一种基于ArcGIS的地震采集质量分析评价技术

陈德武,何　欣,王万里,魏新建,禄　娟

(中国石油勘探开发研究院　西北分院,兰州　730020)



一种基于ArcGIS的地震采集质量分析评价技术

陈德武,何欣,王万里,魏新建,禄娟

(中国石油勘探开发研究院西北分院,兰州730020)

摘要：针对传统的地震采集质量评价方法在自动化和科学化方面的不足，这里设计并实现了一种基于ArcGIS的地震采集质量分析评价方法。利用ArcGIS框架强大的空间数据分析处理和建模功能，完成工区观测系统的设计，并结合高分辨率的卫星影像和数字高程模型(DEM)数据，对工区内炮点的信噪比、能量和分辨率属性值进行散点渲染分析和插值成图分析，最后对信噪比、能量和分辨率属性值基于一定的规则进行融合，对炮点采集质量进行分析评价。

关键词：地震采集；质量分析评价；ArcGIS；炮点属性；属性成图；属性融合

0引言

随着地震勘探的不断发展，地震资料采集工作逐步向地表、地下地质情况异常复杂的低信噪比地区延伸，地震勘探数据量增大(接收道数增多、覆盖次数加大、面元变小和多分量等)[1]，要想对地震采集质量进行实时准确地分析评价，就需要设计出有效的评价方法。

ESRI公司开发的ArcGIS框架具有很强的海量数据空间分析处理和建模功能，利用它可对采集现场炮点和检波点的分布情况进行建模，完成工区观测系统的设计。将经过坐标配准后的卫星遥感影像及数字高程模型(DEM)数据加载到ArcGIS中，可以为地震勘探施工设计和野外采集准确地提供地貌特征、地表岩性、人文、交通、水文、构造特征等直观性信息[2]。

现有的地震采集质量分析评价方法大多是通过计算炮点的属性，然后对它们进行简单的数值分析，如KLSeis地震采集软件是将炮点属性的分析结果以柱状图的形式显示，GeoMountain软件系统也只是将炮点属性的分析结果归类为一级、二级和废品三个等级，对炮点的具体属性值在观测系统中不进行投影分析。这里通过对工区内各炮的能量、分辨率和信噪比属性在观测系统中的对应位置进行散点渲染分析和插值网格成图分析，并结合高分辨率的卫星影像和构造图等各种地质图件，可以对采集质量进行综合分析评价。因此，该技术将会在地震勘探野外采集质量定性科学化评价中,发挥比较重要的作用。

1基于ArcGIS的地震采集质量分析评价原理

基于ArcGIS的地震采集质量分析评价原理是：①根据地震采集的SPS文件中炮点和检波点的大地坐标和高程信息生成炮点和检波点的shapefile文件，shapefile文件是ArcGIS通用的一种数据格式，将两个shapefile文件和卫星遥感影像及数字高程模型(DEM)数据加载到ArcGIS中叠合显示，利用它们叠加的直观信息，可在室内精心做好各种复杂地表如高陡山区、丘陵、水网及城镇等地区的观测系统设计，图1是对四川某工区观测系统的设计；②加载工区内所有地震数据，利用每一炮的均方根振幅值计算该炮的能量，使用李庆忠[3]的VPRS算法计算出每一炮的信噪比和分辨率，将三个属性的值写进该工区炮点的shapefile文件；③利用ArcGIS的渲染和插值功能，操作该shapefile文件对所有炮的三个属性进行成图分析，并与测网信息、卫星遥感影像的真地表信息(岩性、环境、地势起伏等)叠合进行三维显示，为用户更好地监控该工区的地震数据采集质量以及设计下一步的地震采集方案提供了详尽的科学依据，其中，属性成图方式包括散点式和网格化两种。

图1　四川某工区观测系统设计Fig.1　The observer systen design of　　one workspace in Sichuan

2炮点属性分析结果投影显示

2.1属性分析结果散点式成图

利用ArcGIS的分级渲染功能对炮点shapefile中的信噪比、能量和分辨率属性值进行渲染，用某一种颜色表示某一范围的属性值，就可以得到该工区内所有炮点三个属性的散点成图。如图2为大庆某工区部分炮点能量的散点成图。从图2中可以看出，呈现黄色、橙色或红色的炮点能量值比较大，炮点采集质量较好。

2.2属性分析结果网格化成图

利用ArcGIS的插值功能对炮点shapefile中的信噪比、能量和分辨率属性值进行插值计算，得到该工区内所有炮点三个属性的网格图。所用到的插值方式有反向距离权重插值(IDW)[4]和克里金插值(Kriging)。反向距离权重插值的公式见式(1)。

(1)

(2)

式(2)中，di0是预测点S0与已知样点Si之间的距离，随着di0的增加，样点对预测点影响的权重也同时减少。

克里金插值方法最早是由南非金矿工程师克里金(D.G.Krige)于20世纪50年代提出来的，根据不同的条件又分为普通克里金插值、泛克里金插值、协同克里金插值等。

这里采用的是普通克里金法插值算法[5]，其原理如下：设研究区域为A，区域化变量为{Z(x)∈A}，x表示空间位置(一维、二维或三维坐标)，Z(x)在采样点xi(i=1,2,…，n)处的属性值为Z(xi)(i=1,2,…，n)，则根据普通克里金插值原理，未采样点xo处的属性值Z(xo)估计值是n个已知采样点属性值的加权和，即式(3)：

(3)

其中，λi为权重系数，其计算方程组为：

(4)

式(4)中：Cov(xi,xj)为Z(xi)的协方差，μ为拉格朗日乘子，求出每个权重系数λi(i=1,2,...,n)后，就可以求出未采样点xo处的属性值Z(xo)。

图3是利用反向距离权重插值法和克里金插值法对大庆某工区部分炮点的能量进行插值生成的网格图。图4是利用两种插值方式生成的网格图和上面散点渲染图的叠合显示。因为散点渲染图反映的是真实值，从图4以看出，利用反向距离权重插值法生成的网格图与散点渲染图的吻合度更高，更符合实际情况，图4(a)中呈现黄色、橙色或红色的区域的炮点能量值较高，采集质量较好。

图3　炮点能量网格图Fig.3　The grid image of shot energy(a)反向距离权重插值；(b)克里金插值

图4　炮点能量叠合图Fig.4　The superimposed image of shot energy(a)反向距离权重插值；(b)克里金插值

3炮点属性分析结果融合投影显示

为了分析结果更能综合地反映炮点的采集质量，将炮点的能量、信噪比和分辨率基于一定的规则进行融合，具体分两种融合模式。

3.1基于校准系数的融合模式

某一炮点能量、信噪比和分辨率的融合值 QC按式(5)求得：

(5)

3.2基于变权重的融合模式

我们可根据工区和采集条件的实际情况，更改炮点能量、信噪比和分辨率所占的权重比例，该融合模式的融合值QC可按式(6)得：

QC=Ksn*SN′+Kse*SE′+Kres*RES′

(6)

其中：SN′是该炮归一化后的信噪比；Ksn该炮的信噪比所占权重；SE′是该炮归一化后的能量；Kse是该炮能量所占权重；RES是该炮归一化后的分辨率；Kres是该炮的分辨率所占权重。

由于炮点的信噪比、能量及分辨率的值的范围不在同一数量级上，在同一权重的情况下，容易造成只凸显大值的效果。为了消除这一影响，这里首先将炮点的能量、信噪比和分辨率的值按公式(7)做了归一化，将它们的值归一化到[0，255]区域：

(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。

3.3两种属性融合模式的比较

图5为大庆某工区部分炮基于校准系数属性融合模式和基于变权重属性融合 模式的散点渲染成图，其中，k=0.4，Ksn=1/3，Kse=1/2，Kres=1/6。图6为该工区两种属性融合模式的散点渲染成图和插值网格化成图的叠合显示。从图6(a)中可以看出，在三个属性权重相等的情况下，某个属性凸显大值的情况比较明显，在图6(b)中经过归一化之后的属性融合比较平滑，没有凸显大值的情况，比较符合实际情况，其中呈现黄色、橙色或红色的区域的炮点采集质量较高。

图5　属性融合散点成图Fig.5　The scatter plot of fused properties(a)基于校准系数的融合模式;(b)基于变权重的融合模式

图6　属性融合叠合成图Fig.6　The superimposed image of fused properties(a)基于校准系数的融合模式;(b)基于变权重的融合模式

4结论

基于ArcGIS组件强大的空间分析和处理能力，实现快速缩放、平移和导航等操作的同时，能够在对地震采集属性散点渲染成图以及插值网格化成图时获得较好效果和较高效率，进而直观地反映出能量、信噪比和分辨率强弱的分布情况及它们的综合表现情况，再结合卫星照片和高程数据上的岩性、湿度和坡度等信息，就可以较好地判断地震采集质量的好坏。另外，利用ArcGIS强大的可视化能力,可以进行叠前叠后联动显示(即地表上面是采集现场炮点和检波点的三维显示，地表下面是对应炮叠后数据的三维显示)，这样就可以将地震勘探中分离开来的采集、处理和解释三个环节在某种程度上联系起来。

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ZHOU B,YANG L,XIE T T,et al.The applications of remote sensing data and GIS in seismic data acquisition[J].Natural Gas Industry,2009,29(10):31-33.(In Chinese)

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vPm_V8y5H6_jfk9IG-9EHvu3xzLIsVG1PuC229Vv

7,2011-11-15.

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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

基金项目:中国石油天然气集团公司科技管理部(2011B-3707)

作者简介：陈德武(1987-)，男，硕士，主要从事数据挖掘与地学软件方面的研究，E-mail:542032853@qq.com。

文章编号：1001-1749(2016)02-0259-05

中图分类号：P 631.4

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.02.18