基于航测影像的复杂地表地震采集工程施工设计方法

2017-12-21涂伟王大明査柏源陈旭东

长江大学学报(自科版) 2017年23期

关键词：炮点推土机勘探

涂伟，王大明，査柏源，陈旭东

(中石油东方地球物理勘探有限责任公司新疆物探处，新疆乌鲁木齐 830016)

基于航测影像的复杂地表地震采集工程施工设计方法

涂伟，王大明，査柏源，陈旭东

(中石油东方地球物理勘探有限责任公司新疆物探处，新疆乌鲁木齐 830016)

复杂地表条件带来的未知因素，无法保证地震采集工程施工设计对地表地物的适应性、时间顺序的合理性以及技术设计与实施符合的准确性，从而无法保证地震数据质量和提高项目效益，限制了“两宽一高”地震勘探技术的广泛应用。基于航测影像的无人机航测遥感技术能够获取高分辨率地面影像及高程数据技术，可为复杂地表区域的“两宽一高”地震勘探技术提供实时精准的地表数据支持，在顺利完成地震采集工作的同时提高采集效率，且在环境保护方面效果显著。

地震采集；两宽一高；施工设计；航测影像；复杂地表

近年来，随着“两宽一高”地震勘探技术的应用，地震资料品质有了大幅提升，以往无法进入的复杂地表区域也被纳入“两宽一高”地震勘探技术的应用范围。但是，复杂地表条件带来的未知因素，无法保证地震采集工程施工设计对地表地物的适应性、时间顺序的合理性以及技术设计与实施符合的准确性，从而无法保证地震数据质量和提高项目效益，限制了“两宽一高”地震勘探技术的广泛应用。

1 复杂地表地震采集工程施工设计面临问题

1.1 面临问题

地震采集工程施工设计是用来指导地震采集项目全过程各项活动的综合性文件，是采集技术与项目管理有机结合的产物，保证地震采集工程施工活动有序、高效、科学合理地进行。地震采集工程施工设计对提高地震采集项目的质量、效率和效益起着重要的支撑作用，该作用在复杂地表的地震采集项目中表现得更为突出。随着地震勘探领域的延伸，地震采集工程面对的地表环境越来越复杂，主要表现在地表分布有城镇、村庄、农田、农场、工厂、厂矿、公路等人工活动的地物以及沙漠、山地、湖泊、沼泽和河流等自然形成的地物，一般一个地震采集项目要穿过一种或多种地表地物。上述地表地物是实施地震采集项目的噪声源和障碍物，加重地震数据的噪声，降低地震数据的质量，阻碍地震采集设备和人员通行，降低施工效率和效益。因此，地震采集工程施工设计对地表地物的适应性、时间顺序的合理性以及技术设计与实施符合的准确性，是保证数据质量和提高项目效益的重要基础。要做好上述3点的关键是运用详细、准确的数字化地表信息，按照采集技术设计要求安排采集工程实施的方式、时间、顺序和路径。实施方式是指采用什么方式激发和接收，实施时间是指能顺利实施采集并且最有利于资料品质的季节，实施顺序是指是否划区块实施采集和区块采集的方向性，实施路径是指施工班组的先后次序以及各种设备的采集线路。

目前，地震采集工程施工设计虽然能够应用部分数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，同时缺乏相应的技术手段，造成施工设计难以满足实际需求，影响了采集工程的质量和效益。上述影响在以“两宽一高”地震勘探为主的地震采集项目中更加明显，主要表现在以下几个方面：

1)地表地物的适应性随着地震勘探技术的发展，以往多为区域格架二维勘探的复杂地表区域重新被纳入精细三维勘探范围。该类区域地表起伏剧烈、障碍物多、地物地貌变化大，由激发和接收方式确定的采集方法及设备能否适用于项目，取决于对工区地表起伏落差的大小、障碍物的分布和地物地貌的变化情况的了解程度。

2)时间顺序的合理性选择合适的采集时间及顺序，对地震勘探的资料品质影响非常大。比如农田区勘探，在秋收后进行采集会减少很多干扰；北方水域多的区块，选择冬季上冻后采集；沙漠地区，冬季风少、行走条件好；遇上工区内分布有煤矿、砂石厂等，选择企业修工期采集更有利于施工。如果遇上工区内包含多种地物地貌，合理安排采集时间和施工顺序，才能使外界干扰最小化。

3)技术设计与实施符合的准确性为了得到高品质地震勘探资料，完成地质任务，就必须保证项目实施与技术设计的高度一致性。

项目实施中存在以下3方面困难：

1)合理布设炮点困难炮点的布设不但要选择激发效果好的区域，避开障碍物，尽量不空炮或少空炮，还需要满足钻机或可控震源易于到位施工，减少推土机修路带来的环境破坏，减少钻井进尺节约成本，让可控震源在采集时更有连续性。如仅靠测量人员在施工现场依靠目测进行炮点放样，无法兼顾上述内容。

2)修路困难对于越来越高的环保要求，推土机在公益林、动植物保护区内不允许作业，仅能对以往老测线进行修缮，起伏变化剧烈区域也只能以修通道为主，不再允许每条测线一推到底。因此，推土机修路要少推、不推、能绕就绕，而且还要保证钻机和可控震源在施工时能通过，采集时有连续性。

3)规划采集线路困难采集线路的规划需要易于通行、减少绕路，能随时应对采集线束的变化，达到提高采集效率的目的。

1.2 现状

在项目实施中，为了提高地表地物的适应性、时间顺序的合理性、技术设计与实施符合的准确性，目前在复杂区勘探施工时均采用公共资源的卫星图片进行施工设计工作。

优点：①免费使用公共资源；②可使炮点布设更合理、环境破坏更少、采集线路通行更方便。

缺点：①公共资源卫星图片平面及高程分辨率低，平面上无法分辨1m以内物体，高程上无法分辨10m以内起伏；②坐标有偏差，部分偏差较大区域需要进行校正后才能使用；③数据陈旧，与工区现状有差异，特别是城乡村庄等区域；④不能进行数字化利用。

2 航测影像技术

航测影像是指通过无人机航测遥感技术，对地表影像、高程进行获取，并最终形成详细、准确的数字化地表信息。航测影像的特点是分辨率高、精度高、数据时效性强，并可以对地表信息进行数字化处理。

使用基于航测影像的地震采集工程施工设计方法，其思路就是利用航测影像的高分辨率、高精度，识别地物、地貌和障碍物，选择合理施工时间和顺序，在室内通过数字化航测影像数据，帮助布设炮检点、修缮通道、规划采集线路，从而解决施工设计对地表地物的适应性、时间顺序的合理性、技术设计与实施符合的准确性3方面的问题。

2.1 方法流程

图1 基于航测影像的地震采集施工设计方法流程图

基于航测影像的地震采集施工设计方法流程如图1所示，分为6个步骤：①通过无人机航测遥感技术，获取地表高分辨率、高精度的影像及高程，并形成数字化的影像数据；②通过软件对航测影像数据进行处理，形成可编辑、易操作的数据格式；③技术人员通过软件在室内对炮检点进行布设，并形成数据交付测量组；④测量组现场实施人员根据炮检点室内布设成果，结合野外实际情况进行现场放样；⑤综合航测影像数据、炮检点放样成果、推土机航迹、技术人员踏勘线路，进行室内通行线路编辑，规划成采集线路网络；⑥将航测影像数据和采集线路网络加载到可视化导航设备上，采用航迹导航方法采集[1]。

2.2 主要配套技术

基于航测影像的地震勘探预设计方法，主要应用地表属性信息提取、炮检点室内布设、实施路径规划与修缮、航迹导航等4个技术。

2.2.1地表属性信息提取技术

室外通过无人机航测遥感获取高分辨率地表影像及高程数据，通过地面像控点对数据进行坐标及高程校正，最终得到误差2m、分辨率20cm的高清影像及3m采样高程数据。室内通过对影像和高程数据的编辑处理，可生成坡度、等高线、三维数据和网格数据。坡度数据可根据车辆设备通行情况划分并用不同颜色区分；等高线数据通过平滑可按生产需要生成最小3m的等高线图；网格数据使炮点的偏移量可视；三维数据将施工区域立体化显示，使地形起伏、障碍物等显示得更直观。

图2为航测影像生成的多种数据图：图2(c)为坡度数据，按车辆、采集设备的通行能力，将坡度分为6个档次，并用不同颜色标注(0～10°畅行(无色)、10～15°难行(绿色)、15～20°少修路可行(黄色)、20～25°狠修路可行(橘色)、25～30°狠修路难行(粉红)、30～90°绕行(深红))，预设计时根据颜色不同即可对坡度大小做出直观判断；图2(d)为网格数据，使炮点偏移量可视，网格大小可根据需要定义，一般与面元大小相同；图2(e)为上述4种数据的叠加效果图；图2(f)为三维数据立体图，在平面上无法做出准确判断的区域在该图上可以更直观得显示。

2.2.2炮检点室内布设技术

利用航测影像生成的各种数据，对炮检点提前偏移设计。设计遵循以下原则：辨识障碍物及老测线分布，便于炮点借道布设及设备通行；躲避坡度较大的陡坡和深沟；炮点布设必须严格执行偏移原则，满足技术上的要求，布设尽量均匀、连续；考虑推土机修路路线，避免后续施工时来回翻越沙梁子；对现场放样反馈及通过航测影像检查的不合理问题及时作出调整。

图3(a)为蜂窝状沙漠区炮检点理论位置分布图，图中深色区域为深锅，亮白色为沙梁子顶；图3(b)为利用航拍坡度、等高线数据进行炮点偏移的图示。可以看出，炮点偏移的预设计避开了陡坡和深锅区域，炮点放样成果与预设计位置趋势符合，具体位置稍有差异。

2.2.3实施路径规划与修缮技术

利用航测影像生成的各种数据，对推土机修路和通行线路进行提前设计和规划。设计遵循以下原则：躲避坡度较大的陡坡和深沟，多利用老测线或多条测线共用同一通道，在保证车辆、采集设备能通过的情况下减少修路的工作量，减少对环境的破坏，采集线路网络必须通畅，保证后续施工班组的衔接顺畅。

图4(a)为蜂窝状沙漠区推土机设计修缮线路及实际修缮航迹的图示，图中彩色线段为设计修缮线路，白色线段为实际修缮航迹；图4(b)为利用航拍坡度、等高线数据、推土机实际修缮航迹绘制的采集线路网络图，黄色线段即为采集线路网络。由图4可以看出，推土机设计修缮线路避开了陡坡和深锅区域，实际修缮航迹与设计线路基本符合，具体位置稍有差异；推土机按设计线路修缮，在避免频繁绕路、找点、减少工作量的同时完成了修缮工作；采集线路网络显示清晰，连接每个炮点，方便指导采集设备行走。

图2 航测影像生成的多种数据图

图3 炮检点理论位置(a)与航测影像数据(b)对比图

图4 推土机修缮线路(a)及采集线路网络(b)图示

图5 研究区航测影像

2.2.4航迹导航技术

应用可视化导航设备，将航测影像作为底图，加载设计线路或者采集线路网络，指导完成推土机修路、采集等野外施工作业[1]。应用航迹导航技术，操作手只需通过导航设备，跟随线路指示，即可避免频繁找路、绕路，减少无效施工时间，实现连续采集，提高效率。

3 应用实例及效果

3.1 工区概况

利用基于航测影像的复杂地表地震采集工程施工设计方法在准噶尔盆地腹部大沙漠区三维地震资料采集中进行了实际应用。研究区地表大部分为沙漠(约占工区75%)，沙丘起伏较大，最大高差超过100m，以近南北向主条带夹杂东西向横条带，呈现蜂窝状分布。研究区西部为国家级公益林保护区(约占工区25%)，植被发育，地表起伏较为平缓。研究区航测影像如图5所示，图中东部大沙漠区域起伏明显，沙梁子清晰可见。

该次研究项目的激发方式为低频可控震源1台1次滑动扫描；观测方式为正交双边放炮；排列形式为20L(3×2)S480R；纵向观测系统为5987.5-12.5-25-12.5-5987.5，覆盖次数为800次，道距25m，接收线距150m，炮点距50m，激发线距150m。

3.2 应用效果

该次研究在准噶尔盆地大沙漠区第1次成功应用低频可控震源实施“两宽一高”技术，完成规模化三维地震采集工作。

1)降低了测量返工次数对比准噶尔盆地之前某可控震源滑动扫描三维项目，测量因炮点不合理放样返工复测桩号1882个，该次项目测量因炮点不合理放样返工复测桩号689个。

2)减轻了施工人员的劳动强度减少测量施工人员来回翻越沙梁子寻找炮点合理布设位置；减少推土机、可控震源的带桩号人员；减少推土机司机来回翻越沙梁子查看最佳修路路线；减少司机、震源操作手绕路；减少2名技术员每天进行工区路线踏勘。

3)物理点布设更加合理均匀、环保通过炮点布设预设计，炮点布设更均匀，没有出现特别大的缺口。大沙漠区共布设炮点57267炮，布设在大于10°半坡上炮点为9854炮。按以往施工方式，大沙漠区推土机修路长度(炮数×炮点距)为2863.35km。通过预设计，推土机修路充分借用老测线，仅对坡度大于10°区域的半坡放样炮点和翻越沙梁子时打通道，坡度小于10°区域推土机仅路过，修路1852km，减少修路1011.35km。

4)提高了可控震源作业安全性和效率炮点布设尽量避开高陡坡放样，提高了可控震源在陡坡上的行车安全；根据航迹网络进行采集，提高了可控震源在夜间施工的行车安全。项目采集36d，平均日效2735炮，最高日效4600炮，提高了可控震源在大沙漠区规模化三维采集日效。

5)提高了车辆管理的及时性和准确性提高了工区踏勘的准确性；油罐车能更准确地找到施工车辆，及时完成加油工作；送饭车能及时地将饭菜送到指定地点；工地紧急救援更加及时；工地检查更具准确性和目的性；仪器搬家地点的选择更简便，搬家路线更清晰；基地对施工现场的远程遥控及时、准确，具有可操作性。