波阻抗反演正则参数估计

为了解决用正则化方法能够将波阻抗反演的病态问题转为良态问题,通过统计方法合理地选择正则参数的初值,在反演过程中用极大似然（ML）方法实时进行正则参数值估计,提高反演收敛速度,改善反演结果。同时,在具体反演中将正则化方法与快速模拟退火算法相结合,充分发挥正则参数作用,可以获得全局最优解,取得了好的实际应用效果。     

双参数混合正则化方法及在电导率反演成像中的应用

通过引入带有二阶正则算子的正则化项,建立了一种双参数混合正则化方法.为确定最佳正则化参数,这里主要应用L-曲线法、偏差原理和广义交叉校验准则的优化组合来确定.首先对理论模型进行了数值模拟,通过与截断奇异值分解法、共轭梯度法及标准Tikhonov正则化法的结果比较,表明该方法不仅精度高,而且对于数据的随机扰动具有稳定性.然后将此方法应用于对电导率反演成像的计算中,得到的电导率反演成像精确细致可靠,也符合实际情况.这表明该方法求解地球物理反问题时,在增强反演的稳定性及减少多解性的同时,还能进一步提高反演计算速度.     

储层重力密度反演后验约束正则化方法

本文针对蒸汽辅助重力泄油(SAGD)生产中开发监测问题, 发展了综合应用地震及重力数据反演储层密度的联合反演算法.通过测井数据建立纵波阻抗与密度的直接关系, 并推导出这种关系下重力与纵波阻抗数据联合反演的计算方法, 从而计算出蒸汽腔体密度分布规律.文中应用密度反演后验约束正则化方法, 采用Tikhonov正则化模型, 通过波阻抗数据作为约束进行联合反演, 在算法上提高了稳定性, 同时得到较高的反演精度.文中对SAGD生产中的理论模型进行了方法试算, 并分析了算法的误差, 最终应用于SAGD生产的实际数据中, 通过最终反演结果分析, 该方法取得了很好的应用效果.     

基于Lp范数正则化的V字型密度界面重力反演

V字型密度界面是一类常见的密度界面,如海沟、半地堑以及俯冲带之下的莫霍面,利用重力数据刻画此类密度界面形态对于区域构造研究、油气勘探以及物理海洋学等都具有重要意义.本文首先建立了L_p-范数形式的模型约束函数,并利用正则化原理将其与重力数据误差函数和已知深度约束函数结合形成V字型密度界面反演的目标函数,推导了目标函数的梯度表达式,并以非线性共轭梯度法为核心给出了反演流程.二维简单模型试算结果表明p=5时该方法能准确地刻画V字型密度界面起伏特征,且亦能准确地应用于二维复杂密度界面和三维界面的反演.最后将反演方法应用于挑战者深渊及邻区的实际资料处理之中,利用研究区海底地形数据和沉积层厚度数据对自由空间重力异常逐层剥离而得到莫霍面引起的重力异常,用本文方法对此重力异常进行反演,结果呈现了板块俯冲作用引起的V字型莫霍面起伏特征.     

地震偏移反演成像的迭代正则化方法研究

利用伴随算子L*,直接的偏移方法通常导致一个低分辨率或模糊的地震成像.线性化偏移反演方法需求解一个最小二乘问题.但直接的最小二乘方法的数值不稳定,为目视解译带来困难.本文建立约束正则化数学模型,研究了地震偏移反演成像问题的迭代正则化求解方法.首先对最小二乘问题施加正则化约束,接着利用梯度迭代法求解反演成像问题,特别是提出了共轭梯度方法的混合实现技巧.为了表征该方法的可实际利用性,分别对一维,二维和三维地震模型进行了数值模拟.结果表明该正则偏移反演成像方法是有效的,对于实际的地震成像问题有着良好的应用前景.     

定量遥感正则化反演中的信息流及其控制

为了充分利用遥感数据包含的有限信息, 最大限度地减小待反演参数的不确定性, 有必要深入理解信息是如何通过模型反演从遥感数据流向待反演参数的, 并据此控制信息流. 为此目的, 本文以线性核驱动BRDF模型为例, 在反演问题为病态的情况下, 计算、分析不同反演方法反演过程中的信息流, 研究分阶段反演策略控制信息流的效果, 进而定义一个控制反演中信息流的基于USM的信息矩阵. 研究结果表明: 用反演参数的Shannon熵减可以很好地表达反演过程中的信息流; 改变先验知识在反演中所占权重或固定参数、分割参数集和数据集分阶段反演等策略可以控制信息流; 在正则化反演情况下, 基于USM的信息矩阵可能是一个较好的定量控制反演过程中信息流的工具.     

叠后地震数据自适应正则化参数稀疏约束反演方法

在叠后地震数据的稀疏脉冲反演中,正则化约束参数的选取是一个非常关键的问题.目前,最常用的正则化参数选取方法为质量控制法与L曲线法.二者都需要根据大量的试验来确定合适的正则化参数,工作量十分巨大,并且存在很大的经验性与局限性.针对这个问题,本文采用基于广义Stein无偏风险估计的正则化参数求取方法.该方法的具体思路是通过求解广义Stein无偏风险估计函数,在叠后地震数据的反演求解过程中自适应地求取正则化参数.模型测试与实际数据反演结果表明,相比于目前常用的质量控制法与L曲线法,自适应法得到的正则化参数是更合适的,同时降低了正则化参数求取的工作量.     

1D SNMR吉洪诺夫正则化反演方法研究

地面核磁共振(SNMR)技术是目前世界上直接用来寻找地下水的技术。本文在讨论反演基本问题的基础上,用共轭梯度法实现了核磁共振的一维正则化反演。通过反演理论数据、噪声数据和实测数据,说明该方法的可靠性。     

基于Tikhonov正则化的双频电磁波电导率成像反演

本文将Tikhonov正则化方法与active-set算法相结合,利用双频电磁波电导率成像原理,求解其反演成像方程.不仅对现有算法进行了改进,也促进了算法的实际应用.本文研究了在双频电磁波电导率成像方程建立后,如何根据其严重病态性质,选择合适的算法求解矩阵成像方程.针对电导率非负的特性,引入正则化参数,将问题转化为一个非负最小二乘问题,并用active-set算法求解.采用改进后的迭代算法对理论模型进行了数值模拟计算,验证了该方法的有效性.应用到实际电导率成像反演,与常规的LSQR、SP-LSQR、Tikhonov正则化等算法进行比较,取得了满意的结果.     

空-地-井重力异常正则化协同密度反演方法

围绕综合利用空-地-井多源重力异常联合反演提升精度的目标,提出正则化协同密度反演方法,从而有效利用多维数据的横向和纵向变化特征提高反演精度,且无需先验信息的约束.此外,还提出利用奇异值谱和深度分辨率工具评价航空数据观测高度和层数对反演分辨率的影响.通过理论模型试验本文方法在空-地、地-井等不同情况下的应用效果,结果表明空-地-井重力异常正则化协同密度反演方法能获得更高分辨率、高精度的反演结果,且证明不同的钻孔位置对反演结果有较大的影响,从而可指导实际的空-地-井联合勘探.最后,利用文顿盐丘实际勘探数据进行空地和空地井重力数据协同反演,反演结果垂向分辨率明显优于地面观测数据反演结果,盐盖的顶面及中心埋深与前人研究和地质资料解释相吻合,验证了方法正确性及实用性,为推进我国空-地-井立体重磁勘探提供了重要的技术手段.

     

Determination of gravity anomaly at sea level from inversion of satellite gravity gradiometric data

Gravity gradients can be used to determine the local gravity field of the Earth. This paper investigates downward continuation of all elements of the disturbing gravitational tensor at satellite level using the second-order partial derivatives of the extended Stokes formula in the local-north oriented frame to determine the gravity anomaly at sea level. It considers the inversion of each gradient separately as well as their joint inversion. Numerical studies show that the gradients T_zz, T_xx, T_yy and T_xz have similar capability of being continued downward to sea level in the presence of white noise, while the gradient T_yz is considerably worse than the others. The bias-corrected joint inversion process shows the possibility of recovering the gravity anomaly with 1 mGal accuracy. Variance component estimation is also tested to update the observation weights in the joint inversion.     

基于Gramian约束与高斯-牛顿算法的重磁三维联合反演

为了降低重力与磁法单独反演中的非唯一性问题,本文实现了一种基于Gramian约束的重磁三维联合反演算法.使用基于模型参数或其空间梯度的Gramian算子,将其添加到目标函数中,约束剩余密度与剩余磁化率模型参数或其梯度更具相关性.采用高斯-牛顿法对目标函数进行最优化求解,对求解方程进行了简化,节省内存并提高了计算效率.反演过程中使用对数法约束模型参数的上下界,使反演结果更符合真实地质情况.提出了新的模型更新步长计算策略,同时考虑了数据拟合与联合约束的影响,使联合反演更加稳定.通过三个数值模型验证了算法的可靠性,并进一步将该算法应用于加拿大McFaulds湖实测航空重磁数据.对比了反演结果切片并展示了交会图,联合反演得到的剩余密度与剩余磁化率的物性、梯度分布都比单独反演的相关性更强.联合反演提供了一个既能拟合数据又在一定程度上满足耦合条件的反演解.验证了所开发的联合反演算法在实际数据上的有效性与适用性.

     

Development and application of a coupled-process parameter inversion model based on the maximum likelihood estimation method

The coupled flow-mass transport inverse problem is formulated using the maximum likelihood estimation concept. An evolutionary computational algorithm, the genetic algorithm, is applied to search for a global or near-global solution. The resulting inverse model allows for flow and transport parameter estimation, based on inversion of spatial and temporal distributions of head and concentration measurements. Numerical experiments using a subset of the three-dimensional tracer tests conducted at the Columbus, Mississippi site are presented to test the model's ability to identify a wide range of parameters and parametrization schemes. The results indicate that the model can be applied to identify zoned parameters of hydraulic conductivity, geostatistical parameters of the hydraulic conductivity field, angle of hydraulic conductivity anisotropy, solute hydrodynamic dispersivity, and sorption parameters. The identification criterion, or objective function residual, is shown to decrease significantly as the complexity of the hydraulic conductivity parametrization is increased. Predictive modeling using the estimated parameters indicated that the geostatistical hydraulic conductivity distribution scheme produced good agreement between simulated and observed heads and concentrations. The genetic algorithm, while providing apparently robust solutions, is found to be considerably less efficient computationally than a quasi-Newton algorithm.     

重力数据3D密度成像中EXTR方法的各参数变化对反演结果的影响(英文)

Tikhonov正则化(TR)方法在重磁数据处理中发挥了重要的作用,本文在研究如何利用Tikhonov正则化方法方法解决重力数据3D反演的同时,深入讨论了可进一步提高拟合误差的Extrapolation Tikhonov正则化方法(EXTR)的原理,并就其参数选择方法及各参数对拟合误差、迭代次数及反演结果的影响进行研究。常密度及变密度组合模型试算结果表明,与TR方法相比,EXTR方法不仅可以达到解释人员设定的先验拟合误差水平,在计算时间及迭代次数相应增加的前提下有更高的拟合精度;同时其反演结果也更加紧致,进一步改善了TR反演结果的发散性;并且其反演数据范围更贴近预设模型参数范围,模型特征与预设模型密度分布吻合较好。     

地震反射波反演二阶优化方法及其应用

常规地震数据大都缺乏低频成分与长炮检距信号,经典的全波形反演方法不易获取中、深层弹性参数模型的长波长分量,波动方程反射波形反演作为替代方法近来受到极大关注.然而,现有的反射波形反演方法几乎都采用梯度类的一阶优化算法,收敛性和精度都有待提高.本文在二阶优化理论框架下,推导弹性参数背景与扰动模型的反射波敏感核、泛函梯度以及海森算子,揭示海森矩阵对泛函梯度的去模糊化作用和改善反演的工作机制.推覆体模型合成数据实验表明,相比于常用的共轭梯度法,利用近似海森矩阵的高斯-牛顿法明显提升了反射波形反演的收敛性与宽谱建模能力.在东海实例中,本文方法超越常用的反射走时层析技术,通过改善中、深层偏移速度建模,支撑逆时偏移高分辨率刻画长江坳陷内部复杂的断裂系统,改善了深部基底的成像质量.

     

基于Extrapolation Tikhonov正则化算法的重力数据三维约束反演

通过研究重力数据三维反演解的病态性,利用基于拉格朗日插值方法的Extrapolation Tikhonov正则化方法来解决反演中解的不唯一性和不稳定性问题,该方法最大限度的减少了因正则化参数的引入而在反演结果中介入的误差,同时详细讨论了基于三种选择原则的正则化双参数的具体选择方法,模型试算结果表明,与原Tikhonov方法相比,该方法提高了反演的拟合精度.其次,为了消除核函数随深度增加而快速衰减对反演结果的影响,本文改进了前人的重力数据三维反演深度加权函数,改进后的加权函数与原函数相比能更好的识别异常体底部密度分布特征,对于埋深较深的异常体具有较好的识别效果,更好的解决了由近地面趋肤效应作用引起的密度分布不均的问题.同时,利用上下限约束函数限制每一个立方体的密度差范围,并应用于多组人工合成模型.结果表明:该反演方法能准确地获得正演模型的预设参数范围和位置.     

二维波动方程速度的正则化－同伦－测井约束反演

针对二维波动方程反问题,将大范围收敛的同伦方法引入速度参数的反演过程中,并将其与求解不适定问题的Tikhonov正则化有机结合,提出了一种新的、特别适用于非线性的、不适定的、多极值的地震勘探反演问题的反演策略：正则化－同伦方法. 为了充分利用测井资料和地震资料的互补特征,进一步提高反演分辨率并压制噪声,设计了正则化-同伦－测井约束联合反演方法. 大量数值试验结果表明了这两种方法的有效性.     

高分辨率非线性储层物性参数反演方法和应用

对于陆相沉积环境下的复杂隐蔽岩性储层,由于观测信息不准确,如信息重叠、信息缺失和噪音污染,以及岩石物理关系模糊等原因,储层横向预测存在不惟一性、不稳定性和不确定性.基于线性假定的常规储层横向预测技术已不适用于复杂隐蔽岩性储层的勘探.本文采用一种非线性储层岩性物性褶积模型,建立波阻抗与孔隙度/泥质含量的函数关系;通过多级结构分解和双向边沿子波检测来刻画复杂岩石物理关系;通过Caianiello褶积神经网络实现确定性反演、统计反演和非线性理论三者有机结合;最后联合应用基于逆算子的反演方法和基于正算子的重建算法实现了综合地质、测井和地震波阻抗信息进行高分辨率储层物性参数反演.非线性储层物性参数反演采用多井约束机制和分频反演方式,在陆相和近海油气勘探资料的实际应用中,取得了明显应用效果.     

震源参数反演及精度评定的Bootstrap方法

在震源参数反演理论研究中,地表形变与震源参数之间为复杂多维的非线性关系,针对传统泰勒级数展开的精度评定方法可能无法适用于震源参数的精度评定问题,本文将Bootstrap方法引入到震源参数非线性反演及精度评定研究中.通过对GPS地表形变观测数据实施Bootstrap重采样获取自助样本,使用遗传算法（Genetic Algorithm,GA）搜索震源参数,设计并给出了震源参数精度评定的Bootstrap方法计算流程.将本文方法用于6个模拟地震、Amatrice地震及Visso地震实验中,通过反演震源参数、获取参数的置信区间及中误差,并与Jackknife方法、Monte Carlo方法进行对比分析.实验结果表明,通过执行本文精度评定方法能够获取比Jackknife方法更加可靠的震源参数置信区间以及更加精确的精度信息.实验验证了将Bootstrap方法用于震源参数精度评定的有效性和可靠性,为研究震源参数精度评定理论研究提供了一种新的采样思路.

     

重力垂直梯度的测定及其应用与潜力

近年来,随着重力垂直梯度测量精度的提高及间接推求方法的改善,它在地球科学的研究中的作用日益扩大,本文叙述了利用高精度重力仪直接测量垂直梯度的方法与注意事项,阐明了垂直梯度在地学研究中的意义与作用,其中包括(1)可以更精确测定大地水准面与正高;(2)可以更好探测地下的物质的分布及界面起伏;(3)可根据垂直梯度及形变资料反演场源及解释引起上述变化的动力机制.关于如何进一步发掘其潜力,这里也提出了建议.