利用磁场水平调整方法实现航磁数据融合——以山东省齐河—禹城地区为例.pdf

第 47 卷第 4 期物 探 与 化 探Vol.47,No.4 2023 年 8 月GEOPHYSICAL&GEOCHEMICAL EXPLORATION Aug.,2023doi:10.11720/wtyht.2023.1345吴成平,杨雪,于长春,等.利用磁场水平调整方法实现航磁数据融合 以山东省齐河禹城地区为例J.物探与化探,2023,47(4):1071-1077.http:/doi.org/10.11720/wtyht.2023.1345Wu C P,Yang X,Yu C C,et al.Aeromagnetic data merging based on magnetic data leveling:A case study of the Qihe-Yucheng area,Shandong ProvinceJ.Geophysical and Geochemical Exploration,2023,47(4):1071-1077.http:/doi.org/10.11720/wtyht.2023.1345利用磁场水平调整方法实现航磁数据融合 以山东省齐河禹城地区为例吴成平1,杨雪1,于长春1,熊盛青1,范正国1,苏永军2,郝兴中3(1.中国自然资源航空物探遥感中心,北京 100083;2.中国地质调查局 天津地质调查中心,天津 300170;3.山东省地质调查院,山东 济南 250104)摘 要:山东省齐河禹城地区于不同年份开展过高精度航磁测量,为了更好地实现老资料的合理再利用,对已有数据进行融合处理形成更大比例尺的高精度航磁资料是十分必要的。本文以 2011 年和 2017 年两次航磁测量数据为基础,经过数据改正、延拓、合并等处理,使用切割线调平、弱磁场区调平以及微调平等方法,融合形成了 1 2.5万高精度航磁数据,其疏密度为 25016.2 m,总精度为 1.3 nT。新数据具有更好的分辨力,包含更丰富的地球物理信息,填补了该地区 12.5 万航磁资料的空白,是后续数据处理和解释的重要基础资料。关键词:齐河禹城地区;数据融合;航空地球物理;磁场水平调整中图分类号:P631 文献标识码:A 文章编号:1000-8918(2023)04-1071-07收稿日期:2022-07-13;修回日期:2022-08-19基金项目:ND工程区航空物探调查(DD20221640);青岛海洋科学与技术试点国家实验室“问海计划”项目(2021WHZZB0400);国家重点研发计划项目(2017YFC0602201);山东省地质勘查项目(鲁勘字(2020)63 号)第一作者:吴成平(1982-),男,正高级工程师,从事航空地球物理数据处理和综合解释工作。Email:chengpingwu 0 引言航空地球物理资料是深部地质矿产勘查十分有效的手段,而大比例航空地球物理资料可以获取更加丰富的地质地球物理信息。然而,想要获取大比例的航空地球物理资料,往往需要付出更高成本。通过利用已有的航空地球物理资料,融合形成更大比例尺的资料是一种经济、有效和便捷的方法。山东省齐河禹城地区开展过多次航空地球物理测量,随着航空地球物理探测仪器和导航定位系统精度的不断提高,数据质量也不断提高,但是该地区缺少比例尺大于 1 2.5 万的高精度航空地球物理资料。2011 年和 2017 年分别在该地区开展了比例尺为 1 5万的航空地球物理测量,为融合形成 1 2.5万比例尺的航空地球物理资料提供了有利条件。在数据融合方面,前人主要利用数学方法或地球物理反演方法进行重磁数据融合。支澳威等1以船磁为基准,在航磁、船磁水平位置和高程改正基础上,利用克里金插值方法实现两者的融合。刘福香等2采用空间域迭代法延拓、加权平均、回归分析等方法将不同观测手段获得的位场数据在同一标准下归算至同一平面或曲面,提出适用于多维多尺度重磁位场数据融合方法。郝燕玲等3基于移去恢复技术的融合方法构建高精度海洋重力图。Minty 等4利用加权最小二乘法使不同网格数据叠合区误差最小,达到数据融合、拼接的目的。而本文采用了不同的思路,在数据预处理基础上,使用磁场水平调整方法(简称调平)进行数据融合,以实测切割线磁场作为参考磁场,通过切割线调平、弱异常区调平方法5和微调平方法等进行齐河禹城地区航磁数据融合,形成更大比例尺的航磁资料,更加真实地反映磁场强度大小及其变化趋势,具有更丰富的地球物理信息。物 探 与 化 探47 卷 1 数据准备齐河禹城地区航磁数据融合使用的航磁资料来源于 2011 年、2017 年在该地区完成的 1 5万航空地球物理测量工作6-7,测量方式均为沿地形起伏飞行测量。其中 2011 年数据(图 1a)基本覆盖研究区,但未覆盖研究区西北角部分地区,2017 年数据(图 1b)东侧边部不完整。上述两次航空地球物理测网交错布置,即在原15万比例尺数据(测线间距 500 m)基础上进行了加密,加密后测线间距为 250 m(图 2)。为了保证数据融合的效果,所使用的是未经过调平处理的航磁数据,只进行了航磁正常场校正和磁日变校正a2011 年航磁 T 异常;b2017 年航磁 T 异常aaeromagnetic total filed acquired in 2011;baeromagnetic total filed acquired in 2017图 1 山东齐河禹城地区航磁异常(调平后)Fig.1 Aeromagnetic total field in Qihe-Yucheng area of Shandong Province(after leveling)图 2 山东齐河禹城地区航磁测网Fig.2 Aeromagnetic survey grid in Qihe-Yucheng area of Shandong Province(图 3)。若使用调平处理的数据,因进行了滤波处理,在一定程度上融入了数据处理人员的主观认识,在局部区域会妨碍对原始磁场面貌的认识,增加后续数据融合的难度,导致更大误差。2 数据融合磁场水平调整是由于仪器观测、导航定位的点位、飞行高度以及日变观测等诸方面都存在误差,尤其在地形崎岖地区,不同测线与切割线之间飞行高度相差甚大,在交叉点形成很大的差别。在飞行后需利用测线与切割线交叉点测量观测的结果,按误差分配原理进行分配调整,使各测线统一到同一水平上8。切割线对磁场趋势及强度等起到有效地控制作用,本次数据融合采用包含切割线调平在内的调平方法,能更加真实地反映磁场面貌,使用的其他调平方法包括弱磁场区调平方法(局部调平)以及微调平方法。2701 4 期昊成平等:利用磁场水平调整方法实现航磁数据融合 以山东省齐河禹城地区为例a2011 年航磁 T 异常;b2017 年航磁 T 异常aaeromagnetic total field in 2011;baeromagnetic total field in 2017图 3 正常场和日变校正后的航磁异常(未调平)Fig.3 Aeromagnetic field map after normal field reduction and diurnal correction(without leveling)2.1 数据合并由于不同年代获取的航磁数据飞行高度是有差异的,对飞行高度进行统计发现 2011 年数据的平均飞行高度为 152 m,2017 年数据的平均飞行高度为208 m,平均高度差为 56 m,本次以最新获取的数据为基准,对 2011 年数据进行向上延拓处理;同时,由于两者零值不统一,对 2011 年数据的零值进行了调整(调整量为 45 nT);最后完成两套数据的数据库合并,合并后的航磁面貌见图 4a。2.2 切割线调平切割线大致垂直于测线方向,用于联络测线磁场水平及航空地球物理测量质量检查。切割线调平是利用实测切割线网对测线的磁场水平进行调整,使研究区内所有测线背景场的场值统一到同一水平或同一基点上9。在实际应用中,将测线与切割线交点处(交叉点)的磁场值作为调平参考值。切割线调平主要以最小二乘法原理为基础,使测线和切割线交点的差值平方和最小,实现磁场水平调整。针对齐河禹城地区 2011、2017 年两次获取的15万航磁资料,首先计算测线与切割线交叉点磁场差值,检查交叉点处磁场是否平静,同时去除磁场差值较大的交叉点,使其不参与调平过程;其次,对切割线磁场值进行修正9(也作统计调平),统一两次切割线磁场背景值 将一条切割线上各测点的磁场值减去此切割线与测线在平静交叉点处的磁场差值的算术平均值,并照此方法推广到研究区内所有切割线。最后,运用最小二乘法原理,使所有交叉点上的差值平方和最小。切割线调平后,恢复了区域磁场的宏观面貌,消除了大部分磁场条带,对部分交叉点数据不足的测线或磁场复杂、短波长的磁场条带处理效果有限(图 4b)。2.3 弱磁场区调平方法弱磁场区调平方法5是一种局部调平方法,用于处理切割线调平处理后仍存在的沿测线方向的磁场局部条带,能使后续微调平等方法10-13达到更好的处理效果。其原理是根据测线及相邻测线磁场的空间变化趋势,在测线不同位置设置磁场水平调整量 在残存磁场条带两端调整量为零,中部根据磁场变化趋势设置调整量。设置好测线上的调整量后,依据点数或者距离将调整量分配至测线的每个数据点,完成测线的局部磁场水平调整(图 4c)。可结合后续微调平结果,确定该阶段调整到何种程度以及重点调平区域。2.4 微调平方法经过上述调平处理后,航磁数据仍然存在一些微弱磁场条带,微调平方法利用频率域或空间域滤波方法去除此类磁场条带,分离地质信息与噪声10-13。空间域方法使用条件更为苛刻,而频率域方法应用更为广泛,其结果更加平滑,受局部异常或干扰异常的影响更小。空间域方法主要针对测线方3701物 探 与 化 探47 卷 a延拓和零值调整后的磁场异常;b切割线调平;c弱磁场区调平方法;d微调平amagnetic field after upward continuation and zero level altering;btie line leveling;cleveling for the weak magnetic field;dmicroleveling图 4 磁场调平方法数据融合Fig.4 Data merging with leveling methods向与网格的 x 或 y 轴方向一致的情况,通过对测线方向进行空间域低通滤波,以及对切割线方向进行空间域高通滤波,获得调平误差,用原数据减去调平误差得到微调平处理结果。参数选择方面,低通滤波窗口应大于浅源局部异常宽度,高通滤波窗口选择 24 倍的测线间距。频率域方法则是对网格进行扩边和假值填充后,使用二维滤波进行处理,本次使用 Geosoft Oasis 软件实现,其滤波方法为巴特沃斯高通滤波和方向余弦滤波组合,方向滤波器阶数取 2,巴特沃斯滤波器阶数取 6,波长选择 4 倍测线间距为宜。再通过 Naudy 滤波(波长通常为 5 倍测线间距)进一步从噪声中分离出地质信息,返回到调平结果中去。微调平基本消除了磁场条带,较好地保留了深部或浅部磁性体引起的磁场信息(图 4d)。3 数据融合效果3.1 数据质量评价对融合后的数据进行了质量评价,主要针对测网的实际分布情况以及数据精度,即测网疏密和磁4701 4 期昊成平等:利用磁场水平调整方法实现航磁数据融合 以山东省齐河禹城地区为例测总精度评价。测网疏密度反映了实际测线飞行质量,在研究区按一定间隔布置虚拟切割线(通常按 35 倍测线距布置虚拟切割线),计算实际测线间距与设计的测线间距的差值,这些差值的平均值即为全区的测网疏密度。在研究区采用 1 km 间隔布置虚拟切割线,经计算测网疏密度为 25016.2 m,测线间距主要分布在 230270 m 之间(图 5)。航磁总精度采用测线与切割线交叉点残差的均方差进行评价,经计算融合形成的 1 2.5 万数据总精度为1.30 nT。3.2 数据融合前后对比分析为了便于对比分析数据融合前后的磁场细节特征,选取了研究区部分区域进行对比研究(图 6a)。经对比,融合后 1 2.5 万数据比原 1 5万数据突出了更多的细节信息。虽然高频异常多是浅表异常源引起的,看似融合后数据的噪声更大,实则表明融合后数据具有更好的分辨能力(图 6d、e)。而且,融合后的数据在后续数据处理解释中具有更大的优势和图 5 测线间距分布Fig.5 Distribution of flight line spacinga对比分析区域所在位置,底图为航迹(不含切割线);b融合前航磁总梯度模(区);c融合后航磁总梯度模(区);d融合前航磁T(区);e融合后航磁 T(区);athe areas for contrastive analysis,the base map is the survey grid(without tie-lines);baeromagnetic total field before data merging in area;caeromagnetic total field T after data merging in area;dtotal gradient magnitude of aeromagnetic field T before data merging in area;etotal gradient magnitude of aeromagnetic filed after data merging in area 图 6 数据融合前后对比分析Fig.6 Contrastive analysis of the data before and after merging5701物 探 与 化 探47 卷 更丰富的地球物理信息,图 6b、c 为数据融合前后航磁总梯度模计算结果对比,融合后航磁总梯度模异常信息更加丰富,图 6b、c 中的 A、B、C 异常在数据融合处理后开始圈闭,更有利于研究异常源的范围及其中心位置。4 结论1)不同年代完成的航磁数据,采用等距穿插飞行测量,合理的测网布置方法保证了融合形成的数据具有均匀的测线间距。而且,利用磁场水平调整方法完成数据融合,在融合过程中磁场受实测切割线控制,能更真实地反映磁场值及其变化趋势。经统计,融合后的新数据测网疏密度为 25016.2 m、磁测总精度为 1.3 nT,满足 12.5 万航磁测量要求。2)齐河禹城地区两套航磁数据相互补充、融合,填补了原来单一数据存在的空白区(如图 3a 西北角及图 3b 东侧空白区),也填补了该地区 1 2.5万高精度航磁资料的空白。融合后的数据具有更高的分辨力,包含更丰富的地球物理信息,是该地区后续数据处理解释的重要基础资料。3)使用以往航磁数据实现数据融合,是老资料再利用,能有效地节约经济、时间、人力等成本。通过本文的研究工作,对今后在已有航空地球物理资料的地区开展航空地球物理测量时布置测网以及开展数据融合等工作具有指导意义。参考文献(References):1 支澳威,陈华根.一种不同平台磁力数据精细化融合方法J.测绘科学,2019,44(12):14-20,34.Zhi A W,Chen H G.A fine fusion method for magnetic data of dif-ferent platformsJ.Science of Surveying and Mapping,2019,44(12):14-20,34.2 刘福香,王万银,纪晓琳,等.“多维”多尺度重磁位场数据融合方法J.地球物理学报,2021,64(4):1453-1470.Liu F X,Wang W Y,Ji X L,et al.The fusion with gravity and mag-netic potential field data at multi-dimension and multi-scaleJ.Chinese Journal of Geophysics,2021,64(4):1453-1470.3 郝燕玲,成怡,刘繁明,等.融合多类型海洋重力数据算法仿真研究J.系统仿真学报,2007,19(21):4897-4900.Hao Y L,Cheng Y,Liu F M,et al.Simulation of combination algo-rithm for heterogeneous 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correction,continuation,and combination.Then,these data were merged using methods including tie-line leveling,weak magnetic data leveling,and micro-leveling.As a result,125,000 high-precision aeromagnetic data were obtained,with a survey grid spacing of 25016.2 m and total precision of 1.3 nT.The new data had higher resolution and contain richer geophysical information.This study fills the gap of 1 25,000 aeromagnetic data of the study area and provides important basic data for subsequent data processing and interpretation of the study area.Key words:Qihe-Yucheng area;data merging;aerogeophysical survey;magnetic field leveling(本文编辑:王萌)7701