[科普中國]-地球物理圖像處理

簡介

地球物理資料以圖像的形式表達,與常規(guī)的數(shù)據(jù)形式表達相比要直觀、形象。但地球物理圖像反映地下地質(zhì)構造的程度常受數(shù)據(jù)質(zhì)量和采樣等因素的限制,因此必須對數(shù)據(jù)進行處理以改進圖像的可用性。地球物理圖像與一般意義上數(shù)字圖像的某些相似性,提供了進一步應用圖像處理技術的機會,而地球物理圖像自身的特殊性和復雜性又為我們提出了新的需要解決的研究課題。

通過對前人研究成果的分析了解到,圖像增強技術、重建技術和分析技術已廣泛應用于地球物理數(shù)據(jù)處理中,基于圖像處理的多源信息的綜合分析則代表著地球物理研究的趨勢。

地球物理圖像地球物理成果離不開圖像顯示。不以數(shù)據(jù)為存儲和處理的基本元素,而以圖像作為存儲、處理與管理的基本元素,是大型工程計算與綜合解釋結合的必然趨勢。下面對地球物理數(shù)據(jù)的幾種圖像表達形式進行介紹。

地震灰度圖地震剖面具有多種表示形式,當把剖面上每個采樣點的振幅值轉(zhuǎn)換成256個不同的灰度級時,地震剖面就成為地震灰度圖——二維數(shù)字圖像,灰度圖上的反射同相軸就成為二維數(shù)字圖像的邊緣。將地震道的幅值組成的一個向量轉(zhuǎn)換成一個由灰度級組成的向量分為兩步:第一步,按線性或?qū)?shù)刻度將一個幅值范圍(或是正值或是絕對值)與每一灰度級(定標)建立聯(lián)系;第二步,對每一幅值分配相應的灰度級。

傳統(tǒng)的地球物理場值等值線經(jīng)圓滑處理后往往要損失細節(jié),而用灰度圖可保留更多的信息。通過一定的格式轉(zhuǎn)換,如數(shù)字化、網(wǎng)格化和灰度級編碼等,可將離散的位場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為能夠顯示連續(xù)圖像的數(shù)據(jù)文件。將灰度圖轉(zhuǎn)換成色彩豐富的假彩色圖,形象更為直觀。一般習慣采用紅色表示高值,藍色表示低值,中間用桔、黃、綠色表示。每種顏色還可分為若干色度,例如紅還分深紅、玫瑰紅、桃紅和淺紅等,大大增加了細節(jié)的分辨力。通常還通過圖像把位場的強度、變化率、形態(tài)等轉(zhuǎn)換為亮度與色度、粗糙度和空間幾何形狀等直觀視覺特征,更便于分析和解釋。

電視測井圖像電視測井通過攝像機獲取井壁表面的圖像,很多地質(zhì)現(xiàn)象可以非常直觀地反映在觀測結果中,例如裂隙和裂縫的發(fā)育、張開程度和充填物、孔隙率和含水性以及巖石的組分和結構等等。利用計算機完成數(shù)字圖像采集和圖像處理最終可以獲得觀測井段的連續(xù)的圖像文件,為電視測井成果的解釋和應用帶來極大的便利。

電阻率圖像20世紀80年代中期出現(xiàn)的地層微電阻率成像測井技術利用電流對井壁掃描而測得井壁電阻率圖像,分辨率可達5mm,覆蓋率達20%～ 80%。這種電阻率圖像用一種漸變的色板或灰度代表電阻率的數(shù)值刻度,將每個電極的每個采樣點變成一個色元。常用的色板為黑—棕—黃—白,分為42個顏色級別,代表著電阻率由低到高的變化,因此色彩的細微變化代表著巖性和物性的變化。它為包括沉積構造在內(nèi)的地下精細地質(zhì)研究提供了一種重要的手段。

二次特征圖像為了強化和便于提取特定的地球物理信息,常常要對地球物理數(shù)據(jù)進行特定的數(shù)據(jù)處理,再形成二次特征圖像。例如在位場中,常見的有地球物理位場解析延拓圖像、水平方向一階導數(shù)圖像、垂直方向二階導數(shù)圖像等;其他的地球物理圖像還包括數(shù)據(jù)處理結果圖、多種地球物理特征疊合的綜合圖等。

地球物理圖像特點地球物理資料以圖像的形式表達,與傳統(tǒng)的表達方法相比具有以下特點:

①原始資料和處理結果信息更豐富,形象更直觀,分辨率更高,便于地質(zhì)解釋;

②圖像既可以進行常規(guī)的轉(zhuǎn)換處理,又可以做某些非線性處理,以突出增強某些有用信息,提高圖像的可用性;

③可通過圖像處理實現(xiàn)地球物理圖像中特征信息的疊合顯示,從而便于進行綜合物探解釋。

數(shù)字圖像處理技術數(shù)字圖像處理的研究內(nèi)容概括起來可包括如下七個方面:1

(1)圖像采集與獲取。圖像信號的采集(或數(shù)字化)與用適當?shù)姆椒▉肀硎?或儲存)圖像是數(shù)字圖像處理中非常關鍵的步驟,包括成像方法、攝像機校正等。

(2)圖像變換。為了有效、快速地對圖像進行處理和分析,常常需要將原定義在圖像空間的圖像以某種形式轉(zhuǎn)換到另外一些空間,并利用在這些空間的特有性質(zhì)方便地進行一定的加工,最后再轉(zhuǎn)換回圖像空間以得到所需的效果。它是許多圖像處理技術的基礎。

(3)圖像增強。即增強圖像中的有用信息,削弱干擾和噪聲,以便于觀察識別和進一步分析處理。

(4)圖像恢復(或復原)。即把退化、模糊了的圖像復原。復原圖像要盡可能和原圖像保持一致。

(5)圖像編碼。在滿足一定保真度的條件下,簡化圖像的表示,從而大大壓縮表示圖像的數(shù)據(jù),以便于存儲和傳輸。

(6)圖像重建。由圖像投影數(shù)據(jù)重建該圖像。

(7)圖像分析。對圖像中的不同對象進行分割、分類、識別和描述、解釋。具體包括:目標表達、描述、測量(包括二值圖處理、數(shù)學形態(tài)學等);目標形狀、紋理、空間、運動等的分析;目標識別、分類和提取。

圖像處理在地球物理學中的應用圖像增強圖像增強方法有對比度增強,直方圖均衡化,邊緣銳化,平滑,中值濾波,高、低通濾波,帶通、帶阻濾波,多譜增強,彩色增強等。

早期地球物理數(shù)據(jù)的濾波在空間域中進行,人們用量板進行運算,效率很低。隨著計算機技術的發(fā)展,某些算法應運而生,例如,快速Fourier變換等,促進了頻率域濾波技術的發(fā)展,并使該技術在地球物理學中得到廣泛應用。在重力、地磁圖像處理中常用的濾波有低通濾波和高通濾波。采用低通濾波是為了去掉噪聲和提取來自深部地質(zhì)構造產(chǎn)生的長波長異常;采用高通濾波是為了提取與地質(zhì)界線和斷裂的位置有關的信息,以及提取與油氣田有關的高頻磁異常。在重力、地磁的數(shù)據(jù)處理中,采用串連濾波器可以在做濾波的同時求得其他物理參數(shù),例如由磁場的垂直分量可以求得磁場的水平分量。

圖像增強的某些思想,例如,壓制孤立脈沖噪聲的中值濾波、為消除某種相干噪聲成分的變換處理(例如F-K濾波)、邊緣銳化等早已用于地震資料處理中。 Kirlin等充分利用這些方法的二維形式擴展其應用范圍。他們所建議的對瞬時頻率進行中值濾波的方法可達到對主要頻率偏移的有效檢測。在地震層析成像技術中,由于重建后的圖像中既包括了某些觀測過程中的噪聲,又包括了重建過程中的噪聲,為了提高圖像的質(zhì)量,突出圖像中的有效信息,田宗勇等人通過應用圖像增強技術的噪聲平滑處理,如空間域定向濾波方法以及銳化處理中的梯度算子法等,用以消除觀測和重建過程中的噪聲,提高地震CT技術的應用效果。為了提高地震剖面的信噪比和分辨率,使反射同相軸容易被識別和追蹤,高美娟等選擇具有良好特性的Sobel算子進行邊緣銳化,并針對地震剖面上同相軸所具有的特征,將Sobel算子改進為不對稱的二維褶積算子。邊緣銳化技術還被用于子波整形或地震層位的解釋等方面。

在航磁原始數(shù)據(jù)獲取過程中,由于飛行方向的偏離與飛行高度的起伏變化,造成了航磁圖像上存在線狀或條帶狀干擾,影響對構造形跡的辨認。立體陰影技術最早用于地形地貌圖的增強。對于位場而言,該方法是先確定一個假定的光照條件(以入射光的方位角和高度角表示),然后計算由位場面單元反射到觀察點的光亮度,把位場的梯度變化映射為陰影變化,強調(diào)位場面的表面形態(tài),使其具有立體感,從而更好地表現(xiàn)了位場的細微特征。對位場立體陰影圖還可以做偽彩色處理,得到偽彩色立體陰影圖。有學者應用圖像增強技術來增強重磁圖像中有用的地質(zhì)信息,包括對重磁圖像及其二次特征(如方向?qū)?shù)、局部異常、延拓場等)轉(zhuǎn)換圖像進行假彩色增強、線性擴展、4個方向(N、E、NE、NW)卷積濾波、多方向的立體陰影計算處理等。在航空電磁測量中,通常對單頻接收的電磁場圖像做偽彩色處理,或用三個頻率波段接收的電場值合成三波段假彩色圖像。假彩色圖像的信息豐富,人們可以從該圖中提取出更多反映地質(zhì)構造的信息。

圖像重建由物體的一組橫斷面的投影來重建物體的圖像是一種獨特的圖像處理技術,人們稱之為計算機層析成像技術(Computer Tomography,簡稱CT技術)。計算機層析成像技術已發(fā)展成為重建復雜圖像的最有效方法之一,這項技術在地球物理學中的應用是20世紀80年代地球物理學界最重要的進展之一。

地震層析成像(類似于醫(yī)學X射線成像)是用地震波或電磁波在震源與檢波器之間很多射線路徑的旅行時和(或)幅度值的信息,重構地下的構造圖像,以解決地質(zhì)問題。人們對地震圖像重建方法興趣的增長,部分原因是由于VSP(垂直地震剖面)的普及和井與井之間發(fā)射技術的進步,包括實用的井下震源的進展以及計算機層析成像方法的發(fā)展CT技術滲透到大地電磁領域產(chǎn)生了大地電磁成像技術。

大地電磁成像技術的研究近幾年取得了很大進展,其分辨率已達到與地震層析成像技術同等的水平。電容流動層析成像最初由英國曼徹斯特大學理工學院的Beck M S于1989年提出,是近年來發(fā)展最快的過程層析成像技術之一,同時也是目前電法成像方法中較為成熟的一種。這種成像方法通過測量電路檢測出各相極板的電容值,送至圖像重建處理機,根據(jù)已計算的仿真敏感場,利用反投影算法,重建流體在截面的分布圖像。層析成像的應用例子還包括電阻流動層析成像,電容層析成像測井等。

圖像變換圖像變換方法有Fourier變換、離散余弦變換、霍特林變換、Radon變換等?；籼亓肿儞Q在連續(xù)域的對應變換是K-L變換?；籼亓肿儞Q也常稱為特征值變換、主分量變換或離散K-L變換。

航空放射性方法的K、Th、U各道數(shù)據(jù)間存在一定相關性,反映了圍巖與礦產(chǎn)等多種因素的綜合影響。因此地學工作者采用K-L變換來減少上述相關性的影響以便做進一步分類研究。我國地球物理工作者曾在柴達木盆地對航放數(shù)據(jù)做K-L變換處理,經(jīng)過處理壓制了巖性的干擾,提取出與油氣有關的信息。

Radon變換近年來在醫(yī)學、地球物理等方面都有廣泛應用,是層析成像技術的理論基礎。由于Radon變換固有的抗噪聲性能,在帶有噪聲源的環(huán)境中用其進行圖像分析和信號重構是十分有效且有利的。

圖像編碼圖像編碼要解決的主要問題是采用對圖像新的表達方法,以減小表示一幅圖像所需的數(shù)據(jù)量。因此人們也常稱圖像編碼為圖像壓縮。成像測井系統(tǒng)、隨鉆測井系統(tǒng)(LWD)和理想井場信息系統(tǒng)(IWIS)都采用了信息和圖像壓縮技術,目的是減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,節(jié)省數(shù)據(jù)的存儲空間和處理時間。

圖像特征提取與分析與對整幅圖像質(zhì)量進行改善的圖像增強和恢復不同,圖像分析更詳細地研究并描述了組成一幅圖像的各個不同部分的特征及其相互關系。分析的結果(或者輸出)不是一幀完美的圖像,而是進一步用數(shù)字、文字、符號、幾何圖形或者它們的組合所表示的、對圖像景物的詳盡描述和解釋。

圖像分割為了辨識和分析圖像中的目標,需要將有關區(qū)域分離提取出來,在此基礎上才有可能對目標進一步利用,如進行特征提取和測量。圖像分割就是把圖像分成各具特性的區(qū)域并提取出感興趣目標的過程。

多源信息的綜合分析地球物理圖像的各種信息從不同的側(cè)面反映了地質(zhì)體和地質(zhì)現(xiàn)象的特征,而單一的信息源所提供的信息往往是片面的,需要對眾多復雜而又相互關聯(lián)的信息進行綜合分析,以獲得更深入、更貼近本質(zhì)的認識。綜合分析包括彩色合成,比值分析及主成分分析等。對多源地球物理數(shù)據(jù)的綜合分析和處理,或者對多種圖像特征的融合處理,正受到越來越廣泛的重視。利用現(xiàn)有的衛(wèi)星重力、衛(wèi)星磁異常、衛(wèi)星遙感、航空重力、磁力、電法及放射性測量以及地面、海洋的各種地球物理數(shù)據(jù),根據(jù)需要有目的地多參數(shù)、全空間地進行各種組合,可更好地減少多解性,提高地質(zhì)推斷解釋的可靠性和分辨力。2

展望(1)多源信息的圖像處理應緊密結合GIS。在GIS強大的綜合分析能力和可視化技術的基礎上,以圖像處理技術為輔助手段(圖像處理的研究和實現(xiàn)作為GIS的子模塊),以目標(異常)識別和提取為目的,對各種地球物理數(shù)據(jù)進行比較、綜合和演繹,將能實現(xiàn)地質(zhì)意義的定量或半定量化以及過程的可視化。而GIS提供的二次開發(fā)功能以及組件式GIS的發(fā)展,為實現(xiàn)這一目標搭起了廣闊的平臺。

(2)多源信息的圖像處理與知識相結合?？扇诤线M專家的經(jīng)驗和知識,以GIS圖層的形式引入,實現(xiàn)定量、半定量數(shù)據(jù)與經(jīng)驗性、知識性數(shù)據(jù)的融合。

(3)空間域特征與時間域特征融合處理相結合。地球物理數(shù)據(jù)是空間數(shù)據(jù),目前綜合分析中的地球物理特征也多與空間有關。而在綜合分析中融合進時間域的特征,將會有助于動態(tài)目標分析或區(qū)域變化分析。

(4)圖像處理與模式識別、地質(zhì)統(tǒng)計學相結合。在圖像處理與模式識別之間,通過特征提取建立了聯(lián)系。使用模式識別方法可以綜合考慮地球物理數(shù)據(jù)所蘊含的各種統(tǒng)計特征,結構模式識別方法能夠利用數(shù)據(jù)本身存在的結構信息。地質(zhì)統(tǒng)計學充分考慮數(shù)據(jù)空間分布特性,對于確定空間相關性、考察空間數(shù)據(jù)的各向同性(異性)、空間數(shù)據(jù)內(nèi)插等方面均是非常有用的工具。在地球物理研究中,圖像處理與這兩者之間更多更好的結合,將會成為更有效的處理與解釋地球物理資料的工具。2