CN103323878A - 一种海底地形特征复杂性定量分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底地形特征复杂性定量分析方法，其特征在于，首先根据海底地形数据划分滑动窗口大小，设置滑动窗口的几何中心点为区域点；然后研究区域内的海底地形变化特征中的海底地形高程变化频率和变化尺度的两个特征，并从数学关系的角度出发，通过把区域内的海底地形数据的相关长度或面积和区域内的海底地形数据的变化频率相关联，通过把区域内的海底地形数据的均方根高和区域内的海底地形数据的变化尺度相关联，利用均方根高和相关长度两个统计学参数来定量表达复杂海底地形的变化情况，从而实现对海底地形数据的复杂性进行定量评估。

Description

一种海底地形特征复杂性定量分析方法

技术领域

本发明涉及一种海洋地震勘探技术，具体涉及一种海洋三维地震采集、海底地形评价、以及地震波与地形特征的传播响应分析评估的海底地形特征复杂性定量分析方法，属于石油勘探领域。

背景技术

随着海洋地震勘探技术的发展，海洋勘探逐步从浅海走向深海。随着墨西哥湾、北海和安哥拉等一些巨型深水油气田的发现，深海已经成为世界范围内油气勘探开发的热点领域。在海洋地震勘探中，深海区域水深急剧变深，峡谷纵横，水道复杂，形成了海底非常崎岖的地形地貌，复杂海底造成地震波传播路径的剧烈变化，严重影响了其下伏地层的地震成像。不同变化特征的复杂海底对地震波传播的影响不尽相同，对应的地震波响应特征也具有不同的变化。如何定量的分析复杂海底的地形变化，研究不同变化的海底地形的地震波响应对深海海洋勘探具有重要的意义。

海底地形是海洋地质学、海洋地球物理学等研究的基础资料，是影响海洋地震勘探的重要因素之一。从20世纪50年代末海洋声纳设备的商业化应用以来，海洋地形的统计性研究才得以开展。Agapova最早在1965年开展了对大陆架的统计特征的初步定量研究。随着高精度声纳仪器的研制和计算机设备不断的更新换代，大量新的方法技术和统计参数被应用到海洋地形的统计性研究之中，极大地促进了海洋地形学的发展。特别是快速傅里叶变换技术的提出，使得对海底地形的海量数据进行统计分析成为可能。

海底在地质历史年代当中，受不同的构造作用、沉积作用和成岩作用的影响，形成了复杂的海底地形。不同的地质作用对海底地形变化有明显的差异，这使得海底地形形成了小尺度变化和大尺度的叠加，这种结构特征使其很容易用统计自相关函数来描述。对于海底地形的空间变化，以往常用等高线来描述，得到的往往是直观的、定性的认识，无法用一个或几个参数对海底地形变化的复杂性进行描述。虽然对于周期性变化的复杂海底地形，可以用振幅和频率等属性来描述海底地形变化的幅度和变化频率。但是对于不规则变化的海底地形，由于振幅变化复杂以及频率的多样性，单一的振幅和频率已经很难描述其变化特征。因此，需要一种新的属性来定量描述不规则变化的复杂海底地形特征，以便于实现复杂海底对地震勘探影响的定量分析。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种海底地形特征复杂性定量分析方法，该方法能够对复杂海底地形的变化进行定量计算和评估。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种海底地形特征复杂性定量分析方法，其包括以下步骤：

步骤10，对研究区域内的海底地形数据按照分析要求划分滑动窗口，设置滑动窗口大小，设置滑动窗口的几何中心点为区域点；

步骤20，对滑动窗口区域内海底地形数据计算自相关，得到自相关数据体；

步骤30，对滑动窗口区域内海底地形数据计算加权平均值，然后计算滑动窗口区域内每个数据点与加权平均值的平方差之和；

步骤40，计算自相关数据体与z=1/e的截面长度或面积，得到滑动窗口区域内的相关长度或面积；其中，e为自然常数，z为海底地形数据做自相关的z方向分量；

步骤50，对滑动窗口区域内每个数据点与加权平均值的平方差和计算均方值，得到滑动窗口区域内的均方根高；

步骤60，利用相关长度或面积表征滑动窗口区域内海底地形数据的变化频率，利用均方根高表征滑动窗口区域内海底地形数据的变化尺度，从而实现定量评价海底地形数据变化特征。

所述步骤10中，研究区域内的海底地形数据通过查阅相关的海底地形测绘图或者利用声纳测深系统得到。

所述步骤20中，滑动窗口区域内海底地形数据的自相关按下式计算：

$R(x_0,y_0)=\frac{1}{({2L}_x+1)*({2L}_y+1)}{\∫}_{L_y-y_n}^{L_y+y_n}{\∫}_{L_x-x_n}^{L_x+x_n}Z(x,y)*\mathrm{\ΔZ}(x-x_0,y-y_0)\mathrm{dxdy},$

式中，x₀和y₀为滑动窗口区域内几何中心点的坐标；Z(x,y)为滑动窗口区域内的海底地形高程；R(x₀,y₀)为自相关函数；x为滑动窗口内海底地形的x方向分量；y为滑动窗口内海底地形的y方向分量；L_x为滑动窗口内x的长度；L_y为滑动窗口内y的长度；x_n为滑动窗口内海底地形的x方向网格间距；y_n为滑动窗口内海底地形的y方向网格间距；△Z为海底地形数据任意一点Z(x,y)与几何中心点Z(x₀,y₀)的高程差。

所述步骤40中，对于二维海底地形，z=z(x)，此时z=1/e为一条直线，得到的为相关长度；对于三维海底地形，z=z(x，y)，此时z=1/e为一条平面，得到的为相关面积。

所述步骤40中，对于二维海底地形，滑动窗口区域内的相关长度按下式求取：

首先对曲线h(r)做自相关，得到自相关函数C(r)：

C(r)=<h(r')h(r'+r)>/σ²，          （1）

式中，<h(r')h(r'+r)>表示自相关；σ²为归一化因子；r为曲线横轴方向分量；

令C(r)=1/e，求解关于r的一元二次方程，得到r=±r₀；

定义曲线h(r)的相关长度为h_corr，则有h_corr=2r₀。

所述步骤50中，对于二维海底地形，利用相关的海底地形测绘图或者声纳测深系统得到滑动窗口区域内每个数据点h(r_i)的高程，则均方根高由以下公式得到：

式中，h_rms为曲线h(r)的均方根高，

为滑动窗口区域内每个数据点h(r_i)的高程的加权平均值。

所述步骤40和步骤50中，对于三维海底地形，则r为平面矢量，代入以下公式（1）和（2），则得到三维地形的相关面积和均方根高：

C(r)=<h(r')h(r'+r)>/σ²，               （1）

式中，<h(r')h(r'+r)>表示自相关；σ²为归一化因子；

式中，h_rms为曲面，h(r)的均方根高，

为滑动窗口区域内每个数据点h(r_i)的高程的加权平均值。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明首先根据海底地形数据划分滑动窗口大小，设置滑动窗口的几何中心点为区域点；然后研究区域内的海底地形变化特征中的海底地形高程变化频率和变化尺度的两个特征，并从数学关系的角度出发，通过把区域内的海底地形数据的相关长度（面积）和区域内的海底地形数据的变化频率相关联，通过把区域内的海底地形数据的均方根高和区域内的海底地形数据的变化尺度相关联，利用均方根高和相关长度两个统计学参数来定量表达复杂海底地形的变化情况，从而实现对海底地形数据的复杂性进行定量评估。同时，计算得到的均方根高和相关长度（面积），可以用于定量分析复杂海底地形对地震波传播的散射和透射作用，对海洋勘探中震源频率的选取和采集过程中测线方向的选择具有重要的指导意义。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为根据本发明得到的滑动窗口区域内的相关面积示意图；

图3为根据本发明得到的滑动窗口区域内的均方根高示意图；

图4为二维海底地形变化示意图；

图5为三维海底地形变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

图1显示了本发明的海底地形特征复杂性定量分析方法的流程图，其包括以下步骤：

步骤10，首先通过查阅相关的海底地形测绘图或者利用声纳测深系统得到研究区域内的海底地形数据（以海水为基准面的海底地形深度数据），对研究区域内的海底地形数据按照分析要求划分滑动窗口，设置滑动窗口大小，设置滑动窗口的几何中心点为区域点。

步骤20，对滑动窗口区域内海底地形数据计算自相关，得到自相关数据体。

步骤30，对滑动窗口区域内海底地形数据计算加权平均值（算数平均值），然后计算滑动窗口区域内每个数据点与加权平均值的平方差之和。

步骤40，计算自相关数据体与z=1/e的截面长度（面积），得到滑动窗口区域内的相关长度（面积）。

其中，e为自然常数；z为海底地形数据做自相关的z方向分量：对于二维海底地形，z=z(x)，此时z=1/e为一条直线，得到的为相关长度；对于三维海底地形，z=z(x，y)，此时z=1/e为一个平面，得到的为相关面积（如图2所示）。

步骤50，对滑动窗口区域内每个数据点与加权平均值的平方差和计算均方值，得到滑动窗口区域内的均方根高（如图3所示）。

步骤60，利用相关长度（面积）表征滑动窗口区域内海底地形数据的变化频率，利用均方根高表征滑动窗口区域内海底地形数据的变化尺度，从而实现定量评价海底地形数据变化特征。

在进行步骤20时，滑动窗口区域内海底地形数据的自相关按下式计算：

$R(x_0,y_0)=\frac{1}{({2L}_x+1)*({2L}_y+1)}{\&Integral;}_{L_y-y_n}^{L_y+y_n}{\&Integral;}_{L_x-x_n}^{L_x+x_n}Z(x,y)*\mathrm{\&Delta;Z}(x-x_0,y-y_0)\mathrm{dxdy},$

式中，x₀和y₀为滑动窗口区域内几何中心点的坐标；Z(x,y)为滑动窗口区域内的海底地形高程（深度值）；R(x₀,y₀)为自相关函数；x为滑动窗口内海底地形的x方向分量；y为滑动窗口内海底地形的y方向分量；L_x为滑动窗口内x的长度；L_y为滑动窗口内y的长度；x_n为滑动窗口内海底地形的x方向网格间距；y_n为滑动窗口内海底地形的y方向网格间距；△Z为海底地形数据任意一点Z(x,y)与几何中心点Z(x₀,y₀)的高程（深度值）差。

如图4所示，在进行步骤40时，对于简单的二维海底地形，滑动窗口区域内的相关长度按下式求取：

首先对曲线h(r)做自相关，得到自相关函数C(r)：

C(r)=<h(r')h(r'+r)>/σ²，             （1）

式中，<h(r')h(r'+r)>表示自相关；σ²为归一化因子；对于二维海底地形，r为曲线横轴方向分量；

令C(r)=1/e，求解关于r的一元二次方程，得到r=±r₀；

定义曲线h(r)的相关长度为h_corr，则有h_corr=2r₀。

在进行步骤50时，对于简单的二维海底地形，利用相关的海底地形测绘图或者声纳测深系统可以得到滑动窗口区域内每个数据点h(r_i)的高程（深度值），则均方根高可以由以下公式得到：

式中，h_rms为曲线h(r)的均方根高；

为滑动窗口区域内每个数据点h(r_i)的高程（深度值）的加权平均值；n为曲线h(r)的网格点数。

如图5所示，对于三维海底地形，r为平面矢量，代入上述公式（1）和（2），则可以得到三维海底地形的相关面积和均方根高。由于三维海底地形的相关面积和均方根高的计算过程与二维海底地形相似，故不再赘述。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种海底地形特征复杂性定量分析方法，其包括以下步骤：

步骤10，对研究区域内的海底地形数据按照分析要求划分滑动窗口，设置滑动窗口大小，设置滑动窗口的几何中心点为区域点；

步骤20，对滑动窗口区域内海底地形数据计算自相关，得到自相关数据体；

步骤30，对滑动窗口区域内海底地形数据计算加权平均值，然后计算滑动窗口区域内每个数据点与加权平均值的平方差之和；

步骤40，计算自相关数据体与z=1/e的截面长度或面积，得到滑动窗口区域内的相关长度或面积；其中，e为自然常数，z为海底地形数据做自相关的z方向分量；

步骤50，对滑动窗口区域内每个数据点与加权平均值的平方差和计算均方值，得到滑动窗口区域内的均方根高；

步骤60，利用相关长度或面积表征滑动窗口区域内海底地形数据的变化频率，利用均方根高表征滑动窗口区域内海底地形数据的变化尺度，从而实现定量评价海底地形数据变化特征。

2.如权利要求1所述的一种海底地形特征复杂性定量分析方法，其特征在于，所述步骤10中，研究区域内的海底地形数据通过查阅相关的海底地形测绘图或者利用声纳测深系统得到。

3.如权利要求1或2所述的一种海底地形特征复杂性定量分析方法，其特征在于，所述步骤20中，滑动窗口区域内海底地形数据的自相关按下式计算：

$R(x_0,y_0)=\frac{1}{({2L}_x+1)*({2L}_y+1)}{\&Integral;}_{L_y-y_n}^{L_y+y_n}{\&Integral;}_{L_x-x_n}^{L_x+x_n}Z(x,y)*\mathrm{\&Delta;Z}(x-x_0,y-y_0)\mathrm{dxdy},$

式中，x₀和y₀为滑动窗口区域内几何中心点的坐标；Z(x,y)为滑动窗口区域内的海底地形高程；R(x₀,y₀)为自相关函数；x为滑动窗口内海底地形的x方向分量；y为滑动窗口内海底地形的y方向分量；L_x为滑动窗口内x的长度；L_y为滑动窗口内y的长度；x_n为滑动窗口内海底地形的x方向网格间距；y_n为滑动窗口内海底地形的y方向网格间距；△Z为海底地形数据任意一点Z(x,y)与几何中心点Z(x₀,y₀)的高程差。

4.如权利要求1到3任一项所述的一种海底地形特征复杂性定量分析方法，其特征在于，所述步骤40中，对于二维海底地形，z=z(x)，此时z=1/e为一条直线，得到的为相关长度；对于三维海底地形，z=z(x，y)，此时z=1/e为一条平面，得到的为相关面积。

5.如权利要求4所述的一种海底地形特征复杂性定量分析方法，其特征在于，所述步骤40中，对于二维海底地形，滑动窗口区域内的相关长度按下式求取：

首先对曲线h(r)做自相关，得到自相关函数C(r)：

C(r)=<h(r')h(r'+r)>/σ²，          （1）

式中，<h(r')h(r'+r)>表示自相关；σ²为归一化因子；r为曲线横轴方向分量；

令C(r)=1/e，求解关于r的一元二次方程，得到r=±r₀；

定义曲线h(r)的相关长度为h_corr，则有h_corr=2r₀。

6.如权利要求4所述的一种海底地形特征复杂性定量分析方法，其特征在于，所述步骤50中，对于二维海底地形，利用相关的海底地形测绘图或者声纳测深系统得到滑动窗口区域内每个数据点h(r_i)的高程，则均方根高由以下公式得到：

式中，h_rms为曲线h(r)的均方根高，

为滑动窗口区域内每个数据点h(r_i)的高程的加权平均值。

7.如权利要求4所述的一种海底地形特征复杂性定量分析方法，其特征在于，所述步骤40和步骤50中，对于三维海底地形，则r为平面矢量，代入以下公式（1）和（2），则得到三维地形的相关面积和均方根高：

C(r)=<h(r')h(r'+r)>/σ²，           （1）

式中，<h(r')h(r'+r)>表示自相关；σ²为归一化因子；

式中，h_rms为曲面，h(r)的均方根高，

为滑动窗口区域内每个数据点h(r_i)的高程的加权平均值。

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