地震紋理屬性在JJD工區(qū)斷層識(shí)別中的應(yīng)用

崔世凌,張軍華,王 偉,譚明友,陳海云

(1.中國(guó)科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所,廣州 510640;2.中國(guó)石化勝利油田物探研究院,東營(yíng) 257022;3.中國(guó)石油大學(xué) 資源信息學(xué)院,東營(yíng) 257061;4.東方地球物理公司研究院,涿州 072751)

0 前言

紋理(Texture)是按一定規(guī)則進(jìn)行排列所形成的重復(fù)模式,或以一定的形式變化而產(chǎn)生的圖案[1～4]。在自然界中,許多植物、動(dòng)物、礦物,都有其獨(dú)特的紋理特征。利用它,人們可以方便地識(shí)別或區(qū)分事物。在圖像處理領(lǐng)域,利用紋理分析,可以在圖像分割,模式識(shí)別,形狀分析,紋理合成和圖像壓縮等方面得到廣泛應(yīng)用。

地層由于受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,也會(huì)產(chǎn)生斷層、裂縫等地質(zhì)現(xiàn)象,從而留下地質(zhì)年代變遷的印記。這些痕跡,從圖形學(xué)上來說,可以認(rèn)為它們就是紋理,可以借助于圖像處理的方法、手段,來凸顯其內(nèi)部特征,從而有效地識(shí)別斷層或裂縫,為找油、找氣提供更好的依據(jù)[5～7]。

在過去的勘探歷程中,地球物理工作者通過不斷努力,已經(jīng)用三維地震勘探技術(shù)較好地查明落差和斷距較大的斷層。而對(duì)于落差和斷距較小的斷層識(shí)別,無論在理論上還是在實(shí)踐上,都有很大困難。相干體算法也是從Bahorich和Far mer[8]的第一代的互相關(guān)算法,發(fā)展到Marfurt[9、10]的第二代多道相似算法和第三代特征值相干算法。近幾年來,以Gao Dengliang[11～13]為首的研究小組,利用紋理屬性進(jìn)行斷層識(shí)別研究,并取得了一系列成果。作者在本文中,借鑒其紋理分析的相關(guān)方法原理,研究了三維紋理體的提取算法,獲得了紋理能量、熵、對(duì)比度,以及相關(guān)性等紋理屬性體,討論了紋理基元大小選擇,灰度級(jí)確定,RGB數(shù)據(jù)融合等應(yīng)用要素,并在JJD實(shí)際工區(qū)中取得了較好的應(yīng)用效果。

1 基于灰度共生矩陣的紋理分析方法

灰度共生矩陣是一種用來分析圖像紋理特征的重要方法,它最早由Haralick于1973提出。通過計(jì)算圖像中一定距離和一定方向的二個(gè)像素之間的灰度相關(guān)性,可對(duì)圖像的所有像素進(jìn)行統(tǒng)計(jì),從而反映出圖像在方向、相鄰間隔、變化幅度及快慢上的綜合信息[14、15]。對(duì)于一個(gè)已經(jīng)用灰度來描述的圖像G來說,沿著某一方向統(tǒng)計(jì)其距離為δ的任意二個(gè)像素點(diǎn),滿足一定條件出現(xiàn)的概率p(i,j):

式中 i、j=0、1、2、…、L-1、L為圖像的灰度級(jí)數(shù);x、y是圖像中的像素坐標(biāo);g(x,y)是(x,y)處的灰度值;圖像的行列數(shù)。

在p值經(jīng)歸一化處理后,可寫成灰度共生矩陣,形式見式(2)。

容易推知,R是一對(duì)稱陣,位置偏移δ由x方向和y方向的二個(gè)量組成。一般來說,δ較小則反應(yīng)圖像的整體紋理分布,而較大的δ則反應(yīng)小區(qū)域的細(xì)微變化。

用灰度共生矩陣可提取多種特征值,最常用的是以下四個(gè)特征:

(1)角二階矩或能量。它是紋理灰度變化均一的度量,反映了灰度分布均勻程度和紋理粗細(xì)度。

(2)熵。它可以度量紋理的隨機(jī)性。當(dāng)共生矩陣中所有值均相等時(shí),它取得最大值;相反,如果共生矩陣中的值非常不均勻時(shí),其值較小。

(3)對(duì)比度。它是灰度共生矩陣主對(duì)角線附近的慣性矩,它度量矩陣值的分布和局部變化,可反映清晰度和紋理的溝紋深淺。

(4)相關(guān)性。它度量空間灰度共生矩陣元素在行或列方向上的相似程度。因此,相關(guān)值大小反映了局部灰度相關(guān)性。

2 三維地震紋理體的提取原理

2.1 紋理基元的引入

地震數(shù)據(jù)體的振幅用灰度來表示,并按一定的窗去截取數(shù)據(jù),可構(gòu)建地震紋理基元(Texture element)[8]。圖1分別展示了以體、剖面和道表示的紋理基元(紋理元)。

圖1 地震紋理元示意圖Fig.1 The sketch diagram of seismic texture element

2.2 地震資料灰度共生矩陣的構(gòu)建

地震資料灰度共生矩陣可在地震紋理元基礎(chǔ)上構(gòu)建,它反映了地震紋理體在方向、間隔、變化幅度方面的綜合信息。對(duì)于圖1所示的紋理基元體,其灰度共生矩陣的矩陣元素值可通過下式來計(jì)算,即:

式中 g(x,y,z)為紋理基元體中(x,y,z)點(diǎn)的灰度值;(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)表示距離為δ的二個(gè)像素點(diǎn);∑表示紋理體中沿著某一方向距離為δ的任意二個(gè)像素點(diǎn)滿足以上條件的概率統(tǒng)計(jì);α、β表示方向(見圖2)。特殊地,α=90°,β=0°對(duì)應(yīng)X軸方向;α=0°,β=0°對(duì)應(yīng)Y軸方向;β=90°對(duì)應(yīng)Z軸方向;L表示灰度級(jí)數(shù)。

圖2 紋理基元體的不同方向Fig.2 The different directions of seismic texture element volume

3 實(shí)際資料應(yīng)用及分析

選取勝利油田JJD工區(qū)作為應(yīng)用實(shí)例,該區(qū)域斷裂比較發(fā)育,斷層和裂縫對(duì)油氣儲(chǔ)集和疏導(dǎo)起主要的作用,因此有效地識(shí)別斷層和裂縫具有重要的研究?jī)r(jià)值。在計(jì)算時(shí),采用滑動(dòng)紋理窗,提取的屬性包括紋理能量、對(duì)比、熵和紋理相關(guān)性等四種屬性。此外,還討論了不同的計(jì)算方向,時(shí)窗大小和灰度級(jí)別等應(yīng)用要素問題。

3.1 不同紋理屬性的對(duì)比分析

圖3(a)為某工區(qū)一沿層振幅切片,為了檢測(cè)斷層,用紋理屬性來進(jìn)行分析。通過試驗(yàn),采用16級(jí)灰度級(jí)別和9×9×9的三維滑動(dòng)窗提取紋理體屬性,然后抽取沿層切片進(jìn)行對(duì)比分析。這里提取了紋理能量屬性(見圖3(b)),紋理對(duì)比度屬性(見圖3(c)),紋理熵屬性(見圖3(d))和紋理相關(guān)性屬性(見圖3(e))。對(duì)比圖3中四種紋理屬性我們發(fā)現(xiàn),以上四種屬性基本上都能較好地識(shí)別南部大的斷層,中部多條斷層層次感也比原始切片要好,紋理對(duì)比度和相關(guān)屬性還較好地指示了北部的向斜構(gòu)造。

3.2 計(jì)算方向?qū)傩越Y(jié)果的影響

下面我們討論紋理的方向性。圖4(見下頁)給出了在三個(gè)不同方向上提取的紋理對(duì)比度屬性,最后用RGB融合技術(shù)對(duì)三個(gè)方向?qū)傩赃M(jìn)行融合。從圖4中可以發(fā)現(xiàn),不同方向的屬性反應(yīng)的斷層是不一樣的,其中x方向(橫測(cè)線方向)較好地反映了東西向的斷層;在y方向(主測(cè)線方向)上,從圖4中還很好地展示出一古河道來,這對(duì)油氣儲(chǔ)集的認(rèn)識(shí)有重要意義;在z方向主要反映深度方向信息,較其它二個(gè)方向,此方向提取的屬性,斷層信息相對(duì)要清楚一點(diǎn)。我們還可用數(shù)據(jù)融合RGB技術(shù),綜合三個(gè)方向的屬性,得到富有層次感、清晰的斷層信息。

圖3 紋理屬性及對(duì)比Fig.3 Texture attributes and comparison

3.3 窗口大小對(duì)屬性結(jié)果的影響

紋理計(jì)算肯定要涉及到窗口問題,這里以紋理相關(guān)性z方向?qū)傩詾槔M(jìn)行說明。對(duì)比圖5紋理相關(guān)性屬性,我們可以發(fā)現(xiàn):圖5(a)雖然整體信息比較豐富,但背景噪音相當(dāng)嚴(yán)重,圖像模糊;圖5(b)相對(duì)好一些,但局部噪音也比較嚴(yán)重;而圖5(c)最好,背景噪音少,斷層清晰。由此可見,窗口大小對(duì)紋理屬性影響還是很大的,小窗口背景噪音比較嚴(yán)重,大的窗口則圖像清晰,當(dāng)然太大窗,也會(huì)帶來信息被平滑掉的問題。通過對(duì)比,我們認(rèn)為9×9×9體窗口比較理想。

3.4 灰度級(jí)別對(duì)屬性結(jié)果的影響

在紋理屬性提取時(shí),除了要注意窗口大小的選擇,還要注意灰度級(jí)別的選擇。圖6(見下頁)以紋理相關(guān)性z方向?qū)傩詾槔?給出了同一窗口大小,不同灰度級(jí)別的屬性圖對(duì)比。從圖6中可以看出,并不是灰度級(jí)別越大越好,用較大的灰度級(jí)別,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異性并不能拉大(見圖6(d))。此外,灰度級(jí)別越大,計(jì)算速度會(huì)越慢。對(duì)于本區(qū)數(shù)據(jù),取灰度級(jí)為16或32,效果較好。

圖4 不同方向的紋理屬性對(duì)比Fig.4 Texture attributes comparison of different directions

圖5 窗口大小對(duì)紋理屬性的影響對(duì)比Fig.5 Texture attributes comparison with differentwindows

圖6 灰度級(jí)別對(duì)紋理屬性的影響對(duì)比Fig.6 Texture attributes comparison with different gray levels

4 結(jié)論

通過理論分析和實(shí)際應(yīng)用,得到以下認(rèn)識(shí)或結(jié)論:

(1)基于灰度共生矩陣提取的紋理屬性,是一種很好的凸顯斷層和裂縫信息的地震屬性。

(2)紋理屬性提取涉及到方向問題,不同的方向反映的信息不同,可以根據(jù)地質(zhì)需要提取某方向的信息,也可用RGB技術(shù)來綜合各個(gè)方向的信息。

(3)由于紋理屬性是體屬性提取,與窗口大小有密切關(guān)系,要根據(jù)不同的情況選取合適的窗,否則容易模糊信息,甚至產(chǎn)生假象。在一般情況下,窗口大小取9×9×9為好。(4)灰度級(jí)別對(duì)紋理屬性結(jié)果也有影響,要根據(jù)具體情況具體分析,通過試驗(yàn)選擇合適的灰度級(jí)別。另外,灰度級(jí)別還會(huì)影響程序的計(jì)算速度,灰度級(jí)別越大,速度就越慢。綜合考慮,對(duì)于本工區(qū)灰度級(jí)別取16或32為好。

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