基于擴散濾波方法的地震數據修復技術

陳可洋， 陳樹民， 李來林， 吳清嶺， 范興才， 劉振寬， 王建民

（1.中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發研究院，黑龍江大慶 163712；2.中國石油大慶油田有限責任公司勘探事業部，黑龍江大慶 163453）

基于擴散濾波方法的地震數據修復技術

陳可洋1， 陳樹民1， 李來林1， 吳清嶺1， 范興才1， 劉振寬2， 王建民1

（1.中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發研究院，黑龍江大慶 163712；2.中國石油大慶油田有限責任公司勘探事業部，黑龍江大慶 163453）

將基于偏微分方程的圖像修復技術引入到地震資料數字處理領域，提出基于擴散濾波方法的地震數據修復技術.將待修復數據區域附近的未受損數據按照一定的擴散函數規則，通過擴散濾波方法將其擴散至待修復區域，每次迭代計算僅更新待修復區域內的數據，未受損區域內的數據保持不變，根據迭代前后的殘差與閾值比較，最終確定迭代終止的條件.地震數據插值處理以及地震數據的局部修復處理2個應用實例表明，采用擴散濾波方法的地震數據修復技術可以修復地震數據，能夠有效恢復缺失的地震波場信息，在地震資料數字處理中有一定的應用價值.

擴散濾波；數據修復；地震插值；地震處理；圖像修復

0 引言

圖像資料是人類獲取信息的一個重要來源，它可以用信號處理的方法對其進行描述.在數字圖像處理中，一項重要的研究內容就是圖像的修復，它是對圖像上信息缺損區域進行圖像信息填充的過程，其主要思想就是用現有的圖像信息來自動恢復缺失的信息，并使觀察者無法察覺到圖像曾經缺損或已被修復.數字圖像的修復技術已廣泛應用于諸多工程研究領域，如文物信息的修復、醫學圖像的修復、污跡的消除、舊照片中折痕的修復、圖像中文字的去除等等，甚至可以利用圖像修復技術達到一些特殊的藝術效果.因此，對數字圖像修復方法的研究是圖像處理領域的熱點之一，且具有重要的應用價值［1－6］.目前，國內外學者開展了諸多圖像修復技術方面的研究，并形成了較多成熟的圖像修復算法，主要包括基于偏微分方程和紋理合成.其中基于偏微分方程的算法是最早出現的圖像修復模型，其算法種類已較為豐富，其構建思路是利用物理學中的熱傳導方程，將待修復區域周圍的已知信息沿著等照度線方向延伸到待修復區域中.其中具有代表性的圖像修復模型有：用三階偏微分方程來模擬平滑傳輸過程的BSCB模型［3］，用三階偏微分方程來模擬曲率驅動擴散（CDD）模型［5］等等.

在地震勘探中，由于野外采集常受到施工條件的綜合影響（如地形、障礙物等），在采集數據中常常在某些位置出現地震記錄的道間距過大、異常道、數據不完整或數據缺失等問題，這意味著一些重要地層的地震響應信息的丟失，并可能在各種處理過程中形成許多不必要的噪聲.從目前的地震插值技術的應用狀況來看，地震道插值方法可以在一定程度上恢復這些缺失的地震波場信息，可以提高偏移成像的精度，并切實有效地壓制噪音和抑制空間假頻出現.因此，地震道插值是提高地震資料處理和成像精度的一種有效方法，也是地震數據處理中的一個難點與熱點問題［7－9］.

由于地震數據和圖像數據在數值計算方面的相似性，因此近幾十年來，圖像處理技術已逐漸引入到地震資料處理和解釋中，并取得了較好的應用效果［10－14］，例如中值濾波技術、圖像邊緣增強技術、圖像細化算法、圖像噪聲壓制技術等等，這些技術的廣泛應用對于實際地震資料的預處理和修飾性處理等方面發揮了非常重要的作用.在前人研究的基礎上，我們將圖像修復技術引入到地震資料數字處理領域，以基于偏微分方程的擴散濾波方法為例，詳細探討實際地震數據的修復方法，并在地震數據的插值處理和地震數據的局部修復等方面進行了實例應用，該技術的引入以期為實際地震資料處理工作提供方法指導.

1 基本理論

Perona和Malik［15］首次提出了用于擴散濾波處理的偏微分方程

式（1）中，t為擴散時間（可不考慮時間步長dt，常用迭代次數N代替），div為散度算子，?是梯度算子，U為t時刻的擴散濾波結果，其中U0為t＝0時刻的原始地震數據，即擴散濾波迭代計算的初始條件，g（·）是擴散函數，為一個有界非負的遞減函數，Perona和Malik［15］建議其形式為

與數字圖像修復技術相類似，地震數據修復技術的主要思想可以表述為：將待修復區域附近的信息沿著等照明度方向擴散到待修復區域，并按照一定的規則控制擴散方向，從而達到修復地震數據的目的，即用偏微分方程中已知的初始條件和邊界條件來求得未知的待修復區域中的地震信息.分析地震數據可知，與地震同相軸相垂直的方向是地震數值變化最快的方向，而順著地震同相軸的方向是地震數值變化最慢的方向，即圖像修復技術中的等照明度方向.根據待修復區域周圍未受損區域中的地震數據信息來修正待修復區域中的每一個地震采樣點數值，且修復過程只改變待修復區域內的地震數值，未受損區域內的地震數值保持不變.基于擴散濾波方法的地震數據修復技術與熱傳導方程中能量的傳遞過程類似，地震數據的信息是在一定的約束條件下以振幅能量的形式向待修復區域進行擴散，最終使整個地震數據達到穩定狀態.這種約束條件就是根據地震數據本身的結構特性（即擴散函數）來控制各個空間方向的擴散強度.然后根據最新迭代得到后的地震數據和前一次迭代得到的地震數據之間的差值與給定的閾值進行比較，如果該差值小于給定的閾值，則可以結束迭代，并得到修復處理后的地震數據.若該差值大于給定的閾值，則繼續迭代計算，直到小于給定的閾值后結束.

借鑒圖像修復模型及其基本原理［1］，我們構建如下針對地震數據的修復模型為

式（2）中，t代表迭代的時間，Δt代表迭代的時間步長，Utn代表對t時刻地震數據Ut的修正量，可表示為Utn＝δLt·Nt，代表Lt沿著擴散濾波Nt方向的變化量，其中δLt＝div（g（‖?U‖）·?U）．當該修正量Utn變化不明顯時，δLt·Nt≈0此時Ut＋Δt≈Ut，則可以結束迭代計算，從而得到地震數據修復后的處理結果.

具體的步驟

1）確定待插值樣點在數據體中的空間位置，并建立待插值樣點的數據索引；

2）將原始數據作為擴散濾波方程的邊界條件，采用式（1）進行數據的迭代計算；

3）根據地震數據的修復模型（式（2））對待修復數據區域進行局部迭代更新；

4）待修復區迭代前后的殘差絕對值為0或小于門檻值作為迭代收斂和終止的條件，若大于門檻值，則繼續2）至4）步驟，直至達到迭代收斂條件；

5）對原始數據不做任何修改，最終輸出修復后的地震數據.

2 應用實例

2.1 地震數據的插值處理

地震數據處理中常見的就是由于采集因素導致的道間距過大的問題，若對這種資料直接進行后續的地震常規處理和成像處理均將引入空間假頻問題，直接影響后續的精細地震解釋的質量，這增加了實際地震勘探的風險.這里我們以兩種最常見的地震數據類型為例開展基于擴散濾波方法地震數據修復技術的應用研究，主要針對疊前和疊后地震數據的插值處理.

圖1（a1）和圖1（a2）分別為某地區地震疊前時間偏移剖面和理論合成的單炮模擬記錄，圖1（b1）和圖1（b1）分別為圖1（a1）和圖1（a2）經地震數據抽稀后的結果，圖1（c1）和圖1（c2）分別為圖1（b1）和圖1（b1）經擴散濾波方法地震數據修復后的結果.分析圖1（a）和圖1（c）可知，原始數據和經擴散濾波方法修復后的地震同相軸連續性等特征基本保持一致，同時，原始疊后剖面（圖2（a））和炮記錄（圖2（b））中被抽掉的地震道波形曲線與文中方法插值恢復后的地震波波形曲線吻合度較高.由此可見，基于擴散濾波方法的地震修復技術在疊前和疊后地震數據插值處理中取得了較好的應用效果.

圖1 擴散濾波方法在疊前和疊后地震數據插值中的應用Fig.1 Application of diffusion filtermethod in pre-stack and post-stack seismic data interpolation

2.2 地震數據的局部修復處理

當磁盤上存儲的地震數據受到外界復雜環境因素影響的情況下，該數據中將引入一些異常數值，直接影響后續的利用.與正常數值相比，若這些異常值特征差異較為明顯，則可根據一些算法將這些數值篩選出來并做好待修復的標記，再采用地震數據修復技術來實現待修復數據區域的修復處理.為此，我們以理論合成的單炮數據為例，模擬被破壞的待修復地震數據.

圖3（a）為理論合成的單炮記錄，圖3（b）為基于能流密度矢量篩選出來的左行波數據來描述待修復數據，圖3（c）基于能流密度矢量篩選出來的右行波數據來描述待修復數據，圖3（d）對圖3（b）的地震數據修復結果，圖3（e）為對圖3（c）的地震數據修復結果.分析圖3可知，待修復的數據由于采用篩選的方法，數據中存在大量的空值區域（圖3（b）和圖3（c）），數據缺失信息較多，且同相軸的連續性較差.而采用基于擴散濾波方法的地震數據修復技術后（圖3（d）和圖3（e）），同相軸的連續性增強，空值區域內的地震數據也得到了有效的恢復.由此可見，地震數據修復技術在實際地震數據修復中可以取得較好的應用效果.

圖2 原始和插值恢復后的地震道波形曲線Fig.2 Seismic traces wave forms of original trace and interpolated recovered trace

圖3 擴散濾波方法在地震數據修復處理中的應用Fig.3 Application of diffusion filtermethod in seismic data repair processing

3 結束語

將圖像修復技術引入地震資料的數字處理領域，構建了地震數據的修復技術，并給出具體的步驟.該技術采用擴散濾波方法，將擴散函數作為每次迭代修復的約束條件，從而確定擴散的方向和強度，同時將未受損區域內的地震數據擴散至待修復區域內，并使未受損區域內的地震數據數值始終保持不變，僅迭代更新待修復區域內的數據.將迭代前后的殘余與給定閾值進行比較，可最終確定迭代終止的條件.通過地震數據的插值處理和地震數據的局部修復處理應用表明，本文提出的地震數據修復技術可以較好地實現地震數據缺失信息的修復，有效恢復了部分缺失的地震信號，在實際地震資料處理中具有一定的應用潛力.該地震數據修復技術避免了常規地震插值方法在F-K域或T-K域進行變換處理并受插值角度的限制等缺點，該方法在時空域來進行處理，因此具有計算過程簡單易實現的優點，適合于實際地震資料處理中異常道（或野值道）被剔除后波場信息的有效恢復和三維地震數據體加密插值處理等.若待修復樣點過密且已知地震信息較少時，文中方法計算結果的誤差將較大.

［1］劉庚農.圖像修復技術研究［D］.合肥：合肥理工大學，碩士學位論文，2011.

［2］王麗坤.三維各向異性擴散濾波方法研究與應用 ［D］.成都：成都理工大學，碩士學位論文，2011.

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Seism ic Data Repair Technology Based on Diffusion Filtering Method

CHEN Keyang1，CHEN Shumin1，LILailin1，WU Qingling1，FAN Xingcai1，LIU Zhenkuan2，WANG Jianmin1
（1．Exploration and Development Research Institute ofDaqing Oilfield Company Limited ofCNPC，Daqing，Heilongjiang 163712，China；2．Exploration Company ofDaqing Oil Field Co．Ltd ofCNPC，Daqing，Heilongjiang 163453，China）

We introduce figure repair technology based on partial differential equation into seismic data digital processing，and put forward seismic data repair technology based on diffusion filteringmethod.The technology diffuses undamaged area's data to data to be repaired using diffusion filteringmethod with a certain diffusion function.In each iteration，only the data to be repaired is updated，and undamaged area's data is remained unchanged.Final iteration termination condition can be ensured by comparing difference with threshold before and after iterations.Two application examples of seismic data interpolation processing and seismic data local repair processing show that the technology can achieve the purpose of repairing seismic data.It recovers effectively lost seismic wave field information.Therefore，it can be used in practical seismic data digital processing.

diffusion filter；data repair；seismic interpolation；seismic processing；figure repair

date：2013－08－17；Revised date：2013－11－26

P315.3

A

1001-246X（2014）04-0465-06

2013－08－17；

2013－11－26

國家重點基礎研究發展計劃（973）（2009CB219307）資助項目

陳可洋（1983－），男，碩士，工程師，主要從事高精度地震波傳播模擬與逆時成像、多線程并行計算與模塊開發、實際地震資料數字處理方法研究，E-mail：keyangchen＠163.com