彭玉林 吳佳樂 劉宜文 陳景亮 鄒梅 侯奇 高雪江

摘? 要：準噶爾盆地是新疆油田公司地震勘探的主戰(zhàn)場，其復雜多變的近地表條件給地震勘探帶了很大困難。建立精確的近地表模型，掌握近地表結構變化規(guī)律，對地震勘探3大環(huán)節(jié)（采集、處理、解釋）的研究至關重要。在分析DEM數字高程數據特征基礎上，研發(fā)DEM數字高程校正方法，實現(xiàn)與實測地表高程的無縫拼接，填補了沒有實測高程區(qū)域的空缺，為精確建立近地表結構模型奠定了基礎。在此基礎上，利用校正后的DEM數字高程建立盆地級高精度近地表結構模型，為后續(xù)指導新探區(qū)表層調查點的布設、地震采集激發(fā)井深的精確設計等發(fā)揮了重要作用。

關鍵字：準噶爾;表層結構; 區(qū)域建模;靜校正;表層部署

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

1? 研究思路

本次研究應用的準噶爾盆地DEM數字高程基礎數據，來源于ASTER GDEM V2版本的DEM數字高程數據，經投影轉換、格式調整和重新網格化后生成20×20 m平面網格的高程節(jié)點，是盆地統(tǒng)一高程的初始網格數據。由于DEM數字高程生產過程中，原始數據采集受原始資料、采點設備及采集過程中人為因素影響，導致原始數據存在誤差，且DEM建立時進行內插計算與建模過程會產生內插建模誤差，該誤差不僅與內插算法相關，同時與原始數據分布密度相關。另投影轉化和平面網格化過程也存在一定誤差[9-12]，這些誤差的累積，最終導致在含有地震測量數據的區(qū)域內，相同網格內的DEM數字高程與地震實測高程存在最大約20 m的閉合誤差，導致以此高程數據為基礎建立的盆地區(qū)域近地表模型發(fā)生一定程度突變（圖1），影響模型的整體應用。為保證盆地區(qū)域近地表結構建模精度，需對盆地初始DEM數字高程進行以實測地震高程為參考點的平面校正，消除兩套地表高程數據的閉合差。

1.1? 網格化過渡填充方式對DEM數字高程進行校正

數據網格化是將空間上不均勻分布的數據，按一定方法，如滑動平均法、克里格法或其他適當數值推算、插值等方法，計算規(guī)則網格中的代表值（趨勢值）的過程。數據網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上，將空間上分散的數值換算成規(guī)則分布的網格數值，彌補空白網格的數值，為不同變量的綜合分析及對比提供統(tǒng)一的空間結構[12-14]。

為在準噶爾盆地范圍內獲得精細、可靠、連續(xù)、全覆蓋的高程基準數據，需將采集的物理點高程和DEM數字高程數據相結合，形成統(tǒng)一高程網格數據。考慮到采集區(qū)塊內物理點高程為實測高程數據，可信度高，因此，以物理點高程作為DEM數字高程校正的基準數據。在物理點可控范圍內，對DEM數字高程進行校正，保證校正后的DEM數字高程與物理點高程一致，并在缺少物理點高程控制的區(qū)域內使用DEM數字高程數據進行網格化填充，達到提高DEM數字高程精度的目的。本次以自主研發(fā)的集盆地數據管理、應用、質控于一體的《近地表結構解釋系統(tǒng)》為平臺，開展DEM數字高程校正研究。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高程和初始的DEM數字高程（20×20 m平面網格），并參考DEM網格邊長等參數對地震測量成果進行網格化，生成與初始DEM數字高程網格坐標一致的中間實測物理點高程網格平面數據體。在此網格基礎上，去除沒有實測物理點網格數據覆蓋的空白區(qū)域，獲得物理點實測高程與初始DEM數字高程誤差平面數據體。DEM數字高程校正的目的就是利用此誤差數據體對初始DEM數字高程進行平面校正，整體校正基本可分為以下3種：

地震實測高程點包絡線以外區(qū)域? 據預先指定的過渡區(qū)域尺度，在中間高程網格的空值區(qū)域劃分標記出過渡區(qū)域。將過渡區(qū)域外的空值網格點坐標代入全盆地DEM數字高程網格，提取DEM數據并替換對應的網格點數值。此時，中間高程網格點可分為3個部分：有效物理點控制范圍內的有值網格點（W區(qū)）;標記為過渡區(qū)域的空值網格點（Q區(qū)）;過渡區(qū)域外按DEM數值填充的有值網格點（M區(qū)）。并將在平面網格中實測高程與中間網格DEM數字高程之間的誤差標記為[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]需通過插值計算。為避免過渡區(qū)域內出現(xiàn)“臺階”似突變現(xiàn)象，采用距離加權平均方式對Q區(qū)網格點[Di]值進行空間插值。

以給定搜索半徑內與目標點距離最近的W區(qū)3個控制點及M區(qū)3個控制點為基點，在三角網格中計算任意一網格空值點的高程誤差。假設與目標點J最近的6個控制點分別為[i]、[i+1]、[i+2]、[i+3]、[i+4]、[i+5]（圖2左），此6個點與相鄰網格點的高程誤差分別為[Di]、[Di+1]、[Di+2]、[Di+3]、[Di+4]、[Di+5]，則J點的誤差[Di]可表示為：

其中，[Ki]為[i]點對[j]點的權系數，與距離相關，可表示為：

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

地震實測高程點包絡線以內區(qū)域? 劃分為有效物理點控制范圍內的有值網格點（W區(qū)）與標記為過渡區(qū)域的空值網格點（Q區(qū)），Q區(qū)的[Di]需利用W區(qū)的[Di]進行空間插值方式計算。

由于盆地地震實測物理點近4 000萬個，全部用于空間插值的計算量巨大。盆地中同樣為實測地表高程的表層調查點均按一定密度間隔分布在地震測網中，總數據點為76萬個，遠少于實測地震數據點，用其作為插值基準點將大幅減小計算數據量。因此，在實測高程點包絡線以內區(qū)域，可利用平面網格中表層控制點的實測高程與初始DEM數字高程之間的誤差值進行空間插值，獲得完整的高程誤差平面圖，實現(xiàn)DEM數字高程的整體校正。

以給定搜索半徑內與目標點距離最近的3個控制點為基點，在三角網格中計算任意一網格空值點的高程誤差。假設與目標點J最近的3個控制點分別為[i]、[i+1]、[i+2]（圖2右），此3個點與相鄰炮-檢點的高程誤差分別為[Di]、[Di+1]、[Di+2]，則[j]點的誤差[Di]表示為：

其中，[Ki]為[i]點對[j]點的權系數，與距離相關，可表示為：

上式中[xi]為[i]點與[j]點的直線距離[15]。由此，可得到Q區(qū)域中所有網格點的高程誤差值，與已知W區(qū)中的高程誤差值相結合，即得到全區(qū)域內高程誤差值。

DEM數字高程校正? 當得到[j]點高程誤差后，可由下式得到[j]點經校正之后的高程值[Sj]：

上式中[Sj]為[j]點需整體整合的DEM數字高程，[RSi]為[j]點實際DEM數字高程值。同理，可得到實測物理點校正后的DEM數字高程值，這樣就完成了用物理點實測高程對DEM數字高程的整體校正。這種高程校正由于在平面上受表層調查點密度和插值半徑約束，只利用實測物理點可靠的低頻成分對DEM數字高程的低頻成分進行校正，保留了DEM數字高程可信的高頻成分。因此，這種高程校正具良好的適應性，校正結果具實測物理點高程與DEM數字高程的可靠低、高頻成分。

1.2? 雙緩存技術提高DEM高程校正效率

由前述可知，平面區(qū)域上每個物理網格點的高程誤差計算是以網格數據的形式進行的。由于全盆地物理點數據量非常大，僅從《近地表結構解釋系統(tǒng)》加載整個探區(qū)物理點高程數據會一次性向內存提交近10G數據量，加上全探區(qū)高程數據網格化流程需占用大量系統(tǒng)資源，故在數字高程校正計算時所申請使用的內存很容易超出系統(tǒng)內存容量，導致客戶端程序崩潰。本次采用以時間換空間的解決思路，不僅在加載全探區(qū)采集項目物理點數據時使用本地緩存文件代替內存空間來存儲預處理過的高程數據，還在全探區(qū)高程網格生成和提取過程中采取動態(tài)分塊和本地緩存相結合的方式，避免校正計算過程中出現(xiàn)一次占用過多系統(tǒng)資源，導致程序無法正常工作。這樣處理雖會增多加載、釋放分塊緩存數據的時間，但可解決全探區(qū)大數據量無法順利計算的問題，同時可支持更精細的探區(qū)級網格數據生成與提取[16-17]。

2? 應用效果

2.1? DEM數字高程校正的效果

通過本文所述技術的綜合應用，解決了以往地震測網中存在實測高程空白、數字高程與地震實測高程存在閉合差等問題，為實現(xiàn)盆地級高精度近地表模型的整體建立提供支撐。圖3為校正前后地震實測高程與DEM數字高程間的誤差對比。如圖所示，在校正前DEM數字高程與物理點實測高程之間存在明顯不閉合問題，校正后的DEM數字高程與實測高程閉合良好（誤差小于2 m），所得盆地區(qū)域級DEM數字高程精度可靠。在以此數據為基礎建立的盆地級近地表結構模型基礎上，提取盆地級近地表結構剖面（圖4），相比圖1來看，當DEM數字高程精度提高后，之前在地震測網空白區(qū)存在的模型閉合差問題得到有效解決，模型精度進一步提高。

2.2? 指導表層調查點的部署

在獲取盆地級高精度DEM數字高程后，進行區(qū)域表層調查點采集部署時，改變以往測網建模方式為區(qū)域整體模型構建方式（（圖5左-右）。以往方式只能沿二維測網對表層結構進行縱橫向變化分析，不能對重要目標區(qū)進行任意線的連井表層結構分析，導致難以對目標區(qū)表層結構變化進行針對性的表層調查部署。進行區(qū)域模型構建后，能精細地分析任意區(qū)域的表層結構變化，針對性地部署表層調查點。針對探井A、B間的結構變化關系，改變以往均勻部署調查點的方式，可在重要結構突變區(qū)域進行針對性部署，在提高部署效果的同時有效降低了表層調查點采集成本[18-20]。

2.3? 精準設計激發(fā)井深

地震采集過程中，井炮激發(fā)井深的選取非常重要，關系到子波的頻帶寬度、反射信號能量。恰當的井深位置可減少震源產生的次生干擾、虛反射等。通過對準噶爾盆地地震勘探多年來井炮激發(fā)井深的認知，最佳激發(fā)深度應選擇低降速帶界面之下的高速層，盡量靠近高速層頂界面，這實際上對地震采集的井深設計精度提出了很高要求。

以往激發(fā)井深設計是依據工區(qū)內歷史表層調查資料進行近地表結構模型建立，確定每個激發(fā)點位置的井深，由于缺少實際的地表高程，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數字高程，建立能準確反映表層結構空間垂向變化的近地表模型，可為精準設計激發(fā)井深奠定基礎。圖6為依據本文方法校正后的DEM數字高程建模前后所得近地表模型設計的激發(fā)深度試驗單炮效果對比。受空間地表高程精度影響，前后設計的激發(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? 結論及認識

（1） 實際資料應用表明，本文所述盆地DEM數字高程校正方法具良好的穩(wěn)定性和精度。此方法結合盆地地震實測物理點并以盆地表層調查點實測高程為基準網格，對以往直接獲取的初始DEM數字高程進行了低頻誤差校正，較好地提高了建模所需高程數據的精度，為盆地級近地表模型構建奠定了堅實的數據基礎。

（2） DEM數字高程校正技術的實現(xiàn)，為地震采集激發(fā)井深的精確設計提供了基礎，確保了接近高速層頂界面位置激發(fā)，單炮記錄優(yōu)質品率明顯提高。

（3） 本次研究和推廣應用的DEM數字高程校正是以現(xiàn)有的初始DEM高程數據體、盆地地震測網和表層調查點數據為基準，當后續(xù)隨精度進一步提升后，仍需進行重新校正，以保證數據更新的及時性。

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