基于三维真地表的观测系统自动排障量化方法与流程

1.本发明涉及油气田勘探开发技术领域，特别是涉及到一种基于三维真地表的观测系统自动排障量化方法。


背景技术：

2.随着复杂构造油气藏、薄层岩性油气藏、页岩油气资源等勘探开发程度的加深，在地震数据野外采集中，需要设计全方位、高密度的观测系统，观测系统具有宽方位、宽频带、高密度、高覆盖次数、单点接收、小炮间距、小道间距的特点。设计“两宽一高”或高密度全方位的野外观测系统，对于改善地震资料成像效果、提高储层描述精度具有重要作用，但是由于复杂地表障碍物的不利影响，使得实际施工观测系统存在严重的变观问题，从而影响了后续的地震资料处理和综合解释。国内外专家学者对采集观测系统的设计准则、施工参数选取以及野外施工步骤进行了详细的研究，基于波动方程的地下储层地震照明分析，可以优化复杂地表区观测系统的野外施工方案，并可以针对地下目的层能量屏蔽区与弱能量反射区，通过炮点变观、加密炮点、增加排列等手段，对观测系统进行变观，从而保证施工质量。
3.常规方法通常采用二维卫星图片平面图，进行手工的拾取和标定障碍物位置，然后将障碍物内的炮点和检波点移动出去，存在施工效率低、变观没有依据、缺乏监控手段的问题。
4.在申请号：201010165002.8的中国专利申请中，涉及到基于地理信息的三维地震勘探采集观测系统自动避障优化设计技术，采用以下步骤实现：(1)首先建立适合地震勘探采集设计分析应用的地理信息集合数据结构，完成地理信息勘探属性的分类和定义。(2)其次根据地理信息的勘探属性和避障属性值自动扩展生成点、线、面地物禁炮区域，以及无避障属性地物的禁接收区域、可激发区域、避高区域，建立准确的地表勘探地理信息矢量化数字模型。(3)然后进行拟定的理论观测系统采集覆盖周期内各cmp固有采集属性统计计算，包括：覆盖次数、炮检距分布、炮检方位分布、纵向炮检距分布和非纵距分布。(4)完成排列随调整激发点同向移动、不移动和反向移动采集观测方式任意激发点与排列对应关系自动定义。(5)以拟定的理论观测系统固有采集属性为基准；以建立的地表勘探地理信息矢量化数字模型为基础；以勘探目标为主体完成所有可布设勘探物理点的采集属性分析、与cmp固有采集属性吻合度分析，进行勘探采集观测系统自动避障优化设计，实现：
①
基于地理信息的采集观测系统自动避障优化设计；
②
基于已知可用激发点空间坐标的采集观测系统自动优化设计；
③
基于地理信息的跨束非纵采集观测系统自动避障优化设计；
④
基于地理信息或基于已知可用激发点空间坐标的本束横向对称偏移激发点采集观测系统自动优化设计；
⑤
基于地理信息或基于已知可用激发点空间坐标的挂炮线采集观测系统自动优化设计。(6)局部大障碍区目标采集观测系统定义及目标采集观测系统与束状采集观测系统衔接采集观测模拟分析计算。地表高陡地形、地下疏松条带、地下空腔和地下巨厚低速区严重影响采集质量，该专利建立的地表勘探地理信息矢量化数字模型只包含地表信息，未考虑地表
以下低降速带速度与厚度、q体的影响，地表以下100米范围内的近地表对激发和接收影响剧烈，炮点在不同地层激发产生的能量、频率差异明显，这是影响采集质量的关键因素，所以在自动避障中必须考虑。另外，该专利无法自动圈定障碍物，采用数学集合进行避障，对避障后的观测系统进行定性分析，缺乏定量化的评价准则。为此我们发明了一种新的基于三维真地表的观测系统自动排障量化方法，解决了以上技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种可以快速高效地得到最优的野外采集观测系统的基于三维真地表的观测系统自动排障量化方法。
6.本发明的目的可通过如下技术措施来实现：基于三维真地表的观测系统自动排障量化方法，该基于三维真地表的观测系统自动排障量化方法包括：步骤1，设计理论的规则观测系统，建立三维真地表构造模型；步骤2，进行野外施工障碍物的自动识别和圈定，将圈定的障碍物进行分类，设定激发点施工可行距离；步骤3，根据圈定的地表障碍物位置，自动选取需要避障的炮点和检波点；步骤4，利用自动避障算法，将选取的炮点和检波点进行移动；步骤5，输出自动避障后的炮点和检波点位置信息，量化评价自动避障后的观测系统，定量评价准则指导炮点和检波点位置的再优化。
7.本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
8.在步骤1中，根据施工工区的地表条件、构造特征和地质任务，设计规则的观测系统，并形成规则观测系统文本资料，导入施工工区的卫星图片、近地表速度、q体和地表高程，结合野外踏勘情况，建立三维真地表构造模型，真地表包含了地表、低降速带、高速层顶界面等地层信息。
9.在步骤1中，所述三维真地表构造模型是由卫星图片、近地表速度、q体、地表高程和野外踏勘照片建立的，通过经纬度坐标、低降速带厚度和地表高程真实的反映了地表障碍物的变化情况，同时包含不同位置的吸收衰减特性，实现了由二维平面标量图向三位立体向量图的转变。
10.在步骤2中，在三维构造模型中进行野外施工障碍物的自动识别和圈定，结合障碍物特点及安全施工要求，将圈定的障碍物进行分类，并根据分类情况设定激发点施工可行距离。
11.在步骤2中，根据四色图像数字化处理技术，在三维真地表构造模型中自动圈定地表障碍物，地表障碍物信息包括：经纬度坐标、低降速带厚度、吸收衰减特性、地表高程；结合障碍物特点及安全施工要求，将圈定的障碍物进行分类，障碍物包括：村镇、工厂、河流、公路、养殖场、疏松沉积带、巨厚低速区、井场和高陡山丘，其中：养殖场、井场、高陡山丘属于i类障碍物；村镇、工厂属于ii类障碍物；公路、河流、疏松沉积带、巨厚低速区属于iii类障碍物；i类障碍物激发点施工可行距离20m，ii类障碍物激发点施工可行距离10m，iii类障碍物激发点施工可行距离5m。
12.在步骤3中，将规则的观测系统投影到真地表三维构造模型中，根据圈定的地表障碍物位置，结合障碍物分类情况，自动选取需要避障的炮点和检波点。
13.在步骤3中，将理论观测系统资料导入，炮点和检波点投影到三维真地表构造模型中，根据圈定的地表障碍物位置，结合障碍物分类情况，自动选取需要避障的炮点和检波
点；所述自动选取需要避障的炮点和检波点方法为，在三维向量图中，假定炮点或检波点为p，障碍物范围为一多边形区域area，同时考虑地表高程的影响，从p点向左侧或右侧水平方向试射射线，射线与多边形区域area会产生交点数，根据交点个数判断p点是否在多边形区域area内；如果交点数为奇数或高程突变超出预设阈值，则p点在多边形区域area内；若交点数为偶数，则p点不在多边形区域area内；遍历搜索所有炮点和检波点，从而得到落入障碍物中的炮检点，并形成无需避障的观测系统资料、需要避障的观测系统资料。
14.在步骤4中，利用自动避障算法，将选取的炮点和检波点进行移动，检波点无需考虑施工可行距离，直接完成自动避障，在进行炮点移动时，根据激发点施工可行距离，将炮点移动到施工可行位置，从而完成炮点的自动避障。
15.在步骤4中，利用自动避障算法，导入需要避障的观测系统资料，将选取的炮点和检波点进行移动；检波点无需考虑施工可行距离，直接完成自动避障；在进行炮点移动时，结合激发点施工可行距离，将炮点移动到施工可行位置，从而完成炮点的自动避障；所述自动避障算法为，读取某一障碍物范围内的炮检点,根据炮检点落入障碍物的位置，按照从中间到两边、从下到上的原则，确定障碍物内每一个炮检点的移动顺序,然后按照规划的移动顺序，上下交替搜索障碍物之外的可放置空点，将炮检点移动到障碍物外侧；多个障碍物的情况下，障碍物计算顺序从上到下依次进行；在进行炮点移动时，结合三类障碍物的激发点施工可行距离，进行炮点的自动避障。
16.在步骤5中，输出自动避障后的炮点和检波点位置信息，计算观测系统覆盖次数、炮道密度、方位角、炮检距均匀分布和成像算子属性图，量化评价自动避障后的观测系统。
17.在步骤5中，输出自动避障后的炮点和检波点位置信息，计算观测系统覆盖次数、炮道密度、方位角、炮检距均匀分布和成像算子属性图；提出的量化评价公式为：θ＝α
×
fold ρ
×
st β
×
zip φ
×
rs λ
×
im，其中：α为覆盖次数权重系数，fold为覆盖次数，ρ为炮道密度权重系数，st为炮道密度，β为方位角权重系数，zip为方位角，φ为炮检距均匀分布权重系数，rs为炮检距均匀分布，λ为成像算子权重系数，im为成像算子；综合考虑观测系统覆盖次数、炮道密度、方位角、炮检距均匀分布和成像算子属性，评价自动避障后的观测系统，根据量化评价结果和定量评价准则决定是否需要优化加密炮检点或输出最终的观测系统资料。
18.该基于三维真地表的观测系统自动排障量化方法还包括，在步骤5之后，根据量化评价结果和定量评价准则，若不满足观测系统施工要求，则进行炮点和检波点的加密；若满足观测系统施工要求，则输出最终的观测系统资料，完成观测系统的自动避障。
19.本发明中的基于三维真地表的观测系统自动排障量化方法，从建立三维真地表构造模型入手，通过障碍物的自动识别、圈定和分类，利用自动避障算法，实现炮检点的自动避障，并通过覆盖次数、炮道密度、方位角、炮检距均匀分布和成像算子属性图，量化评价自动避障后的观测系统。在大幅提高施工效率的同时，确保了观测系统符合施工要求，从而为采集高品质数据奠定了基础。该方法根据卫星图片、近地表速度与厚度、q体、地表高程和野外踏勘照片建立三维真地表构造模型，综合评估经纬度坐标、低降速带厚度、吸收衰减特性、地表高程等障碍物信息，通过障碍物的自动识别、圈定和分类，同时充分考虑了激发点施工可行距离，利用自动避障算法，实现了炮检点的自动避障，并通过覆盖次数、炮道密度、方位角、炮检距均匀分布和成像算子属性，量化评价自动避障后的观测系统，定量评价准则
能够确保观测系统避障的科学性。针对三维真地表进行观测系统自动排障量化，在大幅提高施工效率的同时，确保了观测系统符合施工要求，从而为采集高品质数据奠定了基础，在单点高密度地震勘探中具有重要作用。
附图说明
20.图1为本发明的一具体实施例中设计规则观测系统示意图；
21.图2为本发明的一具体实施例中设计观测系统在障碍物投影的分布图；
22.图3为本发明的一具体实施例中观测系统自动避障后的炮检点分布图；
23.图4为本发明的一具体实施例中自动避障前后观测系统属性对比图；
24.图5为本发明的基于三维真地表的观测系统自动排障量化方法的一具体实施例的流程图。
具体实施方式
25.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
26.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
27.如图5所示，图5为本发明的基于三维真地表的观测系统自动排障优化方法的流程图。
28.步骤101、根据施工工区的地表条件、构造特征和地质任务，设计规则的观测系统，并形成规则观测系统sps(shell procession support format)文件，导入施工工区的卫星图片、近地表速度、q体和地表高程，结合野外踏勘情况，建立三维真地表构造模型；
29.所述三维真地表构造模型是由卫星图片、近地表速度与厚度、q体、地表高程和野外踏勘照片建立的，通过经纬度坐标、低降速带厚度和地表高程真实的反映了地表障碍物的变化情况，同时包含不同位置的吸收衰减特性，实现了由二维平面标量图向三位立体向量图的转变。
30.步骤102、在三维构造模型中进行野外施工障碍物的自动识别和圈定，结合障碍物特点及安全施工要求，将圈定的障碍物进行分类，并根据分类情况设定激发点施工可行距离；
31.根据四色图像数字化处理技术，在三维真地表构造模型中自动圈定地表障碍物，地表障碍物信息包括：经纬度坐标、低降速带厚度、吸收衰减特性、地表高程等。结合障碍物特点及安全施工要求，将圈定的障碍物进行分类，障碍物包括：村镇、工厂、河流、公路、养殖场、疏松沉积带、巨厚低速区、井场和高陡山丘等，其中：养殖场、井场、高陡山丘属于i类障碍物；村镇、工厂属于ii类障碍物；公路、河流、疏松沉积带、巨厚低速区属于iii类障碍物。i类障碍物激发点施工可行距离20m，ii类障碍物激发点施工可行距离10m，iii类障碍物激发点施工可行距离5m。
32.步骤103、将理论观测系统投影到真地表三维构造模型中，根据圈定的地表障碍物位置，结合障碍物分类情况，自动选取需要避障的炮点和检波点；
33.将理论观测系统sps文件导入，炮点和检波点投影到三维真地表构造模型中，根据圈定的地表障碍物位置，结合障碍物分类情况，自动选取需要避障的炮点和检波点。所述自动选取需要避障的炮点和检波点方法为，在三维向量图中，假定炮点或检波点为p，障碍物范围为一多边形区域area，同时考虑地表高程的影响，从p点向左侧或右侧水平方向试射射线，射线与多边形区域area会产生交点数，根据交点个数判断p点是否在多边形区域area内，大幅提高了准确度和生产效率。若果交点数为奇数或高程突变超出预设阈值，则p点在多边形区域area内；若交点数为偶数，则p点不在多边形区域area内。遍历搜索所有炮点和检波点，从而得到落入障碍物中的炮检点，并形成无需避障的观测系统sps文件、需要避障的观测系统sps文件。
34.步骤104、利用自动避障算法，将选取的炮点和检波点进行移动，检波点无需考虑施工可行距离，直接完成自动避障，在进行炮点移动时，根据激发点施工可行距离，将炮点移动到施工可行位置，从而完成炮点的自动避障；
35.利用自动避障算法，导入需要避障的观测系统sps文件，将选取的炮点和检波点进行移动。检波点无需考虑施工可行距离，直接完成自动避障。在进行炮点移动时，结合激发点施工可行距离，将炮点移动到施工可行位置，从而完成炮点的自动避障。所述自动避障算法为，读取某一障碍物范围内的炮检点,根据炮检点落入障碍物的位置，按照从中间到两边、从下到上的原则，确定障碍物内每一个炮检点的移动顺序,然后按照规划的移动顺序，上下交替搜索障碍物之外的可放置空点，将炮检点移动到障碍物外侧。多个障碍物的情况下，障碍物计算顺序从上到下依次进行。在进行炮点移动时，结合三类障碍物的激发点施工可行距离，进行炮点的自动避障。
36.步骤105、输出自动避障后的炮点和检波点位置信息，计算观测系统覆盖次数、炮道密度、方位角、炮检距均匀分布和成像算子属性图，量化评价自动避障后的观测系统；
37.输出自动避障后的炮点和检波点位置信息，计算观测系统覆盖次数、炮道密度、方位角、炮检距均匀分布和成像算子属性图。提出的量化评价公式为：θ＝α
×
fold ρ
×
st β
×
zip φ
×
rs λ
×
im，其中：α为覆盖次数权重系数，fold为覆盖次数，ρ为炮道密度权重系数，st为炮道密度，β为方位角权重系数，zip为方位角，φ为炮检距均匀分布权重系数，rs为炮检距均匀分布，λ为成像算子权重系数，im为成像算子。综合考虑观测系统覆盖次数、炮道密度、方位角、炮检距均匀分布和成像算子属性，评价自动避障后的观测系统，根据量化评价结果决定是否需要优化加密炮检点或输出最终sps文件。
38.步骤106、根据量化评价结果和定量评价准则，若不满足观测系统施工要求，则进行炮点和检波点的位置优化或加密；若满足观测系统施工要求，则输出最终的观测系统sps文件，完成了观测系统的自动避障。
39.在应用本发明的一具体实施例中，包括了以下步骤：
40.(1)根据施工工区的地表条件、构造特征和地质任务，设计理论的规则观测系统，并形成规则观测系统sps文件，设计规则观测系统示意图如图1所示。
41.(2)导入施工工区的卫星图片、近地表速度与厚度、q体和地表高程，结合野外踏勘情况，建立三维真地表构造模型，该模型是由卫星图片、近地表速度、q体、地表高程和野外
踏勘照片建立的，通过经纬度坐标、低降速带厚度和地表高程真实的反映了地表障碍物的变化情况，同时包含不同位置的吸收衰减特性，实现了由二维平面标量图向三位立体向量图的转变。在三维立体向量图中不仅可以标定地表分布的障碍物，而且可以标定地表高陡地形、地下疏松条带、地下空腔和地下巨厚低速区等特殊障碍物。
42.(3)在三维真地表构造模型中进行野外施工障碍物的自动识别和圈定，根据四色图像数字化处理技术，在三维真地表构造模型中自动圈定地表障碍物。所述四色图像数字处理技术为，以红色、绿色、黄色为三元基色，对三维真地表构造模型进行图像变化，并以蓝色表示地表高程、低降速带厚度和速度变化情况，从而实现了三维模型的图像数字化处理。在考虑了近地表变化的图像中进行障碍物自动识别和圈定，圈定出来的地表障碍物信息包括：经纬度坐标、低降速带厚度、吸收衰减特性、地表高程等。结合障碍物特点及安全施工要求，将圈定的障碍物进行分类，障碍物包括：村镇、工厂、河流、公路、养殖场、疏松沉积带、巨厚低速区、井场和高陡山丘等。
43.(4)结合障碍物特点及安全施工要求，将圈定的障碍物进行分类，其中：养殖场、井场、高陡山丘属于i类障碍物；村镇、工厂属于ii类障碍物；公路、河流、疏松沉积带、巨厚低速区属于iii类障碍物。根据分类情况设定激发点施工可行距离，i类障碍物激发点施工可行距离20m，ii类障碍物激发点施工可行距离10m，iii类障碍物激发点施工可行距离5m。激发点施工可行距离是通过理论公式模拟和野外试验数据分析得到的，激发点施工可行距离充分考虑了障碍物的特点和施工安全要求，在不同地区的激发点施工可行距离是不同的。
44.(5)将理论观测系统sps文件导入，将理论观测系统的炮点和检波点投影到真地表三维构造模型中，根据圈定的地表障碍物位置，结合障碍物分类情况，自动选取需要避障的炮点和检波点，设计观测系统在障碍物投影的分布图如图2所示。
45.(6)读取sps文件中的炮点和检波点坐标，在三维向量图中，假定炮点或检波点为p，障碍物范围为一多边形区域area，同时考虑地表高程的影响，从p点向左侧或右侧水平方向试射射线，射线与多边形区域area会产生交点数，根据交点个数判断p点是否在多边形区域area内，大幅提高了准确度和生产效率。若果交点数为奇数或高程突变超出预设阈值，则p点在多边形区域area内；若交点数为偶数，则p点不在多边形区域area内。遍历搜索所有炮点和检波点，从而得到落入障碍物中的炮检点，并形成无需避障的观测系统sps文件、需要避障的观测系统sps文件。
46.(7)利用自动避障算法，导入需要避障的观测系统sps文件，将选取的炮点和检波点进行移动，检波点无需考虑施工可行距离，直接完成自动避障。读取某一障碍物范围内的检波点,根据检波点落入障碍物的位置，按照从中间到两边、从下到上的原则，确定障碍物内每一个检波点的移动顺序,然后按照规划的移动顺序，上下交替搜索障碍物之外的可放置空点，将检波点移动到障碍物外侧。多个障碍物的情况下，障碍物计算顺序从上到下依次进行。
47.(8)在进行炮点移动时，根据激发点施工可行距离，将炮点移动到施工可行位置，从而完成炮点的自动避障。读取某一障碍物范围内的炮点,根据炮点落入障碍物的位置，按照从中间到两边、从下到上的原则，确定障碍物内每一个炮点的移动顺序,然后按照规划的移动顺序，上下交替搜索障碍物之外的可放置空点，将炮点移动到障碍物外侧。多个障碍物的情况下，障碍物计算顺序从上到下依次进行。在进行炮点移动时，结合三类障碍物的激发
点施工可行距离，进行炮点的自动避障，观测系统自动避障后的炮检点分布图如图3所示。
48.(9)输出自动避障后的炮点和检波点位置信息，计算观测系统覆盖次数、炮道密度、方位角、炮检距均匀分布和成像算子属性图，量化评价自动避障后的观测系统，自动避障前后观测系统属性图对比如图4所示。
49.(10)观测系统自动避障后的量化评价数学公式为：θ＝α
×
fold ρ
×
st β
×
zip φ
×
rs λ
×
im，其中：α为覆盖次数权重系数，fold为覆盖次数，ρ为炮道密度权重系数，st为炮道密度，β为方位角权重系数，zip为方位角，φ为炮检距均匀分布权重系数，rs为炮检距均匀分布，λ为成像算子权重系数，im为成像算子。综合考虑观测系统覆盖次数、炮道密度、方位角、炮检距均匀分布和成像算子属性，权重系数根据地下构造和三维速度模型进行权值大小的匹配，利用综合属性评价自动避障后的观测系统，根据量化评价结果决定是否重新避障或输出最终sps文件。
50.(11)根据量化评价结果，若不满足观测系统施工和地质任务要求，则则进行炮点和检波点的加密；若满足观测系统施工和地质任务要求，则输出最终的观测系统sps文件，完成了基于三维真地表的观测系统的自动避障。
51.本发明中的基于三维真地表的观测系统自动排障量化方法，针对三维真地表进行观测系统自动避障，创新提出了考虑地表高陡地形、地下疏松条带、地下空腔和地下巨厚低速区影响的观测优化方法，在大幅提高施工效率的同时，确保了观测系统符合施工要求，从而为采集高品质数据奠定了基础，在单点高密度地震勘探中具有重要作用。
52.最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。