复杂地形三维直流电阻率有限元数值模拟

系统地论述了用有限单元法研究复杂地形条件下三维直流电阻率的正演计算技术.首先给出了三维构造中点源电场的边值问题以及相应的变分问题;然后利用有限单元法求解变分问题,采用四面体单元对研究区域进行剖分,在单元中进行三线性函数插值,将变分方程化为线性代数方程组;最后,考虑到节约计算时间,利用对称超松弛顸条件共轭梯度迭代算法求解大型线性方程组,得到了各节点的电位值,进而计算出地表的视电阻率.通过理论模型的计算检验了算法的可行性之后,给出了几种常见纯地形异常的数值模拟结果和一个组合模型的计算结果,其研究工作为研究三维直流电阻率反演奠定了基础.     

基于深度残差网络与MVMD的多通道地磁信号处理

地磁数据在地震预报、空间天气监测、矿产资源勘查、地球深部构造探索等领域具有重要价值.但现有的地磁台站观测数据受到人文噪声污染的问题日益严重,给地球内部高精度成像带来了极大困难.为此,我们将深度残差网络(residual network, ResNet)与多元变分模态分解(multivariate variational mode decomposition, MVMD)引入到地磁信号的处理,提出一种新颖的多通道地磁信号处理方法.首先,利用深度残差网络对大量人工标记的数据集进行训练,得到基于残差网络的地磁信噪识别模型;然后,利用训练好的模型识别出观测信号中的含噪片段;之后,利用MVMD对含噪片段进行多通道的信噪分离,得到去噪后的片段;最后,用去噪后的片段代替原始观测信号中的含噪片段,得到完整的高质量信号.为验证方法的有效性,我们设计了仿真实验,结果表明所提方法可以将观测信号的信噪比提高约15 dB,相对于变分模态分解(variational mode decomposition, VMD)、互补集合经验模态分解(complementary ensemble empirical mode ...     

电性任意各向异性且分块连续变化CSAMT三维有限元数值模拟

考虑地球介质电导率任意各向异性且随空间位置连续变化的情况,本文实现了直接求解电磁场的可控源音频大地电磁测深（CSAMT）三维有限元数值模拟.首先给出了电导率任意各向异性介质中CSAMT二次电场满足的控制方程及其相应变分问题,然后采用任意六面体单元对研究区域进行剖分,在网格单元中对任意各向异性电导率进行线性插值,解决了实际工作中岩矿石电导率各向异性且连续变化的情况,将变分问题转化为线性代数方程组的求解.电导率各向异性且连续变化一维模型三维有限元数值模拟结果与电导率各向异性且分层均匀渐进模型解析解结果对比验证了方法的有效性;三维地电模型电导率随位置线性变化且各向同性、主轴各向异性、方位各向异性和倾斜各向异性的数值模拟结果表明,电导率各向异性且连续变化对CSAMT视电阻率和相位数据均有明显的影响.     

时间域航空电磁数据的反演

本文用广义逆矩阵理论讨论了时间域航空电磁数据的反演方法.以水平二层大地和球体模型为例进行了计算,结果表明这种方法对时间域电磁数据的反演是行之有效的.对于理论数据,一般仅需迭代数次即可稳定地收敛到真值.通过奇异值分析,可以确定一个模型中的相对重要参数和无关紧要参数;对于求解某一特定参数,可确定哪些数据起决定性的作用.由奇异值分解而得出的信息密度矩阵、模型分辨矩阵,分别给出了模型响应拟合数据和模型参数分辨率的度量.这些信息对于时间域航空电磁系统的设计、野外测量和资料解释都具有重要的参考价值.最后给出了实例.     

小光斑激光雷达全波形数据递进分解与相对辐射校正

小光斑全波形激光雷达作为新一代对地观测主动光学遥感技术,近年来得到了广泛关注与应用.波形数据分解与辐射校正是波形数据处理的重要环节,它直接影响着信息提取和波形数据进一步应用.本文以高斯混合模型为数学基础,采用逐级递进分解的策略,建立小光斑激光雷达波形数据的高斯分解方法;考虑激光雷达系统获取数据过程中激光初始发射脉冲和不同观测角度大气程辐射的差异,在高斯拟合模型的基础上,建立波形数据的相对辐射校正模型.采用小光斑激光雷达波形数据对提出的递进高斯分解与相对辐射校正方法进行验证,结果表明递进分解能够准确的确定波形数据峰值个数、位置与宽度,在波形分解基础上进行的相对辐射校正能够提高相同地物波形数据的相似性.     

基于广义S变换研究地震地层特征

将S变换引入到地震地层研究中,用广义S变换代替短时Fourier变换或连续小波变换,用于地震数据频谱分解和提取地震旋回特征.为此,首先研究了S变换的性质及其与短时Fourier变换、连续小波变换的比较,进一步给出广义S变换的特点,说明其如何获得更高分辨率.同时,对前述方法进行数值实现,模型数据试算结果表明算法的正确和有效性.在上述工作基础上,本文首次提出用广义S变换进行地震频谱分解和研究地震旋回,给出实现策略及2D实际地震数据试算结果,证明方法的有效性,为进一步实用化奠定理论和方法基础.     

冠层光谱的多项式分析及生化参量反演

提出了一种冠层光谱的多项式表达模型和分解方法, 并将它用于反演冠层多角度光谱数据获取生化参量. 首先叙述了多项式表达的基本公式, 并分析了多项式的n阶项及系数的物理意义, 在此基础上给出完整的多项式表达模型, 以及反演多项式系数的分解方法. 通过对SAILH模型模拟的冠层光谱的分解, 多项式表达不仅能很好地拟合冠层光谱, 而且揭示了冠层的每一次散射对总反射的贡献. 以一次散射系数a₁₀和a₀₁为例, 可以看到多项式系数很好地反映了冠层光谱中的热点现象及观测角度、叶面积指数和叶倾角的影响. 利用多项式表达与叶片模型PROSPECT的耦合, 建立了冠层生化参量反演模型. 分别利用两种不同的冠层模型(SAILH模型和4-SCALE模型)模拟了冠层多角度光谱数据, 然后以多项式表达+PROSPECT模型反演, 以提取生化参量, 都取得了理想的结果. 在此基础之上, 利用实测的玉米冠层多角度光谱数据, 也获得了较为准确的叶绿素含量反演结果. 说明多项式分析提供了不依赖于特定冠层模型而反演生化参量的一条新思路.     

基于密度模型稀疏表征的重力反演方法

重力反演是恢复地下密度空间分布的有效工具,而选择合理的密度模型约束方法是提升重力反演分辨率和可靠性的关键.常规约束方法大多是从剖分网格空间中的密度模型出发,通过调整光滑或稀疏约束权重来匹配反演目标,但当地质体类型多样、异常分离不准确及网格剖分方案不合理时,模型约束的合理性与灵活性难以得到有效保证.为此,本文提出了一种基于密度模型稀疏表征的重力反演方法.首先假设待反演的密度模型表征为模型特征矩阵和稀疏分解系数的线性组合,之后重新推导了重力反演目标函数,并给出了分解系数的稀疏求解过程.相比现有重力反演方法,用于构建模型特征矩阵的特征模型可包含不同类型地质体的先验几何信息,分解系数的稀疏性保证了待反演目标来自于最典型的地质模式组合.最后,通过模型试验及实际资料验证了基于密度模型稀疏表征的重力反演方法的有效性.     

3D高阶抛物Radon变换地震数据保幅重建

本文结合传统3D抛物Radon变换（PRT）和AVO数据正交多项式拟合,给出了3D高阶抛物Radon变换方法（HOPRT）.该变换增加了描述AVO数据变化的梯度信息和曲率信息,拓展了传统3D抛物Radon变换方法,使其在具有AVO特征的数据重建中具有更高的准确度,从而提高AVO分析的可靠性.文中给出了3D高阶抛物Radon变换进行地震数据保幅重建的流程.理论模型和实际地震资料的重建结果显示了本文方法的优点.     

张掖MS 5.0级地震前高台钻孔应变异常变化研究

张掖MS 5.0级地震前,高台分量式钻孔应变出现了显著的异常变化,排除供电、调零、气压等影响观测数据的干扰因素,研究发现该异常可能是地震前兆异常.利用离散小波分解、超限率、应变变化过程和方位角变化等分析方法提取异常,综合分析发现:NE分量和NW分量出现了破年变低值异常,NE分量较往年最低点达到-64745.46×10-8,超出同期2013—2018年年变均值54.38％,NW分量数据最低点达到最低值-65663.8×10-8,最大超出同期2013—2018年年变均值17.68％;求解(ε1,ε2,φ)后,半长轴ε2持续缓慢增大,半短轴ε1加速增大张力增强,达到最大值26814.1×10-8,后张力加速减小至6441.6×10-8,震后应力逐步恢复至同期均值大小.方位角φ出现大幅偏转;替换量的差分曲线、小波分解曲线、超限率曲线在4月至8月出现明显毛刺增加现象.地震前兆异常明显,异常信息可靠.     

基于混合优化算法的MT阻抗张量畸变分解方法

在前人研究基础上,对Groom-Bailey(GB)张量分解畸变因子和区域阻抗的求解方法进行了改进.首先,通过Swift旋转与GB分解的扭变和剪切矩阵的求逆变换,利用变换后区域阻抗主对角元素为0的条件获得关于扭变因子和剪切因子的超定方程组,采用模拟退火全局优化算法进行求解.其次,由得到的扭变因子和剪切因子,结合Swift旋转确定的走向角和区域阻抗元素的估计,作为非线性最小二乘局部优化算法的初始值,对GB分解定义式的超定方程组进行求解,得到各畸变参数和区域阻抗的解.通过模型试验验证了方法的正确,对方法的稳定性进行了比较与评价,并通过与已有结果的对比和实际资料的应用,表明了方法实际应用的效果.     

电导率连续变化的三维电阻率测深有限元模拟

针对地下岩矿石的物性参数常常是连续变化的情况,给出了电导率分块连续变化的三维地电断面电阻率测深的有限元数值模拟方法. 首先列出了三维地电断面点源电场的变分问题;然后利用有限单元法解变分问题,采用六面体单元对研究区域进行剖分,对电导率及电位均用三线性函数进行插值;并对2例模型进行了计算,将其结果与二维有限单元法的情况进行了对比,提高了精度.     

基于非规则网格声波正演的时间域全波形反演

全波形反演是地震资料处理中速度建模的有力工具,相比层析成像等速度建模方法它能够得到速度场的更高频成分.本文给出了基于声波方程格子法正演的时间域全波形反演方法,该方法用非规则、非结构化的三角网格来离散计算区域及模型参数,能实现网格粒度与反演分辨率在空间上的自动匹配,内存需求少,计算效率高;采用L-BFGS优化方法,以分频段变网格的方式实施多尺度反演.以二维Overthrust模型进行了速度反演数值测试,显示了该方法的高效性和潜力.     

基于VMD算法在地震数据时频分析中的应用

受新开发的变分模态分解(VMD)的启发,本文引入一种基于VMD的时频分析方法来分析地震数据.VMD的原理是将信号分解成具有一定中心频率的模态分量,通过这些分量来重构原始信号.这种分解方式可以降低各个模态中的残余噪声,同时进一步减少冗余的模态,很好的克服了模态混叠问题.此外,VMD是一种自适应信号分解技术,它可以非递归地将多分量信号分解为几个准正交固有模态函数,与EMD及其推广(如EEMD,CEEMD)相比,有坚实的数学基础.将VMD方法与CEEMD方法进行比较,对合成数据进行测试显示了基于VMD的时频分析方法具有更好的时频聚焦性,同时对实际数据处理也表明该方法具有突出地质特征和地层信息的潜力.     

基于褶积模型的地球物理反演模型增强

地球物理数据在采集和处理过程中,由于存在噪声、模型误差、以及数据离散化误差等系统误差,导致了异常体边界模糊和模型分辨率降低等一些不可避免的不良系统退化效应的产生.本文提出了一种新的地球物理反演模型增强方法,通过消除反演估计模型中的系统误差,压制模型中的不良系统退化效应,增强反演模型的分辨率.文章从理论上分析了数据中存在的系统误差对模型求解的影响,提出了一个新的系统误差褶积退化模型,并根据该模型提出了一种基于混合范数总变分正则化的盲反褶积模型增强算法.最后,文章通过1D线性反演增强试验和2D大地电磁反演增强试验,验证了所提出的地球物理系统退化模型的正确性,以及盲反褶积增强算法的有效性.试验结果表明,方法可以有效地提高反演参数模型的分辨率.     

基于成像域射线束建模的剩余静校正方法研究及应用

由信噪比极低的资料生成的剩余静校正模型,其信噪比通常也较低,导致剩余静校正效果不理想,因此提高模型的信噪比,在提高资料处理品质中有着极其重要的意义.文章提出了一种基于成像域射线束建模的剩余静校正的方法.该方法是采用成像域射线束建模对数据进行分解和重构,并且根据不同的分解级数和分解尺度,分解和重构成不同成分的数据,该方法在重构的过程中加入倾角场的约束,能有效保护高陡构造.成像域射线束建模得到的第一级分量为数据的主要成分,构造保真,信噪比高,把该分量作为外部模型,进行外部模型剩余静校正.把本文方法在低信噪比资料进行应用,提高低信噪比资料的剩余静校正效果,有效的改善了资料处理成果的品质.     

基于3DDelaunay剖分算法的重力建模与分析

地质体的重力建模是正确解释和应用重力资料的关键问题之一.针对非规则形状变密度的三度体,本文提出了基于3D Delaunay剖分算法的重力建模方法.采用3D Delaunay剖分算法将三维目标地质体分解为若干变密度四面体体元,推导了基于四面体体元的重力正演公式,建立了剩余密度值与重力异常值的线性方程组;以变密度的长方体和倾斜台阶组合体为例,比较分析了常规块体算法和3D Delaunay剖分算法应用于重力正演的有效性,并采用共轭梯度法加密度约束条件对非规则形状变密度的倾斜台阶组合体进行了密度反演.计算结果验证了本文方法的正确性和有效性.基于3D Delaunay剖分算法的重力建模可应用于存在褶皱、断层、裂缝等复杂地质体的重力正反演计算.     

考虑地震位错引起的大地水准面形变的源参数反演

本文首先讨论了地震位错引起的参考系,即大地水准面形变问题.给出了位错引起的大地水准面高和垂线偏差的变化,以及大地水准面高随位错面倾角变化等数值结果.在进一步考虑大地水准面形变的条件下,给出用表面视位移和重力变化资料反演位错模型参数的处理方法,以及用于确定唐山地震源参数和大地水准面高的变化的实例.研究结果表明,在使用大地测量资料进行地震位错模型参数反演时,考虑大地水准面形变不仅在理论上更加严格,而且在实际应用中也确有意义.      

电离层掩星反演的变分同化方法

电离层掩星数据反演的传统方法是Abel反演法及其改进方法,而实际电离层的非球对称给电离层电子密度反演带来误差.本文研究了在气象领域广泛应用的变分同化方法在掩星数据反演电离层电子密度廓线的可行性,利用IRI和Nequiek模型模拟掩星真值场和背景场进行数值模拟反演,并与Abel反演法反演结果进行对比.结果表明,变分同化反演方法能够有效综合模式和观测数据,使得反演结果精度较高;与Abel反演法相比,反演的电子密度廓线F2层峰值浓度误差在10％以下,而Abel反演法在20％～30％之间;而且变分同化反演法对误差扰动有较好的过滤性,因此实用性较强.     

合成孔径雷达风场反演变分方案评估

利用合成孔径雷达获取高空间分辨率的海面风场,对于研究沿岸海域大气海洋过程具有重要意义.应用CMOD地球物理模型直接反演风速受先验风向误差影响较大,30°的风向误差可导致高达40％的风速误差.变分方法考虑了雷达观测值及背景风场的不确定性,能够较好地降低先验风向对反演风速的影响.但不同的观测误差或地球物理模型选择会形成不同的变分方案,使得反演风场存在差异.本文基于Sentinel-1合成孔径雷达数据及NDBC浮标数据,对不同变分方案进行了系统评估.试验结果表明,当观测误差选取常值0.1 dB、地球物理模型选取CMOD7时,反演风速均方根误差为1.11 m·s-1,总体最小;但在特定风速区间内,其他变分方案能获得相对更好的反演精度;各变分方案反演风速精度均显著高于背景风速及CMOD直接反演风速精度,但反演风向相对背景风向没有明显改善.试验结果可为变分方法在不同应用需求下的选择提供参考依据.