基于航測影像的復雜地表地震采集工程施工設計方法

涂偉，王大明，査柏源，陳旭東

(中石油東方地球物理勘探有限責任公司新疆物探處，新疆 烏魯木齊 830016)

基于航測影像的復雜地表地震采集工程施工設計方法

涂偉，王大明，査柏源，陳旭東

(中石油東方地球物理勘探有限責任公司新疆物探處，新疆 烏魯木齊 830016)

復雜地表條件帶來的未知因素，無法保證地震采集工程施工設計對地表地物的適應性、時間順序的合理性以及技術設計與實施符合的準確性，從而無法保證地震數(shù)據(jù)質(zhì)量和提高項目效益，限制了“兩寬一高”地震勘探技術的廣泛應用。基于航測影像的無人機航測遙感技術能夠獲取高分辨率地面影像及高程數(shù)據(jù)技術，可為復雜地表區(qū)域的“兩寬一高”地震勘探技術提供實時精準的地表數(shù)據(jù)支持，在順利完成地震采集工作的同時提高采集效率，且在環(huán)境保護方面效果顯著。

地震采集； 兩寬一高；施工設計；航測影像；復雜地表

近年來，隨著“兩寬一高”地震勘探技術的應用，地震資料品質(zhì)有了大幅提升，以往無法進入的復雜地表區(qū)域也被納入“兩寬一高”地震勘探技術的應用范圍。但是，復雜地表條件帶來的未知因素，無法保證地震采集工程施工設計對地表地物的適應性、時間順序的合理性以及技術設計與實施符合的準確性，從而無法保證地震數(shù)據(jù)質(zhì)量和提高項目效益，限制了“兩寬一高”地震勘探技術的廣泛應用。

1 復雜地表地震采集工程施工設計面臨問題

1.1 面臨問題

地震采集工程施工設計是用來指導地震采集項目全過程各項活動的綜合性文件，是采集技術與項目管理有機結合的產(chǎn)物，保證地震采集工程施工活動有序、高效、科學合理地進行。地震采集工程施工設計對提高地震采集項目的質(zhì)量、效率和效益起著重要的支撐作用，該作用在復雜地表的地震采集項目中表現(xiàn)得更為突出。隨著地震勘探領域的延伸，地震采集工程面對的地表環(huán)境越來越復雜，主要表現(xiàn)在地表分布有城鎮(zhèn)、村莊、農(nóng)田、農(nóng)場、工廠、廠礦、公路等人工活動的地物以及沙漠、山地、湖泊、沼澤和河流等自然形成的地物，一般一個地震采集項目要穿過一種或多種地表地物。上述地表地物是實施地震采集項目的噪聲源和障礙物，加重地震數(shù)據(jù)的噪聲，降低地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量，阻礙地震采集設備和人員通行，降低施工效率和效益。因此，地震采集工程施工設計對地表地物的適應性、時間順序的合理性以及技術設計與實施符合的準確性，是保證數(shù)據(jù)質(zhì)量和提高項目效益的重要基礎。要做好上述3點的關鍵是運用詳細、準確的數(shù)字化地表信息，按照采集技術設計要求安排采集工程實施的方式、時間、順序和路徑。實施方式是指采用什么方式激發(fā)和接收，實施時間是指能順利實施采集并且最有利于資料品質(zhì)的季節(jié)，實施順序是指是否劃區(qū)塊實施采集和區(qū)塊采集的方向性，實施路徑是指施工班組的先后次序以及各種設備的采集線路。

目前，地震采集工程施工設計雖然能夠應用部分數(shù)字化的地表地物信息，但是由于地表信息的精度和信息量低，同時缺乏相應的技術手段，造成施工設計難以滿足實際需求，影響了采集工程的質(zhì)量和效益。上述影響在以“兩寬一高”地震勘探為主的地震采集項目中更加明顯，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1)地表地物的適應性 隨著地震勘探技術的發(fā)展，以往多為區(qū)域格架二維勘探的復雜地表區(qū)域重新被納入精細三維勘探范圍。該類區(qū)域地表起伏劇烈、障礙物多、地物地貌變化大，由激發(fā)和接收方式確定的采集方法及設備能否適用于項目，取決于對工區(qū)地表起伏落差的大小、障礙物的分布和地物地貌的變化情況的了解程度。

2)時間順序的合理性 選擇合適的采集時間及順序，對地震勘探的資料品質(zhì)影響非常大。比如農(nóng)田區(qū)勘探，在秋收后進行采集會減少很多干擾；北方水域多的區(qū)塊，選擇冬季上凍后采集；沙漠地區(qū)，冬季風少、行走條件好；遇上工區(qū)內(nèi)分布有煤礦、砂石廠等，選擇企業(yè)修工期采集更有利于施工。如果遇上工區(qū)內(nèi)包含多種地物地貌，合理安排采集時間和施工順序，才能使外界干擾最小化。

3)技術設計與實施符合的準確性 為了得到高品質(zhì)地震勘探資料，完成地質(zhì)任務，就必須保證項目實施與技術設計的高度一致性。

項目實施中存在以下3方面困難：

1)合理布設炮點困難 炮點的布設不但要選擇激發(fā)效果好的區(qū)域，避開障礙物，盡量不空炮或少空炮，還需要滿足鉆機或可控震源易于到位施工，減少推土機修路帶來的環(huán)境破壞，減少鉆井進尺節(jié)約成本，讓可控震源在采集時更有連續(xù)性。如僅靠測量人員在施工現(xiàn)場依靠目測進行炮點放樣，無法兼顧上述內(nèi)容。

2)修路困難 對于越來越高的環(huán)保要求，推土機在公益林、動植物保護區(qū)內(nèi)不允許作業(yè)，僅能對以往老測線進行修繕，起伏變化劇烈區(qū)域也只能以修通道為主，不再允許每條測線一推到底。因此，推土機修路要少推、不推、能繞就繞，而且還要保證鉆機和可控震源在施工時能通過，采集時有連續(xù)性。

3)規(guī)劃采集線路困難 采集線路的規(guī)劃需要易于通行、減少繞路，能隨時應對采集線束的變化，達到提高采集效率的目的。

1.2 現(xiàn)狀

在項目實施中，為了提高地表地物的適應性、時間順序的合理性、技術設計與實施符合的準確性，目前在復雜區(qū)勘探施工時均采用公共資源的衛(wèi)星圖片進行施工設計工作。

優(yōu)點：①免費使用公共資源；②可使炮點布設更合理、環(huán)境破壞更少、采集線路通行更方便。

缺點：①公共資源衛(wèi)星圖片平面及高程分辨率低，平面上無法分辨1m以內(nèi)物體，高程上無法分辨10m以內(nèi)起伏；②坐標有偏差，部分偏差較大區(qū)域需要進行校正后才能使用；③數(shù)據(jù)陳舊，與工區(qū)現(xiàn)狀有差異，特別是城鄉(xiāng)村莊等區(qū)域；④不能進行數(shù)字化利用。

2 航測影像技術

航測影像是指通過無人機航測遙感技術，對地表影像、高程進行獲取，并最終形成詳細、準確的數(shù)字化地表信息。航測影像的特點是分辨率高、精度高、數(shù)據(jù)時效性強，并可以對地表信息進行數(shù)字化處理。

使用基于航測影像的地震采集工程施工設計方法，其思路就是利用航測影像的高分辨率、高精度，識別地物、地貌和障礙物，選擇合理施工時間和順序，在室內(nèi)通過數(shù)字化航測影像數(shù)據(jù)，幫助布設炮檢點、修繕通道、規(guī)劃采集線路，從而解決施工設計對地表地物的適應性、時間順序的合理性、技術設計與實施符合的準確性3方面的問題。

2.1 方法流程

圖1 基于航測影像的地震采集施工設計方法流程圖

基于航測影像的地震采集施工設計方法流程如圖1所示，分為6個步驟：①通過無人機航測遙感技術，獲取地表高分辨率、高精度的影像及高程，并形成數(shù)字化的影像數(shù)據(jù)；②通過軟件對航測影像數(shù)據(jù)進行處理，形成可編輯、易操作的數(shù)據(jù)格式；③技術人員通過軟件在室內(nèi)對炮檢點進行布設，并形成數(shù)據(jù)交付測量組；④測量組現(xiàn)場實施人員根據(jù)炮檢點室內(nèi)布設成果，結合野外實際情況進行現(xiàn)場放樣；⑤綜合航測影像數(shù)據(jù)、炮檢點放樣成果、推土機航跡、技術人員踏勘線路，進行室內(nèi)通行線路編輯，規(guī)劃成采集線路網(wǎng)絡；⑥將航測影像數(shù)據(jù)和采集線路網(wǎng)絡加載到可視化導航設備上，采用航跡導航方法采集[1]。

2.2 主要配套技術

基于航測影像的地震勘探預設計方法，主要應用地表屬性信息提取、炮檢點室內(nèi)布設、實施路徑規(guī)劃與修繕、航跡導航等4個技術。

2.2.1地表屬性信息提取技術

室外通過無人機航測遙感獲取高分辨率地表影像及高程數(shù)據(jù)，通過地面像控點對數(shù)據(jù)進行坐標及高程校正，最終得到誤差2m、分辨率20cm的高清影像及3m采樣高程數(shù)據(jù)。室內(nèi)通過對影像和高程數(shù)據(jù)的編輯處理，可生成坡度、等高線、三維數(shù)據(jù)和網(wǎng)格數(shù)據(jù)。坡度數(shù)據(jù)可根據(jù)車輛設備通行情況劃分并用不同顏色區(qū)分；等高線數(shù)據(jù)通過平滑可按生產(chǎn)需要生成最小3m的等高線圖；網(wǎng)格數(shù)據(jù)使炮點的偏移量可視；三維數(shù)據(jù)將施工區(qū)域立體化顯示，使地形起伏、障礙物等顯示得更直觀。

圖2為航測影像生成的多種數(shù)據(jù)圖：圖2(c)為坡度數(shù)據(jù)，按車輛、采集設備的通行能力，將坡度分為6個檔次，并用不同顏色標注(0～10°暢行(無色)、10～15°難行(綠色)、15～20°少修路可行(黃色)、20～25°狠修路可行(橘色)、25～30°狠修路難行(粉紅)、30～90°繞行(深紅))，預設計時根據(jù)顏色不同即可對坡度大小做出直觀判斷；圖2(d)為網(wǎng)格數(shù)據(jù)，使炮點偏移量可視，網(wǎng)格大小可根據(jù)需要定義，一般與面元大小相同；圖2(e)為上述4種數(shù)據(jù)的疊加效果圖；圖2(f)為三維數(shù)據(jù)立體圖，在平面上無法做出準確判斷的區(qū)域在該圖上可以更直觀得顯示。

2.2.2炮檢點室內(nèi)布設技術

利用航測影像生成的各種數(shù)據(jù)，對炮檢點提前偏移設計。設計遵循以下原則：辨識障礙物及老測線分布，便于炮點借道布設及設備通行；躲避坡度較大的陡坡和深溝；炮點布設必須嚴格執(zhí)行偏移原則，滿足技術上的要求，布設盡量均勻、連續(xù)；考慮推土機修路路線，避免后續(xù)施工時來回翻越沙梁子；對現(xiàn)場放樣反饋及通過航測影像檢查的不合理問題及時作出調(diào)整。

圖3(a)為蜂窩狀沙漠區(qū)炮檢點理論位置分布圖，圖中深色區(qū)域為深鍋，亮白色為沙梁子頂；圖3(b)為利用航拍坡度、等高線數(shù)據(jù)進行炮點偏移的圖示。可以看出，炮點偏移的預設計避開了陡坡和深鍋區(qū)域，炮點放樣成果與預設計位置趨勢符合，具體位置稍有差異。

2.2.3實施路徑規(guī)劃與修繕技術

利用航測影像生成的各種數(shù)據(jù)，對推土機修路和通行線路進行提前設計和規(guī)劃。設計遵循以下原則：躲避坡度較大的陡坡和深溝，多利用老測線或多條測線共用同一通道，在保證車輛、采集設備能通過的情況下減少修路的工作量，減少對環(huán)境的破壞，采集線路網(wǎng)絡必須通暢，保證后續(xù)施工班組的銜接順暢。

圖4(a)為蜂窩狀沙漠區(qū)推土機設計修繕線路及實際修繕航跡的圖示，圖中彩色線段為設計修繕線路，白色線段為實際修繕航跡；圖4(b)為利用航拍坡度、等高線數(shù)據(jù)、推土機實際修繕航跡繪制的采集線路網(wǎng)絡圖，黃色線段即為采集線路網(wǎng)絡。由圖4可以看出，推土機設計修繕線路避開了陡坡和深鍋區(qū)域，實際修繕航跡與設計線路基本符合，具體位置稍有差異；推土機按設計線路修繕，在避免頻繁繞路、找點、減少工作量的同時完成了修繕工作；采集線路網(wǎng)絡顯示清晰，連接每個炮點，方便指導采集設備行走。

圖2 航測影像生成的多種數(shù)據(jù)圖

圖3 炮檢點理論位置(a)與航測影像數(shù)據(jù)(b)對比圖

圖4 推土機修繕線路(a)及采集線路網(wǎng)絡(b)圖示

圖5 研究區(qū)航測影像

2.2.4航跡導航技術

應用可視化導航設備，將航測影像作為底圖，加載設計線路或者采集線路網(wǎng)絡，指導完成推土機修路、采集等野外施工作業(yè)[1]。應用航跡導航技術，操作手只需通過導航設備，跟隨線路指示，即可避免頻繁找路、繞路，減少無效施工時間，實現(xiàn)連續(xù)采集，提高效率。

3 應用實例及效果

3.1 工區(qū)概況

利用基于航測影像的復雜地表地震采集工程施工設計方法在準噶爾盆地腹部大沙漠區(qū)三維地震資料采集中進行了實際應用。研究區(qū)地表大部分為沙漠(約占工區(qū)75%)，沙丘起伏較大，最大高差超過100m，以近南北向主條帶夾雜東西向橫條帶，呈現(xiàn)蜂窩狀分布。研究區(qū)西部為國家級公益林保護區(qū)(約占工區(qū)25%)，植被發(fā)育，地表起伏較為平緩。研究區(qū)航測影像如圖5所示，圖中東部大沙漠區(qū)域起伏明顯，沙梁子清晰可見。

該次研究項目的激發(fā)方式為低頻可控震源1臺1次滑動掃描；觀測方式為正交雙邊放炮；排列形式為20L(3×2)S480R；縱向觀測系統(tǒng)為5987.5-12.5-25-12.5-5987.5，覆蓋次數(shù)為800次，道距25m，接收線距150m，炮點距50m，激發(fā)線距150m。

3.2 應用效果

該次研究在準噶爾盆地大沙漠區(qū)第1次成功應用低頻可控震源實施“兩寬一高”技術，完成規(guī)模化三維地震采集工作。

1)降低了測量返工次數(shù) 對比準噶爾盆地之前某可控震源滑動掃描三維項目，測量因炮點不合理放樣返工復測樁號1882個，該次項目測量因炮點不合理放樣返工復測樁號689個。

2)減輕了施工人員的勞動強度 減少測量施工人員來回翻越沙梁子尋找炮點合理布設位置；減少推土機、可控震源的帶樁號人員；減少推土機司機來回翻越沙梁子查看最佳修路路線；減少司機、震源操作手繞路；減少2名技術員每天進行工區(qū)路線踏勘。

3)物理點布設更加合理均勻、環(huán)保 通過炮點布設預設計，炮點布設更均勻，沒有出現(xiàn)特別大的缺口。大沙漠區(qū)共布設炮點57267炮，布設在大于10°半坡上炮點為9854炮。按以往施工方式，大沙漠區(qū)推土機修路長度(炮數(shù)×炮點距)為2863.35km。通過預設計，推土機修路充分借用老測線，僅對坡度大于10°區(qū)域的半坡放樣炮點和翻越沙梁子時打通道，坡度小于10°區(qū)域推土機僅路過，修路1852km，減少修路1011.35km。

4)提高了可控震源作業(yè)安全性和效率 炮點布設盡量避開高陡坡放樣，提高了可控震源在陡坡上的行車安全；根據(jù)航跡網(wǎng)絡進行采集，提高了可控震源在夜間施工的行車安全。項目采集36d，平均日效2735炮，最高日效4600炮，提高了可控震源在大沙漠區(qū)規(guī)模化三維采集日效。

5)提高了車輛管理的及時性和準確性 提高了工區(qū)踏勘的準確性；油罐車能更準確地找到施工車輛，及時完成加油工作；送飯車能及時地將飯菜送到指定地點；工地緊急救援更加及時；工地檢查更具準確性和目的性；儀器搬家地點的選擇更簡便，搬家路線更清晰；基地對施工現(xiàn)場的遠程遙控及時、準確，具有可操作性。

4 結論

1)基于航測影像的復雜地表地震采集工程施工設計方法能使野外炮點布設更合理，在保證通行的前提下減少推土機修路工作量，能更合理地規(guī)劃通行線路，指導采集。

2)該方法可在復雜地表區(qū)域的地震勘探項目中推廣，提高經(jīng)濟效益的同時使綠色勘探得以更好的實現(xiàn)。

3)該方法的運用需要多個技術的配套集成使用。

[1]涂偉，閆杰，夏建軍，等.可控震源航跡導航施工方法及應用實例[J].長江大學學報(自科版)，2015,13(23)：27～30.

2016-06-14

中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項(2017E-0411)。

涂偉(1982-)，男，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事地震勘探采集方法研究工作，9137801@qq.com。

[引著格式]涂偉，王大明，査柏源，等.基于航測影像的復雜地表地震采集工程施工設計方法[J].長江大學學報(自科版), 2017,14(23):55～60.

P631.44

A

1673-1409(2017)23-0055-06

[編輯] 龔丹