基于小波变换的地震勘探数据压缩的研究

作     者：徐锋涛 

作者单位：长江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张正炳

授予年度：2016年

学科分类：081801[工学-矿产普查与勘探] 081802[工学-地球探测与信息技术] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：地震数据压缩 小波变换 JPEG2000核心算法 EZW编码 信噪比 

摘      要：随着地震勘探技术的不断发展,通过多维度、多参数、多分量、高分辨率所采集的地震勘探数据量以指数形式快速增长着,这必然对现有存储器的存储容量、计算机处理所要求的处理速度以及实时性、数据进行远程网络传输所要求的带宽造成了非常巨大的压力和挑战。因此,对地震勘探数据进行有效压缩以减少数据的传输存储具有十分重要的意义。针对二维地震勘探数据的特点,文本选用了基于小波变换的JPEG2000标准所使用的核心算法和EZW编码算法分别对叠前地震数据和叠后地震数据进行压缩与解压缩实验。其中,在利用JPEG2000核心算法压缩地震勘探数据的实验过程中,对现有的JPEG2000算法体系结构作出修改,省去预处理操作和颜色变换操作,将原先仅适用于图像数据的读取操作改写为适用于大动态范围的地震勘探数据的读取处理,首先对二维地震信号进行5层W5/3小波提升变换,将原信号中的绝大部分能量集中在少数低频子带系数上;然后经过量化操作,去除一定的冗余信息;之后让变换系数经过Tier-1编码,利用8领域系数上下文对变换系数的重要性进行预测,经MQ算术编码器得到编码比特流;最后通过Tier-2编码部分,将比特流分段形成多个质量层,根据预先所设定的压缩比特率选择丢弃最不重要的几个质量层,以形成最终的压缩数据。实验结果表明,对叠前地震数据压缩5倍时,信噪比(SNR)可达40dB以上,对叠后地震数据压缩15倍时,SNR可达30dB以上。较为成功的将JPEG2000核心算法从图像编码领域引用到地震勘探数据压缩领域。在利用EZW算法压缩地震勘探数据的实验过程中,对现有的EZW编码算法的体系结构作出修改,将原先仅适用于图像数据的读取操作改写为适用于大动态范围的地震勘探数据的读取处理,首先对二维地震信号按Mallat快速算法进行5层小波变换,将原信号中的绝大部分能量集中在少数低频子带系数上;然后经过量化操作,去除一定的冗余信息;然后对量化后的变换系数进行EZW编码,在该模块中,变换系数的重要性将根据小波变换域的树型结构进行零树预测,将对变换系统的编码转化为对POS、NEG、ZTR、IZ这四类符号的编码,产生有损压缩比特流。此外,为了进一步提高压缩倍数,在整个EZW编解码系统设计的最后,选用了在无损压缩方法中性能较优的自适应算术编码作为最后的熵编码器,对EZW编码比特流进行无损熵编码,实现了将有损压缩方法与无损压缩方法相结合的混合编码方法。实验结果表明,对叠前地震数据压缩4倍时,信噪比(SNR)可达50dB以上,而选用合适的小波基对叠后地震数据压缩16倍时,SNR可达30dB以上。较为成功的将EZW算法从图像编码领域引用到地震勘探数据压缩领域。此外,在EZW算法的压缩实验中,选取了常见的十多种小波基分别进行压缩。实验结果进一步表明,二维地震勘探数据有着与图像数据相区别的结构特性,其压缩效果与所选用的小波基的特性以及地震信号波形与小波基函数的相似程度有关。