GD I+在复杂地区三维地震资料采集设计中的应用

2010-10-17朱圣军陈建国

物探化探计算技术 2010年6期

关键词：边界点缓冲区多边形

朱圣军,陈建国

(江汉石油管理局地球物理勘探公司,湖北潜江 433100)

GD I+在复杂地区三维地震资料采集设计中的应用

朱圣军,陈建国

(江汉石油管理局地球物理勘探公司,湖北潜江 433100)

随着油气勘探向复杂地区延伸,三维地震资料采集难度日益突出。在复杂地区许多激发点位于多个禁炮区内,依靠手工很难完成激发点的正确筛选。这里采用基于GD I+生成禁炮区,可以自动选择所有非禁炮区内的激发点。实际应用表明:方法具有建立速度快、运行稳定可靠等特点,并取得了好的应用效果。

油气勘探;三维地震资料采集;禁炮区;缓冲区;GD I+

0 前言

三维地震是指按照一定的采样格网密度采集获取地下地震信息的方法,具有很高的勘探精度,可以从三维空间来了解地下地质构造情况,并获得精确而详细的地下图像,三维地震已经成为石油和天然气勘探开发的主要工具。三维地震资料采集采用将整个勘探区域划分为接收格网和激发格网,接收点和激发点分别位于格网的节点上,在激发点上采用人工地震的方法进行激发,在接收格点上接收地下反射信号。受人工地震的限制,所选择的激发点必须离地表建筑和各种地物有一定的安全距离,在地表条件比较简单的草原、戈壁等地区,选择安全区域内的激发点往往依靠人工来完成。

随着油气勘探开发的深入,三维地震逐步向地表条件复杂的城镇、水网延伸。在复杂地区进行三维勘探,涉及到的地表障碍物多,每种地表障碍物都有不同的安全距离,一个激发点可能位于一个或多个禁炮区内,依靠手工很难判断和正确选择位于安全区内的激发点。

通过试验,采用GD I+建立不同震源激发方式下地表障碍物的禁炮区,排除禁炮区内的激发点,实现自动选择位于安全区域内的激发点,达到优选激发点,降低采集施工的安全风险、提高地震资料采集效果和施工效率之目的。

1 不同震源的禁炮区和安全区

三维地震采集一般采用炸药震源,可控震源和空气枪震源,涉及的地表障碍物可分为点状地物、线状地物和面状地物。见图1,不同的地表障碍物,在不同的震源激发下有不同的安全距离。

1.1 基本地表障碍物的禁炮区

(1)点状地物的禁炮区。点状地物是指烟囱、水塔等独立地表障碍物。禁炮区是以地物中心点为圆心,安全距离为半径的圆,如图2(a)所示。

图1 三种基本地表障碍物Fig.1 Three typesof basical ground objects

(2)线状地物的禁炮区。线状地物是指公路、通讯线路、管网等地表障碍物,其禁炮区是以线为中心轴线,距中心轴线一定距离的平行条带区域,如图2(b)所示。

(3)面状地物的禁炮区。面状地物是指高层建筑、居民地、环形公路等地表障碍物。禁炮区是由面的边界多边形向外、向内,或内外同时扩展到一定距离时所生成的新区域。图2(c)所示为高层建筑向外扩展形成的禁炮区;图2(d)所示是环形公路向内、向外同时扩展,生成的外扩区域和内扩区域,在外扩区域减去内扩区域所形成的区域为禁炮区。

1.2 炸药震源的禁炮区与安全区

炸药震源主要用于陆地上,在地表障碍物周围安全距离范围之内的区域,就是炸药震源禁炮区。建立炸药震源禁炮区是地表障碍物扩展形成的区域(如图2所示),所有炸药震源禁炮区以外的区域是安全区。设A=(所有地表障碍物的炸药震源禁炮区之和),则安全区为C=A。

在图3中,长方形框内用斜线填充的区域就是安全区。

1.3 可控震源的禁炮区与安全区

可控震源主要用于陆地上,可控震源禁炮区与安全区,除在安全距离存在差异外,其它与炸药震源相同。

1.4 空气枪震源的禁炮区和安全区

空气枪震源主要用于江、河、湖、海等大面积水域。空气枪震源禁炮区是指地表障碍物(主要指水域附近或水域内的地表障碍物)周围安全距离以内的区域,空气枪震源禁炮区也是地表障碍物扩展生成的(见图2)。空气枪震源安全区则是在特定的大面积水域中,除去空气枪震源禁炮区的区域之后的区域。

图2 三种地表障碍物的禁炮区Fig.2 The forbidden shooting region of three typesof ground ob jects

图3 炸药震源安全区Fig.3 The safe area of exp losive source

图4 空气枪震源的禁炮区与安全区Fig.4 The forbidden shooting region and the safe area of air-gun source

图4(a)所示的多边形是水域,多边形二侧是水域附近的地表障碍物;图4(b)中用斜线填充的区域是空气枪震源安全区。设:A=所有地表障碍物的空气枪震源禁炮区之和;B=所有设计空气枪施工的大面积面状水域区域之和;则空气枪震源安全区为:

1.5 安全区内的激发点

在建立禁炮区后,就可以依据激发点与每个禁炮区的位置关系,来判断激发点是否位于禁炮区内。对于采用空气枪震源,除了要判断激发点是否位于禁炮区内之外,还要判断激发点是否位于指定的空气枪震源施工面状水域内,并以此来确定位于安全区内的所有激发点。在三种震源同时存在时,依次建立每种震源下的禁炮区和输出每种震源安全区内的激发点。

2 复杂对象的禁炮区生成方法

禁炮区的本质就是缓冲区,所谓缓冲区是指在点、线、面等实体的周围建立的一定宽度的区域,这个宽度就是安全距离,建立禁炮区的过程就是缓冲区建立的过程。在点、线和面的缓冲区建立过程中,点的缓冲区建立非常简单,而线的缓冲区生成非常重要,是面状缓冲区的基础。因此,对缓冲区生成的研究,主要针对线对象和面对象进行。

2.1 常用禁炮区生成方法

缓冲区的建立目前主要有栅格算法和矢量算法二类。

代表性栅格算法有基于栅格数据的距离变换法[1]和数学形态学扩张法[2],其基本原理是将点、线和面的矢量数据,转化为栅格数据,进行像元加粗,然后作边缘提取。多数栅格算法原理简单且易于实现,但不易获得矢量边界,高内存占用和低精度是该算法的主要缺点,所能处理的数据量受到机器硬件设备的限制,因此,矢量方法成为研究者普遍关注的热点。

矢量方法原理通常较为复杂,但在机器精度范围内不降低原始数据精度。在缓冲区生成的矢量算法中,常用的是角平分线算法和凸角圆弧算法,在此基础上也出现了一些新的或改进算法[3～5]。

(1)角平分线算法。以线目标为轴线,并分别在其二侧作距轴线一定距离(缓冲半径)的平行线,来生成缓冲区边界的简便方法。该方法也称“简单平行线法”,其优点是简单、易于实现,缺点在于难以最大限度地保证缓冲区边界线的等宽性,在对复杂对象的实现过程中,计算复杂且难以适应各种异常情况。

(2)凸角圆弧算法。该算法的基本原理是在轴线首点及末点处,作轴线的垂线,并按缓冲区半宽E截出左右边界的起讫点。在轴线的其它各个拐点上,首先判断该点的凹、凸特性,在凸侧用圆弧弥合,而在凹侧则用与该点所关联的,前后二邻边距轴线的偏移量为E的二平行线交点,来生成对应顶点(如图5所示)。由于在凸侧用圆弧弥合,使凸侧平行边界与轴线等宽。而在凹侧,平行边界相交在角平分线上,如图6所示。交点距轴对应顶点的距离为:

d=E/cos(A/2)或d=E/sin(B/2)

该算法能最大限度地保证平行曲线的等宽性,排除了角平分线算法所带来的众多异常情况,但是生成缓冲区边界过程相对复杂。

图5 凸角圆弧算法原理Fig.5 The p rincip le of arc algorithm of convex angle

图6 凹侧双线宽度与曲线弯曲程度的关系Fig.6 The relation between doub le-linew id th and curve degree of crook on the concave side

(3)缓冲区半径旋转生成算法。在分析和研究角平分线算法和凸角圆弧算法基础上,作者提出了一种简便的方法,通过缓冲半径分别组成目标对象的各点旋转生成目标缓冲区边界,简化了缓冲区边界的生成过程,并对缓冲区生成过程中出现的特殊情况进行了处理,应用递归方法管理和存储缓冲区边界的自相交多边形[6]。

(4)多边形叠置方法。逐个求得各线段单独的缓冲区,通过多边形叠置依次合并。该方法被许多GIS软件采用,其核心问题是多边形叠置,其中涉及大量线段之间关系的求解。为处理线段重叠等异常情形,提高运行效率,一些研究者提出了若干优化方法,如进行数据的自适应重采样[7],基于动态叠置思想的缓冲区生长法[8]。孙立新等[9]对边界求交后结点上弧段的方向规律进行分析,提出结点上有向弧段的删除规则,以避免通过线～面包含关系,来判定来取舍弧段;董鹏等[10]运用旋转点变换公式和递归方法,简化了平行线生成和尖锐角光滑校正过程;吴华意等[11]提出缓冲曲线的概念,并建立边约束三角网辅助的缓冲区生成算法,减少了参与切割重组的线段数目,从而提高算法的稳定性和时间效率。

现有矢量算法通常包含曲线求交,弧段切割重组;包含关系判定,多边形所属弧段搜索等过程,算法实现较为复杂。通过实践,作者在本文基于GD I+实现了一种稳健、适应性强、高效的缓冲区建立方法,并由此建立了一个支持复杂面状地物和复杂拓扑结构的缓冲区边界描述方法。

2.2 基于GD I+的禁炮区生成和边界描述方法

GD I+是GD I(Graphics Device Interface,W indow s早期版本提供的图形设备接口)的后续版本,是一种应用程序编程接口(API),通过一套部署为托管代码的类来展现,这套类被称为GD I+的“托管类接口”。应用程序的程序员可利用GD I+这样的图形设备接口,在屏幕或打印机上显示信息,而不需要考虑特定显示设备的具体情况。应用程序的程序员调用GD I+类提供的方法,而这些方法又反过来相应地调用特定的设备驱动程序。GD I+将应用程序与图形硬件隔离,而正是这种隔离,允许开发人员创建设备无关的应用程序。

GD I+主要提供三个方面的绘制和显示支持:二维矢量图形、图像处理和版式。禁炮区的生成主要涉及线对象和面对象,作者正是基于GD I+的二维矢量图形绘制功能,实现了复杂禁炮区的生成和描述。

2.2.1 GraphicsPath/Region类的基本功能

GD I+提供路径类(GraphicsPath)和区域(Region)类,分别对应线对象和面对象。

(1)路径标识一系列相互连接的直线和曲线,它可由任意数目的图形(子路径)组成。每一个图形,都由一系列相互连接的直线、曲线,或简单的几何图形构成。图形的起点是相互连接的一系列直线和曲线中的第一点,终结点是该序列中的最后一点。

(2)区域是由曲线定义的区间,是输出到设备显示区域的一部份。区域可以是简单的(如单个矩形),也可以是复杂的(如多边形和闭合曲线的组合)。区域可以从矩形或路径中构建,也可以通过合并现有的区域来创建,合并支持各种集合运算。

作者在本文所涉及到的GraphicsPath类和Region类的基本函数,如表1所示。

正是基于路径和区域的这些功能函数,为基于GD I+实现各种禁炮区的建立提供了基础功能。

2.2.2 线缓冲区的建立和边界描述

基于GD I+实现线缓冲区的建立与边界描述过程如下:

(1)构建路径对象。在得到折线的各个端点后,构建一个路径对象,如图7所示。图7是有交叉现象的复杂折线,在地震采集的实际工作中,一般不会存在这种地物。举此例的目的是为了说明本文中的方法,不仅适用于简单折线,同时适用于复杂折线。

表1 GraphicsPath类和Region类基本功能Tab.1 The basic function of the GraphicsPath class and the Region class

图7 折线对象Fig.7 The po lyline ob ject

(2)定义画笔对象。在取得路径对象的外接矩形范围后,将其换算到屏幕坐标系,以其大小为宽度,定义一个画笔对象。

(3)设定画笔的形态,包括端点形状和直线连接方式。在GD I+中,可以设置的直线端点形态有十一种,如表2所示。可以设置的直线连接方式有四种,如图8所示,从左至右依次为斜切(bevel)、圆形(round)、斜接(m iter)和剪裁斜接(m iter clipped)。对缓冲区建立而言,画笔端点形态设置为L ineCapRound,直线连接方式设置为圆形(round)。

图8 四种直线连接方式Fig.8 Four typesof line connection

(4)通过GraphicsPath类的拓宽函数,得到折线对象拓宽后的各个节点,如图9所示。

(5)通过GraphicsPath类的Outline函数,得到折线对象的缓冲区,如下页图10所示。

(6)通过GraphicsPath类的GetPathPoints函数,得到缓冲区的边界点,如下页图11所示。

(7)通过GraphicsPath类的GetPathTypes函数,得到缓冲区边界上每一个点的标记。

图9 折线拓宽后的结果Fig.9 The resu ltof po lyline broaden

图10 提取轮廓生成折线的缓冲区Fig.10 Tom ake the bufferof po lyline by d raw ing figure

图11 折线的缓冲区及其对应的边界点Fig.11 The po lyline’s buffer and its boundary points

点的标记主要有三种:①“0”代表边界的起始点;②“1”代表边界的中间点;③“129”代表边界的结束点。当缓冲区内部存在孔洞时(如图13所示),则通过每一个边界点的标记首先描述最外层的缓冲区边界,然后依次描述其中的孔洞区域的边界。每一个边界都是从标记为“0”的点开始,以标记为“129”的点结束。第一个闭合的边界点序列,即是主边界点序列,其它的边界点序列都是空洞的边界点序列。

2.2.3 面缓冲区的建立和边界描述

基于GD I+实现线缓冲区的建立过程如下:(1)使用得到的多边形的各个端点,构建一个路径对象。

(2)根据线缓冲区建立方法,对多边形的边界点建立线缓冲区。

(3)根据不同要求,分别建立内扩缓冲区(如图12所示)和外扩缓冲区(如图13所示)。

在以上过程中,涉及的关键问题主要有二个:(1)如何由线缓冲区得到面缓冲区。(2)如何得到面缓冲区的边界点。

对外扩缓冲区而言,由多边形节点构成的线缓冲区,需要和初始的多边形进行区域合并处理;对内扩缓冲区而言,由多边形节点构成的线缓冲区,需要和初始的多边形进行区域异或处理。

图13 内扩缓冲区示例Fig.13 An examp le of generating inner buffer

在实验中发现,直接通过GD I+的Region类中提供的区域运算函数会出现错误,无法得到稳定的缓冲区。因此,采取将线缓冲区和初始多边形区域都转换成HRGN句柄,由W indow s系统提供的API函数Com bineRgn来完成对区域的运算。实验表明,通过此API函数能够得到稳定、正确的运算结果。

建立外扩或内扩缓冲区后,得到的缓冲区事实上是一个或多个的区域组合而成,一般情况下需要通过行扫描或者边缘跟踪等方法,将面缓冲区的边界转换成矢量坐标序列。此过程较为繁琐,稳定性不够好。当处理凹多边形或者异常复杂的多边形时,容易出现问题。这些问题主要体现在:

(1)通过行扫描等方式得到的边界点会相当密集,需要占用较大的存储空间,降低系统效率。

(2)对外扩缓冲区而言,每一个位于所有顶点构成的凸包上面的点,都会对应缓冲区边界上的一段弧段。相比较于其它边界点,此处需要较为密集的点来逼近,但是对每一个边界点而言,很难判定其是位于此类弧段上。

在上述缓冲区建立过程中,可以得到闭合的任意多边形的边界点所构成的闭合线缓冲区,每一个此类缓冲区,都是由一个描述缓冲区外部轮廓的点集和多个描述缓冲区内部轮廓的点集构成。对外扩缓冲区而言,只需要判断以路径方式描述的闭合线缓冲区的边界上的点是否在多边形内,如果不在,则此点即是需要的边界点;对内扩缓冲区而言,只需要判断以路径方式描述的闭合线缓冲区的边界上的点是否在多边形外,如果不在,则此点即是需要的边界点。基于以上考虑,即可最为简化和稳定地得到任意多边形的外扩或内扩缓冲区的边界点。在图12和图13中,分别用圆点标示出了所有的边界点。