[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(dá),與常規(guī)的數(shù)據(jù)形式表達(dá)相比要直觀、形象。但地球物理圖像反映地下地質(zhì)構(gòu)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以改進(jìn)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(jìn)一步應(yīng)用圖像處理技術(shù)的機(jī)會(huì),而地球物理圖像自身的特殊性和復(fù)雜性又為我們提出了新的需要解決的研究課題。

通過對(duì)前人研究成果的分析了解到,圖像增強(qiáng)技術(shù)、重建技術(shù)和分析技術(shù)已廣泛應(yīng)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(shì)。

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(chǔ)和處理的基本元素,而以圖像作為存儲(chǔ)、處理與管理的基本元素,是大型工程計(jì)算與綜合解釋結(jié)合的必然趨勢(shì)。下面對(duì)地球物理數(shù)據(jù)的幾種圖像表達(dá)形式進(jìn)行介紹。

地震灰度圖地震剖面具有多種表示形式,當(dāng)把剖面上每個(gè)采樣點(diǎn)的振幅值轉(zhuǎn)換成256個(gè)不同的灰度級(jí)時(shí),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(gè)向量轉(zhuǎn)換成一個(gè)由灰度級(jí)組成的向量分為兩步:第一步,按線性或?qū)?shù)刻度將一個(gè)幅值范圍(或是正值或是絕對(duì)值)與每一灰度級(jí)(定標(biāo))建立聯(lián)系;第二步,對(duì)每一幅值分配相應(yīng)的灰度級(jí)。

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(xì)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(jí)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(xí)慣采用紅色表示高值,藍(lán)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(xì)節(jié)的分辨力。通常還通過圖像把位場的強(qiáng)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(jī)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(jié)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(jié)構(gòu)等等。利用計(jì)算機(jī)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(yīng)用帶來極大的便利。

電阻率圖像20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的地層微電阻率成像測井技術(shù)利用電流對(duì)井壁掃描而測得井壁電阻率圖像,分辨率可達(dá)5mm,覆蓋率達(dá)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(gè)電極的每個(gè)采樣點(diǎn)變成一個(gè)色元。常用的色板為黑—棕—黃—白,分為42個(gè)顏色級(jí)別,代表著電阻率由低到高的變化,因此色彩的細(xì)微變化代表著巖性和物性的變化。它為包括沉積構(gòu)造在內(nèi)的地下精細(xì)地質(zhì)研究提供了一種重要的手段。

二次特征圖像為了強(qiáng)化和便于提取特定的地球物理信息,常常要對(duì)地球物理數(shù)據(jù)進(jìn)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(dǎo)數(shù)圖像、垂直方向二階導(dǎo)數(shù)圖像等;其他的地球物理圖像還包括數(shù)據(jù)處理結(jié)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(diǎn)地球物理資料以圖像的形式表達(dá),與傳統(tǒng)的表達(dá)方法相比具有以下特點(diǎn):

①原始資料和處理結(jié)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(jìn)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(qiáng)某些有用信息,提高圖像的可用性;

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

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

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

(2)圖像變換。為了有效、快速地對(duì)圖像進(jìn)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(jìn)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(shù)的基礎(chǔ)。

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

(4)圖像恢復(fù)(或復(fù)原)。即把退化、模糊了的圖像復(fù)原。復(fù)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(chǔ)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(duì)圖像中的不同對(duì)象進(jìn)行分割、分類、識(shí)別和描述、解釋。具體包括:目標(biāo)表達(dá)、描述、測量(包括二值圖處理、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)等);目標(biāo)形狀、紋理、空間、運(yùn)動(dòng)等的分析;目標(biāo)識(shí)別、分類和提取。

圖像處理在地球物理學(xué)中的應(yīng)用圖像增強(qiáng)圖像增強(qiáng)方法有對(duì)比度增強(qiáng),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(qiáng),彩色增強(qiáng)等。

早期地球物理數(shù)據(jù)的濾波在空間域中進(jìn)行,人們用量板進(jìn)行運(yùn)算,效率很低。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,某些算法應(yīng)運(yùn)而生,例如,快速Fourier變換等,促進(jìn)了頻率域?yàn)V波技術(shù)的發(fā)展,并使該技術(shù)在地球物理學(xué)中得到廣泛應(yīng)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(gòu)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(guān)的信息,以及提取與油氣田有關(guān)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(shí)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(qiáng)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(kuò)展其應(yīng)用范圍。他們所建議的對(duì)瞬時(shí)頻率進(jìn)行中值濾波的方法可達(dá)到對(duì)主要頻率偏移的有效檢測。在地震層析成像技術(shù)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(yīng)用圖像增強(qiáng)技術(shù)的噪聲平滑處理,如空間域定向?yàn)V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(shù)的應(yīng)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(shí)別和追蹤,高美娟等選擇具有良好特性的Sobel算子進(jìn)行邊緣銳化,并針對(duì)地震剖面上同相軸所具有的特征,將Sobel算子改進(jìn)為不對(duì)稱的二維褶積算子。邊緣銳化技術(shù)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(duì)構(gòu)造形跡的辨認(rèn)。立體陰影技術(shù)最早用于地形地貌圖的增強(qiáng)。對(duì)于位場而言,該方法是先確定一個(gè)假定的光照條件(以入射光的方位角和高度角表示),然后計(jì)算由位場面單元反射到觀察點(diǎn)的光亮度,把位場的梯度變化映射為陰影變化,強(qiáng)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(xì)微特征。對(duì)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(xué)者應(yīng)用圖像增強(qiáng)技術(shù)來增強(qiáng)重磁圖像中有用的地質(zhì)信息,包括對(duì)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(jìn)行假彩色增強(qiáng)、線性擴(kuò)展、4個(gè)方向(N、E、NE、NW)卷積濾波、多方向的立體陰影計(jì)算處理等。在航空電磁測量中,通常對(duì)單頻接收的電磁場圖像做偽彩色處理,或用三個(gè)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(gòu)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(dú)特的圖像處理技術(shù),人們稱之為計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)(Computer Tomography,簡稱CT技術(shù))。計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)已發(fā)展成為重建復(fù)雜圖像的最有效方法之一,這項(xiàng)技術(shù)在地球物理學(xué)中的應(yīng)用是20世紀(jì)80年代地球物理學(xué)界最重要的進(jìn)展之一。

地震層析成像(類似于醫(yī)學(xué)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(shí)和(或)幅度值的信息,重構(gòu)地下的構(gòu)造圖像,以解決地質(zhì)問題。人們對(duì)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(shù)的進(jìn)步,包括實(shí)用的井下震源的進(jìn)展以及計(jì)算機(jī)層析成像方法的發(fā)展CT技術(shù)滲透到大地電磁領(lǐng)域產(chǎn)生了大地電磁成像技術(shù)。

大地電磁成像技術(shù)的研究近幾年取得了很大進(jìn)展,其分辨率已達(dá)到與地震層析成像技術(shù)同等的水平。電容流動(dòng)層析成像最初由英國曼徹斯特大學(xué)理工學(xué)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(shù)之一,同時(shí)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(jī),根據(jù)已計(jì)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(yīng)用例子還包括電阻流動(dòng)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(duì)應(yīng)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(guān)性,反映了圍巖與礦產(chǎn)等多種因素的綜合影響。因此地學(xué)工作者采用K-L變換來減少上述相關(guān)性的影響以便做進(jìn)一步分類研究。我國地球物理工作者曾在柴達(dá)木盆地對(duì)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(guān)的信息。

Radon變換近年來在醫(yī)學(xué)、地球物理等方面都有廣泛應(yīng)用,是層析成像技術(shù)的理論基礎(chǔ)。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(jìn)行圖像分析和信號(hào)重構(gòu)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(duì)圖像新的表達(dá)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(shù),目的是減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,節(jié)省數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間和處理時(shí)間。

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

圖像分割為了辨識(shí)和分析圖像中的目標(biāo),需要將有關(guān)區(qū)域分離提取出來,在此基礎(chǔ)上才有可能對(duì)目標(biāo)進(jìn)一步利用,如進(jìn)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(biāo)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(duì)眾多復(fù)雜而又相互關(guān)聯(lián)的信息進(jìn)行綜合分析,以獲得更深入、更貼近本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。綜合分析包括彩色合成,比值分析及主成分分析等。對(duì)多源地球物理數(shù)據(jù)的綜合分析和處理,或者對(duì)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(jìn)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(yīng)緊密結(jié)合GIS。在GIS強(qiáng)大的綜合分析能力和可視化技術(shù)的基礎(chǔ)上,以圖像處理技術(shù)為輔助手段(圖像處理的研究和實(shí)現(xiàn)作為GIS的子模塊),以目標(biāo)(異常)識(shí)別和提取為目的,對(duì)各種地球物理數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、綜合和演繹,將能實(shí)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)搭起了廣闊的平臺(tái)。

(2)多源信息的圖像處理與知識(shí)相結(jié)合?？扇诤线M(jìn)專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí),以GIS圖層的形式引入,實(shí)現(xiàn)定量、半定量數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)性、知識(shí)性數(shù)據(jù)的融合。

(3)空間域特征與時(shí)間域特征融合處理相結(jié)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(guān)。而在綜合分析中融合進(jìn)時(shí)間域的特征,將會(huì)有助于動(dòng)態(tài)目標(biāo)分析或區(qū)域變化分析。

(4)圖像處理與模式識(shí)別、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合。在圖像處理與模式識(shí)別之間,通過特征提取建立了聯(lián)系。使用模式識(shí)別方法可以綜合考慮地球物理數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的各種統(tǒng)計(jì)特征,結(jié)構(gòu)模式識(shí)別方法能夠利用數(shù)據(jù)本身存在的結(jié)構(gòu)信息。地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)充分考慮數(shù)據(jù)空間分布特性,對(duì)于確定空間相關(guān)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(jié)合,將會(huì)成為更有效的處理與解釋地球物理資料的工具。2