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薛国强等-TGRS:基于模型-数据混合驱动的SOTEM数据三维反演
2024-01-18 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)是由新京葡萄最新官网研究人员发明的电磁探测新方法,以其精度高、深度大、效率高等优势,已成为2 km深度以浅矿产资源、工程环境、清洁能源勘查的重要方法之一。该方法在近源情况下进行观测,具有数据量大、信息多、处理难的特点。

模型驱动反演算法严重依赖于初始模型,主观性强,很容易陷入局部最优解,精度受限;数据驱动反演算法虽不依赖于初始模型,但物理机制不清晰,计算成本高,速度受限。薛国强研究员团队提出了一种基于模型驱动和数据驱动的混合算法,通过参数优化、驱动升级和混合加速三个步骤,实现速度与精度兼顾的反演。相较于传统算法,他们提出的混合算法计算效率可提升75%,且目标体的边界刻画更为清晰准确。

首先采用等级状拓扑结构和概率密度函数重新定义精英粒子(公式1),提升粒子寻优能力,实现驱动升级;然后将三维反演中常用的拟牛顿算法作为粒子群算法的加速器,实现反演效率加速。

                (1)

引入加权策略(公式2)和飞行策略(公式3)作为混合策略。加权策略定义了新的混合算法的模型更新公式,实现两种算法间的融合可以更好地兼顾速度和精度;飞行策略提升了混合算法中个体粒子的跃迁能力,同时反演计算时间成本大幅压缩。

              (2)

        (3)

大量数值模拟结果表明,相较于传统粒子群算法和拟牛顿算法,他们提出的混合算法对数据量的依赖性下降到三分之二,计算时间压缩到原来的三分之一(图1),且具有抗噪能力强(图2)、稳定性好和分辨率高(图3)等优点。

图1 不同算法寻优路径对比。(a) 拟牛顿算法; (b) 粒子群算法;(c) 未优化混合算;(d) 本文提出的混合算法。图中虚线代表寻优路径

图2 不同噪声水平下的反演结果

图3 拟牛顿反演算法(a)与粒子群-拟牛顿混合算法(b)反演结果对比

他们将该混合算法应用于内蒙古某煤矿采空区SOTEM探测数据的反演。利用自研装备系统(图4a)共完成11条SOTEM测线,线距为20 m,点距为10 m,发射源长度为500 m,最小偏移距为310 m(图4b)。利用混合算法对整个数据体进行反演,获得了测区500 m深度范围内的三维电性结构(图5a),并发现了区内存在的含水采空区(图5b)。三维反演结果揭示的地层分布与钻孔结果基本吻合,验证了混合算法的准确性和实用性。

图4 内蒙古某煤矿SOTEM数据采集。(a)自研探测装备;(b)收发布置图

图5 混合算法三维反演结果(a)三维电性结构(b)典型剖面钻孔对比情况

该研究提出的混合算法,不需要计算灵敏度矩阵,保证了反演进程的稳定性。其中数据驱动算法(粒子群算法)的全局寻优能力能够保证反演精度,模型驱动算法(拟牛顿算法)的超线性收敛特征能够保证反演速度。这一成果可为SOTEM数据的高精度反演解释提供有力的技术手段。

研究成果发表于国际学术期刊IEEE TGRS(薛国强,何一鸣,陈卫营,武欣,宋婉婷. 3-D inversion based on the particle swarm optimization-quasi-newton hybrid algorithm for SOTEM[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2023, 61, 5905811. DOI: 10.1109/TGRS.2023.3259146)。研究得到了国家自然科学基金项目(42030106, 42274192)、第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK0804)、新京葡萄最新官网重点部署项目(IGGCAS-201901)和新京葡萄最新官网科研仪器设备研制项目 (YJKYYQ20190004)的共同资助。

 
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