地球物理学进展  2015, Vol. 30 Issue (2): 688-694   PDF    
引用本文
陈金焕, 曹永生, 孙成龙, 许自龙, 裴宇翀, 毕进娜, 陈海洋. 2015. 基于二分法的地震波初至自动拾取算法[J]. 地球物理学进展, 30(2): 688-694, doi: 10.6038/pg20150228  
CHEN Jin-huan, CAO Yong-sheng, SUN Cheng-long, XU Zi-long, PEI Yu-chong, BI Jing-na, CHEN Hai-yang. 2015. The algorithm for automatic first-breaks picking on seismic traces based on Dichotomy. Progress in Geophysics, 30(2): 688-694, doi: 10.6038/pg20150228   
基于二分法的地震波初至自动拾取算法
陈金焕, 曹永生, 孙成龙, 许自龙, 裴宇翀, 毕进娜, 陈海洋     
中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院, 南京 211103
收稿日期: 2014-08-27 修回日期: 2014-12-29 .
作者简介：陈金焕,女,1986年生,山东济宁人,硕士,助理工程师,现从事地球物理勘探软件开发.(E-mail:chenjh.swty@sinopec.com)
摘要：初至拾取是地震资料处理中最基本的环节, 随着地震资料的增多, 自动拾取算法越来越重要, 它将严重的影响地震资料处理的速度和效率.本文给出一种新的初至自动拾取算法, 它根据参考初至(理论估计的初至), 利用二分法和改进的能量比方法检测初至并去除不准确点, 通过微调获取波峰、波谷、起跳点三种不同的初至类型.通过对不同信噪比的实际地震数据进行测试, 本算法具有快速准确的特点.随着资料信噪比的降低, 本算法未能完全解决拾取准确度降低的问题.然而通过适当调整算法的参数, 本算法的结果比商用软件OMEGA的初至自动拾取效果要好.
关键词： 初至     自动拾取     二分法     商用软件OMEGA    
The algorithm for automatic first-breaks picking on seismic traces based on Dichotomy
CHEN Jin-huan, CAO Yong-sheng, SUN Cheng-long, XU Zi-long, PEI Yu-chong, BI Jing-na, CHEN Hai-yang    
SINOPEC Geophysical Research Institute, Nanjing 211103, China
Abstract: First break picking is the most basic part in seismic data processing. The automatic picking algorithm of first arrivals is becoming more and more important as the increasing data in seismic exploration, and it will affect the speed and efficiency of the whole seismic data processing seriously. On the one hand, the time of the first breaks is used in velocity measurements ranging from elementary refraction profiling to the most sophisticated tomographic inversions of first arrivals. On the other hand, the artificial first break picking is very labor-intensive and time-consuming. For these facts, based on the first-breaks available for reference (or theoretical estimated first-breaks), a new algorithm is proposed for the automatic picking of first breaks, which includes three different picking forms—peak, trough, takeoff. The picking techniques are based on the facts that the dichotomy can be used to determine the picking scopes rapidly and the transition between noise and noise plus signal can be automatically identified by detecting rapid changes in improved energy ratio. A skill to remove the inaccurate first breaks depends on the available for reference as mentioned before. Furthermore, the algorithm has been tested on real data sets with varying S/N ratios. As we expected, the picking results were got quickly and accurately. Meanwhile, this algorithm cannot solve the problem that the picking results are not so good with the low S/N ratios. However, with an appropriate tuning of its parameters, this algorithm proved more accurate than commercial software OMEGA.
Key words: first-breaks     automatic picking     dichotomy     commercial software OMEGA    
 0 引 言

在地震勘探中，初至拾取的目标是尽可能准确地确定地震道中初至出现的时刻.在资料处理过程中，准确的初至是折射波静校正中求取静校正量的关键；准确的初至时间是VSP解释中计算可靠的平均速度和层速度的关键；在利用地震波探测地下介质地质情况的高分辨率地震勘探技术地震层析成像中，准确的拾取初至直接关系着下覆低层或结构几何参数和速度参数的正确反演.

传统上，初至的拾取是人工根据地震振幅和波形的变化来完成的，不仅耗时而且在拾取过程中由于主观性导致出现偏差和不一致性.随着现代计算机技术的发展，很多软件提供了交互拾取功能，然而耗时和主观现象仍然没有得到解决.现如今，在地震勘探中数据量越来越大，地震波初至的自动拾取方法已然成为地震资料处理过程中的一个必要环节.

在过去的几十年中，国内外专家学者提出了很多初至自动拾取或半自动拾取的方法.(Peraldi and Climent， 1972)首次提出根据相邻道的互相关找出相邻初至的时延，然而当相邻道变化剧烈或者出现坏道或者死道时，这种技术失败.(Hatherly，1982)提出了基于统计实验的初至拾取方法，然而效率较低.(Gelchinsky and Shtivelman， 1983)提出了基于信号的相关性和统计准则的初至拾取方法.(Coppens，1985)提出了基于信号能量的拾取方法，其方法原理仍然广泛的应用于商业软件包中，当信号的S/N较高时，这种方法具有很好的鲁棒性.对这类方法的改进算法较多，(Chen and Stewart， 2005)提出了长短时窗算法，(Sabbione and Velis， 2010)改变了能量比值的计算公式等，在拾取准确度上都有所提高.(Murat and Rudman， 1992)指出基于神经网络的方法拾取初至效果较好，然而训练神经网络需要一定数量相对较好的样本和较长的时间，当数据质量较差，神经网络训练的不好，效果较差.(Yung and Ikelle， 1997)提出了基于高阶统计量的方法，但它具有与互相关方法相似的局限性.其他的方法包括(Jiao and Moon， 2000)提出的基于分形维的方法，(Tibuleac et al，2003)提出的小波变换方法，(Zhang et al，2003)基于Akaike信息准则的方法以及(Wong et al，2009)减轻噪声影响的方法.国内的同行也为此做出巨大的贡献，(刘伊克等，2001)利用分形法解决三维初至拾取问题，(詹毅等，2005)更深层次的研究了小波变换应用于初至拾取，(秦义龙等，2005)尝试利用波动方程拾取初至的方法.(潘树林等，2006)提出了基于单道边缘检测的拾取方法.(李辉等，2007)指出信息熵可以应用于初至拾取，(张伟等，2009；张唤兰等，2013)改进了基于能量比的初至拾取算法.(倪宇东等，2010)基于可控震源采用了互相关、变换等技术解决初至拾取问题，(程仲平等，2011)利用时窗约束进行初至的拾取.(潘军等，2012)解决了基于OBS的初至拾取问题.(江国明等，2012)提出了快速计算方法.尽管如此，当背景噪声较强或者数据质量较差时，这些方法仍不能准确的拾取初至，自动拾取方法仍需改进.

本文根据估计的初至时刻，提出了一种利用二分法和改进的能量比算法的初至自动拾取新算法.算法共含有4个步骤，估计初至所在范围，利用二分法拾初至，去除拾取不准确点，确定波峰、波谷、起跳点.在下文中，首先详细介绍新算法，然后针对不同S/N的资料进行测试，最后通过与现有商用软件OMEGA进行结果对比，发现采用本文中的算法得到的结果要优于OMEGA的拾取结果.

1 基本原理

初至拾取作为地震资料处理的基础性环节，本文在设计算法时同时考虑其速率和效率，并且兼顾用户的需求.因此本文提出如下的设计思路：根据地震波的参考初至预先估计初至范围，利用二分法和改进的能量比算法得出初至，然后去除拾取异常点，最后对其进行微调，分别得到波峰、波谷、起跳点对应的时刻.下面给出本算法的流程图并详述各部分.图 1为本算法流程图.

图 1 自动算法流程图Fig. 1 The flowchart of the automatic algorithm
1.1 通过参考初至确定初至所在范围

通过估计地层速度，计算地震波中直达波、反射波、折射波的时距曲线，得到理论上检波点首次接收到的波的时刻，称为参考初至.

在地震初至波中，包含直达波、折射波、反射波、多次波、转换波，以及风吹草动等不规则干扰波.考虑到算法的速率问题，本文中只考虑直达波、折射波和反射波这三种波在水平层状介质中的情形，即第i道的参考初至为

其中ti1表示直达波的时距曲线，具体为：

ti2表示反射波的时距曲线，具体为：

ti3表示折射波的时距曲线，具体为：

其中

V1表示估计的地表速度，

V2表示估计的地表的下一层的速度，

YS表示炮点高程，

Yi表示第i道检波点高程，

Xi表示第i道的偏移距.

1.2 利用二分法获取初至 1.2.1 通过二分法得到不同的拾取范围

对于第i道地震数据，第一次拾取范围的起点记为

表示为起始位置到参考初至中点，其中ti表示第i道的参考初至，见公式(1)，Δt为采样间隔，[ ]为取整运算符.

对于第i道地震数据，第一次拾取范围的终点记为

，表示为参考初至到终止位置的中点，其中N为单道地震数据的采样点数.

对于第i道地震数据，第二次拾取范围的起点记为

表示为第一次拾取范围的起点到参考初至的中点.

对于第i道地震数据，第二次拾取范围的终点记为

表示为参考初至到第一次拾取范围的终点的中点.

依此类推，对于第i道地震数据，第j次拾取范围的起点为

对于第i道地震数据，第j次拾取范围的终点为

1.2.2 在各个拾取范围内分别获取初至点

对于第i道，在第j个拾取范围[Nibj，Niej]中，按以下步骤获取初至点.

首先，按步长将拾取范围[Nibj，Niej]分为Sj份；

其次，根据公式(2)计算前后两个时窗内的能量比值：

其中，R为能量比，A为一个地震道的相对能量，A=[∑Nt=0x2(t)]1/2/N，x(t)为地震记录振幅值，N1为时窗起点，N0为时窗中点，N2为时窗终点，N为所用地震道的样点数，α为稳定系数；

最后，找到能量比值最大的时窗，在此时窗内寻找具有最大振幅的采样点，即为初至.

1.2.3 确定初至

对于第i道，比较前后两个拾取范围[Nibk，Niek]和[Nib(k+1)，Nie1(k+1)]内获取的初至是否是同一个点，若相同，则称第i道在第k个迭代过程中得到了稳健性初至点.对于一个炮集，如果在第k个迭代过程中具有稳健性初至的道集占所有道集的比例大于80%，则停止迭代，本文规定对于具有稳健性初至的道集，选择其各自的第k个迭代过程中拾取的初至点为其各自的初至点，对于不具有稳健性初至的道集，选择其各自的前一个范围内拾取的初至点为其各自的初至点.

1.3 利用参考初至去除拾取异常点

对于拾取到的异常点，本文中采用直接去掉的方法，一方面(徐钰等，2010)指出在大规模地震数据中，去掉少部分数据不会影响结果；另一方面(张元鹏等，2010)指出异常点改正需要较多的人力物力，不利于大规模的生产.在本文所述算法中，参考初至可以通过用户的交互操作直接在界面上获得，可以保证本文中的参考初至大部分位于实际初至的上方，在试验中实际拾取的初至会有一部分位于参考初至的上方，因此位于参考初至上方的初至点是拾取不准确点，利用这一特点将拾取不准确点去除，不参与后续的静校正计算.利用参考初至去除异常点的效果可以参见图 2.

图 2 利用参考初至去除拾取异常点后的效果对比图Fig. 2 The comparison of removing anomaly points by using theoretical first-breaks
1.4 利用相位估计法精确确定波峰、波谷、起跳点

对于第i道地震数据，首先，根据上一步拾取的初至，找到这个初至的上下共M个采样点，其中M= ×N，N表示单道地震数据的采样点数；

其次，根据公式(3)求这些采样点的希尔伯特变换：

其中，x(t)为t时刻地震道的振幅值，h(t)为x(t)对应的希尔伯特变换；

然后寻找满足公式(4)的点，即为波峰Npeak：

其中a(t)= x2(t)+h2(t)，a(t)为瞬时包络，θ(t)为瞬时相位，cosθ(t)为相位函数；

最后依据公式(5)(6)分别求取波谷Ntrough和起跳点Noffset：

其中，m为当前i道的前后相邻的m道，Δtj为第j道初至波波峰与正零点之差，满足sinθ(t)= h(t)a(t)=1的点为正零点.详细内容参见(刘志成，2007).

2 实例分析

为了验证本文所提方法的有效性，所有实例均在中石化地震资料处理平台上实现，并与主流商业软件OMEGA进行效果对比.根据本文所述算法，首先要获取参考初至，程序中可通过用户交互拾取方式在地震剖面上获取参考初至，根据1.3节要求，参考初至位于初至的上方以便去除拾取不准确点.其次通过在参数面板上输入最大迭代次数和时窗长度，再选择一种拾取方式，进行初至的自动拾取.通过对大量数据的测试，得到最大迭代次数选择2较为合理(一方面确保通过多次迭代准确确定初至点，另一方面避免无限循环，提高算法的速度)；同时得到时窗长度与采样率有一定的关系，采样率高，时窗长度对应较大，反之，较小.

2.1 本算法自动拾取效果分析

本小节选取两个不同信噪比的资料进行初至自动拾取效果检验.先对高信噪比炮集数据1进行自动拾取.数据1是在原始三维地震数据中依次抽取出的二维剖面地震数据，每道含有4001个采样点，采样间隔为2ms.根据本文算法，首先获取参考初至，然后在参数板输入迭代次数2次和时窗长度11，选择波峰拾取方式，使用红色点标记拾取到的初至.从图 3中可以看出，对于数据1，由于信噪比高，可以完全正确的拾取到初至波峰位置.

图 3 高信噪比资料初至拾取效果图Fig. 3 The picking result of high S/N ratio seismic data

再对一般信噪比炮集数据2进行自动拾取.数据2是原始三维地震数据，每道含有1001个采样点，采样间隔为2ms.获取参考初至，在参数板上输入迭代次数2次和时窗长度5，选择波谷拾取方式，使用红色点标记拾取到的初至.从图 4中结果显示在25道，190-191道以及252道拾取不准确，而剖面上8道，21道，36道，43道，54道，139道，302-302道，320-321道，333道处拾取的不准确点均已去掉.

图 4 一般信噪比资料初至自动拾取效果图Fig. 4 The picking result of general S/N ratio seismic data
2.2 本算法与商业软件OMEGA效果对比分析

本小节选择实际的低信噪比炮集数据3进行自动拾取并与主流商业软件OMEGA的自动拾取结果进行对比.数据3是原始三维地震数据，各道含有2001个采样点，采样间隔为2 ms.图 5为Omega1.8.3版本对第二炮数据的自动拾取结果，显然381-480道拾取的结果很不准确；对于同一炮数据，获取参考初至后，输入时窗长度4次，迭代次数3次.图 6为本算法的拾取结果，在远偏移距处可以拾取的比较准确.

图 5 低信噪比资料OMEGA初至自动拾取效果图Fig. 5 The picking result of low S/N ratio seismic data by OMEGA

图 6 低信噪比资料本算法自动拾取效果图Fig. 6 The picking result of low S/N ratio seismic data by this new algorithm

为更好的体现本算法与OMEGA的对比效果，再任意选择另一炮数据进行对比.图 7为omega 1.8.3版本拾取的第三炮的数据，331-480道拾取效果欠佳.对这一数据，本算法的时窗长度和迭代次数同上一炮数据，不需改变.图 8为本算法的拾取结果，自331道起，仍可以准确的拾取初至.

图 7 低信噪比资料OMEGA初至自动拾取效果图Fig. 7 The picking result of low S/N ratio seismic data by OMEGA

图 8 低信噪比资料本算法自动拾取效果图Fig. 8 The picking result of low S/N ratio seismic data by this new algorithm

继续缩小拾取道集以便对比拾取效果，图 9为omega1.8.3版本拾取的第四炮的部分道集的结果，其中151-161，311-371道拾取结果较差.对同一数据，本算法的时窗长度和迭代次数同上.图 10为本算法拾取结果，在151-161，311-371处都准确地拾取到初至.

图 9 低信噪比资料OMEGA初至自动拾取效果图Fig. 9 The picking result of low S/N ratio seismic data by OMEGA

图 10 低信噪比资料本算法初至自动拾取效果图Fig. 10 The picking result of low S/N ratio seismic data by this new algorithm
3 结 论

本文依据实际生产需求，利用参考初至确定范围并利用二分法的快速性，设计了一种新的初至自动拾取算法.通过对实际资料的应用并与商用软件OMEGA初至自动拾取结果对比，本算法的拾取结果相对较好.然而，本算法并不能完全正确的拾取所有的数据，因此在后续的工作中将尝试(Sabbione and Velis， 2010)和(刘劲松等，2013)等中提到的多种算法以便继续改进初至自动拾取算法.

致 谢 感谢赵改善副院长、魏嘉副总工程师对本项目的支持与帮助，感谢软件所庞世明副所长，马召贵高工，处理解释中心徐颖专家，高厚强对本项目的帮助.
参考文献
[1] Peraldi R,Climent A. 1972. Digital processing of refraction data: Study of first arrivals[J].Geophysical Prospecting,20:529-548.
[2] Hatherly P. 1982.A computer method for determining seismic first arrival times[J].Geophysics,47:1431-1436.
[3] Gelchinsky B,Shtivelman V.1983.Automatic picking of first arrivals and parameterization of traveltime curves[J]. Geophysical Prospecting,31:915-928.
[4] Coppens F.1985.First arrivals picking on common-offset trace collections for automatic estimation of static corrections[J]. Geophysical Prospecting,33:1212-1231.
[5] Murat M,Rudman A.1992.Automated first arrivals picking: A neural network approach[J].Geophysical Prospecting,40:587-604.
[6] Yung S,Ikelle L.1997. An example of seismic time picking by third-order bicoherence [J].Geophysics,62:1947-1951.
[7] Jiao L,Moon W.2000.Detection of seismic refraction signals using a variance fractal dimension technique[J].Geophysics, 65:286-292.
[8] Liu Y K,Chang X,Wang H.2001.Estimation of near-surface velocity and seismic tomographic static corrections[J].Chinese J. Geophys.(in Chinese),44(02):272-278.
[9] Tibuleac I,Herrin E,Britton J,et al.2003.Automatic secondary seismic phase picking using wavelet transform[C].Proceedings of the 25th Seismic Research Review,Nuclear Explosion Monitoring: Building the Knowledge Base,Session 3-04,352-359.
[10] Zhang H J,Thurber C,Rowe C.2003.Automatic P-Wave arrival detection and picking with multiscale wavelet analysis for single-component recordings[J].Bulletin of the Seismological Society of America,93(5):1904-1912.
[11] Chen Z,Stewart R.2005.Multi-window algorithm for detecting seismic first arrivals[A].2005 CSEG National Convention, 355-358.
[12] Wong J,Han L,Stewart R R,et al.2009.Geophysical well logs from a shallow test well and automatic time-picking on full-waveform sonic logs[J].CSEG Recorder,34(4):20-29.
[13] Sabbione J,Velis D.2010.Automatic first-breaks picking: New strategies and algorithms[J].Geophysics,75(4):67-74.
[14] Qin Y L,Zhang Z J,Shin Changsoo,et al.2005.First arrival traveltime and amplitude calculation from monochromatic two way wave equation in frequency domain[J].Chinese J. Geophys. ( in Chinese),48(2):423-428.
[15] Zhan Y,Tang X R,Zhong B S.2005.Preprocessing of picking first arrival in complex situation[J].Geophysical prospecting for petroleum,44(2):160-162.
[16] Pan S L,Gao L,Zhou X X,et al.2006.Automatic method of first break picking based on edge detection and spline interpolation [J].Geophysical prospecting for petroleum,45(3):245-249.
[17] Liu Z C.2007.First break intelligent picking technique[J].Geophysical prospecting for petroleum,46(4):521-530.
[18] Li H,Dai X C,Ge H K,et al.2007.Seismic signal detection and first arrival pickup based on mutual information[J].Chinese J. Geophys. ( in Chinese),50(4):1190-1197.
[19] Zhang W,Wang Y C,Li H C,et al.2009.Seismic first arrival pickup using instantaneous intensity ratio[J].Progress in Geophys. (in Chinese),24(1):201-204.
[20] Ni D Y,Zu Y F,Li H X,et al.2010.The first arrival time picking up method for vibro-seis seismic datasets[J].Oil Geophysical Prospecting,45(6):793-796.
[21] Xu Y,Duan W X,Xu W X,et al.2010.The improvement of automatic first break picking based on energy ratio[J].Geophysical & Geochemical exploration,34(5):595-599.
[22] Zhang Y P,Liang C,Wu W J.2010.Energy ratio method seismic wave first break picking-up system designing based on QT developing platform[J].Oil Geophysical Prospecting,45(1):156-159.
[23] Cheng Z P,Chen Y P,He C Q.2011.A method of first break picking in seismic data constrained by space-varied time window[J]. Progress in Geophys.(in Chinese),26(5):1626-1631.
[24] Pan J,Liu B H,Hua Q F,et al.2012. Forward modeling based on OBS and first break recognition research[J]. Progress in Geophys.(in Chinese),27(6):2437-2443.
[25] Jiang G M,Zhang G B,Xu Y.2012.A fast method for calculating relative residuals of teleseismic data and its application[J].Chinese J. Geophys.(in Chinese),55(12):4097-4105.
[26] Liu J S,Wang Y,Yao Z X.2013. On micro-seismic first arrival identification: a case study[J]. Chinese J. Geophys.(in Chinese), 56(5):1660-1666.
[27] Zhang H L,Zhu G M,Wang Y H.2013.Automatic microseismic event detection and picking method[J].Geophysical & Geochemical exploration,37(3):269-273.
[28] 刘伊克,常旭,王辉.2001.三维复杂地形近地表速度估算及地震层析静校正[J].地球物理学报,44(02):272-278.
[29] 秦义龙,张中杰,Changsoo S,等.2005.利用单频双程波动方程计算初至走时及其振幅[J].地球物理学报, 48(2):423-428.
[30] 詹毅,唐湘蓉,钟本善.2005.初至拾取预处理[J].石油物探, 44(2):160-162.
[31] 潘树林,高磊,周熙襄,等.2006.基于单道边界检测和样条插值的初至波自动拾取[J].石油物探,45(3):245-249.
[32] 刘志成. 2007.初至智能拾取技术[J].石油物探,46(5):521-530.
[33] 李辉,戴旭初,葛洪魁,等.2007.基于互信息量的地震信号检测和初至提取方法[J].地球物理学报, 50(4):1190-1197.
[34] 张伟,王彦春,李洪臣,等.2009.地震道瞬时强度比法拾取初至波[J].地球物理学进展,24(1):201-204.
[35] 倪宇东,祖云飞,李海翔,等.2010.可控震源地震数据初至时间拾取方法[J].石油地球物理勘探,45(6):793-796.
[36] 徐钰,段卫星,徐维秀,等. 2010.高精度初至自动拾取综合方法研究[J].物探与化探, 34(5):595-599.
[37] 张元鹏,梁晨,吴文佳. 2010.基于QT的能量比法地震波出资拾取系统设计[J].石油地球物理勘探,45(1):156-159.
[38] 程仲平,陈鹰鹏,何超群.2011.空变时窗约束地震波初至的拾取方法[J]..地球物理学进展, 26(5):1626-1631.
[39] 潘军,刘保华,华清峰,等.2012.基于OBS的正演模拟与初至识别研究[J].地球物理学进展,27(6):2437-2443.
[40] 江国明,张贵宾,徐峣.2012.远震相对走时数据快速计算方法及应用[J].地球物理学报,55(12):4097-4105.
[41] 刘劲松,王赟,姚振兴.2013.微地震信号到时自动拾取方法[J].地球物理学报,56(5):1660-1666.
[42] 张唤兰,朱光明,王云宏.2013.基于时窗能量比和AIC的两步法微地震初至自动拾取[J].物探与化探,37(3):269-273.