基于DEM數據體的山地地形地類劃分方法及在物探經濟技術評價中的應用

楊連剛，江民，潘樹林，羅新生，宋金鵬，羅姜民

(1.中國石油塔里木油田公司，新疆庫爾勒 841000； 2.西南石油大學地球科學與技術學院，四川成都 610500)

0 引言

塔里木盆地庫車和塔西南山前受構造擠壓、沉積風化等因素影響，地表發育山體、溝壑等多種地形，施工條件復雜[1-5]。在地震采集項目部署、技術方案論證、工程造價測算等環節均需對山地地形地類進行詳細劃分。傳統方法通常采用多輪次聯合野外踏勘方式，在踏勘效率、成本、安全性與全面性等方面均存在較大不足，主要體現在：①室內地形地類劃分以遙感信息和人工目視解譯為主，多為定性評價，對地形、地貌信息的定量表征較少；②野外踏勘能夠到達的實際區域受限，存在“以偏概全、以點概面”的問題；③室內地形地類劃分需收集大量資料，同時需要人工識別和統計，耗時較長；④野外踏勘需要大量人力和物力，同時難以進入尚未修路的工區，短期內難以實現精細分區。

近年來，隨著中秋1、博孜9等油氣藏的相繼發現，復雜山前構造帶勘探力度持續加大，地震采集呈現出工作量大、周期短、節奏快、復雜程度日趨增高等特點[6-9]，僅僅通過野外踏勘劃分地形地類已無法滿足油田生產快節奏、科學化的發展需求，亟需探索一種科學合理、客觀、經濟高效、可重復性強的地形地類劃分方法，以便準確地掌握復雜山地工區的炮、檢點地形地類構成，從而更好地滿足地震采集項目成本測算的需求。

高精度遙感信息廣泛運用于國土資源調查、區域地貌研究、地質災害預防、地震采集方案優選等方面。封志明等[10]利用遙感信息研究地形起伏度與人口分布的相關性；朗玲玲等[11]提出多尺度數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)提取起伏度劃分低山丘陵區地形、地貌；牛全富等[12]從坡度、起伏度等地形特征要素中優選敏感因子實現了黃土區滑坡災害分級預測；葉勇等[13]為改善高、陡山地極低信噪比地區測線的采集條件和可實施性，通過人工加權高程、坡度、相對濕度、巖性等信息計算出評價因子優選地震測線部署方案；陳學強等[14]、張友焱等[15]提出利用高程、坡度等逐點優選檢波點改善地震資料品質；趙邦六等[16]、陳德武等[17]介紹了遙感技術在地震采集方面發揮的重要作用，并指出遙感信息在地震勘探中的應用潛力需進一步挖掘。山地地形地類劃分通常根據海拔高程并結合坡度、起伏度，由于地區特性和研究需要不同，劃分方式和標準也大不相同。前人的研究由于計算地理尺度較大，同時地震采集施工難度表征具有一定特殊性，無法直接應用，但為本次研究提供了“利用DEM數據體來劃分山地地形地類”的技術思路。

結合多年生產實踐，本文提出一種基于高精度DEM數據體炮、檢點地形地類量化評價方法，通過提取遙感信息中的坡度、起伏度、縱深距離等地形特征要素定量表征野外施工難度，并在當前塔里木盆地地震采集工程造價水平下，依據不同要素特點，合理建立地類劃分區間，實現地形地類的準確劃分。

1 方法原理

目前影響塔里木盆地山地地震采集項目施工難度的主要因素有山地高大程度、山體風化破碎程度、山地縱深距離、山地地表巖性等。其中地表巖性主要影響鉆井施工，而該部分在工程造價中已有明確的補償系數，因此在地形地類中暫不考慮。在近年山地地形地類劃分實踐過程中，將地形特征要素中的起伏度、坡度和縱深距離作為劃分地貌類型的3個重要指標。

1.1 地形特征要素基本概念

1.1.1 起伏度

起伏度是指在當前位置一定空間范圍內，最高點與最低點海拔高度的差值[18]，可作為地震地形地類劃分過程中描述山體區域地形特征的宏觀指標，主要反映山體高大程度(圖1)。它表征地震施工縱向上采集設備搬遷等施工難度。地形起伏度R的計算公式為

圖1 地形起伏度計算示意圖

R=Hmax-Hmin

(1)

式中Hmax、Hmin分別表示計算范圍內DEM高程柵格數據體的最大值、最小值。

1.1.2 坡度

圖2 高程網格(左)及地形坡度計算示意圖(右)

(2)

利用三階反距離平方權差分代替微分，則離散形式為

(3)

(4)

式中：h11、h12、h13、…、h32、h33為對應高程柵格數據的值；dx為柵格間距，即DEM數據體的精度；Hx、Hy分別為x、y方向差分算子。

1.1.3 縱深距離

為完善起伏度、坡度兩個地形特征要素在表征山地縱、橫向上施工搬遷難度的不足，引入縱深距離的概念，其為從當前位置沿山體邊界法線方向向內延伸的距離，它也是描述山體區域地形特征的一個宏觀指標，在起伏度和坡度劃分結果的基礎上調整地類，從而更準確的表征野外施工難度。

為計算方便，利用角平分線法將山體按照不同距離建立若干個與山體邊界等距離區域，即多個山體邊界縱深距離分析區?？v深距離分析區內任意位置沿其法線方向距離山體邊界相等。

圖3 山體邊界縱深距離分析示意圖

(6)

(7)

(8)

(9)

重復計算式(6)～式(9)即可求得縱深距離為L的分析區邊界點坐標。

1.2 鄰域大小計算和地類劃分區間確定方法

上述起伏度、坡度、縱深距離等地形特征要素能否準確表征山體施工難度，關鍵在于3個方面：DEM數據體的分辨率大??；地形特征要素中起伏度、坡度的最佳鄰域大??；各地形特征要素的地類劃分區間。

由于地形地類劃分主要應用于地震采集技術經濟技術一體化評價，側重于地震采集工程造價，不需采集方案設計中炮、檢點優化選點布設那么高要求如(大于或等于5 m的DEM數據體分辨率)，同時結合數據體獲取難度和近年生產實踐，認為DEM數據體分辨率大于或等于10 m即可。

為適應塔里木盆地山地復雜多樣，這里分別采用數理統計中的兩種方法：一是均值變點法，用于求取地形特征要素的計算鄰域大??；二是自然間斷分級法，用于求取地形特征要素的地類劃分區間。

1.2.1 均值變點法

(10)

(11)

Ti=S-Si

(12)

當Ti取最大值時對應位置為變點位置，即最佳的地形特征要素計算鄰域。

1.2.2 自然間斷分級法

自然間斷法是地理信息中的一種分類區間確定方法[20]，該方法能依據數據的分布特征，將數據按照區間內相似性最高、區間之間差異性最大劃分為多個區間。

數據序列平均值的偏差平方和SDAM記作

(13)

SDCM1=SDCMi1+SDCMi2+…+SDCMik

(14)

最后利用方差擬合優度GVF驗證

(15)

GVF的取值范圍為0～1，其值越大表示組間差異越大。在地形地類劃分中，一般認為GVF≥0.7時，自然間斷法計算的分類結果較好。

1.3 綜合劃分地形地類

依照中國石油天然氣集團公司現行定額標準，塔里木盆地地形地類有山地、戈壁、平原農田、沼澤水網和沙漠共5種地表類型。山地地震項目一般包括山地地表類型與戈壁、農田、沼澤水網3種非山地地表類型。山地地形劃分標準如表1所示，當前劃分標準多為定性描述，受主觀因素影響大。

表1 塔里木盆地山地地形地類劃分現行定額標準

為使山地地類劃分工作在現行定額下相對客觀合理、劃分過程利于量化統一，提出了一種劃分方法(圖4)，利用10 m精度DEM數據體計算坡度、起伏度、縱深距離，并依據施工難度將山地地類由小到大劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ及Ⅵ類；非山地由于區域連續且范圍較小，可直接通過高清衛片結合現場踏勘情況劃分地表類型及難度類別。

圖4 塔里木油田地震項目地形地類劃分示意圖

首先利用起伏度、坡度劃分地形地類，將任意DEM數據體柵格位置由起伏度地類劃分結果記作IR(x,y)，坡度地類劃分結果記作Iθ(x,y)，取值為0、1、2、3、4、5、6，分別對應非山地、Ⅰ類山地、Ⅱ類山地、Ⅲ類山地、Ⅳ類山地、Ⅴ類山地、Ⅵ類山地等7種地類，計算起伏度、坡度兩者劃分結果最大值，得到的地類記作YZ0(x,y)，即

YZ0(x,y)=max[IR(x,y),Iθ(x,y)]

(16)

式中YZ0(x,y)表征山地施工難度。實際生產表明，Ⅲ類及Ⅲ類以上山體包圍的區域(如山間相對平坦的區域或更加陡峭的區域)施工難度會較該區域直接計算結果大，為進一步刻畫此類區域搬遷距離對施工難度的影響，利用縱深距離對YZ0(x,y)做一定調整。沿Ⅲ類山體邊界建立3個不同縱深距離分析區，不同縱深距離地類調整因子記作D0(x,y)，即

(17)

(18)

圖5為山地地形地類自動劃分的計算流程，在利用上述方法計算部署地震采集項目綜合地形地類之后，根據炮點、檢波點、微測井點坐標提取、統計每個點對應地類，結合地表巖性即可快速得到地震采集工程計價清單，從而實現高效測算項目工程造價，在采集設計階段完成經濟技術一體化評價，從而優選采集設計方案。

圖5 塔里木油田山地地形地類自動劃分計算流程

2 地形地類劃分關鍵參數

2.1 坡度、起伏度的計算鄰域的確定

為確定地形地類劃分中坡度、起伏度的最佳計算鄰域，選取秋里塔格構造帶典型山地地表西秋—卻勒—佳木段中的佳木地區作為分析數據(圖6a藍色區域)，并利用前文介紹的均值變點法分別計算(采用航拍的1 m精度DEM數據體)100 m×100 m、200 m×200 m、…、1000 m×1000 m范圍下的起伏度平均值和3.0 m×3.0 m、7.5 m×7.5 m、15.0 m×15.0 m、…、90.0×90.0 m范圍下坡度平均值作為均值變點分析序列。

如圖6所示，計算結果表明起伏度平均值隨鄰域大小增加而增加，變點位置對應鄰域大小為500 m，坡度平均值隨鄰域大小增加而減小，變點位置計算鄰域大小為30 m，即起伏度、坡度對應的最佳計算鄰域大小分別為500 m和30 m。

圖6 坡度、起伏度對應的計算鄰域

根據近年塔里木油田地震采集現場地形地類劃分經驗，將塔里木盆地地震采集地形地類劃分中山地定義為： 500 m計算范圍內起伏度大于30 m或30 m計算范圍內坡度大于5°(以DEM數據體分辨率≥10 m計算)的地表或第四系西域組以下老地層出露區。

依據上述定義計算出的西秋—卻勒—佳木段山地區域(圖6f黑色陰影部分)與DEM數據體吻合較好，同時秋里塔格構造帶和克拉蘇構造帶劃分出的山地分布區域與現場實際地形高度吻合，表明此類山地與非山地劃分方法可行、有效。

2.2 起伏度、坡度地類劃分區間確定

為得到適用于整個塔里木盆地山地地類坡度和起伏度的合理劃分區間，選取近三年新采集且具有代表性的6個地震采集項目用于分析，包括庫車山前的佳木3、卻勒4、克深1三維，柯坪地區的柯坪4、沙井子二維以及塔西南山前的烏泊爾二維。將山地地形地類劃分為非山地和山地共7種類型，利用自然間斷法分別計算坡度和起伏度計算劃分區間，并計算方差擬合優度，計算結果見表2、表3。計算結果表明，采用自然間斷法分類計算出的各項目起伏度、坡度方差擬合優度為0.96～0.98，表明該方法在山地地類劃分中是有效的。各項目之間的劃分結果雖然存在一定差異，但整體比較接近。由于二維項目工區跨度大于三維項目，其區間劃分范圍較三維項目稍大一些。

為統一地類劃分的標準，同時與當前塔里木油田地震采集工程造價水平和現有地類劃分認識相適應，需對坡度和起伏度地類劃分區間做出一定調整，調整后分類方案如表2、表3所示。從表可見，調整后所有項目方差擬合優度均大于0.91，表明調整后地類劃分區間的聚類效果仍然合理。

表2 自然間斷法起伏度分析結果

表3 自然間斷法坡度分析結果

3 應用實例——以庫北1三維為例

庫北1三維構造位置位于庫車坳陷北部構造帶庫北單斜帶，南部緊鄰克拉蘇構造帶，位于阿克蘇地區拜城縣境內，部署工作量偏移處理前的滿覆蓋面積為194.72 km2，其中東西長19.8 km、南北寬9.4 km。

工區地形地貌以山地地表(圖7)為主，中部主體為一般山地，北部為落差較大的高難山體，非山體地表為戈壁。高密度采集中炮點范圍海拔高程為1550～2750 m，檢波點范圍海拔高程為1450～2900 m，屬于庫車山前典型的復雜山地地表類型。以往利用野外踏勘與衛片結合的方式劃分地形地類，難以高效準確地表征項目施工難度。

圖7 庫北1三維工區地理信息

工區選取5處典型地表位置(圖8a中的A～E處)現場驗證標定，并利用起伏度和坡度劃分地形地類(圖8b)，仔細對比可以看出，劃分結果與實際地表情況基本相符，但工區北部和中部Ⅲ類及Ⅲ類以上包圍的高難山體區域局部地類偏低(圖8b中的C和E處)，沿Ⅲ類山體邊界建立不同縱深距離分析區(圖8c)來調整地類，并依據縱深距離大小對地形地類進行調整，調整后的地類(圖8d)與實際地表更加吻合，劃分結果與現場標定結果一致。

圖8 庫北1三維工區地形地類劃分

在地震采集部署設計階段，一般會結合地質任務和工區特點提出2或3種采集方案，庫北1三維工區共有2種設計了2種采集方案(表4)。

分別根據2種方案炮點、檢波點坐標位置提取對應的地類，并統計得到炮點點、接收點不同地類占比(圖9)。兩種方案不同地表類型炮點、接收點占比較為接近，非山地約占8%，Ⅰ類～Ⅲ類山體約占72%，Ⅳ類～Ⅵ類山體占20%。

圖9 庫北1三維工區激發點、接收點不同地類占比柱狀圖

在觀測系統參數基礎上結合激發參數、接收參數和近地表巖性及厚度情況，即可快速獲得量化后的用于項目工程造價測算清單，為經濟技術一體化評價優選出最佳采集方案提供決策依據。

依據塔里木油田地震項目工程計價標準分別計算表4和表5測算清單工程造價，方案1較方案2在炮道密度提升36.64萬道/km2的同時，每平方公里地震采集項目施工費用單價降低0.99%，節約成本約115.94萬元。綜合考慮成本和采集效果，方案1明顯優于方案2，這種“以道換炮”提高炮道密度、降低勘探成本的策略在塔里木探區山地地震采集經常用到。

表4 庫北1三維觀測系統設計方案

表5 庫北1三維項目采集方案1測算清單

目前基于起伏度、坡度、縱深距離三地形特征要素的復雜山地炮、檢點地形地類高效劃分方法已經應用到塔里木油田近3年全部山地地震采集項目經營測算和經濟技術一體化評價中，并以此研發了基于GIS平臺的復雜山地地震智能工程造價系統。該方法大大提高了地形地類劃分的客觀性和科學性，野外踏勘周期從1周以上縮短至1天，同時踏勘范圍也從以往全工區踏勘轉變成安全有效的局部針對性踏勘，整個采集項目地類劃分周期由以往的1周以上縮減至2天以內。

表6 庫北1三維項目采集方案2測算清單

4 結束語

針對山地地形地類存在的諸多問題，創新性地提出了一種利用起伏度、坡度、縱深距離高效劃分山地地形地類的方法，將地形地類劃分周期縮短至2天以內，大幅提高了經濟技術一體化評價工作的效率和科學性。

實際應用表明，引入縱深距離這一地形特征要素后，標定結果更加精準，有效彌補了僅采用起伏度、坡度一些特殊區域(Ⅲ類及Ⅲ類以上山體包圍區的施工困難區)地類劃分存在的不足，可進一步提高地形地類劃分結果的可靠性。

此次地形地類劃分方法研究工作主要建立在塔里木探區工程造價水平上，各探區地震工程造價水平存在一定差異，其他探區通過結合自身工程造價水平適當調整地類劃分參數后，該技術具備較好的推廣應用潛力。