數(shù)字高程校正技術(shù)在盆地級近地表建模中的應(yīng)用

彭玉林 吳佳樂 劉宜文 陳景亮 鄒梅 侯奇 高雪江

摘? 要：準(zhǔn)噶爾盆地是新疆油田公司地震勘探的主戰(zhàn)場，其復(fù)雜多變的近地表?xiàng)l件給地震勘探帶了很大困難。建立精確的近地表模型，掌握近地表結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，對地震勘探3大環(huán)節(jié)（采集、處理、解釋）的研究至關(guān)重要。在分析DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)特征基礎(chǔ)上，研發(fā)DEM數(shù)字高程校正方法，實(shí)現(xiàn)與實(shí)測地表高程的無縫拼接，填補(bǔ)了沒有實(shí)測高程區(qū)域的空缺，為精確建立近地表結(jié)構(gòu)模型奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，利用校正后的DEM數(shù)字高程建立盆地級高精度近地表結(jié)構(gòu)模型，為后續(xù)指導(dǎo)新探區(qū)表層調(diào)查點(diǎn)的布設(shè)、地震采集激發(fā)井深的精確設(shè)計(jì)等發(fā)揮了重要作用。

關(guān)鍵字：準(zhǔn)噶爾;表層結(jié)構(gòu); 區(qū)域建模;靜校正;表層部署

分層建模法是近地表結(jié)構(gòu)建模常用方法之一，相比利用地震單炮初至?xí)r間折射和層析反演方法而言，分層法具工作量小、占用計(jì)算機(jī)時(shí)少、建模效率高等特點(diǎn)，是目前盆地級區(qū)域建模的主要技術(shù)方法[1-4]。該方法是在獲取目標(biāo)區(qū)域地表高程數(shù)據(jù)前提下，通過區(qū)域內(nèi)表層調(diào)查點(diǎn)（小折射、微測井）的垂向厚度、速度等成果信息進(jìn)行空間插值，得到區(qū)域內(nèi)每個(gè)物理點(diǎn)的表層結(jié)構(gòu)模型[5-8]。以往地震勘探測網(wǎng)間存在不同密度的地表高程數(shù)據(jù)空白區(qū)，導(dǎo)致區(qū)域模型整體建立存在一定問題。為彌補(bǔ)地表高程缺失問題，以往直接利用地表衛(wèi)片影像中的DEM數(shù)字高程代替區(qū)域測網(wǎng)中的地震實(shí)測高程，由于DEM數(shù)字高程與地震實(shí)測高程之間存在誤差，直接使用DEM數(shù)字高程不能滿足區(qū)域近地表結(jié)構(gòu)精細(xì)建模需求。因此，本文提出一種在高精度數(shù)字高程的基礎(chǔ)上，利用實(shí)測高程網(wǎng)格化過渡填充方式進(jìn)行校正，獲得盆地區(qū)域精細(xì)地表高程的方法。本方法通過設(shè)置過渡區(qū)域和網(wǎng)格化方式，保證數(shù)字模型高程和實(shí)測物理高程無痕過渡銜接，確保DEM數(shù)字高程與實(shí)測高程之間的閉合，為盆地級近地表模型構(gòu)建奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1? 研究思路

本次研究應(yīng)用的準(zhǔn)噶爾盆地DEM數(shù)字高程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，來源于ASTER GDEM V2版本的DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，經(jīng)投影轉(zhuǎn)換、格式調(diào)整和重新網(wǎng)格化后生成20×20 m平面網(wǎng)格的高程節(jié)點(diǎn)，是盆地統(tǒng)一高程的初始網(wǎng)格數(shù)據(jù)。由于DEM數(shù)字高程生產(chǎn)過程中，原始數(shù)據(jù)采集受原始資料、采點(diǎn)設(shè)備及采集過程中人為因素影響，導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)存在誤差，且DEM建立時(shí)進(jìn)行內(nèi)插計(jì)算與建模過程會(huì)產(chǎn)生內(nèi)插建模誤差，該誤差不僅與內(nèi)插算法相關(guān)，同時(shí)與原始數(shù)據(jù)分布密度相關(guān)。另投影轉(zhuǎn)化和平面網(wǎng)格化過程也存在一定誤差[9-12]，這些誤差的累積，最終導(dǎo)致在含有地震測量數(shù)據(jù)的區(qū)域內(nèi)，相同網(wǎng)格內(nèi)的DEM數(shù)字高程與地震實(shí)測高程存在最大約20 m的閉合誤差，導(dǎo)致以此高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的盆地區(qū)域近地表模型發(fā)生一定程度突變（圖1），影響模型的整體應(yīng)用。為保證盆地區(qū)域近地表結(jié)構(gòu)建模精度，需對盆地初始DEM數(shù)字高程進(jìn)行以實(shí)測地震高程為參考點(diǎn)的平面校正，消除兩套地表高程數(shù)據(jù)的閉合差。

1.1? 網(wǎng)格化過渡填充方式對DEM數(shù)字高程進(jìn)行校正

數(shù)據(jù)網(wǎng)格化是將空間上不均勻分布的數(shù)據(jù)，按一定方法，如滑動(dòng)平均法、克里格法或其他適當(dāng)數(shù)值推算、插值等方法，計(jì)算規(guī)則網(wǎng)格中的代表值（趨勢值）的過程。數(shù)據(jù)網(wǎng)格化的基本功能是在遵循所研究變量的空間變化趨勢的基礎(chǔ)上，將空間上分散的數(shù)值換算成規(guī)則分布的網(wǎng)格數(shù)值，彌補(bǔ)空白網(wǎng)格的數(shù)值，為不同變量的綜合分析及對比提供統(tǒng)一的空間結(jié)構(gòu)[12-14]。

為在準(zhǔn)噶爾盆地范圍內(nèi)獲得精細(xì)、可靠、連續(xù)、全覆蓋的高程基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，需將采集的物理點(diǎn)高程和DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)相結(jié)合，形成統(tǒng)一高程網(wǎng)格數(shù)據(jù)?？紤]到采集區(qū)塊內(nèi)物理點(diǎn)高程為實(shí)測高程數(shù)據(jù)，可信度高，因此，以物理點(diǎn)高程作為DEM數(shù)字高程校正的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在物理點(diǎn)可控范圍內(nèi)，對DEM數(shù)字高程進(jìn)行校正，保證校正后的DEM數(shù)字高程與物理點(diǎn)高程一致，并在缺少物理點(diǎn)高程控制的區(qū)域內(nèi)使用DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化填充，達(dá)到提高DEM數(shù)字高程精度的目的。本次以自主研發(fā)的集盆地?cái)?shù)據(jù)管理、應(yīng)用、質(zhì)控于一體的《近地表結(jié)構(gòu)解釋系統(tǒng)》為平臺(tái)，開展DEM數(shù)字高程校正研究。該系統(tǒng)能方便快捷地獲取盆地所有區(qū)域部署采集的物理點(diǎn)高程和初始的DEM數(shù)字高程（20×20 m平面網(wǎng)格），并參考DEM網(wǎng)格邊長等參數(shù)對地震測量成果進(jìn)行網(wǎng)格化，生成與初始DEM數(shù)字高程網(wǎng)格坐標(biāo)一致的中間實(shí)測物理點(diǎn)高程網(wǎng)格平面數(shù)據(jù)體。在此網(wǎng)格基礎(chǔ)上，去除沒有實(shí)測物理點(diǎn)網(wǎng)格數(shù)據(jù)覆蓋的空白區(qū)域，獲得物理點(diǎn)實(shí)測高程與初始DEM數(shù)字高程誤差平面數(shù)據(jù)體。DEM數(shù)字高程校正的目的就是利用此誤差數(shù)據(jù)體對初始DEM數(shù)字高程進(jìn)行平面校正，整體校正基本可分為以下3種：

地震實(shí)測高程點(diǎn)包絡(luò)線以外區(qū)域? 據(jù)預(yù)先指定的過渡區(qū)域尺度，在中間高程網(wǎng)格的空值區(qū)域劃分標(biāo)記出過渡區(qū)域。將過渡區(qū)域外的空值網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)代入全盆地DEM數(shù)字高程網(wǎng)格，提取DEM數(shù)據(jù)并替換對應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)值。此時(shí)，中間高程網(wǎng)格點(diǎn)可分為3個(gè)部分：有效物理點(diǎn)控制范圍內(nèi)的有值網(wǎng)格點(diǎn)（W區(qū)）;標(biāo)記為過渡區(qū)域的空值網(wǎng)格點(diǎn)（Q區(qū)）;過渡區(qū)域外按DEM數(shù)值填充的有值網(wǎng)格點(diǎn)（M區(qū)）。并將在平面網(wǎng)格中實(shí)測高程與中間網(wǎng)格DEM數(shù)字高程之間的誤差標(biāo)記為[Di]，按上述區(qū)域劃分，可知W與M區(qū)[Di]均為已知，其中M區(qū)域[Di]為零，Q區(qū)[Di]需通過插值計(jì)算。為避免過渡區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)“臺(tái)階”似突變現(xiàn)象，采用距離加權(quán)平均方式對Q區(qū)網(wǎng)格點(diǎn)[Di]值進(jìn)行空間插值。

以給定搜索半徑內(nèi)與目標(biāo)點(diǎn)距離最近的W區(qū)3個(gè)控制點(diǎn)及M區(qū)3個(gè)控制點(diǎn)為基點(diǎn)，在三角網(wǎng)格中計(jì)算任意一網(wǎng)格空值點(diǎn)的高程誤差。假設(shè)與目標(biāo)點(diǎn)J最近的6個(gè)控制點(diǎn)分別為[i]、[i+1]、[i+2]、[i+3]、[i+4]、[i+5]（圖2左），此6個(gè)點(diǎn)與相鄰網(wǎng)格點(diǎn)的高程誤差分別為[Di]、[Di+1]、[Di+2]、[Di+3]、[Di+4]、[Di+5]，則J點(diǎn)的誤差[Di]可表示為：

其中，[Ki]為[i]點(diǎn)對[j]點(diǎn)的權(quán)系數(shù)，與距離相關(guān)，可表示為：

上式中[xi]為[i]點(diǎn)與[j]點(diǎn)的直線距離[13-14]。由此，可得到Q區(qū)域中所有網(wǎng)格點(diǎn)的高程誤差值，與已知W區(qū)和M區(qū)中高程誤差值相結(jié)合，即得到全區(qū)域的高程誤差值。

地震實(shí)測高程點(diǎn)包絡(luò)線以內(nèi)區(qū)域? 劃分為有效物理點(diǎn)控制范圍內(nèi)的有值網(wǎng)格點(diǎn)（W區(qū)）與標(biāo)記為過渡區(qū)域的空值網(wǎng)格點(diǎn)（Q區(qū)），Q區(qū)的[Di]需利用W區(qū)的[Di]進(jìn)行空間插值方式計(jì)算。

由于盆地地震實(shí)測物理點(diǎn)近4 000萬個(gè)，全部用于空間插值的計(jì)算量巨大。盆地中同樣為實(shí)測地表高程的表層調(diào)查點(diǎn)均按一定密度間隔分布在地震測網(wǎng)中，總數(shù)據(jù)點(diǎn)為76萬個(gè)，遠(yuǎn)少于實(shí)測地震數(shù)據(jù)點(diǎn)，用其作為插值基準(zhǔn)點(diǎn)將大幅減小計(jì)算數(shù)據(jù)量。因此，在實(shí)測高程點(diǎn)包絡(luò)線以內(nèi)區(qū)域，可利用平面網(wǎng)格中表層控制點(diǎn)的實(shí)測高程與初始DEM數(shù)字高程之間的誤差值進(jìn)行空間插值，獲得完整的高程誤差平面圖，實(shí)現(xiàn)DEM數(shù)字高程的整體校正。

以給定搜索半徑內(nèi)與目標(biāo)點(diǎn)距離最近的3個(gè)控制點(diǎn)為基點(diǎn)，在三角網(wǎng)格中計(jì)算任意一網(wǎng)格空值點(diǎn)的高程誤差。假設(shè)與目標(biāo)點(diǎn)J最近的3個(gè)控制點(diǎn)分別為[i]、[i+1]、[i+2]（圖2右），此3個(gè)點(diǎn)與相鄰炮-檢點(diǎn)的高程誤差分別為[Di]、[Di+1]、[Di+2]，則[j]點(diǎn)的誤差[Di]表示為：

其中，[Ki]為[i]點(diǎn)對[j]點(diǎn)的權(quán)系數(shù)，與距離相關(guān)，可表示為：

上式中[xi]為[i]點(diǎn)與[j]點(diǎn)的直線距離[15]。由此，可得到Q區(qū)域中所有網(wǎng)格點(diǎn)的高程誤差值，與已知W區(qū)中的高程誤差值相結(jié)合，即得到全區(qū)域內(nèi)高程誤差值。

DEM數(shù)字高程校正? 當(dāng)?shù)玫絒j]點(diǎn)高程誤差后，可由下式得到[j]點(diǎn)經(jīng)校正之后的高程值[Sj]：

上式中[Sj]為[j]點(diǎn)需整體整合的DEM數(shù)字高程，[RSi]為[j]點(diǎn)實(shí)際DEM數(shù)字高程值。同理，可得到實(shí)測物理點(diǎn)校正后的DEM數(shù)字高程值，這樣就完成了用物理點(diǎn)實(shí)測高程對DEM數(shù)字高程的整體校正。這種高程校正由于在平面上受表層調(diào)查點(diǎn)密度和插值半徑約束，只利用實(shí)測物理點(diǎn)可靠的低頻成分對DEM數(shù)字高程的低頻成分進(jìn)行校正，保留了DEM數(shù)字高程可信的高頻成分。因此，這種高程校正具良好的適應(yīng)性，校正結(jié)果具實(shí)測物理點(diǎn)高程與DEM數(shù)字高程的可靠低、高頻成分。

1.2? 雙緩存技術(shù)提高DEM高程校正效率

由前述可知，平面區(qū)域上每個(gè)物理網(wǎng)格點(diǎn)的高程誤差計(jì)算是以網(wǎng)格數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行的。由于全盆地物理點(diǎn)數(shù)據(jù)量非常大，僅從《近地表結(jié)構(gòu)解釋系統(tǒng)》加載整個(gè)探區(qū)物理點(diǎn)高程數(shù)據(jù)會(huì)一次性向內(nèi)存提交近10G數(shù)據(jù)量，加上全探區(qū)高程數(shù)據(jù)網(wǎng)格化流程需占用大量系統(tǒng)資源，故在數(shù)字高程校正計(jì)算時(shí)所申請使用的內(nèi)存很容易超出系統(tǒng)內(nèi)存容量，導(dǎo)致客戶端程序崩潰。本次采用以時(shí)間換空間的解決思路，不僅在加載全探區(qū)采集項(xiàng)目物理點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)使用本地緩存文件代替內(nèi)存空間來存儲(chǔ)預(yù)處理過的高程數(shù)據(jù)，還在全探區(qū)高程網(wǎng)格生成和提取過程中采取動(dòng)態(tài)分塊和本地緩存相結(jié)合的方式，避免校正計(jì)算過程中出現(xiàn)一次占用過多系統(tǒng)資源，導(dǎo)致程序無法正常工作。這樣處理雖會(huì)增多加載、釋放分塊緩存數(shù)據(jù)的時(shí)間，但可解決全探區(qū)大數(shù)據(jù)量無法順利計(jì)算的問題，同時(shí)可支持更精細(xì)的探區(qū)級網(wǎng)格數(shù)據(jù)生成與提取[16-17]。

2? 應(yīng)用效果

2.1? DEM數(shù)字高程校正的效果

通過本文所述技術(shù)的綜合應(yīng)用，解決了以往地震測網(wǎng)中存在實(shí)測高程空白、數(shù)字高程與地震實(shí)測高程存在閉合差等問題，為實(shí)現(xiàn)盆地級高精度近地表模型的整體建立提供支撐。圖3為校正前后地震實(shí)測高程與DEM數(shù)字高程間的誤差對比。如圖所示，在校正前DEM數(shù)字高程與物理點(diǎn)實(shí)測高程之間存在明顯不閉合問題，校正后的DEM數(shù)字高程與實(shí)測高程閉合良好（誤差小于2 m），所得盆地區(qū)域級DEM數(shù)字高程精度可靠。在以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的盆地級近地表結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，提取盆地級近地表結(jié)構(gòu)剖面（圖4），相比圖1來看，當(dāng)DEM數(shù)字高程精度提高后，之前在地震測網(wǎng)空白區(qū)存在的模型閉合差問題得到有效解決，模型精度進(jìn)一步提高。

2.2? 指導(dǎo)表層調(diào)查點(diǎn)的部署

在獲取盆地級高精度DEM數(shù)字高程后，進(jìn)行區(qū)域表層調(diào)查點(diǎn)采集部署時(shí)，改變以往測網(wǎng)建模方式為區(qū)域整體模型構(gòu)建方式（（圖5左-右）。以往方式只能沿二維測網(wǎng)對表層結(jié)構(gòu)進(jìn)行縱橫向變化分析，不能對重要目標(biāo)區(qū)進(jìn)行任意線的連井表層結(jié)構(gòu)分析，導(dǎo)致難以對目標(biāo)區(qū)表層結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行針對性的表層調(diào)查部署。進(jìn)行區(qū)域模型構(gòu)建后，能精細(xì)地分析任意區(qū)域的表層結(jié)構(gòu)變化，針對性地部署表層調(diào)查點(diǎn)。針對探井A、B間的結(jié)構(gòu)變化關(guān)系，改變以往均勻部署調(diào)查點(diǎn)的方式，可在重要結(jié)構(gòu)突變區(qū)域進(jìn)行針對性部署，在提高部署效果的同時(shí)有效降低了表層調(diào)查點(diǎn)采集成本[18-20]。

2.3? 精準(zhǔn)設(shè)計(jì)激發(fā)井深

地震采集過程中，井炮激發(fā)井深的選取非常重要，關(guān)系到子波的頻帶寬度、反射信號(hào)能量。恰當(dāng)?shù)木钗恢每蓽p少震源產(chǎn)生的次生干擾、虛反射等。通過對準(zhǔn)噶爾盆地地震勘探多年來井炮激發(fā)井深的認(rèn)知，最佳激發(fā)深度應(yīng)選擇低降速帶界面之下的高速層，盡量靠近高速層頂界面，這實(shí)際上對地震采集的井深設(shè)計(jì)精度提出了很高要求。

以往激發(fā)井深設(shè)計(jì)是依據(jù)工區(qū)內(nèi)歷史表層調(diào)查資料進(jìn)行近地表結(jié)構(gòu)模型建立，確定每個(gè)激發(fā)點(diǎn)位置的井深，由于缺少實(shí)際的地表高程，地表高程的變化又與低降速層界面的變化具不完全相關(guān)性，激發(fā)位置是否在高速層頂界面之下就很難保證，其誤差大小依賴于高程精度。目前獲取精確盆地DEM數(shù)字高程，建立能準(zhǔn)確反映表層結(jié)構(gòu)空間垂向變化的近地表模型，可為精準(zhǔn)設(shè)計(jì)激發(fā)井深奠定基礎(chǔ)。圖6為依據(jù)本文方法校正后的DEM數(shù)字高程建模前后所得近地表模型設(shè)計(jì)的激發(fā)深度試驗(yàn)單炮效果對比。受空間地表高程精度影響，前后設(shè)計(jì)的激發(fā)深度相差5 m，但單炮效果相差較大。圖6左為在高速頂界面之上3 m處激發(fā)，激發(fā)介質(zhì)速度1 600 m/s;圖6右為在高速層頂界面之下2 m處激發(fā)，激發(fā)介質(zhì)速度為2 000 m/s。從圖中可看到，高速層中激發(fā)的單炮從能量、信噪比、頻率等特征均優(yōu)于高速層之上激發(fā)的單炮效果。

3? 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1） 實(shí)際資料應(yīng)用表明，本文所述盆地DEM數(shù)字高程校正方法具良好的穩(wěn)定性和精度。此方法結(jié)合盆地地震實(shí)測物理點(diǎn)并以盆地表層調(diào)查點(diǎn)實(shí)測高程為基準(zhǔn)網(wǎng)格，對以往直接獲取的初始DEM數(shù)字高程進(jìn)行了低頻誤差校正，較好地提高了建模所需高程數(shù)據(jù)的精度，為盆地級近地表模型構(gòu)建奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2） DEM數(shù)字高程校正技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，為地震采集激發(fā)井深的精確設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)，確保了接近高速層頂界面位置激發(fā)，單炮記錄優(yōu)質(zhì)品率明顯提高。

（3） 本次研究和推廣應(yīng)用的DEM數(shù)字高程校正是以現(xiàn)有的初始DEM高程數(shù)據(jù)體、盆地地震測網(wǎng)和表層調(diào)查點(diǎn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，當(dāng)后續(xù)隨精度進(jìn)一步提升后，仍需進(jìn)行重新校正，以保證數(shù)據(jù)更新的及時(shí)性。

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