专利名称：一种基于过渡区与相叠合的位场异常边缘增强方法
技术领域：
本发明属于地球物理勘探技术领域，涉及一种基于过渡区与相叠合的位场(重力场和磁场)异常的边缘增强方法，可用于确定对应地质体的边缘位置，从而可以有效地对地下地质体进行精细描述。
背景技术：
应用地球物理资料进行地下地质体边缘的精确定位，是地质-地球物理解释中的一项重要工作，它不仅可以刻划岩性的变化，还可以提供有关构造体系、变形样式等丰富的地下地质信息。在研究地质目标体的横向不均匀性特别是地质目标体的边缘位置时，地球 物理勘探方法中的重力位场和磁力位场具有独特的优势。重力勘探是利用重力仪在野外观测地下物质密度差异引起的重力异常，以查明地下的地质构造和岩性异常体。磁法勘探则是利用磁力仪在野外观测地下物体磁性差异引起的磁力异常，以查明地下的地质构造和磁性异常体。地质目标体边缘通常是指断裂构造线、不同地质体的边界线等，实际上是具有一定密度或磁性差异地质体的分界线。由于研究地区往往构造演化复杂，许多重要的位场异常(或称重磁异常)边缘信息已被淹没在多次构造叠加场信号中。例如，当岩体或断裂的规模比较小，埋藏很深(隐伏)时，其边缘可能不具有明显的重力、磁力异常特征。因此，需要发展有效的弱异常增强与识别(检测)技术，以便获取准确的边缘信息。这是位场研究中的一个重要课题。在地质体的边缘位置及其附近，重力、磁力异常变化率较大，这是所有边缘识别和增强方法的基础。目前利用重、磁位场识别地质体边缘的方法主要可分为数理统计、数值计算和其他三大类。或者可以划分为这样四类基于水平导数和垂直导数及其组合的方法，基于梯度的方法，基于局部相位的方法，其他方法。这些方法的共性是通过对重磁数据进行变换处理，在变换域中突出异常梯度带、线性特征、异常扭曲等，能以半自动的方式且仅需要少数假定就可能获取边缘信息。然而，这些方法或多或少地存在一些问题，例如传统的梯度类方法易受干扰的影响，使得计算的边缘混乱，而且由于叠加异常的影响异常较弱时很难识别场源边界；由于倾斜边缘、不规则边缘的存在，以及不同埋深、数据精度、网格间距等因素的影响，异常体的边缘反映到重磁异常上有时表现为“模糊化”的边缘。边缘的“模糊化”再加上水平导数、垂向导数及梯度方法自身的局限性，会造成这些常规处理方法常常不能准确地确定边缘。在《CanadianJournal of Remote Sensing》2009 年发表的《The utility ofpotential field enhancements forremote predictive mapping))一文中，Pilkington 和Keating比较了 12种不同的位场异常边缘检测方法，他们认为没有一种方法能够准确地定位所有类型异常源的所有边缘。在图像处理领域中，国内外一些学者认为因图像质量、分辨率等因素，数字图像中的目标体与背景之间存在着“过渡区”，具有一定宽度，目标体的边缘位于过渡区之内；过渡区的存在导致梯度类、导数类方法往往不能准确地定位边缘。在地球物理位场领域，异常边缘的“模糊化”是否也意味着过渡区的存在？关于这一问题目前尚未见到公开发表的认识，位场过渡区的研究尚未开展。因位场本身是叠加效应的特点，加上目标埋深、数据精度、网格间距等因素的影响，异常边缘有时会表现为弱异常，或者与其它异常特征差异不明显。这时常规的梯度类、导数类方法不能有效地增强或检测出边缘。在《Journal ofComputer Vision Research》1999年发表的《Image features from phase congruency》中，提出图像中的阶状边缘、线条等特征对应于傅里叶分量最大相位处，据此得出认识利用相叠合能提取图像特征，并且效果明显优于梯度类方法。位场异常边缘是否也具有类似的相叠合特征？相叠合信息能否应用于位场异常边缘的增强处理中？根据目前国内外公开发表的文献及其它媒介，迄今为止尚未开展这类研究。
发明内容
本发明的目的是为了增强地下地质目标体的位场边缘异常，针对目前国内外常用方法不适用于“模糊化”边缘的局限性，提出一种基于过渡区和相叠合的边缘增强方法。该方法既基于位场数据的特性，能增强过渡区从而确保边缘位置，又能利用相叠合信息提高对细微异常差异的探测能力，同时克服相叠合对噪音敏感的不足。本发明的目的是通过下述技术方案来实现。基于过渡区与相叠合的地球物理位场异常边缘增强方法，由八个关键步骤实现(I)在工区利用重力仪或磁力仪在野外采集重力或磁力资料即重磁数据资料。(2)对野外采集的重磁数据资料进行各种常规校正及改正，得到网格重磁数据矩阵A。(3)改进的共生矩阵计算针对位场异常特征，对共生矩阵的计算进行了两个方面的改进一是仅考虑计算窗口中心点与窗内其它点的共生对(AM，y), Aa(x, y)) ; 二是根据共生对的间距值d对共生对进行加权处理，以突出最邻近点的共生概率；那么，网格重磁数据矩阵A改进后的共生矩阵C(i，j，d，Θ)由下式计算
m η ____C(i,j，d，0) = ΣΣ Σ
j=l 产I其中x，y分别是重磁资料的平面网格点坐标，m是网格重磁数据矩阵A的横向网格点个数，η是纵向网格点个数；i和j是异常值，其数值范围介于最小异常值minA与最大异常值maxA之间；(1是共生对(Λ0(χ，γ)和么“乂。))的间距，即窗口中心点A。与窗内其它点Aa之间的网格点数；Θ是共生对的方向角度，取值为0° ,45° ,90° ,135° ,180° ,225°，270°，315°山是权系数，与共生对的间距d有关，h= Ι/d;计算窗口的大小依据重磁数据的尺度(网格点个数)而定，重磁数据尺度大，计算窗口可取3X3，5X5，或7X7，尺度小，取 3X3。(4)过渡区异常范围确定网格重磁数据矩阵所显示的过渡区异常特征，是异常体边缘位于具有一定宽度(I个或几个网格间距)、“模糊”的区域之内(“模糊”在本领域的解释与图像处理中一样)，在共生矩阵空间里，过渡区是分布于矩阵对角线之外的区域，即对应的共生对Ajx，y)和Aa (X，y)(异常值分别为i和j)其差值I i_j I彡thr ；阈值咖= SZd*CW))/ZEC，(z·,·/)，其中C，(i，j)代表特殊化的共生矩阵，即对应于
权利要求
1.一种基于过渡区与相叠合的位场异常边缘增强方法，其包括下面步骤 1)在工区利用重力仪或磁力仪在野外采集重力或磁力资料(即重磁数据资料)； 2)对野外采集的重磁数据资料进行各种常规校正及改正，得到网格重磁数据矩阵A; 3)改进的共生矩阵计算针对位场异常特征，对共生矩阵的计算进行了两个方面的改进一是仅考虑计算窗口中心点与窗内其它点的共生对(Aj^yhAj^y)) ;二是根据共生对(Ajx, y), Aa(X, y))的间距值d对共生对(Ajx, y), Aa (x, y))进行加权处理，以突出最邻近点的共生概率；经过处理后的网格重磁数据矩阵A改进后的共生矩阵C(i，j，d，Θ)由下式计算 m ηC(i,j,d,0) = H Yi_S(i,A0(x,y))S(j,Aa(x + Ax,y + Ay))*h, ^ j e [minA, maxA]·Λ=1 y~^ ε=^Δχ2+Αγ2 其中x，y分别是重磁资料的平面网格点坐标，m是网格重磁数据矩阵A的横向网格点个数，η是纵向网格点个数；i和j是异常值，异常值的数值范围介于最小异常值minA与最大异常值maxA之间;(1是共生对(A0(x，y) Aa(x, y))的间距，即窗口中心点A-与窗内其它点K之间的网格点数；Θ是共生对的方向角度；h是权系数； 4)过渡区异常范围确定网格重磁数据矩阵所显示的过渡区异常特征，是异常体边缘位于具有一定宽度(I个或几个网格间距)、“模糊”的区域之内，在共生矩阵空间里，过渡区是分布于矩阵对角线之外的区域，即对应的共生对Atj(Xd)和怂(1，7)(异常值分别为i和j)的差值i-j彡thr ;阈值thr = (2 ^ (i ~j)*C '(i, j)) / Σ Σ C '(i, j) ’ 其中 C’(ij)代表特殊化的共生矩阵，即对应于C(ij)；阈值全局阈值Gthr和局,ftik Lthr两种，针对网格重磁数据整体矩阵的阈值是全局阈值，对应于 计算窗口的阈值是局部阈值； 5)阈值化对比度的计算根据步骤3)得到的共生矩阵和步骤4)确定的阈值，得到改进后的共生矩阵统计量——阈值化对比度Con， Con(A) ==i-j ^ thr /=I j=l(=1 j=l c(i，j)同上式中的C(i，j，d，0)，是网格重磁数据矩阵A的改进共生矩阵；S是网格重磁数据矩阵A的最大异常值；阈值化对比度以沿重磁数据网格点逐一移动的窗口内计算，计算结果能突出异常梯度带、陡变带、异常分界线等； 6)相叠合信息的提取利用从对数二维Gabor小波计算得出的二维相叠合信息PC，提高对弱异常或细微差异的探测能力；PC用下列公式计算_ HoT^ewO (X) (X)(COS(^o (χ) - Φ(χ)) - |sin(^0 (x) - ^(^))|) - T0」 PC(X) =ΣΧ^)^ 其中0代表方位的编号，e代表小波尺度·χω是频率伸展的加权因子；Got(x)是某个给定小波尺度e的变换幅值；μ是数值很小的常数，其用途是避免上式中除数为零；Τ。是估计的噪音影响因子；Φμ(χ)是相位角偏差，数值范围是
，是平均相位角； 7)阈值化对比度与相叠合信息的融合处理将阈值化对比度Con与相叠合信息PC做基于局部熵度的加权融合处理，得到处理后的数据矩阵R，以用于增强异常边缘；融合处理公式如下R(x, y) = W1Con (x, y)+w2PC(x, y) 其中=W1与W2是权重值； 8)重磁数据处理结果判断网格重磁数据矩阵A经过步骤2)、3)、4)、5)、6)、7)的处理后，在结果数据矩阵R中的异常梯度带、线性特征、异常扭曲的特征凸显为高值且指示为边缘；除异常梯度带、线性特征、异常扭曲的特征之外的异常表现为中等值或低值，进而而实现了边缘的增强显示；根据边缘的增强显示，结合研究区地质及其它地球物理资料，判别地下异常体的边缘位置。
2.根据权利I所述的基于过渡区与相叠合的位场异常边缘增强方法，其特征在于步骤3)所述的权系数h与共生对的间距d之间的关系为h = Ι/d ;共生对的方向角度Θ取值为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°或315° ;依据重磁数据的尺度(网格点个数)计算窗口的大小；在重磁数据尺度大时，计算窗口可取3 X 3，5 X 5或7 X 7 ;在重磁数据尺度小时，取3X3。
3.根据权利I所述的基于过渡区与相叠合的位场异常边缘增强方法，其特征在于步骤4)所述的全局阈值Gthr用于强调增强深大断裂、边界带异常的主要异常特征的情况；局部阈值Lthr用于需获取局部细节、需精细处理的情况。
4.根据权利I所述的基于过渡区与相叠合的位场异常边缘增强方法，其特征在于步骤5)所述的对比度Con,当I i-j I < thr, Con = O。
5.根据权利I所述的位场异常边缘增强方法，其特征在于步骤6)所述的小波尺度因子e，3 < e < 6 ;滤波方位ο可取6个值。
6.根据权利I所述的基于过渡区与相叠合的位场异常边缘增强方法，其特征在于步骤7)所述的权重值依据局部熵度而定，当阈值化对比度Con的局部熵度大于相叠合PC的局部熵度时，W1 > W2,否则W1 < w2。
7.根据权利6所述的基于过渡区与相叠合的位场异常边缘增强方法，其特征在于步骤7)所述的权重值依据局部熵度而定，当阈值化对比度Con的局部熵度大于相叠合PC的局部熵度时，W1 = O. 8, W2 = O. 2 ;否则 W1 = O. 2, W2 = O. 8。
全文摘要
本发明提出一种基于过渡区与相叠合的位场异常边缘增强方法，该方法用于位场(重力场和磁场)异常确定地质体边缘位置的研究中。本方法通过改进的共生矩阵计算、过渡区异常范围确定、阈值化对比度的计算、相叠合信息的提取、阈值化对比度与相叠合信息的融合处理和重磁数据处理结果判断等步骤来实现了地下异常体的边缘位置的判断。本发明首次将阈值化对比度与相叠合信息融合；通过增强过渡区从而确保边缘位置，同时能利用相叠合信息对微弱异常的敏感性。本方法能凸显边缘异常，揭示细微差异，具有准确性高、分辨力强的优点。
文档编号G01V11/00GK102937725SQ20121044922
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者张丽莉, 郝天珧, 江为为 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所