利用短波紅外高光譜數(shù)據(jù)勘探天然氣研究

0 引 言

早期僅靠地面油氣顯示來勘探油氣藏的方法已逐步被地質(zhì)方法所代替.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和尋找復(fù)雜油氣藏的需要，地震、油氣化探和衛(wèi)星遙感方法被逐步引入油氣勘探工作中。而高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展，把遙感的油氣勘探應(yīng)用推向更高、更有效、定量化的應(yīng)用層次。本文此次研究是利用高光譜遙感圖像，對(duì)× ×地區(qū)烴類微滲漏造成的遙感異常信息進(jìn)行提取，運(yùn)用文中使用的特征提取算法以及所設(shè)計(jì)的分類系統(tǒng)，作為天然氣綜合勘探方法中的重要一環(huán)，可為實(shí)現(xiàn)該地區(qū)天然氣蝕變異常區(qū)的圈定、進(jìn)而確定地下天然氣富集、最終為天然氣勘探，提供新的重要的參考依據(jù)。

高光譜遙感成像示意

1數(shù)據(jù)預(yù)處理

在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理之前，為了真實(shí)地反映地貌信息，預(yù)處理過程必不可少。文中進(jìn)行了如圖1所示的各項(xiàng)預(yù)處理工作。首先對(duì)Level 1B數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對(duì)輻射率轉(zhuǎn)換，VNIR波段除以40.0，SWIR波段除以80.0。由于高光譜傳感器個(gè)別通道存在壞的探測(cè)元，導(dǎo)致其對(duì)應(yīng)的采樣像素列不響應(yīng)，DN(DigitalNumber)值為零。對(duì)這些死像素列(壞線)，采用光譜線性插值的方法實(shí)現(xiàn)校正。光譜儀系統(tǒng)中每一行的各CCD光譜響應(yīng)不一致，導(dǎo)致在每個(gè)譜段上出現(xiàn)了豎的條紋，即列向條帶噪聲。文中采用二次多項(xiàng)式擬合的方法去除條帶噪聲。針對(duì)高光譜在SWIR波段范圍內(nèi)的低信噪比，文中采用了小波域小波強(qiáng)制消噪方法去除圖像隨機(jī)噪聲。輻射校正則采用ENVI模塊FLAASH 4.1大氣輻射校正軟件包處理完成。

圖1  預(yù)處理

2油氣特征提取與分類方法

2.1 基于小波PCA的特征提取方法

遙感反射率 Rrs=Lw/Ed(0+) ， 即對(duì)水體的遙感反射率的計(jì)算必須要測(cè)量水體的離水輻亮度 Lw與水體表面 入射輻照度 Ed(0+) 。

針對(duì)× ×地區(qū)地表油氣信息微弱、高光譜數(shù)據(jù)的空間分辨力不夠高、SWIR波段信噪比較低等因素，一種有效的特征提取算法就極為重要，也是研究工作的難點(diǎn)。一些傳統(tǒng)的特征提取算法經(jīng)試用后效果甚微。文中采用了基于小波PCA的改進(jìn)型特征提取方法，它充分結(jié)合了小波分解以及主成分分析的優(yōu)勢(shì)，能夠有效地提取微弱信息。主成分分析(PCA)能利用譜段之間的相互關(guān)系，在盡可能地不丟失信息的同時(shí)，除去譜段間多余信息，將多譜段的圖像信息壓縮到少數(shù)幾個(gè)譜段而仍能保持有效性。

圖2　基于小波PCA的特征提取流程

另一方面，小波變換能在光譜域內(nèi)針對(duì)每一個(gè)像元進(jìn)行數(shù)據(jù)降維。它不僅可以減少數(shù)據(jù)量，同時(shí)也能保留光譜信號(hào)中的差別，使典型光譜中的峰谷信息保留下來，這對(duì)大多數(shù)基于像元運(yùn)算的分類器很有優(yōu)勢(shì)。由于小波分解是作用于每一個(gè)像元的，所以，在空間域內(nèi)基于小波的降維不能很好區(qū)分相鄰像元間的不同類。而PCA則能彌補(bǔ)這一不足，它能提供更多的不同類在相鄰像元間的局部空間信息。因此，由小波分解和PCA結(jié)合而成的特征提取算法，有助于更好地進(jìn)行地物分類，提取烴類微滲漏蝕變特征。此算法的具體流程如圖2所示。

2.2 分類系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在高光譜分類中，實(shí)際感興趣的地物，如農(nóng)作物、森林覆蓋、自然植被、礦物以及城區(qū)中的感興趣地物都是以多種狀態(tài)存在的，并在不同的光照條件下獲取，呈現(xiàn)出相當(dāng)大的統(tǒng)計(jì)可變性。因此用單一的平均光譜或典型地物光譜響應(yīng)不足以表征這些地物，而應(yīng)該用一族響應(yīng)來表征。量化地表征這一族響應(yīng)的最有力、并有多種用途的方法之一就是將每個(gè)響應(yīng)用多元概率密度函數(shù)建模，從而可以采用統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法對(duì)樣本進(jìn)行分類。監(jiān)督訓(xùn)練與非監(jiān)督訓(xùn)練是互為補(bǔ)充的。前者將分析員對(duì)該區(qū)域的知識(shí)施加于分析中以約束其結(jié)果，而后者則根據(jù)該地區(qū)所代表的地物輻射特性(譜特性)的相似性和相異性來分類，不受關(guān)于該區(qū)域外部知識(shí)的約束.本文結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用K-Mean聚類法/最大似然法混合訓(xùn)練策略，采用粗分→細(xì)分→精分思想，完成對(duì)天然氣蝕變異常區(qū)的分類.具體分類過程如圖3所示。

圖3　天然氣特征區(qū)分類系統(tǒng)流程

3結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

遙感反射率 Rrs=Lw/Ed(0+) ， 即對(duì)水體的遙感反射率的計(jì)算必須要測(cè)量水體的離水輻亮度 Lw與水體表面 入射輻照度 Ed(0+) 。

研究區(qū)內(nèi)富含石英、石鹽、方解石、白云石、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、文石、石膏以及和一些粘土礦物，如蒙脫石、伊利石、高嶺石和綠泥石等。根據(jù)其巖性特點(diǎn)，結(jié)合上述這些粘土礦物的光譜特征，可分析出含Al-OH基團(tuán)礦物(如高嶺石、蒙脫石、伊利石)的特征譜段是2.16～ 2.24μm，含Mg-OH基團(tuán)礦物(如綠泥石)的特征譜段是2.30～ 2.40μm。根據(jù)以上特征譜段，我們研究的目標(biāo)數(shù)據(jù)是B 180～B 224，共45個(gè)譜段，其對(duì)應(yīng)的譜段范圍為1.951～ 2.395μm。特征提取時(shí)保留前5個(gè)主成分作為特征圖像，用于后續(xù)分類過程.在完成分類之后，我們對(duì)8景天然氣蝕變異常區(qū)分類圖進(jìn)行了幾何校正及鑲嵌處理，以同一經(jīng)緯度的ASTER數(shù)據(jù)為底圖，輸出完整的× ×地區(qū)天然氣蝕變異常區(qū)分類圖，如圖4所示(紅點(diǎn)即為天然氣特征點(diǎn)，用淺藍(lán)色標(biāo)識(shí)出蝕變異常區(qū)，分別用字母表示)。

圖4　× ×地區(qū)天然氣特征區(qū)分類圖

3.2 地質(zhì)解譯

遙感反射率 Rrs=Lw/Ed(0+) ， 即對(duì)水體的遙感反射率的計(jì)算必須要測(cè)量水體的離水輻亮度 Lw與水體表面 入射輻照度 Ed(0+) 。

工作區(qū)主要為第四系內(nèi)部構(gòu)造。該區(qū)已有2個(gè)探明氣田，儲(chǔ)量較大，即一號(hào)、二號(hào)氣田(圖4中藍(lán)圈所示)，它們屬于背斜式構(gòu)造，目前已在進(jìn)行天然氣的鉆井開采工作。從圖4可觀察到，特征點(diǎn)在B、C區(qū)域密度很大，與已在進(jìn)行生產(chǎn)的一號(hào)、二號(hào)氣田吻合得非常好。在圖4的西北角有蝕變異常區(qū)A顯示。分析地質(zhì)資料，可發(fā)現(xiàn)此位置是屬于構(gòu)造巖性異常體，儲(chǔ)量較一號(hào)、二號(hào)氣田小。西南角也有蝕變異常區(qū)D顯示，可用第四系沉積相來解釋。

地質(zhì)資料表明，南部區(qū)域?qū)儆诘谒南禍\-較深湖相，是生氣區(qū)。西南角從新第三紀(jì)開始就已是生氣區(qū)，南部從第四紀(jì)開始才為生氣區(qū)，故而西南角相對(duì)密集。蝕變異常區(qū)E目前沒有準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，所以無法對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確分析，需要后期采用地震、物化探測(cè)等其他勘探手段去驗(yàn)證。該地區(qū)所得到的地物分類結(jié)果，與本研究開展的地面同步測(cè)量及其他地質(zhì)資料(包括付出極高的經(jīng)濟(jì)、人力、時(shí)間代價(jià)所獲得的地震法等地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析資料)具有很高的復(fù)合程度，表現(xiàn)了十分優(yōu)良的分類精度；后期根據(jù)綜合結(jié)果在該地區(qū)若干鉆井，均有天然氣發(fā)現(xiàn)。說明此方法對(duì)資源勘探起到了重要的作用，在經(jīng)濟(jì)性、有效性、快速性、大面積普查可能性等方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，未來有巨大的發(fā)展空間。

4總 結(jié)

運(yùn)用上述特征提取及分類系統(tǒng)，利用高光譜數(shù)據(jù)，基本實(shí)現(xiàn)了× ×地區(qū)天然氣蝕變異常區(qū)的分類。根據(jù)該地區(qū)的地質(zhì)資料可知，具有異常顯示的區(qū)域與該地區(qū)氣藏形成條件相吻合。文中采用的基于小波PCA的特征提取方法，有效地提取了該地區(qū)地表微弱的天然氣蝕變特征。在分類時(shí)，文中采用的非監(jiān)督/監(jiān)督分類混合訓(xùn)練策略，有效地將干擾地物區(qū)分開，實(shí)現(xiàn)了天然氣蝕變異常區(qū)的聚類。油氣勘探歷來是一門地球物理、地球化學(xué)、石油地質(zhì)學(xué)等學(xué)科綜合應(yīng)用的科學(xué)。高光譜遙感作為一項(xiàng)新世紀(jì)以來逐漸走向?qū)嵱玫男录夹g(shù)，可以在眾多業(yè)已成熟的油氣勘探技術(shù)中，作為新的一員，充分發(fā)揮自己的能量。

萊森光學(xué)- iSpecHyper-VM系列無人機(jī)機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)

萊森光學(xué)-多旋翼無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)iSpecHyper-VM系列是一款基于小型旋翼無人機(jī)的高性能機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)。

萊森光學(xué)-多旋翼無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)光譜范圍400-1000nm/900-1700nm,由高性能高光譜相機(jī)、穩(wěn)定云臺(tái)、高清相機(jī)、GNSS模塊、機(jī)載控制與數(shù)據(jù)采集模塊、機(jī)載供電模塊、地面站模塊等部分組成。核心載荷高光譜相機(jī)完全自主研發(fā)，采用1英寸大靶面CCD圖像傳感器具有高光譜分辨率、高靈敏度、大視場(chǎng)及優(yōu)異的成像性能，配合定制開發(fā)的高性能穩(wěn)定云臺(tái)，能夠有效降低飛行過程中無人機(jī)抖動(dòng)引起的圖像扭曲與模糊；同時(shí)與GPS同步觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)可見光照片匹配同步GPS信息；通過地面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)時(shí)觀測(cè)飛行器采樣點(diǎn)并可利用地面端設(shè)置采集的航線預(yù)覽及矯正功能；有輻射度校正、反射率校正、區(qū)域校正等批處理能力。輔助相機(jī)可實(shí)時(shí)可見、監(jiān)控拍攝效果，有圖像實(shí)時(shí)回傳功能；有輻射度校正、反射率校正、區(qū)域校正等批處理能力，光譜相機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)曝光、自動(dòng)掃描速度匹配、輔助攝像頭功能、支持遠(yuǎn)程遙控、支持巡航、慣導(dǎo)采集模式，數(shù)據(jù)支持Envi等主流遙感軟件，實(shí)時(shí)常用植被指數(shù)計(jì)算功能、光譜及圖像數(shù)據(jù)預(yù)覽、建庫(kù)、建立指標(biāo)解譯庫(kù)等功能。

萊森光學(xué)-多旋翼無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)與大疆M600 pro/M300RTK無人機(jī)完美適配，支持同類型的多種無人機(jī)；系統(tǒng)支持配件升級(jí)及定制化開發(fā)，為教育科研、智慧農(nóng)業(yè)、林業(yè)調(diào)查、水環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、軍事反偽裝等行業(yè)高端應(yīng)用領(lǐng)域提供高性能解決方案。

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萊森光學(xué)- iSpecHyper-VS系列高光譜成像相機(jī)/便攜式高光譜成像系統(tǒng)

萊森光學(xué)-iSpecHyper-VS系列高光譜成像相機(jī)是萊森光學(xué)（LiSen Optics）專門用于公安刑偵、物證鑒定、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、礦物地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的最新產(chǎn)品，主要優(yōu)勢(shì)具有體積小、幀率高、獨(dú)有高光通量分光設(shè)計(jì)、信噪比靈敏度高、大靶面探測(cè)器、高像質(zhì)等特點(diǎn)。iSpecHyper-VS采用了透射光柵外置推掃或內(nèi)置原理高光譜成像，系統(tǒng)集成高性能數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)，高速接口傳輸，全靶面高成像質(zhì)量光學(xué)設(shè)計(jì) ，物鏡接口為標(biāo)準(zhǔn)C-Mount，可根據(jù)用戶需求更換物鏡。iSpecHyper-VS系列高光譜成像相機(jī)，廣泛應(yīng)用于公安刑偵、物證鑒定、精準(zhǔn)農(nóng)林、遙感遙測(cè)、 工業(yè)檢測(cè)、 醫(yī)學(xué)醫(yī)療、采礦勘探等各領(lǐng)域。

萊森光學(xué)-iSpecHyper-VS系列高光譜成像相機(jī)/便攜式高光譜成像系統(tǒng)主要技術(shù)特點(diǎn)

2 光譜范圍400-1000nm或900-1700nm，分辨率優(yōu)于3nm

2 獨(dú)有高光通量分光成像設(shè)計(jì)、信噪比靈敏度高

2 高性能CMOS/CCD/InGaAs(TE Cooled)圖像傳感器，數(shù)據(jù)格式支持ENVI,支持多區(qū)域ROI

2 可選配電控自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)、自動(dòng)曝光、自動(dòng)成像掃描匹配

2 全靶面高成像質(zhì)量光學(xué)設(shè)計(jì)，點(diǎn)列斑直徑小于0.5像元

2 多種焦距物鏡鏡頭（12.5/25mm/35mm/75mm）可根據(jù)用戶需求更換物鏡

2 多種光學(xué)附件可選：戶外太陽(yáng)光源、實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)勻化光源工作臺(tái)、三腳架（野外專用）、數(shù)據(jù)線、電源線、電源（外置電源模塊）、儀器便攜式手提箱（定制三防箱）、專業(yè)高光譜采集軟件

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萊森光學(xué)- iSpecField-系列手持式/便攜式地物光譜儀

萊森光學(xué)-iSpecField系列地物光譜儀是萊森光學(xué)（LiSen Optics）專門用于野外遙感測(cè)量、土壤環(huán)境、礦物地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的最新明星產(chǎn)品，由于其操作靈活、便攜方便、光譜測(cè)試速度快、光譜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確是一款真正意義上便攜式地物光譜儀。iSpecField系列地物光譜儀光譜范圍250-1100nm/250-1700nm/250-2500nm,采用了工業(yè)級(jí)觸控顯示屏手柄探頭，手柄探頭同時(shí)采用了獨(dú)有光學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)置攝像頭（相機(jī)）、GPS、激光指示器、內(nèi)置光學(xué)快門控制，同時(shí)地物光譜儀主機(jī)與工業(yè)級(jí)觸控顯示屏手柄探頭一體化設(shè)計(jì)，可野外現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行地物光譜操作測(cè)量，野外操作更加便捷方便，非常適合復(fù)雜的野外地物光譜測(cè)量。

萊森光學(xué)-iSpecField系列地物光譜儀主要技術(shù)特點(diǎn)

2 光譜范圍250-1100nm/250-1700nm/250-2500nm，固定全息光柵一次性快速掃描分光

2 2048像素面陣BT-CCD，256/512像元InGaAs，高像素雙路探測(cè)器同步測(cè)量，光譜精度高、分辨率高

2 主機(jī)與工業(yè)級(jí)觸控顯示手柄探頭一體化結(jié)構(gòu)，野外測(cè)量無需額外電腦，操作靈活

2 最短積分時(shí)間30微秒，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大，7吋高清觸控顯示遠(yuǎn)程觸發(fā)一鍵測(cè)量

2 內(nèi)置＞800萬像素自動(dòng)對(duì)焦攝像頭（相機(jī)）、GPS、激光指示器、內(nèi)置光學(xué)快門控制

2 GPS定位、地物圖像、角度測(cè)量、距離測(cè)量、空氣溫濕度測(cè)量與光譜實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)同步

2 SpecAnalysis專用地物分析軟件，兼容ENVI、TSG、Arcgis等第三方工具軟件，嵌入了USGS數(shù)據(jù)庫(kù)和NDVI等13個(gè)植被指數(shù)

2 豐富測(cè)量光學(xué)配件：標(biāo)準(zhǔn)白板/灰板、葉片透射夾、礦物土壤專用探頭、手槍式光纖探頭、室內(nèi)太陽(yáng)光源、視場(chǎng)角鏡頭、BRDF測(cè)量附件、透反射實(shí)驗(yàn)室支架裝置、遠(yuǎn)程觸發(fā)器等可滿足野外和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量需求，可實(shí)現(xiàn)透射反射率、輻照度、輻亮度等測(cè)試

2 大容量電池，續(xù)航時(shí)間4-5小時(shí)，供電電池模塊可拆卸，可配置備用電池模塊，滿足長(zhǎng)時(shí)間野外測(cè)量

詳情可見：http://613602.com/bianxieshidiwuguangpuyi/#go