地震初至波自动拾取方法、装置、介质及电子设备与流程

1.本发明属于地震信号处理领域，具体涉及一种基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取方法、装置、介质及电子设备。


背景技术：

2.地震学研究中的波至时间拾取是基础而又关键的环节，其拾取速度和精度直接影响其在地震精确定位、震相识别、震源机制及破裂过程、地震勘探以及地震层析成像中的应用效率和精度。目前，可以进行自动初至波拾取的方法有很多，但介于地震信号信噪比低、初动不明显及噪声与地震信号频率相近时等因素，导致初至波自动拾取的效果通常都不理想。
3.现有识别技术中，时窗能量比法和时窗振幅比法，这类方法效率高，但时窗长度对拾取精度有较大影响；神经网络、分型分维拾取方法，方法复杂，实现难度大，且拾取速度较慢；综合分析方法是目前精度较高、一致性较好的一种方法，但通常比较耗时。
4.因此，需要一种拾取速度快且准确度高的地震初至波识别方法，以保证油气勘探的正常进行。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提出一种拾取速度快且准确度高的地震初至波识别方法。
6.第一方面，本发明提供一种基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取方法，包括：获取地震波形数据及时间序列；基于所述地震波形数据及时间序列，获取地震初至波在所述时间序列中的时间范围；对所述时间范围内的时间序列进行拓扑数据分析，获得持久性关系图；基于所述持久性关系图，获得地震初至波位置。
7.可选的，所述基于所述地震波形数据及时间序列，获取地震初至波在所述时间序列中的范围包括：将所述时间序列划分为多个时窗；针对所述时间序列中的每个时间点，通过能量比法计算所述时间点后面的多个时窗的地震数据与所述时间点处前面的全部时窗的地震数据的能量比；当所述能量比大于预设阈值时，则确定所述时间点后面的时间序列为地震初至波在所述时间序列中的时间范围。
8.可选的，所述对所述时间范围内的时间序列进行拓扑数据分析，获得持久性关系图包括：将所述时间范围内的时间序列转换为点云时间序列；基于所述点云时间序列，获得持久性关系图。
9.可选的，所述将所述时间范围内的时间序列转换为点云时间序列包括：将所述时间范围内的时间序列中的每个时间点的数据通过欧氏空间转换为向量；基于转换后的每个时间点对应的向量，获得每个时间点对应的点云；基于所述每个时间对应的点云，获得点云时间序列。
10.可选的，通过下述公式获得每个时间点对应的点云：
[0011][0012]
其中，yti为时间序列中第i个点的点云，yti为时间序列中第i个点的向量，yti，d为维数，τ为时间间隔。
[0013]
可选的，所述基于点云时间序列，获得持久性关系图包括：基于时间范围内的点云时间序列，采用持续同调方法获得点云时间序列中每个点云的持久性关系图。
[0014]
可选的，所述基于所述持久性关系图，获得地震初至波位置包括：从每个点云的持久性关系图中，提取每个点云的拓扑特征最大值；获取全部点云拓扑特征最大值中的最大值，将所述最大值的点云对应的时间点作为地震初至波位置。
[0015]
第二方面，本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括：存储器，存储有可执行指令；处理器，所述处理器运行所述存储器中的所述可执行指令，以实现上述基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取方法。
[0016]
第三方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取方法。
[0017]
第四方面，本发明还提供一种基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取装置，包括：数据获取模块，获取地震波形数据及时间序列；地震初至波范围确定模块，基于所述地震波形数据及时间序列，获取地震初至波在所述时间序列中的时间范围；持久性关系图获取模块，对所述时间范围内的时间序列进行拓扑数据分析，获得持久性关系图；地震初至波位置确定模块，基于所述持久性关系图，获得地震初至波位置。
[0018]
可选的，所述基于所述地震波形数据及时间序列，获取地震初至波在所述时间序列中的范围包括：将所述时间序列划分为多个时窗；针对所述时间序列中的每个时间点，通过能量比法计算所述时间点后面的多个时窗的地震数据与所述时间点处前面的全部时窗的地震数据的能量比；当所述能量比大于预设阈值时，则确定所述时间点后面的时间序列为地震初至波在所述时间序列中的时间范围。
[0019]
可选的，所述对所述时间范围内的时间序列进行拓扑数据分析，获得持久性关系图包括：将所述时间范围内的时间序列转换为点云时间序列；基于所述点云时间序列，获得持久性关系图。
[0020]
可选的，所述将所述时间范围内的时间序列转换为点云时间序列包括：将所述时间范围内的时间序列中的每个时间点的数据通过欧氏空间转换为向量；基于转换后的每个时间点对应的向量，获得每个时间点对应的点云；基于所述每个时间对应的点云，获得点云时间序列。
[0021]
可选的，通过下述公式获得每个时间点对应的点云：
[0022][0023]
其中，yti为时间序列中第i个点的点云，yti为时间序列中第i个点的向量，yti，d为维数，τ为时间间隔。
[0024]
可选的，所述基于点云时间序列，获得持久性关系图包括：基于时间范围内的点云时间序列，采用持续同调方法获得点云时间序列中每个点云的持久性关系图。
[0025]
可选的，所述基于所述持久性关系图，获得地震初至波位置包括：从每个点云的持久性关系图中，提取每个点云的拓扑特征最大值；获取全部点云拓扑特征最大值中的最大值，将所述最大值的点云对应的时间点作为地震初至波位置。
[0026]
本发明的有益效果在于：本发明的基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取方法先计算判断初至波的大概位置，然后将预判发生初至的地震波形转换成点云时间序列，获得点云时间序列的持久性关系图，根据持久性关系图确定地震初至波位置，使用拓扑数据分析方法识别地震初至波，拾取速度快，且准确度高。
[0027]
本发明具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
[0028]
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0029]
图1示出了根据本发明的一个实施例的一种基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取方法的流程图。
[0030]
图2示出了根据本发明的一个实施例的一种基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取装置的框图。
[0031]
附图标记说明
[0032]
102、数据获取模块；104、地震初至波范围确定模块；106、持久性关系图获取模块；108、地震初至波位置确定模块。
具体实施方式
[0033]
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
[0034]
本发明提供一种基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取方法，包括：获取地震波形数据及时间序列；基于地震波形数据及时间序列，获取地震初至波在时间序列中的时间范围；对时间范围内的时间序列进行拓扑数据分析，获得持久性关系图；基于持久性关系图，获得地震初至波位置。
[0035]
具体的，首先获得一组地震波形数据及时间序列，通过能量比法计算判断初至波的大概位置，也是地震初至波在时间序列中的时间范围，然后将预判发生初至的时间范围内的地震波形转换成点云时间序列，获得点云时间序列的持久性关系图，通过使用窗口之间的landscape(地形)距离作为拓扑特征，通过测量landscape特征从一个窗口到下一个窗口的差异，当该特征值为所有窗口的最大值时，可以确定该区域为地震波初至时间的位置。
[0036]
根据示例性的实施方式，基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取方法先计算判断初至波的大概位置，然后将预判发生初至的地震波形转换成点云时间序列，获得点云时间序列的持久性关系图，根据持久性关系图确定地震初至波位置，使用拓扑数据分析方法识别地震初至波，拾取速度快，且准确度高。
[0037]
作为可选方案，基于地震波形数据及时间序列，获取地震初至波在时间序列中的范围包括：将时间序列划分为多个时窗；针对时间序列中的每个时间点，通过能量比法计算时间点后面的多个时窗的地震数据与时间点处前面的全部时窗的地震数据的能量比；当能量比大于预设阈值时，则确定时间点后面的时间序列为地震初至波在时间序列中的时间范围。
[0038]
具体的，获得当前时间点的后时窗与前时窗的能量比，判断能量比值是否大于给定的预设阈值c，当能量比值大于给定的预设阈值c时，识别该时间点后面部分信号是地震事件信号，也就是说地震初至波在当前时间点后面的时间序列中。
[0039]
作为可选方案，对时间范围内的时间序列进行拓扑数据分析，获得持久性关系图包括：将时间范围内的时间序列转换为点云时间序列；基于点云时间序列，获得持久性关系图。
[0040]
具体的，将时间范围内的时间序列转换为点云时间序列，根据点云时间序列，获得持久性关系图，通过持久性关系图，识别地震初至波。
[0041]
作为可选方案，将时间范围内的时间序列转换为点云时间序列包括：将时间范围内的时间序列中的每个时间点的数据通过欧氏空间转换为向量；基于转换后的每个时间点对应的向量，获得每个时间点对应的点云；基于每个时间对应的点云，获得点云时间序列。
[0042]
作为可选方案，通过下述公式获得每个时间点对应的点云：
[0043][0044]
其中，yti为时间序列中第i个点的点云，yti为时间序列中第i个点的向量，d为维数，τ为时间间隔。
[0045]
具体的，将地震波时间序列的每个时间点用一个点云表示，时间序列用点云时间序列表示，即在任意维的欧氏空间中表示一组向量。首先，将每个时间点的地震波形通过欧氏空间转换变为向量，通过下面的公式获得每个点云的时间序列。选择两个整数d和τ。对于每一次ti∈(t0，t1，
…
)，我们收集变量y在d不同时间的值，从ti开始均匀地间隔τ，并将它们作为一个有d条目的向量，即：
[0046][0047]
yti为时间序列中第i个点的点云，yti为时间序列中第i个点的向量，结果为d维空间中的一组向量，τ称为时延参数，d为嵌入维数。
[0048]
最后，在整个时间序列上的每个时间点分别应用这个过程，得到一个点云时间序列(每个移动窗口一个点云)。
[0049]
作为可选方案，基于点云时间序列，获得持久性关系图包括：基于时间范围内的点云时间序列，采用持续同调方法获得点云时间序列中每个点云的持久性关系图。
[0050]
具体的，采用持续同调方法获得点云时间序列中每个点云的持久性关系图，持久性关系图能表征每个点云的拓扑特征，使用窗口之间的landscape(波形)距离作为拓扑特征，使用拓扑特征减少了信号中的噪声。
[0051]
作为可选方案，基于持久性关系图，获得地震初至波位置包括：从每个点云的持久性关系图中，提取每个点云的拓扑特征最大值；获取全部点云拓扑特征最大值中的最大值，
将最大值的点云对应的时间点作为地震初至波位置。
[0052]
具体的，在持久性关系图中，先获取每个点云的拓扑特征值，选取每个点云的拓扑特征最大值，再比较所有点云的拓扑特征最大值，从所有点云的拓扑特征最大值中选取最大值，将最大值对应的时间点作为地震初至波位置。
[0053]
在一个示例中，(1)获取地震波形数据；(2)通过时窗能量比法识别出初至大概位置。(3)当判断出该点后面的信号属于地震，将时间序列嵌入到一个pointcloud(点云)中，构造点云移动窗口。(4)在每个窗口上建立过滤，对每个窗口的几何形状进行编码。(5)使用持久性同源性(persistent homology)提取这些窗口的相关特征。(6)通过测量这些特征从一个窗口到下一个窗口的差异来比较每个窗口。(7)基于这种差异构造一个初至检测器。
[0054]
第二方面，本发明还提供一种电子设备，电子设备包括：存储器，存储有可执行指令；处理器，处理器运行存储器中的可执行指令，以实现上述基于基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取方法。
[0055]
第三方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取方法。
[0056]
第四方面，本发明还提供一种基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取装置，包括：数据获取模块，获取地震波形数据及时间序列；地震初至波范围确定模块，基于地震波形数据及时间序列，获取地震初至波在时间序列中的时间范围；持久性关系图获取模块，对时间范围内的时间序列进行拓扑数据分析，获得持久性关系图；地震初至波位置确定模块，基于持久性关系图，获得地震初至波位置。
[0057]
具体的，首先获得一组地震波形数据及时间序列，通过能量比法计算判断初至波的大概位置，也是地震初至波在时间序列中的时间范围，然后将预判发生初至的时间范围内的地震波形转换成点云时间序列，获得点云时间序列的持久性关系图，通过使用窗口之间的landscape(地形)距离作为拓扑特征，通过测量landscape特征从一个窗口到下一个窗口的差异，当该特征值为所有窗口的最大值时，可以确定该区域为地震波初至时间的位置。
[0058]
根据示例性的实施方式，基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取方法先计算判断初至波的大概位置，然后将预判发生初至的地震波形转换成点云时间序列，获得点云时间序列的持久性关系图，根据持久性关系图确定地震初至波位置，使用拓扑数据分析方法识别地震初至波，拾取速度快，且准确度高。
[0059]
作为可选方案，基于地震波形数据及时间序列，获取地震初至波在时间序列中的范围包括：将时间序列划分为多个时窗；针对时间序列中的每个时间点，通过能量比法计算时间点后面的多个时窗的地震数据与时间点处前面的全部时窗的地震数据的能量比；当能量比大于预设阈值时，则确定时间点后面的时间序列为地震初至波在时间序列中的时间范围。
[0060]
具体的，获得当前时间点的后时窗与前时窗的能量比，判断能量比值是否大于给定的预设阈值c，当能量比值大于给定的预设阈值c时，识别该时间点后面部分信号是地震事件信号，也就是说地震初至波在当前时间点后面的时间序列中。
[0061]
作为可选方案，对时间范围内的时间序列进行拓扑数据分析，获得持久性关系图包括：将时间范围内的时间序列转换为点云时间序列；基于点云时间序列，获得持久性关系
图。
[0062]
具体的，将时间范围内的时间序列转换为点云时间序列，根据点云时间序列，获得持久性关系图，通过持久性关系图，识别地震初至波。
[0063]
作为可选方案，将时间范围内的时间序列转换为点云时间序列包括：将时间范围内的时间序列中的每个时间点的数据通过欧氏空间转换为向量；基于转换后的每个时间点对应的向量，获得每个时间点对应的点云；基于每个时间对应的点云，获得点云时间序列。
[0064]
作为可选方案，通过下述公式获得每个时间点对应的点云：
[0065][0066]
其中，yti为时间序列中第i个点的点云，yti为时间序列中第i个点的向量，d为维数，τ为时间间隔。
[0067]
具体的，将地震波时间序列的每个时间点用一个点云表示，时间序列用点云时间序列表示，即在任意维的欧氏空间中表示一组向量。首先，将每个时间点的地震波形通过欧氏空间转换变为向量，通过下面的公式获得每个点云的时间序列。选择两个整数d和τ。对于每一次ti∈(t0，t1，
…
)，我们收集变量y在d不同时间的值，从ti开始均匀地间隔τ，并将它们作为一个有d条目的向量，即：
[0068][0069]
yti为时间序列中第i个点的点云，yti为时间序列中第i个点的向量，结果为d维空间中的一组向量，τ称为时延参数，d为嵌入维数。
[0070]
最后，在整个时间序列上的每个时间点分别应用这个过程，得到一个点云时间序列(每个移动窗口一个点云)。
[0071]
作为可选方案，基于点云时间序列，获得持久性关系图包括：基于时间范围内的点云时间序列，采用持续同调方法获得点云时间序列中每个点云的持久性关系图。
[0072]
具体的，采用持续同调方法获得点云时间序列中每个点云的持久性关系图，持久性关系图能表征每个点云的拓扑特征，使用窗口之间的landscape(波形)距离作为拓扑特征，使用拓扑特征减少了信号中的噪声。
[0073]
作为可选方案，基于持久性关系图，获得地震初至波位置包括：从每个点云的持久性关系图中，提取每个点云的拓扑特征最大值；获取全部点云拓扑特征最大值中的最大值，将最大值的点云对应的时间点作为地震初至波位置。
[0074]
具体的，在持久性关系图中，先获取每个点云的拓扑特征值，选取每个点云的拓扑特征最大值，再比较所有点云的拓扑特征最大值，从所有点云的拓扑特征最大值中选取最大值，将最大值对应的时间点作为地震初至波位置。
[0075]
实施例一
[0076]
图1示出了根据本发明的一个实施例的一种基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取方法的流程图。
[0077]
如图1所示，该基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取方法，包括：
[0078]
步骤1：获取地震波形数据及时间序列；
[0079]
步骤2：基于地震波形数据及时间序列，获取地震初至波在时间序列中的时间范
围；
[0080]
其中，基于地震波形数据及时间序列，获取地震初至波在时间序列中的范围包括：将时间序列划分为多个时窗；针对时间序列中的每个时间点，通过能量比法计算时间点后面的多个时窗的地震数据与时间点处前面的全部时窗的地震数据的能量比；当能量比大于预设阈值时，则确定时间点后面的时间序列为地震初至波在时间序列中的时间范围。
[0081]
步骤3：对时间范围内的时间序列进行拓扑数据分析，获得持久性关系图；
[0082]
其中，对时间范围内的时间序列进行拓扑数据分析，获得持久性关系图包括：将时间范围内的时间序列转换为点云时间序列；基于点云时间序列，获得持久性关系图。
[0083]
其中，将时间范围内的时间序列转换为点云时间序列包括：将时间范围内的时间序列中的每个时间点的数据通过欧氏空间转换为向量；基于转换后的每个时间点对应的向量，获得每个时间点对应的点云；基于每个时间对应的点云，获得点云时间序列。
[0084]
其中，通过下述公式获得每个时间点对应的点云：
[0085][0086]
其中，yti为时间序列中第i个点的点云，yti为时间序列中第i个点的向量，yti，d为维数，τ为时间间隔。
[0087]
其中，基于点云时间序列，获得持久性关系图包括：基于时间范围内的点云时间序列，采用持续同调方法获得点云时间序列中每个点云的持久性关系图。
[0088]
步骤4：基于持久性关系图，获得地震初至波位置。
[0089]
其中，基于持久性关系图，获得地震初至波位置包括：从每个点云的持久性关系图中，提取每个点云的拓扑特征最大值；获取全部点云拓扑特征最大值中的最大值，将最大值的点云对应的时间点作为地震初至波位置。
[0090]
实施例二
[0091]
图2示出了根据本发明的一个实施例的基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取装置的框图。
[0092]
如图2所示，该基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取装置，包括：
[0093]
数据获取模块102，获取地震波形数据及时间序列；
[0094]
地震初至波范围确定模块104，基于地震波形数据及时间序列，获取地震初至波在时间序列中的时间范围；
[0095]
持久性关系图获取模块106，对时间范围内的时间序列进行拓扑数据分析，获得持久性关系图；
[0096]
地震初至波位置确定模块108，基于持久性关系图，获得地震初至波位置。
[0097]
其中，基于地震波形数据及时间序列，获取地震初至波在时间序列中的范围包括：将时间序列划分为多个时窗；针对时间序列中的每个时间点，通过能量比法计算时间点后面的多个时窗的地震数据与时间点处前面的全部时窗的地震数据的能量比；当能量比大于预设阈值时，则确定时间点后面的时间序列为地震初至波在时间序列中的时间范围。
[0098]
其中，对时间范围内的时间序列进行拓扑数据分析，获得持久性关系图包括：将时间范围内的时间序列转换为点云时间序列；基于点云时间序列，获得持久性关系图。
[0099]
其中，将时间范围内的时间序列转换为点云时间序列包括：将时间范围内的时间
序列中的每个时间点的数据通过欧氏空间转换为向量；基于转换后的每个时间点对应的向量，获得每个时间点对应的点云；基于每个时间对应的点云，获得点云时间序列。
[0100]
其中，通过下述公式获得每个时间点对应的点云：
[0101][0102]
其中，yti为时间序列中第i个点的点云，yti为时间序列中第i个点的向量，yti，d为维数，τ为时间间隔。
[0103]
其中，基于点云时间序列，获得持久性关系图包括：基于时间范围内的点云时间序列，采用持续同调方法获得点云时间序列中每个点云的持久性关系图。
[0104]
其中，基于持久性关系图，获得地震初至波位置包括：从每个点云的持久性关系图中，提取每个点云的拓扑特征最大值；获取全部点云拓扑特征最大值中的最大值，将最大值的点云对应的时间点作为地震初至波位置。
[0105]
实施例三
[0106]
本公开提供一种电子设备包括，该电子设备包括：存储器，存储有可执行指令；处理器，处理器运行存储器中的可执行指令，以实现上述基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取方法。
[0107]
根据本公开实施例的电子设备包括存储器和处理器。
[0108]
该存储器用于存储非暂时性计算机可读指令。具体地，存储器可以包括一个或多个计算机程序产品，该计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。该易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(ram)和/或高速缓冲存储器(cache)等。该非易失性存储器例如可以包括只读存储器(rom)、硬盘、闪存等。
[0109]
该处理器可以是中央处理单元(cpu)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其它形式的处理单元，并且可以控制电子设备中的其它组件以执行期望的功能。在本公开的一个实施例中，该处理器用于运行该存储器中存储的该计算机可读指令。
[0110]
本领域技术人员应能理解，为了解决如何获得良好用户体验效果的技术问题，本实施例中也可以包括诸如通信总线、接口等公知的结构，这些公知的结构也应包含在本公开的保护范围之内。
[0111]
有关本实施例的详细说明可以参考前述各实施例中的相应说明，在此不再赘述。
[0112]
实施例四
[0113]
本公开提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述基于拓扑数据分析的地震初至波自动拾取方法。
[0114]
根据本公开实施例的计算机可读存储介质，其上存储有非暂时性计算机可读指令。当该非暂时性计算机可读指令由处理器运行时，执行前述的本公开各实施例方法的全部或部分步骤。
[0115]
上述计算机可读存储介质包括但不限于：光存储介质(例如：cd－rom和dvd)、磁光存储介质(例如：mo)、磁存储介质(例如：磁带或移动硬盘)、具有内置的可重写非易失性存储器的媒体(例如：存储卡)和具有内置rom的媒体(例如：rom盒)。
[0116]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。