基于贪心算法的地震数据采集特殊观测系统程序设计及应用_田锦瑞.pdf

第 卷 第期 年月 ，中文引用格式：田锦瑞，张昭，亚东菊，等基于贪心算法的地震数据采集特殊观测系统程序设计及应用工程地球物理学报，（）：英文引用格式：，（）：基于贪心算法的地震数据采集特殊观测系统程序设计及应用田锦瑞，张昭，亚东菊，张龙飞，邱兆泰，牛清华，张晓盼，张灯亮，台立勋（河北省煤田地质局 物测地质队，河北 邢台 ；邢台市地球物理技术重点实验室，河北 邢台 ）收稿日期：基金项目：河北省科学技术厅院士合作重点单位和院士工作站项目（编号：）；河北省煤田地质局物测地质队星火计划科研项目（编号：）第一作者：田锦瑞（），男，高级工程师，主要研究方向为地震数据采集处理解释。：通信作者：张昭（），男，高级工程师，主要研究方向为煤田地震勘探。：摘要：在地震数据野外采集过程中，保证大型复杂障碍区下资料的连续性历来是作业施工的难点。地震采集特殊观测系统设计是目前解决这些问题的主要技术手段，特观设计的优劣直接影响地震采集质量及成本，目前特观设计主要依靠技术人员的经验制定，可靠性与经济性无法保证。本文介绍了一款使用 语言编译的地震数据采集特观设计优化程序，该程序基于贪心算法，结合计算机的高速运算的优势，为大型障碍区的地震数据采集特殊观测系统选择最优化的方案。将该程序应用于在内蒙古某煤矿的三维地震勘探项目中，结果显示，该程序提供的优化方案效果良好，叠加次数与面元覆盖均匀，保障了数据采集质量的同时节约了施工成本。结论表明，应用贪心算法的程序所做出的特观设计相较于其他软件和人工设计，具备更加良好的经济性与实用性，能够为地表复杂区地震数据采集工作提供更加有利的技术支撑。关键词：贪心算法；地震数据采集系统；特殊观测系统设计中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（.，；.，）：，工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷 ，：；引言近年来，地震勘探野外数据采集难度逐步增大，施工区域内地表条件愈发复杂，区内常存在河湖、村庄、工厂等大型障碍物，造成采集施工难度增大、成本增长、质量不可控等困难。为解决此类问题，业内主要采用特殊观测系统设计来保障数据采集的质量。因此，特殊观测系统设计的优劣直接影响地震采集的质量和成本。针对此类问题，国内研究者在特殊观测系统设计方面做了许多尝试和总结。李晓东等在大型港口航运区采用多方位观测、增加接收线密度、激发点一点多用等方式设计特殊观测系统，总结出一套针对港口区的观测系统设计方法。刘军胜应用 的 和 功能实现了该区多种特殊观测系统的布设，在障碍区获取了优质的地震资料。王树威利用克浪软件针对村庄等密集障碍物对地震采集系统进行特殊观测系统设计。李江针对复杂地表障碍物的不规则炮点设计研究了观测系统设计对数据采集效率的影响。和芬芬、肖虎等、胡峰等，在多种地质条件下对三维地震采集参数的选取做出了分析和尝试。包洪刚 在激发点避障预设计方法的上增加了药量设计方法。许银坡等 在观测系统设计分析过程中将以往地震数据相融合，实现了对采集参数的设计与优化。金学良等、程建远等 依托煤矿采区高密度三维地震勘探探讨了观测系统设计优化等内容，对地震采集参数进行了分析论证。王轶等 利用高精度数字卫星照片和实际踏勘的障碍情况，进行过障碍变观设计。胡峰等 通过引入不同施工模板布设方式的对比分析，建立模版炮道峰值计算函数模型等技术手段，依据精细量化分析数据化成果，尝试探索三维观测系统属性约束下的采集施工组织优化布设方案。郭联合 采用面向目标 的 野 外 施 工 方 法 达 到 观 测 系 统 优 化 的目的。目前特殊观测系统的设计主要由现场技术人员依据经验人为设计，存在工作效率低下，易造成工作量增加等问题。不仅无法保证障碍区下地震数据的可靠性，而且不易控制地震数据采集成本。当前主流的地震观测系统设计软件如克浪、等具备简单的特殊观测系统设计功能，应用于面积小、复杂程度低的障碍区效果尚可，对较大型的障碍区所做出的设计存在叠加次数低、面元不均匀和开天窗等问题，特观效果不理想。针对此情况，本文基于贪心算法设计了一款地震数据采集特殊观测系统设计优化程序，以下第期田锦瑞，等：基于贪心算法的地震数据采集特殊观测系统程序设计及应用简称特观设计程序。该程序将特观设计作为总问题，通过将总问题分解为若干个子问题，应用贪心算法通过子问题的求解逼近总问题的最优解。问题解决过程需要大量计算，结合计算机高速运算的特点，该程序可为大型障碍区的地震数据采集特殊观测系统设计提供优质的方案。通过实际工区应用，并与同类软件特观效果对比，该方法在进行特观设计时取得的效果较好。贪心算法与特观设计程序贪心算法是目前计算机程序设计中常用的算法之一，其特点为思维复杂度低、代码量小、运行效率高。算法的主要设计思路是将待解决问题分解为有限个子问题，在子问题的求解中仅依据现有条件做出最好的选择。其不从整体考虑最优解，而是将局部最优解叠加来近似整体最优解。在技术 人 员 进 行 特 殊 观 测 系 统 设 计 过 程中，无法直接考虑整体最优化的情况，需要依据经验将修补效果较好的一些炮检组合布置在待修补的设计中，逐步完善，进而获得最终特观设计。人工制作特观设计的过程也是近似应用贪心算法的过程。由于人工计算能力有限，无法将贪心算法的过程尽可能地细化。该程序模拟了人工设计特观设计的过程，在复杂特殊观测系统设计时，将选取炮检组合的过程细化至单个炮检组合的添加。特殊观测系统设计最终方案作为待解决的总问题，可将设计过程中对每一个炮检组合的选取作为子问题。把子问题的最优解汇聚叠加，构成特殊观测系统设计最终方案这个总问题的最佳解决方案。本 文 使 用 语 言 编 写 设 计 程 序，语言 具 备 面 向 对 象、免 费 开 源、开 发 效 率高、可扩展性强的优点，丰富而强大的第三方库为程序编写提供了极大的便利。在该程序的编写过程中将 库与 库 结 合 使 用，极大地提高了数值计算效率。该程序代码可实现跨平台应用，本次应用仅在 环境进行，由该程序生成的可执行文件无需安装，拷贝后可在任意 环境下流畅运行。文中将详细介 绍 贪 心 算 法 在 特 观 设 计 中 应 用 程 序 的实现。贪心算法在特观设计程序中的应用在应用贪心算法前，需要建立由面元为元素组成的叠加次数缺失集合和由可用炮检组合为元素的可用炮检组合集合，见图。3.1建立叠加次数缺失集合与可用炮检组合集合）首先建立叠加次数缺失集合：集合：依据原项目建立观测系统，根据设计的面元原点、大小建立面元集合，面元即为集合中的元素。元素的数值为该面元对应的叠加次数。集合：将各个障碍区域内的激发点或接收点屏蔽后，依据观测系统建立面元集合，面元为集合中的元素。元素的数值为该面元对应的叠加次数。集合：面元即为集合中的元素。元素内存储的数字为集合与集合在相同位置面元叠加次数的差值。即为当（，）不为空值时，（，）（，）（，）（）集合即为叠加次数缺失集合。）建立可用炮检组合集合：集合：炮检组合，（）由激发点与接收排列组成，可用炮检组合集合是所有可用激发点与所有可用排列进行直积后生成的炮检组合的合集，即集合。集合：用来存储在运算过程中出现的最佳炮检组合。图可用炮检组合的建立 3.2假设与定义为了使建立的模型更加贴合现实采集情况，须作出以下假设：工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷）假设集合可以不是所有，（）所覆盖面元并集的子集。因当障碍区中可容纳的最大内圆直径大于设定的最大炮检距时，任意炮检组合都无法覆盖内圆圆心处的面元。）假设 使用炮检组合，（）修改集合时，集合中相对应的面元中的数值减少。当激发点使用次数达到限定次数时，所有涉及的炮检组合不可使用。并给出以下定义：）定义炮 检 组 合，（）的 评 价 值 为该组合覆盖面元在集合中的值次方的总和。，（），（）（，）（）定义炮检组合，（）所覆盖面元在 集 合中 的 最 大 叠 加 次 数 为 。，（），（）（）3.3贪心算法的应用算法应用如下（图）：）依次计算集合中炮检组合，（）的 和 ，对所有炮检组合，（）进行以 为主索引，为次索引的降序排序，将首位炮检组合，（）定为最佳组合。）将最佳炮检组合，（）所覆盖面元在集合中的值减，并将炮检组合，（）存入集合中。如最佳炮检组合，（）的 小于设定的允许覆盖次数最大缺失值，或集合中的元素数量达到设定的最大使用数量，则终止程序。否则依据设定的单个激发点使用次数修改集合后，返回步骤一执行循环。本过程以 和 作为子问题最优解的判断标准，实现了当前情况下最佳炮检组合的选取。通过集合对最佳炮检组合的收集，将应用贪心算法的最终特观设计方案呈现。3.4基于 Python 语言的编程实现首先依据观测系统数据及特殊观测系统设计所需要的相关参数设计交互界面，如图所示。界面主要根据特观过程分为四个步骤：第一步在程序中建立初始观测系统及各类区域；第二步针对激发点、接收点的可用性进行标注；图特殊观测系统程序设计中贪心算法的流程 第三步在程序中点击“生成模型”和“建立可用组合”按钮，建立集合和集合，并将优选过程中需要的参数输入程序；第四步在程序中点击“执行”，特观设计后的观测系统方案将存储在指定的文件中。在该程序的运行过程中，贪心算法主要应用于优化选取环节，该部分核心代码如下：（）：，：，（，）第期田锦瑞，等：基于贪心算法的地震数据采集特殊观测系统程序设计及应用图复杂变观程序交互界面 ：（，）（，），：在该程序中有多个常量是由用户依据工区情况提供的。存储的是用户设定的最大使用激发点数量，存储的是用户设定的单个激发点可使用次数，存储的是用户设定的叠加次数最大缺失数。该程序主体为一个 循环，程序功能主要由 函 数 和 函 数 实 现。函数由 （可用排列组合）中的 和 （待优化的数据模型）为主要参数，通过遍历排列中所包含的 面元，计算得出该排列的 （最大缺失叠加次数）、（缺失叠加次数总和），外部程序将依据这两个数值在 中选 出最 佳 组合。函数由 （最佳组合的键值）、（最佳组合）和 （待优化的数据模型）为主要参数，通过修改指定位置的 面元中的叠加次数，进而得到修改后的 （待优化的数据模型），同时将最佳组合放入存储最终结果的 字典中，并将选取的组合从 （可 用 排 列 组 合）剔除。最佳组合作为子问题的最优解，依赖于 （待优化的数据模型）。而 （待优化的数据模型）由不断产生的最佳组合进行修改优化，并最终达到预期需求的条件。工 程 地 球 物 理 学 报（）第 卷 实例应用为检验本软件在特殊观测系统设计方面的使用情况，选取内蒙古某煤矿三维地震勘探项目作为研究区验证实际应用效果。该煤矿三维地震勘探区位于鄂尔多斯东部。区内地表多被风积沙、沙土覆盖，基岩出露甚少，局部高差较大，区内植被茂密，人工防沙林地密集分布。此外，因河流冲刷而形成的沟谷贯穿全区，沟深坡陡，激发点、检波点的布设困难，如图 所示。图勘探区地貌及三维立体显示 该区三维地震勘探观测系统为 次 线 束 状，每 线 道，道 间 距，线间距，纵向偏移距，纵向最大炮检距 ，横向最大炮检距 ，最大非纵炮检距 。依据该区观测系统及相关参数在软件中建立观测系统初始模型，如图（）所示。与克浪软件具备激发点接收点自动避障功能，但无法在避障过程中增减激发点或接收点，故在不改变激发点及检波点数量的前提下，分别采用 进 行 自 动 避 障 设 计，得 到 观 测 系 统 如 图（）、图（）所示。图（）中所示的特殊观测系统设计是由多位经验丰富的技术人员共同进行制定的设计，图（）中所示的特殊观测系统设计是由本文介绍的地震数据采集特观设计优化程序，在输入于人工设计同样需求参数后，自动计算得到的。初始地震数据采集观测系统在增加障碍物后，因地表情况影响，激发点和接收点均不能布设，造成大面积叠加次数变低及空白区域，如图（）所示。采用 与克浪两款软件进行特观设计后，叠加情况如图（）、图（）所示。采取人工处理的特观设计叠加情况如图（）所示。使用地震数据采集特观设计优化程序生成的特观设计叠加情况如图（）所示。综合分析可知，本次障碍区主要影响范围与工区内河流冲沟相关，呈条带状分布，分为三个区域，分布在障碍区的上中下三部分，每