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(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023) (長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢 430100)

針對地震勘探數(shù)據(jù)壓縮的JPEG 2000算法改進(jìn)

張正炳，楊順遼，徐鋒濤桂志先

(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北荊州434023) (長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北武漢430100)

為減輕海量地震數(shù)據(jù)給地震勘探的遠(yuǎn)程質(zhì)量監(jiān)督所帶來的巨大壓力，對靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000算法進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)：去掉了原編碼算法中用于均值調(diào)整的預(yù)處理和用于色彩處理的分量間變換2個(gè)部分及其在解碼器中的對應(yīng)部分，改進(jìn)了數(shù)據(jù)輸入輸出的動(dòng)態(tài)范圍和編解碼器所能表示的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍，使其與地震數(shù)據(jù)的大動(dòng)態(tài)范圍相匹配。利用改進(jìn)后的算法對地震數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明，對疊前數(shù)據(jù)壓縮5倍以下時(shí)，信噪比高于42dB，效果較好，對疊后數(shù)據(jù)壓縮15倍以下時(shí)，信噪比高于30dB。

地震數(shù)據(jù)壓縮，JPEG2000，地震勘探

地震勘探是目前最主要的油氣勘探方法，為了提髙地震資料的成像精度和分辨率，利用超萬道地震儀器來實(shí)施兩寬一高(寬頻寬方位高密度)和多波多分量勘探，使得地震勘探數(shù)據(jù)量呈爆炸性增長，無論是地震儀器采集的數(shù)據(jù)還是處理中的道集數(shù)據(jù)都達(dá)到TB級(jí)，是名副其實(shí)的海量數(shù)據(jù)。在采集方面，利用一套無線地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)GSR，每天采集的數(shù)據(jù)達(dá)到2TB左右[1]。新疆油田近年來在準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖地區(qū)部署的多塊高密度三維勘探中，MC井區(qū)三維面元12.5m×12.5m，炮道密度806.4萬道/km2，采集的數(shù)據(jù)高達(dá)60TB[2]。在處理方面，以方位各向異性分析為核心的OVT(炮檢距向量片)域疊前地震屬性分析，充分利用疊前地震資料蘊(yùn)含的地質(zhì)信息和流體信息，可更有效地進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測，是寬方位高密度地震勘探的配套技術(shù)。將利用OVT技術(shù)處理得到的疊前地震道集稱為OVT道集，則一個(gè)中型地震工區(qū)的OVT道集總數(shù)據(jù)量可達(dá)5～10TB[3]。另據(jù)統(tǒng)計(jì)，在過去數(shù)年間，單位勘探面積的地震數(shù)據(jù)量增長超過了35倍，單個(gè)地震數(shù)據(jù)體的規(guī)模也已超過100TB[4]。

海量數(shù)據(jù)給地震勘探數(shù)據(jù)的傳輸、處理和存儲(chǔ)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。海量數(shù)據(jù)給地震數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)所帶來的主要問題是要占用極大的存儲(chǔ)空間，從而增加存儲(chǔ)成本；給傳輸所帶來的主要問題是極大地增加了傳輸帶寬需求，同時(shí)也增加了傳輸時(shí)間。而海量地震數(shù)據(jù)的傳輸又不可避免，這是因?yàn)樵诘卣鹂碧降臄?shù)據(jù)采集與處理過程中，常常需要從邊遠(yuǎn)地區(qū)、海上甚至國外通過衛(wèi)星或其他途徑傳輸?shù)交剡M(jìn)行處理[5，6]；在地震資料處理和解釋過程中，也經(jīng)常需要在工作站之間通過局域網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)[6]。更嚴(yán)重的是，因數(shù)據(jù)量太大、傳輸時(shí)間過長往往會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)斷線而必須重傳，甚至可能完成不了完整的數(shù)據(jù)傳輸，以致所接收到的數(shù)據(jù)無法使用，這給跨國或跨探區(qū)作業(yè)的地震勘探質(zhì)量監(jiān)督帶來了困難。因此，海量地震數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)、傳輸和處理過程中迫切需要壓縮。

地震勘探數(shù)據(jù)壓縮方法按照有無信息丟失可分為無損壓縮和有損壓縮2大類。無損壓縮方法能保證解壓數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)完全一樣，因此特別適合于對解壓后還需要做進(jìn)一步處理的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，但其壓縮效率低，一般壓縮倍數(shù)在2倍左右。有損壓縮在允許有少量信息損失的情況下可以獲得高倍壓縮，該方法壓縮倍數(shù)較高，但存在信息丟失。

JPEG2000算法[7]是JPEG[8]的升級(jí)版本，支持圖像數(shù)據(jù)的有損和無損壓縮，壓縮率比JPEG高約30%，實(shí)現(xiàn)了圖像的漸進(jìn)傳輸，支持感興趣區(qū)域編碼，并采用離散小波變換(DWT)克服了JPEG采用離散余弦變換(DCT)導(dǎo)致在高倍壓縮時(shí)方塊效應(yīng)明顯的缺點(diǎn)，在靜態(tài)醫(yī)學(xué)圖像壓縮[9]、遙感影像壓縮[10]、無線圖像傳輸[11]、地震數(shù)據(jù)準(zhǔn)無損壓縮[12]和圖像聯(lián)合壓縮加密[13]等許多方面得到應(yīng)用。但由于JPEG2000是針對小動(dòng)態(tài)范圍的圖像數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的，不能直接用于超大動(dòng)態(tài)范圍的地震數(shù)據(jù)有損壓縮，所以對JPEG2000核心算法進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)后用于地震勘探數(shù)據(jù)壓縮，對于在跨國或跨探區(qū)作業(yè)的地震勘探質(zhì)量監(jiān)督中降低遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求和有效縮短傳輸時(shí)間，從而降低數(shù)據(jù)傳輸成本具有重要實(shí)際意義。

1 JPEG2000算法

JPEG2000算法的核心編解碼結(jié)構(gòu)[7]如圖1所示，由編碼器和解碼器所構(gòu)成。其中，編碼器由預(yù)處理、正向分量間變換、正向分量內(nèi)變換、量化、Tier-1編碼器、Tier-2編碼器和位率控制等7部分組成；解碼器對應(yīng)地由后處理、反向分量內(nèi)變換、反向分量間變換、反量化、Tier-1譯碼器、Tier-2譯碼器等6部分組成。由于解碼是編碼的逆過程，所以解碼器中的每個(gè)組成部分的運(yùn)算都分別與編碼器中的對應(yīng)部分相逆。

圖1 JPEG2000算法編解碼結(jié)構(gòu)

在圖1中，預(yù)處理和后處理互為逆過程，是針對像素值為無符號(hào)整數(shù)的圖像數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的，目的是為了將均值非零的原始數(shù)據(jù)調(diào)整成均值為零的數(shù)據(jù)，以利于有效編碼。正向分量間變換和反向分量間變換互為逆過程，是針對多分量的圖像數(shù)據(jù)(如R、G、B 3分量彩色圖像等)而設(shè)計(jì)的，目的是減少各分量間的冗余，以便提高壓縮倍數(shù)。正向分量內(nèi)變換和反向分量內(nèi)變換分別完成小波正變換和小波反變換，有Mallat分解算法和小波提升方案2種算法可選。Tier-1編碼器和Tier-2編碼器用于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化截?cái)嗲度雺K編碼算法(EBCOT：Embedded Block Coding with Optimized Truncation)，而Tier-1譯碼器和Tier-2譯碼器用于實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的解碼算法。

2 改進(jìn)思路

JPEG2000算法是針對圖像數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的，而地震勘探數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)之間存在很大差異，不能直接將JPEG2000用于地震數(shù)據(jù)壓縮，因此需要對其進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。為使JPEG2000算法適合于地震數(shù)據(jù)壓縮，對其進(jìn)行改進(jìn)的思路如下：

1)圖像數(shù)據(jù)一般是具有3個(gè)分量的彩色圖像數(shù)據(jù)，每個(gè)分量都是無符號(hào)整數(shù)，因此需要利用預(yù)處理將各分量變成均值為零的有符號(hào)數(shù)據(jù)；而地震勘探數(shù)據(jù)本身就是單分量、零均值的數(shù)據(jù)，因此不需進(jìn)行預(yù)處理和正向分量間變換；

2)圖像數(shù)據(jù)的每個(gè)分量一般是8位的無符號(hào)整數(shù)，因此其表示范圍只是0～255，動(dòng)態(tài)范圍很?。欢卣鹂碧綌?shù)據(jù)一般為使用24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集、并用SEG-Y格式記錄的32位IBM浮點(diǎn)數(shù)，動(dòng)態(tài)范圍非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圖像數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍。但是，原始的JPEG2000編解碼算法只適合于壓縮較小動(dòng)態(tài)范圍的圖像數(shù)據(jù)，而無法直接用于壓縮超大動(dòng)態(tài)范圍地震數(shù)據(jù)。因此，必須擴(kuò)大其可表示數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍，以便與地震勘探數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍相適應(yīng)。

3)小波提升方案更適合于地震數(shù)據(jù)分解的優(yōu)良特性。

3 算法改進(jìn)

根據(jù)改進(jìn)思路對JPEG2000算法作如下改進(jìn)：

1)刪除圖1中編碼器的預(yù)處理、正向分量間變換及其解碼器的對應(yīng)部分；

2)采用提升方案進(jìn)行小波正變換和反變換；

3)改進(jìn)編解碼器所能表示的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍以及原始數(shù)據(jù)輸入和重建數(shù)據(jù)輸出動(dòng)態(tài)范圍，使其適應(yīng)大動(dòng)態(tài)范圍的地震勘探數(shù)據(jù)輸入、輸出和編解碼。

圖2 改進(jìn)后的JPEG2000算法流程圖

改進(jìn)后的JPEG2000算法流程如圖2所示。利用改進(jìn)算法壓縮地震數(shù)據(jù)的過程是，首先對二維原始地震數(shù)據(jù)進(jìn)行5層W5/3小波提升變換，以便將絕大部分能量集中在少數(shù)低頻子帶系數(shù)上；然后經(jīng)過量化操作，去除一定的冗余信息；之后讓變換系數(shù)經(jīng)過Tier-1編碼，利用8鄰域系數(shù)上下文對變換系數(shù)的重要性進(jìn)行預(yù)測，經(jīng)MQ算術(shù)編碼器得到編碼比特流；最后通過Tier-2編碼部分，將比特流分段形成多個(gè)質(zhì)量層，根據(jù)預(yù)先所設(shè)定的壓縮比特率選擇丟棄最不重要的幾個(gè)質(zhì)量層，以形成最終的壓縮數(shù)據(jù)。解壓縮是壓縮的逆過程，對壓縮數(shù)據(jù)解壓縮得到重建地震數(shù)據(jù)。

4 地震數(shù)據(jù)壓縮試驗(yàn)

在地震數(shù)據(jù)壓縮方面，還沒有能夠反映因壓縮所產(chǎn)生的信息丟失對后續(xù)處理結(jié)果的影響程度的技術(shù)指標(biāo)。目前，用于評價(jià)解壓數(shù)據(jù)質(zhì)量的常用技術(shù)指標(biāo)有信噪比、相對誤差、能量比、能量損失和重建精度等，而這些指標(biāo)之間具有一定的關(guān)聯(lián)，因此，筆者選用目前用得較多的信噪比(SNR)作為評價(jià)解壓數(shù)據(jù)質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)。

表1 對疊前數(shù)據(jù)壓縮5～20倍和對疊后數(shù)據(jù)壓縮5～120倍的SNR

利用改進(jìn)算法分別對512道、每道512樣點(diǎn)的SEG-Y格式疊前原始地震數(shù)據(jù)(其局部顯示見圖3)和疊后原始地震數(shù)據(jù)(其局部顯示見圖4)進(jìn)行壓縮和解壓縮試驗(yàn)，并將根據(jù)原始數(shù)據(jù)和解壓重建之間的差值計(jì)算得到的信噪比(SNR)作為衡量重建數(shù)據(jù)質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)。SNR值越大，表明重建數(shù)據(jù)的信息丟失越少，質(zhì)量就越好。對疊前數(shù)據(jù)壓縮5～20倍和對疊后數(shù)據(jù)壓縮5～120倍的SNR如表1所示。由表1可見，在保持SNR值相近的情況下，對疊后數(shù)據(jù)的壓縮倍數(shù)遠(yuǎn)高于疊前數(shù)據(jù)；而在保持壓縮倍數(shù)相同的情況下，疊后數(shù)據(jù)的SNR值遠(yuǎn)高于疊前數(shù)據(jù)。該結(jié)果表明，疊前數(shù)據(jù)比疊后數(shù)據(jù)難以壓縮，主要原因是疊前數(shù)據(jù)是未經(jīng)任何處理的野外采集數(shù)據(jù)，與經(jīng)過濾波和疊加等系列處理后的疊后數(shù)據(jù)相比，其中含有更高的頻率成分和更多的噪聲。因此，在壓縮疊前數(shù)據(jù)的同時(shí)，對噪聲進(jìn)行適當(dāng)壓制既可提高壓縮倍數(shù)，又可突出有效信號(hào)，將為疊前數(shù)據(jù)壓縮方法的研究提供新的思路。

圖3 原始疊前數(shù)據(jù)

對疊前數(shù)據(jù)壓縮5倍(SNR=42.39dB)和15倍(SNR=12.3dB)后的解壓重構(gòu)數(shù)據(jù)的對應(yīng)局部顯示如圖5所示，與圖3對比可見，當(dāng)壓縮倍數(shù)在15倍以下時(shí)，重建數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的剖面顯示并無明顯差別。綜合分析表1、圖3、圖5和圖6的結(jié)果可知，當(dāng)利用改進(jìn)算法對疊前數(shù)據(jù)壓縮5倍以下時(shí)，信噪比可達(dá)42dB以上，保真度較高；但當(dāng)壓縮倍數(shù)超過10倍以后，信噪比降到20dB以下，造成較大失真，筆者認(rèn)為會(huì)對后續(xù)處理產(chǎn)生較大不利影響。當(dāng)對疊前數(shù)據(jù)壓縮15倍時(shí)，其地震剖面顯示效果與原始數(shù)據(jù)并無明顯差異，故可用于地震勘探過程中的遠(yuǎn)程質(zhì)量監(jiān)控。

圖4 原始疊后數(shù)據(jù)

對疊后數(shù)據(jù)壓縮20倍(SNR=25.1dB)和60倍(SNR=17.36dB)后的重構(gòu)數(shù)據(jù)的對應(yīng)局部顯示如6所示，與圖4對比可見，當(dāng)壓縮倍數(shù)在60以下時(shí)，重建數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的剖面顯示也無明顯差別。綜合分析表1、圖4、圖6的結(jié)果可知，當(dāng)用改進(jìn)算法對疊后數(shù)據(jù)壓縮15倍以下時(shí)，信噪比可達(dá)30dB以上，肉眼不能分辨重構(gòu)結(jié)果與原始數(shù)據(jù)之間的差別，可以用于處理過程中的質(zhì)量監(jiān)督；但當(dāng)壓縮倍數(shù)超過30以后，信噪比下降到20dB以下，造成較大失真，會(huì)對后續(xù)處理產(chǎn)生較大的不利影響。由于當(dāng)壓縮倍數(shù)在60以下時(shí)，重建數(shù)據(jù)的剖面顯示與原始數(shù)據(jù)無明顯差異，所以仍然可以用于處理過程中的質(zhì)量監(jiān)督。

圖6 對原始疊后數(shù)據(jù)壓縮的重構(gòu)結(jié)果

5 結(jié)語

對JPEG2000算法進(jìn)行了改進(jìn)并將其用于疊前和疊后地震數(shù)據(jù)壓縮，試驗(yàn)結(jié)果表明，對疊前數(shù)據(jù)壓縮5倍以下時(shí)，信噪比高于42dB，效果較好，對疊后數(shù)據(jù)壓縮15倍以下時(shí)，信噪比高于30dB。當(dāng)需要對壓縮重建數(shù)據(jù)作后續(xù)處理時(shí)，壓縮倍數(shù)不宜太大，若只是用于質(zhì)量監(jiān)督，則可對疊前數(shù)據(jù)和疊后數(shù)據(jù)分別壓縮15倍和60倍左右。由于筆者所采用的信噪比與油氣分析結(jié)果沒有直接關(guān)聯(lián)而無法準(zhǔn)確評價(jià)編解碼效果，因此在以后的研究中擬采用測井資料或過井剖面來協(xié)助分析壓縮失真對后期油氣分析的影響程度。

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[編輯]易國華

2017-08-19

張正炳(1961-)，男，博士，教授，現(xiàn)主要從事數(shù)據(jù)壓縮方面的教學(xué)與研究工作，zhangzb@yangtzeu.edu.cn。

引著格式張正炳，楊順遼，徐鋒濤，等.針對地震勘探數(shù)據(jù)壓縮的JPEG 2000算法改進(jìn)[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2017,14(21)：1～6.

TP391

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1673-1409(2017)21-0001-06