CN103116183B - 一种石油地震采集面元覆盖次数属性体切片成图方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油勘探技术，是石油地震采集面元覆盖次数属性体切片成图方法。建立满覆盖观测系统，利用已知观测系统关系片得到炮检中心点和偏移距，并根据炮检中心点得到面元覆盖次数，将炮检偏移距排序，产生等覆盖次数层，并建立等覆盖次数层四叉树空间索引结构，生成水平和竖直切片格网，采用水平和竖直切片树状图元细分和视点相关多细节层次技术控制切片图元的显示精度和速度，对覆盖次数体切片绘制成图。本发明在减少数据冗余的同时保留了数据的原始精度，实现了大数据量面元覆盖次数属性体实时动态切片功能，减少设计方案数据误差，提高了切片精度。

Description

一种石油地震采集面元覆盖次数属性体切片成图方法

技术领域

本发明涉及石油勘探技术，具体是一种建立观测系统面元覆盖次数属性体空间索引结构的石油地震采集面元覆盖次数属性体切片成图方法。

背景技术

三维地震采集面元覆盖次数均匀是观测系统设计的基本要求。而覆盖次数体切片是用来衡量地下空间各目标层的覆盖均匀程度，以及连续地震数据体产生的依据。也就是说，观测系统是根据地质任务和地下目标层的覆盖次数水平切片是否均匀来进行设计。利用切片分析地下每一层面元属性的覆盖次数分布特征是否均匀来指导观测系统设计，从而提高地震资料采集质量，降低野外勘探风险和成本。在石油勘探领域的应用中，这种步骤是石油勘探中最重要的工作之一。

覆盖次数体切片成图技术是观测系统的面元属性分析重要技术手段。目前地震采集普遍采用十万道乃至百万道地震勘探，覆盖次数属性体数据达到万亿字节。由于数据量庞大，传统的覆盖次数体切片生成是建立在等间距抽稀数据的基础之上，而抽稀控制点不能实现各地层数据的精确描述。传统应用是以牺牲原始数据精度的方式来达到平衡切片速度和性能的目的，带来了切片覆盖次数失真、色彩过渡不平滑、数据访问效率低等问题，影响到对地下目标层覆盖次数均匀度的快速准确判断。故传统方法既无法控制切片成图的精度，也无法保证切片实时动态生成的速度要求，具有一定的局限性。传统的覆盖次数体切片方法存在切片成图数据获取精度低，算法效率慢的问题。

发明内容

本发明目的是提供一种快速精确的石油地震采集面元覆盖次数属性体切片成图方法。

本发明通过以下步骤实现：

1)按地质任务建立满覆盖观测系统，利用已知观测系统关系片得到炮检中心点和偏移距，并根据炮检中心点得到面元覆盖次数；

2)将炮检偏移距排序，产生等覆盖次数层，并建立等覆盖次数层四叉树空间索引结构；

步骤2)所述的炮检偏移距排序，是利用步骤1)得到的炮检偏移距，对位于同一个面元中的炮检偏移距进行排序，所有排序相同的偏移距组成一个等覆盖次数层，依此将面元满覆盖次数体拆分后得到多个等覆盖次数层。

步骤2)所述的等覆盖次数层四叉树空间索引结构的建立是：首先把原始覆盖次数层数据作为四叉树的底层，并对其分块形成第0级数据块矩阵；再在第0级基础上，按每3×3个面元合成为2×2个面元的方法生成第1级，并对其分块形成第1级等覆盖次数数据块矩阵；再在第1级基础上采用同样的方法生成第2级等覆盖次数数据块矩阵；依此类推，将覆盖次数层以级、块的形式建立起四叉树空间索引结构。

所述的数据块为等覆盖次数层的基本存储单元，每块由(2ⁿ+1)×(2ⁿ+1)个面元组成，块与块之间重叠一行一列面元，其中n取整数且n≥1。

步骤2)所述的等覆盖次数层四叉树空间索引结构的建立是：

第i级的数据块数B为：

其中n≥1，i∈[0，L-1]，为向上取整符号，覆盖次数层的四叉树结构总行数为row，总列数为col，每层数据的分级数L；

公式(1)控制每层数据的分级数L；

公式(2)产生等覆盖次数层各级的数据块数目；

对于覆盖次数为0的面元，其属性以无效值-99999填充，如果数据块所有面元覆盖次数均为0，则该数据块不予以存储，仅在块索引表的对应位置作无效标记。

3)生成水平和竖直切片格网，采用水平和竖直切片树状图元细分和视点相关多细节层次技术控制切片图元的显示精度和速度；

步骤3)所述的水平切片树状图元细分是在深度方向，从平面坐标内采用自顶向下的四叉树图元分裂对切片进行细分，将面元行数row，面元列数col分别补足为2^k+1，补充的面元由无效值-99999填充；

幂指数k采用如下公式：

其中为向上取整符号；

将根节点分裂为四个矩形子节点图元，如四个子节点图元屏幕像素大于给定的阈值，则令每个子节点继续以四叉树分裂方式递归细分，直到四叉树根节点代表整个勘探目标区的面元。

所述的分裂图元细分结束条件是图元屏幕像素小于给定的阈值或图元总量达到预设数量。

所述的水平切片自顶向下的四叉树图元分裂对切片进行细分的覆盖次数的确定是查找顶点所处的覆盖次数层位区间，根据水平切片当前深度值，以一次覆盖到最大覆盖次数层作为查找区间，利用折半查找定位所有顶点的具体覆盖次数。

步骤3)所述竖直切片树状图元细分是利用二叉树图元分裂对经过切线的竖直切片进行细分，在竖直切片所在的平面上，求取切片与一次覆盖面的交线为切片格网的上边界；切片与覆盖次数体的底面交线为切片格网的下边界；经过上边界端点并垂直于覆盖次数体底面的两线段分别为切片格网的左右边界，四条边界构成切片格网的有效图元边界；

首先用平行于左右边界的直线将有效图元边界以二叉树递归分裂的方式分为若干细长图元，然后沿竖直方向将每个细长图元以二叉树图元分裂方式进一步细分。

所述的图元分裂分结束条件是图元屏幕像素小于给定的阈值或图元所在的覆盖次数层位差为一。

所述的竖直切片的图元顶点覆盖次数是采用折半查找定位顶点所在覆盖次数层位，在细长图元细分过程中进行。

步骤3)所述利用视点相关多细节层次控制技术是利用步骤2)四叉树空间索引结构广度优先遍历实现不同细节层次图元的无缝过渡，利用图元屏幕像素的大小和视点位置实时判断图元各细节层次的大小。

所述的其中图元的屏幕像素ε用如下公式进行计算：

$\mathrm{\ϵ}=\mathrm{\λ}\frac{\max (w,h)\×2^i}{d}---\left(4\right)$

其中系数p为切片视窗像素个数，为视域广角，w为面元宽度，h为面元高度，i为数据的分级数，d为视点到图元中心距离。

所述的图元如果完全位于视场范围之外，则剔除该图元，否则保留视场范围内的图元。

4)利用现有技术对覆盖次数体切片绘制成图。

本发明顾及到了覆盖次数的分布特征，在减少数据冗余的同时保留了数据的原始精度，实现了大数据量面元覆盖次数属性体实时动态切片功能，减少设计方案数据误差，提高了切片精度。

本发明实现了对地下任意目的层深度覆盖次数的直观精确描述，实时动态地展示激发点或检波器组合分布特征和规律，为地震采集观测系统方案设计提供了可靠依据。

附图说明

图1是面元覆盖次数计算示意图；

图2是等覆盖次数层相邻级数据的四叉树索引关系示意图；

图3是覆盖次数数据块组织示意图；

图4是切平面格网生成示意图；

图5是竖直切片图元分裂示意图；

图6是面元覆盖次数体；

图7是覆盖次数体水平切片效果图；

图8是覆盖次数体竖直切片效果图；

图9是实时动态切片性能曲线图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明。

1)按地质任务建立满覆盖观测系统，利用已知观测系统关系片得到炮检中心点和偏移距，并根据炮检中心点得到面元覆盖次数；

步骤1)所述的面元覆盖次数如图1所示，面元宽为w，高为h，面元总行数row，面元总列数col，面元线方位角为θ，炮点到检波点的距离d_SR为炮检偏移距。利用三维观测系统炮检关系数据，得到炮检对中心点M的大地坐标M(X，Y)。根据面元划分参数将大地坐标M(X，Y)转换为相对坐标M(x，y)，中心点M(x，y)在相对坐标系下的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}x=(Y-\mathrm{Ox})\×\sin \mathrm{\θ}+(X-\mathrm{Oy})\×\cos \mathrm{\θ}\\ y=-(Y-\mathrm{Ox})\×\cos \mathrm{\θ}+(X-\mathrm{Oy})\×\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

上式中Ox、Oy为观测系统大地坐标原点。

根据中心点相对坐标M(x，y)确定所在面元行列位置分别为：i＝y/h和j＝x/w。统计出一个面元内累计落入的炮检对中心点个数即为该面元的覆盖次数。

2)将炮检偏移距排序，产生等覆盖次数层，并建立覆盖次数层的四叉树空间索引结构；

步骤2)所述的炮检偏移距排序，是利用步骤1)得到的炮检偏移距，对位于同一个面元中的炮检偏移距进行排序。

如，第k(k∈[1，m])号面元内偏移距的集合V_k，m是面元总数。将集合V_k内的所有偏移距按升序排序后得到V_k＝{d₁，d₂，...，d_n}，并满足条件d_i≤d_i+1，i∈[1，n-1]，其中n是面元的覆盖次数。

将m个面元内所有排序相同的偏移距组成集合F_i：

F_i＝{d_i1，d_i2，...，d_ik}k＝1，2，3，...，m

其中F_i表示覆盖次数为i的等覆盖次数层，i的取值范围是[1，FoldMax]，FoldMax为目标区最高覆盖次数。按照上述方法将面元覆盖次数体按层拆分后产生FoldMax个等覆盖次数层。

步骤2)所述的等覆盖次数层四叉树空间索引结构的建立是：首先把原始覆盖次数层数据作为四叉树的底层，即第0级，并对其分块形成第0级数据块矩阵；再在第0级基础上，按每3×3个面元合成为2×2个面元的方法生成第1级，并对其分块形成第1级等覆盖次数数据块矩阵；再在第1级基础上采用同样的方法生成第2级等覆盖次数数据块矩阵；依此类推，将覆盖次数体按层、级、块的嵌套关系组织成为一种类似金字塔的四叉树索引结构。

所述数据块的划分是从覆盖次数层数据左下角开始，从左到右，从下到上。每块由(2ⁿ+1)×(2ⁿ+1)个面元组成，块与块之间重叠一行一列面元，其中n取整数且n≥1。在实际应用中，n取值为7时具有最佳的磁盘访问效率(约64K字节/块)。图2表示了相邻级面元属性数据的合并和索引关系，第i级的矩形范围内(包含P_SW、P_SE、P_NE、P_NW四个面元)共有5×5个数据点，经过4次3×3数据点合成为2×2数据点的操作后得到对应的第i+1级3×3数据点。利用公式(1)控制等覆盖次数层分级深度，用公式(2)产生等覆盖次数层各级的数据块数目，公式(1)(2)中n取值为7。

所述顾及覆盖次数分布特征的空间索引是：在地表起伏剧烈或障碍物区域较大情况下，观测系统设计后各覆盖次数层存在程度不等的覆盖次数缺失，并且超过满覆盖次数之后，覆盖次数属性缺失现象更为明显。为解决覆盖次数缺失带来的存储冗余问题，本发明针对每层数据辅以索引表来标识数据块的有效性。图3所示为等覆盖次数层数据块组织结构示意图，折线箭头方向表示数据块的线性存放次序。对于覆盖次数为0的面元，其属性以无效值-99999填充，图3中的空白数据块表示块内所有面元覆盖次数均为0，则该数据块不予以存储，仅在块索引表的对应位置作无效标记。图3中的灰色数据块表示块内面元覆盖次数不全为0。采用数据块有效性标识后，既避免了属性数据冗余，又保留了数据的原始精度，提高了等覆盖次数体切片时的数据访问速度。

3)生成水平和竖直切片格网，采用树状图元细分和视点相关多细节层次技术控制切片图元的显示精度和速度；

步骤3)所述的水平切片树状图元细分如图4(a)所示，是在深度方向从平面坐标XOY内采用自顶向下的四叉树图元分裂对切片进行细分。为满足四叉树图元分裂的必要条件，将面元行数row，面元列数col分别补足为2^k+1，补充的面元由无效值-99999填充，其中幂指数k是利用公式(3)所得。

以四叉树根节点代表整个勘探目标区的面元，首先将根节点分裂为四个矩形子节点图元，如四个子节点图元屏幕像素大于给定的阈值，则令每个子节点继续以四叉树分裂方式递归细分。图元细分结束条件是图元屏幕像素小于给定的阈值或图元总量达到预设数量。

所述的水平切片自顶向下的四叉树图元分裂对切片进行细分的覆盖次数的确定是：查找切片顶点v(x，y，z，f)所处的覆盖次数层位区间，其中x，y，z为顶点三维空间坐标，f为覆盖次数属性。根据顶点与数据块映射关系，读取位于一次覆盖层的数据块，遍历切片顶点，如果顶点位于一次覆盖面之上，那么顶点的覆盖次数属性f＝0。反之，则由顶点当前深度值z，以[1，FoldMax]所在的等覆盖次数层作为查找区间，利用折半查找定位顶点所处的具体层位区间[m，m+1]，确定顶点的覆盖次数f＝m，其中1≤m≤FoldMax-1。

步骤3)所述竖直切片树状图元细分是利用二叉树图元分裂对经过切线的竖直切片进行细分。如图4(b)所示，在竖直切片所在的ROZ平面上，求取切片与一次覆盖面的交线(过S0S1S2S3的折线)为切片格网的上边界；切片与覆盖次数体的底面交线(b1b2)为切片格网的下边界；经过上边界端点S0并垂直于覆盖次数体底面的线段(S0b1)为切片格网的左边界；经过上边界端点S3并垂直于覆盖次数体底面的线段(S3b2)为切片格网的右边界，以上四条边界构成切片格网的有效图元边界。

首先用平行于左右边界的直线将该边界以二叉树方式递归分裂为若干细长图元，然后沿竖直向将每个细长图元以二叉树图元分裂方式进一步细分时。

所述的竖直切片二叉树图元分裂对切片进行细分的覆盖次数的确定是：查找图元顶点v(x，y，z，f)中的未知项z，即(x，y)处的炮检偏移距值。如图5(a)所示，父图元节点Q(v₀v₁v₂v₃)的顶点v₀v₁所在等覆盖次数层位为L_上，顶点v₂v₃所在等覆盖次数层位为L_下，以(L_上+L_下)/2作为中间层位L_中，在L_中上查找顶点v₄v₅的炮检偏移距值z。如v₄v₅的偏移距值均不是无效值-99999，则以Q(v₀v₁v₂v₃)作为父图元节点，将Q(v₀v₁v₂v₃)分裂为上下2个子图元节点Q(v₀v₁v₅v₄)和Q(v₄v₅v₂v₃)，分裂结果见图5(b)；如果v₄或v₅的偏移距值为无效值-99999，则将父节点Q(v₀v₁v₂v₃)变换为上子图元，下子图元为空，运用上述方法进行递归细分。

所述的竖直切片图元分裂结束条件是图元像素小于给定的阈值ρ或图元所在的覆盖次数层位差为一。

步骤3)所述利用视点相关多细节层次控制技术是利用步骤2)四叉树空间索引结构广度优先遍历实现不同细节层次图元的无缝过渡，利用图元屏幕像素的大小和视点位置实时判断图元各细节层次的大小。利用公式(4)计算图元的屏幕像素在视场位置的大小，用来决定是否细分图元。如果细分图元完全位于视场范围之外，则剔除该图元，否则保留视场范围内的图元。利用上述技术保证了覆盖次数体切片实时动态地精确显示。

4)利用现有技术对覆盖次数体切片绘制成图；

步骤4)所述水平切片的绘制是，水平格网图元四个顶点，如存在第三维偏移距值为无效值的顶点v(x，y，-99999，f)，则该图元不绘制。

步骤4)所述竖直切片的绘制是，竖直格网图元四个顶点，如存在第三维偏移距z值为无效值的顶点v(x，y，-99999，f)，则该顶点用v(x，y，H_max，f)来替代，H_max即为覆盖次数体在(x，y)处的最大偏移距。

如，勘探工区面元格网为3838×3120，面元尺寸为25m×25m，满覆盖次数120次，最高覆盖次数为255，形成的覆盖次数体如图6。按步骤3)-4)，分别从水平向和竖直向切割255层面元数据体，得到图7和图8面元覆盖次数分布的切片图。切片图元屏幕像素阈值ρ取3个像素，连续采集30秒切片画面，动态切片帧率平均保持在20～25帧/秒，切片的性能曲线见图9。

Claims (10)

1.一种石油地震采集面元覆盖次数属性体切片成图方法，特点是通过以下步骤实现：

1)按地质任务建立满覆盖观测系统，利用已知观测系统关系片得到炮检中心点和偏移距，并根据炮检中心点得到面元覆盖次数；

2)将炮检偏移距排序，产生等覆盖次数层，并建立等覆盖次数层四叉树空间索引结构；

所述的炮检偏移距排序，是利用步骤1)得到的炮检偏移距，对位于同一个面元中的炮检偏移距进行排序，所有排序相同的偏移距组成一个等覆盖次数层，依此将面元满覆盖次数体拆分后得到多个等覆盖次数层；

所述的等覆盖次数层四叉树空间索引结构的建立是：首先把原始覆盖次数层数据作为四叉树的底层，并对其分块形成第0级数据块矩阵；再在第0级基础上，按每3×3个面元合成为2×2个面元的方法生成第1级，并对其分块形成第1级等覆盖次数数据块矩阵；再在第1级基础上采用同样的方法生成第2级等覆盖次数数据块矩阵；依此类推，将覆盖次数层以级、块的形式建立起四叉树空间索引结构；

3)生成水平和竖直切片格网，采用水平和竖直切片树状图元细分和视点相关多细节层次技术控制切片图元的显示精度和速度；

所述的水平切片树状图元细分是在深度方向，从平面坐标内采用自顶向下的四叉树图元分裂对切片进行细分，将面元行数row，面元列数col分别补足为2^k+1,补充的面元由无效值-99999填充；

幂指数k采用如下公式：

其中为向上取整符号；

将根节点分裂为四个矩形子节点图元，如四个子节点图元屏幕像素大于给定的阈值，则令每个子节点继续以四叉树分裂方式递归细分，直到四叉树根节点代表整个勘探目标区的面元；

所述竖直切片树状图元细分是利用二叉树图元分裂对经过切线的竖直切片进行细分，在竖直切片所在的平面上，求取切片与一次覆盖面的交线为切片格网的上边界；切片与覆盖次数体的底面交线为切片格网的下边界；经过上边界端点并垂直于覆盖次数体底面的两线段分别为切片格网的左右边界，四条边界构成切片格网的有效图元边界；

首先用平行于左右边界的直线将有效图元边界以二叉树递归分裂的方式分为若干细长图元，然后沿竖直方向将每个细长图元以二叉树图元分裂方式进一步细分；

4)对覆盖次数体切片绘制成图。

2.根据权利要求1所述的方法，特点是所述的数据块为等覆盖次数层的基本存储单元，每块由(2ⁿ+1)×(2ⁿ+1)个面元组成，块与块之间重叠一行一列面元，其中n取整数且n≥1。

3.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤2)所述的等覆盖次数层四叉树空间索引结构的建立是：

第i级的数据块数B为：

其中n≥1，i∈[0,L-1]，为向上取整符号，覆盖次数层的四叉树结构总行数为row，总列数为col，每层数据的分级数L；

公式(1)控制每层数据的分级数L；

公式(2)产生等覆盖次数层各级的数据块数目；

对于覆盖次数为0的面元，其属性以无效值-99999填充，如果数据块所有面元覆盖次数均为0，则该数据块不予以存储，仅在块索引表的对应位置作无效标记。

4.根据权利要求1所述的方法，特点是所述的递归细分结束条件是图元屏幕像素小于给定的阈值或图元总量达到预设数量。

5.根据权利要求1所述的方法，特点是所述的水平切片自顶向下的四叉树图元分裂对切片进行细分的覆盖次数的确定是查找顶点所处的覆盖次数层位区间，根据水平切片当前深度值，以一次覆盖到最大覆盖次数层作为查找区间，利用折半查找定位所有顶点的具体覆盖次数。

6.根据权利要求1所述的方法，特点是所述的图元分裂结束条件是图元屏幕像素小于给定的阈值或图元所在的覆盖次数层位差为一。

7.根据权利要求1所述的方法，特点是所述的竖直切片的图元顶点覆盖次数是采用折半查找定位顶点所在覆盖次数层位，在细长图元细分过程中进行。

8.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤3)所述利用视点相关多细节层次技术是利用步骤2)四叉树空间索引结构广度优先遍历实现不同细节层次图元的无缝过渡，利用图元屏幕像素的大小和视点位置实时判断图元各细节层次的大小。

9.根据权利要求8所述的方法，特点是所述的图元的屏幕像素ε用如下公式进行计算：

其中系数p为切片视窗像素个数，为视域广角，w为面元宽度，h为面元高度，i为数据的分级数，d为视点到图元中心距离。

10.根据权利要求8所述的方法，特点是所述的图元如果完全位于视场范围之外，则剔除该图元，否则保留视场范围内的图元。