適用于超大規(guī)模三維地震層位自動(dòng)追蹤的雙尺度洪水填充方法

陳茂山 張 雷 金瑞鋒 王 飛

(①中國石油東方地球物理公司物探技術(shù)研究中心，河北涿州 072751；②中國石油東方地球物理公司研究院處理中心，河北涿州 072751)

適用于超大規(guī)模三維地震層位自動(dòng)追蹤的雙尺度洪水填充方法

陳茂山*①張 雷②金瑞鋒①王 飛①

(①中國石油東方地球物理公司物探技術(shù)研究中心，河北涿州 072751；②中國石油東方地球物理公司研究院處理中心，河北涿州 072751)

陳茂山，張雷，金瑞鋒，王飛.適用于超大規(guī)模三維地震層位自動(dòng)追蹤的雙尺度洪水填充方法.石油地球物理勘探，2017,52(5):1033-1041.

雙尺度洪水填充是一種適用于超大規(guī)模三維地震層位空間自動(dòng)追蹤的方法。該方法從三個(gè)方面對(duì)經(jīng)典洪水填充(Flood fill)算法進(jìn)行擴(kuò)展，即首先根據(jù)簡(jiǎn)單分塊算法對(duì)三維地震工區(qū)進(jìn)行分塊并建立兩級(jí)隊(duì)列； 再根據(jù)種子點(diǎn)順序進(jìn)行區(qū)塊編號(hào)并實(shí)施區(qū)塊級(jí)洪水填充； 最后基于鑲邊分塊算法對(duì)區(qū)塊進(jìn)行擴(kuò)邊并以區(qū)塊為單位實(shí)施種子點(diǎn)級(jí)洪水填充。改進(jìn)后的雙尺度洪水填充法用“區(qū)塊”和“種子點(diǎn)”兩種尺度隊(duì)列代替經(jīng)典洪水填充法中的“種子點(diǎn)”一種隊(duì)列，采用一致的四連通洪水填充法實(shí)現(xiàn)種子點(diǎn)擴(kuò)散，在確保層位追蹤的準(zhǔn)確性和精度的前提下，顯著降低了大規(guī)?；虺笠?guī)模三維層位自動(dòng)追蹤對(duì)計(jì)算機(jī)資源的需求。

自動(dòng)追蹤 雙尺度洪水填充 地震層位 超大規(guī)模 三維

1 引言

地震勘探中的構(gòu)造解釋，即根據(jù)地震反射特征從地震資料中提取地層的構(gòu)造信息，是地震勘探的重要環(huán)節(jié)。長(zhǎng)期以來，地震資料構(gòu)造解釋特別是層位解釋費(fèi)時(shí)費(fèi)力[1]，其工作量常常占到整個(gè)地震資料解釋與分析階段總量的50%以上，導(dǎo)致資料解釋人員難以將更多的精力集中到油氣儲(chǔ)層識(shí)別上。

地震層位自動(dòng)追蹤是現(xiàn)代地震資料解釋中最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的技術(shù)之一，它直接表征一套解釋系統(tǒng)在構(gòu)造解釋中的能力和效率。若擁有過硬的層位自動(dòng)追蹤技術(shù)，特別是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的層位自動(dòng)識(shí)別與解釋技術(shù)，就可大幅度地提高構(gòu)造解釋的精度和效率[2，3]，并將從事地質(zhì)綜合研究所需的人力資源從繁瑣的層位拾取中解放出來，將研究重心聚焦到儲(chǔ)層分析與流體預(yù)測(cè)中。

相對(duì)于其他類型的地質(zhì)、測(cè)井等數(shù)據(jù)而言，地震數(shù)據(jù)的最大特點(diǎn)是海量性。隨著地震勘探技術(shù)的進(jìn)步，三維地震勘探已替代二維地震勘探成為主流，地震工區(qū)的面積越來越大，采樣間隔和道間距越來越小，特別是隨著高密度、寬方位地震勘探技術(shù)的廣泛應(yīng)用，地震數(shù)據(jù)量成倍增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的地震數(shù)據(jù)管理和存取機(jī)制難以適應(yīng)這種變化，日趨成為地震數(shù)據(jù)處理和解釋的瓶頸。

作為地震解釋基礎(chǔ)和核心功能之一，三維空間地震層位自動(dòng)追蹤對(duì)地震數(shù)據(jù)存取有一些特殊要求，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面： ①在三維空間層位自動(dòng)追蹤過程中，因?qū)游环N子點(diǎn)通常是隨機(jī)拾取，層位自動(dòng)追蹤的目標(biāo)點(diǎn)不是嚴(yán)格按CMP序號(hào)大小順序移動(dòng)的，在一定程度上呈現(xiàn)出隨機(jī)變化特征，導(dǎo)致三維空間層位自動(dòng)追蹤需對(duì)整個(gè)三維地震空間中的數(shù)據(jù)做隨機(jī)抽取； ②由于三維空間層位自動(dòng)追蹤目標(biāo)點(diǎn)的無序性，會(huì)出現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的重復(fù)性抽??； ③三維空間層位自動(dòng)追蹤不僅對(duì)目標(biāo)地震道做處理，還需對(duì)目標(biāo)點(diǎn)周圍多個(gè)相鄰地震道進(jìn)行多道處理，因此要求具備多道抽取能力。

從三維地震層位自動(dòng)追蹤對(duì)地震數(shù)據(jù)讀取要求看，最理想的方式是將整個(gè)工區(qū)范圍內(nèi)的地震數(shù)據(jù)一次性讀入計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，在內(nèi)存中實(shí)現(xiàn)對(duì)地震數(shù)據(jù)的隨機(jī)讀取。針對(duì)二維層位自動(dòng)追蹤和單個(gè)剖面的三維層位自動(dòng)追蹤，由于對(duì)應(yīng)的地震數(shù)據(jù)量不太大，所耗費(fèi)的計(jì)算機(jī)內(nèi)存有限，采用傳統(tǒng)的一次性讀入數(shù)據(jù)方式是可行的。但對(duì)于三維層位空間自動(dòng)追蹤，因其數(shù)據(jù)量巨大，所耗費(fèi)的內(nèi)存不可忽視，特別是隨著高密度三維地震勘探技術(shù)的發(fā)展，工區(qū)面積越來越大、采樣密度越來越高，三維層位的自動(dòng)追蹤對(duì)內(nèi)存的消耗越來越大，因此還想一次性將整個(gè)工區(qū)全部的震數(shù)據(jù)裝入內(nèi)存難以實(shí)現(xiàn)。

基于以上原因，再加上現(xiàn)階段海量地震數(shù)據(jù)隨機(jī)存儲(chǔ)和抽取的效率無法滿足層位自動(dòng)追蹤高效性的要求，因此在保證層位自動(dòng)追蹤質(zhì)量的條件下，尋找一種高效、可行的三維層位自動(dòng)追蹤方案是很有必要的。

2 原理與方法

地震勘探中的巖性界面通常是良好的波阻抗界面，即地震反射界面，這些反射界面構(gòu)成了地震剖面。在地震剖面上，反射界面表現(xiàn)為一系列地震同相軸。這是由于相鄰地震道之間的地震波形狀相似且呈規(guī)律的變化，地震波的極值點(diǎn)(波峰或波谷所在點(diǎn))常常具有一定的連續(xù)性并呈線狀，通常稱之為地震同相軸。因此，地震同相軸是地震記錄中各個(gè)地震道上地震波相位相同的極值點(diǎn)的連線，一條地震同相軸對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)相鄰的地層界面。地震同相軸的起伏形態(tài)表征地層、流體等反射界面的產(chǎn)狀和形態(tài)?；诖?，對(duì)地震同相軸的追蹤可視為對(duì)地震反射層位的追蹤，同時(shí)也是對(duì)地層界面的追蹤。

層位自動(dòng)追蹤是利用計(jì)算機(jī)和人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，是地震資料構(gòu)造解釋的關(guān)鍵技術(shù)之一。層位自動(dòng)追蹤的基本過程為：在地震剖面上拾取一個(gè)或多個(gè)種子點(diǎn)，對(duì)種子點(diǎn)處的地震波形進(jìn)行量化分析，然后根據(jù)地震同相軸的傾向和走向在每個(gè)種子點(diǎn)周圍尋找相似的地震波形，并將相似程度較高的地震波形的同相點(diǎn)作為層位追蹤點(diǎn)。

地震層位的形態(tài)與地層沉積模式密切相關(guān)。根據(jù)沉積理論，流體(包括水和大氣)是沉積物搬運(yùn)的動(dòng)力和載體，流體運(yùn)動(dòng)是地層沉積的主要因素，在很大程度上控制著地層的形態(tài)和地層的巖性及物性。受地層沉積與流體運(yùn)動(dòng)關(guān)系的啟發(fā)，地震層位自動(dòng)追蹤或許可采用流體動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行描述。事實(shí)上，不僅是地層層位的自動(dòng)追蹤，流體動(dòng)力學(xué)思想早已被應(yīng)用于圖像處理領(lǐng)域，如用于骨架提取和圖像分割的分水嶺算法[4]、基于描述流體運(yùn)動(dòng)的Navier-Stokes方程的圖像修復(fù)技術(shù)[5]等，還有最具代表性的洪水填充(Flood fill)算法[6， 7]。

洪水填充，又稱種子點(diǎn)填充，是一種在圖像處理中廣泛應(yīng)用的、在多維空間中確定連通區(qū)域的算法[6， 7]。洪水填充法既可用于區(qū)域填充，又可用于邊界探測(cè)(也稱為邊界填充)，已經(jīng)成為最重要的圖像處理基礎(chǔ)技術(shù)之一。

洪水填充算法的基本原理是： 從某一枚種子點(diǎn)出發(fā)，依照一定規(guī)則判斷種子點(diǎn)周圍的目標(biāo)點(diǎn)(像素點(diǎn))是否與種子點(diǎn)一致或類似，以明確該點(diǎn)是否屬于種子點(diǎn)所在的填充區(qū)域； 若是，則對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行填充，并將符合要求的目標(biāo)點(diǎn)作為新的種子點(diǎn)納入下一輪填充過程。顯然，洪水填充模擬了流體的擴(kuò)散過程。借鑒流體動(dòng)力學(xué)理論，將三維空間的層位自動(dòng)追蹤過程看作一個(gè)流體運(yùn)動(dòng)過程，利用洪水填充法進(jìn)行層位自動(dòng)追蹤則順理成章。因此，洪水填充法可實(shí)現(xiàn)有效的種子點(diǎn)擴(kuò)散填充，并已成功應(yīng)用于動(dòng)態(tài)目標(biāo)識(shí)別[8]、空白區(qū)域填充[9]、地震層位自動(dòng)追蹤[10]和地質(zhì)異常體探測(cè)[11]等領(lǐng)域。

3 經(jīng)典洪水填充算法及其局限性

典型的洪水填充有四連通和八連通兩種算法。四連通算法是指從圖像中某點(diǎn)出發(fā)，通過對(duì)上、下、左、右四個(gè)方向像素點(diǎn)進(jìn)行判斷以確定是否對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)展(圖1a)。八連通算法與四連通算法類似，沿著上、下、左、右、左上、右上、左下、右下等8個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的擴(kuò)展(圖1b)。

針對(duì)二值圖像，由于一個(gè)像素點(diǎn)既是四連通的，又是八連通的，四連通與八連通算法均適用于該類圖像的區(qū)域填充。二者的區(qū)別在于所能填充的區(qū)域復(fù)雜度不同：四連通和八聯(lián)通均能填充較簡(jiǎn)單區(qū)域(圖1c中綠色圓點(diǎn)所圍區(qū)域)；八連通還能填充復(fù)雜的區(qū)域(圖1d中綠色圓點(diǎn)所圍區(qū)域)，而四連通對(duì)此類區(qū)域則無能為力。

圖1 四連通和八連通洪水填充示意圖

傳統(tǒng)的洪水填充采用遞歸算法。以四連通算法為例，采用該算法可簡(jiǎn)化洪水填充的實(shí)現(xiàn)過程。如果目標(biāo)點(diǎn)顏色等于種子點(diǎn)顏色，則有

{

(1)將目標(biāo)點(diǎn)顏色設(shè)置為種子點(diǎn)顏色；

(2)遞歸調(diào)用Flood-fill，填充右側(cè)點(diǎn)；

(3)遞歸調(diào)用Flood-fill，填充上側(cè)點(diǎn)；

(4)遞歸調(diào)用Flood-fill，填充左側(cè)點(diǎn)；

(5)遞歸調(diào)用Flood-fill，填充下側(cè)點(diǎn)；

}

遞歸法洪水填充簡(jiǎn)單易行，但當(dāng)填充區(qū)域較大時(shí)，遞歸層次增多。因?yàn)楹瘮?shù)的反復(fù)調(diào)用會(huì)使操作系統(tǒng)堆棧溢出，特別是由于地震數(shù)據(jù)量很大，會(huì)使堆棧溢出問題更嚴(yán)重； 其次，遞歸算法效率較低，多數(shù)節(jié)點(diǎn)需要被重復(fù)訪問四次，遞歸調(diào)用函數(shù)的時(shí)間和空間耗費(fèi)較大。

由于遞歸式洪水填充算法存在上述弱點(diǎn)，因此在二維圖像處理中，常用掃描線法[6，7]代替遞歸法實(shí)現(xiàn)洪水填充。該算法用“線”方式代替“點(diǎn)”方式，充分利用圖像相鄰像素之間的相關(guān)性?？紤]到區(qū)域在掃描線上和相鄰掃描線之間的連貫性，進(jìn)棧時(shí)僅選每一條連續(xù)未被填充的掃描線與多邊形相交區(qū)間最左或右邊的像素，出棧時(shí)填充整個(gè)區(qū)段，這樣棧空間和遞歸次數(shù)就都大為減少了。

但遺憾的是，由于層位自動(dòng)追蹤與圖像單色區(qū)域填充機(jī)理并不一致，層位自動(dòng)追蹤常常需用多個(gè)種子點(diǎn)，這與掃描線算法僅能使用一個(gè)種子點(diǎn)不一樣，因此無論是遞歸法還是掃描線法都無法直接應(yīng)用于層位自動(dòng)追蹤。

使用隊(duì)列(Queue)代替遞歸法和掃描線法中僅使用一個(gè)種子點(diǎn)方式可彌補(bǔ)洪水填充法的上述不足。隊(duì)列是一種計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[12]，其特點(diǎn)是“先進(jìn)先出”，即只允許在后端進(jìn)行插入操作、在前端進(jìn)行刪除操作，在具體應(yīng)用中通常用鏈表或數(shù)組來實(shí)現(xiàn)。

但隊(duì)列式洪水填充法僅解決了二維平面型區(qū)域填充過程中的堆棧溢出問題，并未顯著降低由三維空間型區(qū)域填充帶來的較大計(jì)算機(jī)內(nèi)存消耗，特別是對(duì)三維海量地震數(shù)據(jù)來說更是如此。如一個(gè)由1000條主測(cè)線、1000條聯(lián)絡(luò)線組成的中等規(guī)模的三維地震工區(qū)，若每個(gè)地震道長(zhǎng)度為4s，采樣間隔為1ms，存儲(chǔ)格式為4字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)，則整個(gè)三維地震數(shù)據(jù)量超過15GB，無論是從計(jì)算機(jī)資源消耗還是一次性讀入內(nèi)存所耗費(fèi)的時(shí)間上看，都將是難以忍受的。為了減少三維層位自動(dòng)追蹤過程中的內(nèi)存消耗，以往常常用二維剖面追蹤代替三維空間追蹤。但這樣的層位追蹤方式會(huì)因無法滿足三維層位追蹤的空間隨機(jī)性特點(diǎn)而影響層位追蹤的質(zhì)量。

為了解決洪水填充算法對(duì)海量數(shù)據(jù)的適應(yīng)性問題，很多人嘗試采用其他手段(如三維可視化像素雕刻[11]、小波變換[13]、高階累積量[14]、蟻群搜索[15]等)回避這一問題，或直接面對(duì)大數(shù)據(jù)量問題采用減少數(shù)據(jù)量與數(shù)據(jù)存取量的方法(如數(shù)據(jù)壓縮法[16]、隨機(jī)讀取數(shù)據(jù)法[17]、分塊技術(shù)[18]等)。采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可減小數(shù)據(jù)所占用的內(nèi)存空間，但不可避免地，數(shù)據(jù)壓縮和解壓過程都需額外的計(jì)算機(jī)處理資源和時(shí)間；而如果直接對(duì)存儲(chǔ)于硬盤中的圖像進(jìn)行像素級(jí)操作，則由于硬盤的讀取速度無法與內(nèi)存的讀取速度相比，顯然會(huì)影響圖像的處理速度。與數(shù)據(jù)壓縮方法和隨機(jī)存取方法的實(shí)現(xiàn)思路不同，分塊技術(shù)采用化整為零的方式將整個(gè)數(shù)據(jù)劃分為很多小塊，每一小塊的數(shù)據(jù)量顯著地小于整個(gè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量。顯然，如果將分塊思想與洪水填充算法結(jié)合起來，可從根本上解決三維層位自動(dòng)追蹤中的海量數(shù)據(jù)存取與操作難題。

從以上分析可知，受計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)能力的限制，將三維地震資料這種海量數(shù)據(jù)一次性地載入內(nèi)存難以實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)實(shí)的做法是： 設(shè)定一個(gè)數(shù)據(jù)處理范圍，只將當(dāng)前處理范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)載入內(nèi)存，其他大部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤上； 再按某種順序移動(dòng)數(shù)據(jù)處理范圍。該數(shù)據(jù)處理方式即分塊處理技術(shù)，它對(duì)三維數(shù)據(jù)處理尤顯重要。

4 分塊洪水填充算法

盡管目前計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力和資源日益強(qiáng)大，但隨著信息技術(shù)的發(fā)展，所獲得的信息量迅猛增多，計(jì)算機(jī)資源的增長(zhǎng)仍然相對(duì)滯后于數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)，因此分塊處理是海量數(shù)據(jù)處理中顯著減小計(jì)算機(jī)資源消耗的有效途徑。

對(duì)于二維圖像這種數(shù)據(jù)來說，分塊算法非常簡(jiǎn)單，僅需確定數(shù)據(jù)塊的大小即可計(jì)算出數(shù)據(jù)塊的數(shù)量。設(shè)X方向的數(shù)據(jù)塊大小為dx，Y方向的數(shù)據(jù)塊大小為dy，則對(duì)于一個(gè)nx×ny大小的圖像，其總塊數(shù)為

(1)

式中：xs和ys為0或1，即當(dāng)nx或ny正好能被dx或dy完全分割時(shí)為0，否則為1。其表達(dá)式為

xs=(nx%dx==0?0∶1)

(2)

ys=(ny%dy==0?0∶1)

(3)

以圖2所示的圖像為例，如果橫向像素?cái)?shù)為58，縱向像素?cái)?shù)為36，塊尺寸為10×10(單位為像素?cái)?shù)目)， 則所劃分的總塊數(shù)為24。一般地，在地震層位自動(dòng)追蹤中塊尺寸可設(shè)置為32×32～256×256 (單位為CMP點(diǎn)數(shù))。

圖2 二維圖像分塊方法

對(duì)于超大型二維圖像來說，將分塊技術(shù)與洪水填充算法結(jié)合起來，可解決計(jì)算機(jī)資源消耗過大的問題。先對(duì)圖像進(jìn)行分塊，然后在每一個(gè)圖像子塊中進(jìn)行洪水填充，這對(duì)單色圖像填充是可行的，其效果與一次性洪水填充沒有差別。不過，由于三維層位自動(dòng)追蹤機(jī)制不同于圖像的顏色填充，這種方法仍然存在問題。

不同于圖像顏色填充過程中只有一個(gè)種子點(diǎn)，三維層位自動(dòng)追蹤的種子點(diǎn)通常有很多個(gè)。把層位自動(dòng)追蹤過程視作流體的運(yùn)動(dòng)過程，層位自動(dòng)追蹤中的每個(gè)種子點(diǎn)都可看作是一個(gè)“水滴”。層位自動(dòng)追蹤的過程是，從這些種子點(diǎn)出發(fā)，逐漸向周圍擴(kuò)散和“浸染”，直至工區(qū)內(nèi)所有CMP點(diǎn)被遍歷完成并被賦予層位值。

三維地震層位自動(dòng)追蹤與圖像顏色填充的另一個(gè)不同點(diǎn)在于，對(duì)一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行層位追蹤，需要涉及該目標(biāo)點(diǎn)周圍一定區(qū)域(可稱為目標(biāo)點(diǎn)的鄰域范圍)內(nèi)的地震道。這與圖像顏色填充中僅需對(duì)種子點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)這兩個(gè)點(diǎn)的像素值進(jìn)行比較是不同的。

基于以上兩個(gè)原因，要使分塊洪水填充算法能夠適應(yīng)三維地震層位自動(dòng)追蹤，需要對(duì)其進(jìn)行改造，即基于鑲邊分塊算法使層位追蹤的鄰域范圍包含在單個(gè)數(shù)據(jù)塊之內(nèi)，并使用雙重循環(huán)的洪水填充法滿足多種子點(diǎn)的層位自動(dòng)追蹤，保證這種層位自動(dòng)追蹤是真正的空間型追蹤模式。

5 基于鑲邊分塊算法的雙尺度洪水填充法

雙尺度洪水填充法是在經(jīng)典洪水填充法基礎(chǔ)上擴(kuò)展而成的，它采用二級(jí)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)層位種子點(diǎn)的擴(kuò)散和目標(biāo)點(diǎn)遍歷，既能在完全遵守經(jīng)典洪水填充準(zhǔn)則的條件下滿足層位追蹤的準(zhǔn)確性要求，又能以較低的計(jì)算機(jī)資源占用滿足超大規(guī)模三維地震層位自動(dòng)追蹤的高效性要求。雙尺度洪水填充法從三個(gè)方面對(duì)經(jīng)典洪水填充算法進(jìn)行擴(kuò)展，即首先基于規(guī)則分塊算法對(duì)三維地震工區(qū)進(jìn)行分塊并建立兩個(gè)隊(duì)列； 再根據(jù)種子點(diǎn)順序進(jìn)行區(qū)塊編號(hào)并實(shí)施區(qū)塊級(jí)洪水填充； 最后基于鑲邊分塊算法對(duì)區(qū)塊進(jìn)行擴(kuò)邊并以區(qū)塊為單位實(shí)施種子點(diǎn)級(jí)洪水填充。

雙尺度洪水填充法按下列具體步驟進(jìn)行。

(1)區(qū)塊劃分。將整個(gè)三維工區(qū)按指定尺寸劃分為一系列小塊。根據(jù)地震數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，區(qū)塊尺寸通常設(shè)定為32×32～256×256，其單位為CMP點(diǎn)數(shù)。

(2)建立區(qū)塊隊(duì)列。首先根據(jù)種子點(diǎn)坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)非空區(qū)塊(即區(qū)塊中至少有一個(gè)種子點(diǎn))，將非零種子點(diǎn)區(qū)塊中的第一個(gè)種子點(diǎn)在總種子點(diǎn)序列中的序號(hào)設(shè)定為該區(qū)塊編號(hào)，并根據(jù)所劃分的區(qū)塊數(shù)量建立一個(gè)區(qū)塊(一級(jí))隊(duì)列，按照區(qū)塊編號(hào)從小到大將所有非零種子點(diǎn)區(qū)塊加入到一級(jí)隊(duì)列中，最后利用四連通洪水填充法按順時(shí)針次序?qū)⒘惴N子點(diǎn)區(qū)塊加入到區(qū)塊隊(duì)列中(圖3)。

(3)區(qū)塊級(jí)洪水填充。根據(jù)種子點(diǎn)的坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)位于每個(gè)區(qū)塊中的種子點(diǎn)數(shù)量，為每個(gè)非零種子點(diǎn)區(qū)塊建立一個(gè)對(duì)應(yīng)的種子點(diǎn)(二級(jí))隊(duì)列。

(4)種子點(diǎn)級(jí)洪水填充。首先設(shè)置區(qū)塊擴(kuò)邊量，根據(jù)擴(kuò)邊量對(duì)區(qū)塊實(shí)際范圍進(jìn)行“擴(kuò)邊”，即向四周擴(kuò)大一定范圍，以納入有效種子點(diǎn)(圖4)。如果將一個(gè)三維地震工區(qū)看作是一幅圖像，層位追蹤所必需的種子點(diǎn)是不均勻分布的，即無法保證每個(gè)區(qū)塊都有種子點(diǎn)存在。如果一個(gè)區(qū)塊中沒有種子點(diǎn)，則層位自動(dòng)追蹤就無法進(jìn)行。根據(jù)四連通洪水填充原理，由于與當(dāng)前區(qū)塊相鄰的4個(gè)區(qū)塊中至少有一個(gè)區(qū)塊已經(jīng)進(jìn)行了追蹤，因此可保證擴(kuò)邊后的當(dāng)前區(qū)塊中存在有效種子點(diǎn)。接著，將每個(gè)種子點(diǎn)坐標(biāo)分配到相應(yīng)區(qū)塊中，并依種子點(diǎn)序號(hào)構(gòu)建每個(gè)區(qū)塊種子點(diǎn)隊(duì)列； 然后，利用四連通算法實(shí)現(xiàn)種子點(diǎn)級(jí)洪水填充(圖5)。

圖3 區(qū)塊編號(hào)方法

圖4 區(qū)塊鑲邊示意圖

圖5 種子點(diǎn)級(jí)洪水填充順序

可見，雙尺度洪水填充法用兩級(jí)隊(duì)列代替經(jīng)典洪水填充法中的一個(gè)隊(duì)列。相應(yīng)地，完整的洪水填充過程包含兩個(gè)尺度：第一尺度(區(qū)塊級(jí))填充和第二尺度(種子點(diǎn)級(jí))填充。第一尺度為大尺度，第二尺度為小尺度。因此，將這種改進(jìn)的洪水填充法稱為雙尺度洪水填充。

通過針對(duì)不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件的地震層位反復(fù)進(jìn)行自動(dòng)追蹤試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)四連通和八連通洪水填充法的效果基本一致。經(jīng)過深入分析，其原因在于層位自動(dòng)追蹤中種子點(diǎn)分布是稀疏的，基本不存在無法追蹤的點(diǎn)。即使存在個(gè)別無法追蹤的點(diǎn)，也可在后續(xù)處理中通過層位點(diǎn)插值方式進(jìn)行補(bǔ)救。因此，在確保追蹤效果的前提下，為了提高雙尺度洪水填充的效率，在雙尺度洪水填充中傾向使用四連通算法。

雙尺度洪水填充法具有兩大優(yōu)點(diǎn)。首先，采用一致的四連通算法實(shí)現(xiàn)區(qū)塊級(jí)和種子點(diǎn)級(jí)洪水填充可保證種子點(diǎn)順序不發(fā)生顯著改變，并嚴(yán)格按照先進(jìn)先出原則對(duì)相應(yīng)隊(duì)列進(jìn)行操作。其次，通過對(duì)區(qū)塊實(shí)際范圍進(jìn)行“擴(kuò)邊”，可保證擴(kuò)邊后的當(dāng)前區(qū)塊中存在有效種子點(diǎn)，消除由于分塊造成的邊界效應(yīng)，從而確保層位追蹤的準(zhǔn)確度和精度不會(huì)降低。

6 實(shí)例與效果

為了檢驗(yàn)雙尺度洪水填充法的有效性及其層位自動(dòng)追蹤效果，選取中國松遼盆地的TK3D工區(qū)的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。TK3D工區(qū)共有1331條主測(cè)線和960條聯(lián)絡(luò)線(即在主測(cè)線方向有1331個(gè)CMP點(diǎn)，在聯(lián)絡(luò)線方向有960個(gè)CMP點(diǎn))。該地震資料質(zhì)量中等，地震反射特征較清晰，斷層較發(fā)育。

首先，根據(jù)工區(qū)大小，設(shè)置區(qū)塊尺寸為64×64(單位為CMP點(diǎn)數(shù))，據(jù)此將整個(gè)工區(qū)劃分為315個(gè)區(qū)塊，構(gòu)建區(qū)塊隊(duì)列。接著，根據(jù)種子點(diǎn)坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)位于每個(gè)區(qū)塊的種子點(diǎn)數(shù)量，為每個(gè)非零種子點(diǎn)區(qū)塊構(gòu)建對(duì)應(yīng)的種子點(diǎn)隊(duì)列。最后，采用一致的四連通算法實(shí)現(xiàn)第一尺度(區(qū)塊級(jí))和第二尺度(種子點(diǎn)級(jí))洪水填充。在進(jìn)行區(qū)塊級(jí)填充時(shí)，對(duì)區(qū)塊實(shí)際范圍進(jìn)行“擴(kuò)邊”。在本實(shí)例中，設(shè)置擴(kuò)邊量為3個(gè)CMP點(diǎn)。

圖6為基于本文雙尺度洪水填充法與采用其他解釋系統(tǒng)提供的經(jīng)典洪水填充法的層位追蹤效果對(duì)比圖，可見二者的符合率達(dá)到99%以上。

圖7為采用雙尺度洪水填充法所得的TK3D工區(qū)的T6層位自動(dòng)追蹤結(jié)果。可見具有層位點(diǎn)相位準(zhǔn)確、層位起伏形態(tài)清晰等特點(diǎn)，且無空白點(diǎn)存在。這說明與經(jīng)典洪水填充法的追蹤結(jié)果相比，利用本文所提出的雙尺度洪水填充法進(jìn)行三維地震層位空間自動(dòng)追蹤是可行的和有效的。

此外，該區(qū)地震數(shù)據(jù)采樣間隔為1ms，道長(zhǎng)為4000ms。如果將整個(gè)地震數(shù)據(jù)載入內(nèi)存，則占用內(nèi)存近20GB。當(dāng)采用分塊算法時(shí)，鑲邊后的單個(gè)數(shù)據(jù)塊所占內(nèi)存僅為76MB。顯然，在保證層位追蹤質(zhì)量的情況下，雙尺度洪水填充法還大大節(jié)省了內(nèi)存空間。

圖6 經(jīng)典洪水填充(白色層位)與雙尺度洪水填充(黑色層位)追蹤效果對(duì)比

圖7 TK3D資料T6層位雙尺度洪水填充法三維層位自動(dòng)追蹤效果

7 結(jié)論

雙尺度洪水填充是經(jīng)典洪水填充算法的一種擴(kuò)展，是將分塊處理思想與經(jīng)典洪水填充算法進(jìn)行融合而得到的。它基于分塊思想對(duì)三維地震工區(qū)進(jìn)行區(qū)塊劃分，采用大尺度的區(qū)塊級(jí)隊(duì)列和小尺度的種子點(diǎn)級(jí)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)三維層位的自動(dòng)追蹤。由于采用了一致的四連通算法實(shí)現(xiàn)區(qū)塊級(jí)和種子點(diǎn)級(jí)的洪水填充，并利用鑲邊分塊算法消除由于分塊而引起的邊界效應(yīng)；雙尺度洪水填充保證了層位追蹤過程中種子點(diǎn)順序不發(fā)生顯著改變，確保了層位追蹤的準(zhǔn)確度和精度不會(huì)降低。

基于雙尺度洪水填充方法的三維層位自動(dòng)追蹤的應(yīng)用實(shí)例表明，該方法能在顯著降低計(jì)算機(jī)資源需求的前提下實(shí)現(xiàn)層位自動(dòng)追蹤，層位自動(dòng)追蹤的精度與經(jīng)典洪水填充法一致，所獲得的層位質(zhì)量可靠，且層位自動(dòng)追蹤的效率沒有降低。

總之，雙尺度洪水填充法既能在完全遵守經(jīng)典洪水填充準(zhǔn)則的條件下滿足層位自動(dòng)追蹤的準(zhǔn)確性要求，又能以較低的計(jì)算機(jī)資源占用滿足超大規(guī)模三維地震層位自動(dòng)追蹤的高效性要求。利用該方法可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模或超大規(guī)模三維地震的層位自動(dòng)追蹤。

[1] Hoyes J and Cheret T.A review of “global” interpretation methods for automated 3D horizon picking.The Leading Edge，2011，30(1)：38-47.

[2] Herron D.Horizon autopicking.The Leading Edge，2000，19(5)：491-492.

[3] 施尚明，劉曉文，張景軍等.復(fù)雜地區(qū)三維地震資料高效解釋方法研究.石油地球物理勘探，2015，50(5)：936-941. Shi Shangming，Liu Xiaowen，Zhang Jingjun et al.3D seismic data high efficiency interpretation in complex areas.OGP，2015，50(5)：936-941.

[4] 楊家紅，劉杰，鐘堅(jiān)成等.結(jié)合分水嶺與自動(dòng)種子區(qū)域生長(zhǎng)的彩色圖像分割算法.中國圖形圖像學(xué)報(bào)，2010，15(1)：63-68. Yang Jiahong，Liu Jie，Zhong Jiancheng et al.A color image segmentation algorithm by integrating watershed with automatic seeded region growing.Journal of Image and Graphics，2010，15(1)：63-68.

[5] 李率杰，李鵬，馮兆永等.基于Navier-Stokes方程的圖像修復(fù)算法.中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，51(1)：9-13. Li Shuaijie，Li Peng，F(xiàn)eng Zhaoyong et al.A new algorithm for large in painting based on the Navier-Stokes Equation.Journal of Sun Yatsen University (Natural Science Edition)，2012，51(1)： 9-13.

[6] 孫家廣.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(第三版).北京：清華大學(xué)出版社，1998. Sun Jiaguang.Computer Graphics (Third Version).Tsinghua University Press，Beijing,1998.

[7] Shirley P，Ashikhmin M and Marschner S.Fundamentals of Computer Graphics (Third Edition).CRC Press，2009.

[8] 陳佳鑫，賈英民.一種基于漫水填充法的實(shí)時(shí)彩色目標(biāo)識(shí)別方法.計(jì)算機(jī)仿真，2012，29(3)：4-10. Chen Jiaxin，Jia Yingmin.Real-time color object re-cognition method based on flood fill algorithm.Computer Simulation，2012，29(3)：4-10.

[9] Tremeau A，Borel N.A region growing and merging algorithm to color segmentation.Pattern Recognition，1997，30(7)：1191-1203.

[10] Chen M，Zhan S，Wan Z et al.A dip-spreading method for horizon tracking based on plane-wave destruction technique.SEG Technical Program Expanded Abstracts，2012，31：864-868.

[11] Sheffield T，Bulloch T，Meyer D et al.Geovolume visualization and interpretation：speed and accuracy with auto-tracking.SEG Technical Program Expanded Abstracts，2003，22：2406-2409.

[12] 嚴(yán)蔚敏，吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).北京：清華大學(xué)出版社，1997. Yan Weimin，Wu Weimin.Data Structure.Tsinghua University Press，Beijing，1997.

[13] 劉偉，曹思遠(yuǎn).基于小波變換的信號(hào)奇異性檢測(cè)在層位識(shí)別中的應(yīng)用.石油地球物理勘探，2010，45(4)：530-533. Liu Wei and Cao Siyuan.Application of wavelet transform-based signal singularity detection in horizon identification.OGP，2010，45(4)：530-533.

[14] 馮智慧，劉財(cái)，馮晅等.基于互四階累積量一維切片的地震層位自動(dòng)拾取方法.石油地球物理勘探，2011，46(1)：58-63. Feng Zhihui，Liu Cai，F(xiàn)eng Xuan et al.An automatic seismic horizon picking-up method based on one dimensional slice of cross fourth order cumulant.OGP，2011，46(1)：58-63.

[15] 殷文，李援，郭加樹等.基于改進(jìn)蟻群追蹤策略的地震層位自動(dòng)識(shí)別方法.石油地球物理勘探，2017，52(3)：553-561. Yin Wen，Li Yuan，Guo Jiashu et al.Seismic horizon automatic identification based on ant colony tracking strategy.OGP，2017，52(3)：553-561.

[16] 趙利平，肖德貴，李肯立等.一種高效體數(shù)據(jù)壓縮算法及其在地震數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2009，21(11)：1606-1611. Zhao Liping，Xiao Degui，Li Kenli et al.An efficient algorithm for large-scale volume data compression and its application in seismic data processing.Journal of Computer-aided Design and Computer Graphics，2009，21(11)：1606-1611.

[17] 馬承杰.地震數(shù)據(jù)訪問技術(shù)研究.石油工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2005，23(4)：5-7. Ma Chengjie.Research on the techniques for access the seismic data.Computer Applications of Petroleum，2005，23(4)：5-7.

[18] 吳承兵，夏禹.分塊結(jié)構(gòu)在三維地震數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用.中國西部科技，2010，9(15)：19-20. Wu Chengbing，Xia Yu.The use of block structure in the three-dimensional seismic data processing.Science and Technology of West China，2010，9(15)：19-20.

(本文編輯：朱漢東)

陳茂山 教授級(jí)高級(jí)工程師，1966年生； 1990年本科畢業(yè)于石油大學(xué)勘查地球物理專業(yè)，1999年獲中國石油大學(xué)(華東)地球探測(cè)與信息技術(shù)專業(yè)碩士學(xué)位，2010年獲中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源地質(zhì)工程專業(yè)博士學(xué)位； 一直從事石油地球物理勘探方法研究與軟件開發(fā)； 現(xiàn)在中國石油集團(tuán)東方地球物理公司物探技術(shù)研究中心從事地震解釋新技術(shù)新方法研究與GeoEast地震處理解釋一體化系統(tǒng)研發(fā)。

1000-7210(2017)05-1033-09

P631

A

10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.05.017

*河北省涿州市中國石油東方地球物理公司物探技術(shù)研究中心，072751。 Email：chenmaoshan@cnpc.com.cn

本文于2016年11月28日收到，最終修改稿于2017年8月16日收到。

本項(xiàng)研究受中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目“大型地震處理解釋軟件平臺(tái)開發(fā)與集成”子課題“疊前儲(chǔ)層預(yù)測(cè)與沉積層序解釋軟件研發(fā)與集成”(2016E-1004)資助。