烃类微渗漏是指地下油气藏由于内部压力等作用，油气藏中的烃类物质通过地层节理、裂隙等通道运移到地表并在近地表大气中扩散的特征。扩散到地表和空气中烃类物质常常会引起土壤、植被、空气等异常，通常将这种异常称之为烃类微渗漏晕（简称烃晕）。发生烃晕现象的区域会其他正常区域在地表光谱信息上存在某种规律性差异，因此，寻找这种规律并将之与高光谱遥感光谱数据建立某种联系，就能通过选取合适的高光谱遥感数据进行处理分析，提取到烃类微渗漏信息。

对Hyperion遥感影像的处理，主要从两个方面进行：一方面是对研究区内无植被覆盖的裸露地表所呈现出的蚀变矿物信息及土壤吸附烃信息进行提取；另一方面是对研究区内植被覆盖区内的植被所呈现出的“胁迫效应”信息进行提取。前者的开展需要抑制掉植被信息的干扰，后者的开展需要抑制掉土壤背景的干扰，这就需要选择合适的方法实现上述所需，目前较为常用的方法就是选择合适的植被指数来对影像上的植被信息进行提取。

植被指数是利用遥感数据对地表植被的定性描述。通过对不同波段的信息进行线性或非线性的组合来构造植被指数，以达到最大化植被发射信息、最小化外部因素影响。植被指数为从遥感影像中获取大范围植被覆盖信息常用的经济、有效的方法，通常选用植被反射光谱中的红光波段和近红外波段来构建植被指数，其中，红光波段反映的是植物体内叶绿素的强吸收作用，近红外波段反映的是植被的高反射和高透射特性。这两个波段均是绿色植物进行光合作用中的重要波段，利用对这两个波段的比值、差分、线性组合等多种处理方法所得的植被指数可以用来增强或者解释隐含的植被信息。常用的植被指数可以大致分为三类：基于波段简单线性组合的植被指数、消除影响因子的植被指数和针对高光谱遥感及热红外遥感的植被指数。

然后根据研究区的具体地理环境，采用合适的植被指数对影像上的植被信息进行提取：在对研究区的裸露地表的蚀变信息进行提取的时候，采用掩膜技术，将提取出的植被信息从影像上掩去；在对研究区的地植物异常信息进行提取的时候，采用掩摸技术将除植被外的土壤背景信息从影像上掩去（图1）。

图1 Hyperion影像数据油气异常信息提取流程

针对研究区内的无植被覆盖或经过植被信息淹埋处理后区域，将蚀变碳酸盐、蚀变黏土、二价铁矿物及土壤吸附烃的异常富集作为主要指示标志，分别采用基于完全波形特征和基于特征谱带的蚀变信息提取方法对油气渗漏信息进行提取，如图2所示。

图2 基于谱形特征的高光谱油气蚀变矿物识别分类方法

基于完全波形特征的分类方法，主要采用了基于已知油气田区典型蚀变光谱及基于典型蚀变矿物标准光谱的光谱角制图（SAM）的“纯像元”识别方法，及基于线性光谱解混的混合像元识别方法；基于特征谱带的分类方法，主要对研究区内的蚀变矿物的诊断性吸收特征进行提取，包括吸收波段波长位置（AP）、深度（AD）、宽度（W）、对称度（AS）、面积（AA），以及光谱吸收指数（SAI）。

国内外研究进程

国外研究进程

高光谱遥感技术是由美国地质调查局（USGS）于二十世纪八十年代最早提出，并与美国航空航天局（NASA）合作开发的新一代遥感技术。

二十多年来，美国、加拿大、澳大利亚、法国、德国、以色列等国家竞相投入开发机载高光谱遥感器，已有40余台航空高光谱遥感器投入运行，代表性的机载高光谱遥感器包括AVIRIS、CASI、HyMap、PROBE-1等。2001年美国率先成功地发射了搭载以资源调查为主要目的Hyperion试验型高光谱遥感器的EO-1卫星，标志着高光谱遥感技术已经由航空应用试验阶段转入星载商业试验运行阶段。近几年来，主要用于全球环境变化监测的星载大气痕量气体遥感器（如ADEOS IMG和EOS Aqua AIRS，光谱波段多达几千以致上万个的超光谱遥感器）也已经投入业务运行。

世界最高级科学杂志《Science》（科学）上的两篇文章（Goetz，A.F.H.，1985；Cloutis，E.A.，1989）奠定了高光谱遥感油气勘探的理论和技术依据；高光谱遥感油气勘探技术是基于反射光谱学和油气微渗漏理论，反射光谱学提供了一种高效和低成本的鉴别物质成分和结构的方法；油气微渗漏理论则建立了油气藏与其上部地表的特定异常之间的因果关系。因此，可以通过检测地表异常的反射光谱来勘探油气。高光谱遥感技术的迅速发展，保证了高效、快速地实现地表反射光谱的准确检测。

油气信息的遥感识别，是探测隐蔽油气藏的前沿新技术之一，具有相当强的探索性。国外有关研究与勘探部门利用日趋成熟的高光谱遥感技术开展了若干的油气勘探试验研究工作。试验结果表明，土壤吸附烃在1.69～1.79μm和2.27～2.46μm光谱段具有明显的“指纹”光谱特征；与油气微渗漏效应相关的不同蚀变矿物在2.1～2.4μm光谱段具有各自的特征吸收光谱。基于这些“指纹”光谱特征，西方国家一些石油公司竞相发展高光谱遥感油气勘探技术，在规避勘探风险中发挥了重要作用。

进入2000年以后，国外学者利用Hymap、AVimS等航空高光谱仪器以及ASD便携式光谱仪进行了油气勘探，得到了较为成功的案例。2001年jM Ellis等通过大量的油气微渗漏研究在美国加利福尼亚南部圣巴巴拉地区利用高光谱遥感异常信息圈定了由油气渗漏而引起的植被异常区域，并建立了油气渗漏区土壤光谱库。VanderMeer等通过研究油气微渗漏理论，利用相关的决策方法，结合地质、地球化学及高光谱遥感等数据，对可能的油气微渗漏异常区进行了提取和验证。2003年Noomen等通过对野外光谱地实地测量，结合室内试验对高光谱图像进行了分析，对油气微渗漏造成的植被光谱影响进行了研究，通过植被异常地识别从而达到对油气资源进行探测的目的。Noomen还于2007对油气渗漏造成的地表植被（小麦和玉米）在高光谱影像上光谱反射的变化进行研究，从HYMAP影像上提取出了油气渗漏异常信息，实现了对油气管道的监测。美国的ShuhabD. Khan和Sarah Jacobson等在2008年对油田的烃类微渗漏和岩石与土壤中的矿物独变之间的关系取得较好的验证效果。

高光谱遥感油气勘探的应用，自二十世纪九十年代末以来，国外已进行了大量的研究和实践，并存在典型的应用实例。

（1）1998年美国West Virginia大学利用224个波段的美国AVIRIS航空高光谱仪器，通过圈定烃渗漏矿物蚀变异常，对加州圣巴巴拉海岸油气微渗漏进行了成功的探测。

（2）1999年9月德国地球科学与自然资源联邦研究所针对澳大利亚HyMap高光谱仪器直接探测油气烃能力，进行了地面与航空综合实验。研究结果表明，从高信噪比的HyMap像元的辐射特征谱中就可以识别油气异常和确定位置。

（3）1999年，美国雪佛龙与Geosat公司利用PROBE-1航空高光谱传感器，在美国加州圣巴巴拉成功进行了油气勘探研发项目，证实地面和航空高光谱遥感传感器均能够成功实现油气勘探。

（4）西班牙2000年利用196个波段的航空TEEMS高光谱遥感图像成功地通过圈定油气微渗漏引起的地表岩性蚀变和热异常，寻找到地下油气藏。

（5）2003年澳大利亚的Hyvist公司利也用自己研制的128个波段机载HyMap高光谱仪器成功地探测了加利福尼亚州圣巴巴拉海岸烃渗漏和近海水域的3个海底油气微渗漏的油气藏。

（6）2004年4月-2006年4月，美国休斯顿大学Sarah Jacobson和Shuhab Khan等人所组成的团队，在美国怀俄明州Patrick Draw地区采用EO-1卫星Hyperion高光谱遥感器数据进行油气勘探，也取得一定的勘探成果。

（7）由Etiope领导的团队还构建了最新（2009/2013版）的全球海上油气泄漏区数据库，该数据库包含了全球84个国家的1150个泄漏区的数据。

国内研究进程

国内90年代末，国内开始高光谱遥感研究，首先是中科院开展了高光谱传感器的研制、并开发了OMIS高光谱扫描仪，获得自主知识产权。而高光谱在油气勘探中的应用研究起步相对较晚，直到近10来年才开始有专家在以往多光谱研究的基础上利用高光谱遥感数据在中国石油的某些区块进行了尝试性研究。

田庆久2006年9月和2007年8月通过辽东湾海上野外光谱、实验室油膜光谱实验及样品采集分析，建立了基于EO- 1卫星高光谱遥感HYPERION数据特点的谱段选择和海面薄油膜和厚油膜检测模式。赵欣梅2007年通过系统分析归纳烃类微渗漏与地表各种异常之间的对应关系，利用高光谱数据建立了研究区天然气烃类微渗漏蚀变矿物和遥感异常数据组合标志，为新的油气勘探有利区的确定提供了较好依据。徐大琦等2007年利用提基于野外测量的反射光谱来确定特定蚀变的地表分布（即分类）的方法在青海某地区野外测量的反射光谱的分析中取得了较好效果，成功圈出了测区内的3个较大含气区。王向成等2007通过在柴达木地区进行高光谱数据与油气区光谱特征分析对比，确定了该区的有利波长范围，提出了光谱角制图（SAM）技术为高光谱遥感油气勘探提供了有效技术方法与途径。宋亚军等2008应用小波PCA的特征提取方法和非监督/监督分类混合训练策略有效区分干扰信息，提取该区地表微弱的天然气蚀变特征。郑鸿瑞2014年在新疆吉木萨尔地区利用ASTER数据和SASI数据在岩性油气藏范围内对多光谱异常结果和高光谱异常结果进行了结合，提出了一种新的多光谱异常分量阈值确定方法，并与常用的门限法进行了对比，结果吻合程度很高。

从以上国内外油气遥感技术应用的发展概况和发展趋势分析来看，遥感技术在油气探测中的应用已经从间接性、辅助性逐渐迈入直接性的发展阶段；高光谱遥感油气勘探方法一旦突破，将成为油气勘探程序不可缺少的技术手段；国内外利用高光谱遥感进行直接油气勘探应用正处在一个关键的时期，一些遥感技术较发达得国家竞相将高光谱遥感技术纳入油气勘探规范中，竞相争取率先获得大的突破，进而争夺这一高新技术在油气勘探研究国际舞台的制高点。

结束语

（1） 高光谱遥感技术由于其快速、高效、经济成本较低，并且不受自然地理条件、国界等地影响，是在境外、未知区及无人区开展油气勘探的重要技术选择。因此，我国在油气资源勘探上对遥感关键技术的深入研究十分必要：1）开展高光谱遥感油气勘探技术研究是国家能源安全的需要；2）开展高光谱遥感油气勘探技术研究是油气资源勘探技术发展需要；3）开展高光谱遥感油气勘探技术研究是企业高效发展的需要。

（2） 高光谱遥感技术作为油气勘探的一项新技术手段，应在加强其支撑理论—油气微渗研究的同时，注意高光谱遥感技术与其他技术手段的结合，建立星/空（卫星/航空）信息与地表信息、地下信息的相关关系，通过对信息相关关系分析研究，高效、准确地达到目标，形成星-地一体化的立体油气勘探技术。

陕西延长石油（集团）有限责任公司技术创新项目（ycsy2013sfzs-A-01）

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.01.019