基于主成分-正则化极限学习机的超高密度电法非线性反演

超高密度电法是一种新的地球物理探测技术,它通过多通道数据采集和多装置数据联合反演,极大地提高了电法勘探的成像精度.本文提出一种主成分-正则化极限学习机(PC-RELM)非线性反演方法,该方法针对超高密度电法所获取的高维勘探数据进行反演建模,通过随机设定隐层参数来简化模型的学习过程,通过主成分分析方法来进行高维数据降维,最后引入正则化因子提高反演模型的泛化能力.论文给出了超高密度电法的原理、样本构造方法和非线性反演流程,使用交叉验证方法获得了优化的隐节点数目和正则化参数,构造了优化的反演模型.通过两个经典的超高密度模型的反演结果表明,该方法能够较好地解决超高密度电法反演的高维数据非线性建模问题,能够弥补单一装置数据反演的不足,同时相较其他的非线性反演方法(ELM,BPNN和GRNN)具有更加准确的反演结果.     

基于改进全变差正则化的GPR多尺度全波形双参数同步反演

针对探地雷达（GPR）双参数全波形反演中电导率反演精度差、双参数存在串扰现象、反演计算量大、易陷入局部极值等问题.作者将具有多参数调节功能的L-BFGS算法引入到GPR时间域全波形反演中,它避免了对Hessian矩阵的直接存储与精确求解,减小了存储量和计算量.结合参数调节因子的选取,有效减小了同步反演时介电常数与电导率的串扰影响,在不降低介电常数反演精度的前提下,提高电导率参数的反演精度.通过在反演目标函数中加载改进全变差正则化方法,提高了反演的稳定性,使目标体边缘轮廓更加清晰.首先以简单模型为例,对比了单尺度反演与多尺度串行反演策略的优劣,说明多尺度串行反演有利于逐步搜索全局最优解;而开展参数调节因子的选取实验,说明合适的参数调节因子可以有效改善介质电导率的反演精度;测试了不同正则化的反演效果,表明改进全变差正则化能提高反演稳定性,显著降低模型重构误差.最后,分别对含噪合成数据和实测数据进行了反演测试,说明本文提出的多尺度、双参数反演具有较强的鲁棒性,能提供更丰富的信息约束,重构图像界面清晰、反演效果好.     

二维磁法数据多目标粒子群反演算法（英文）

<正>则化反演通过引入模型约束和正则化因子求解病态的地球物理反演问题,但该方法存在正则化因子选取困难和初始模型依赖的问题。针对该问题,本文提出多目标粒子群反演算法。该算法反演中不需要目标函数梯度信息和正则化因子,先同时求数据拟合和模型约束的多目标反演解集,再权衡两者的相对重要程度,最后从反演解集中优选出最终反演结果,从而起到正则化因子的作用。以二维磁测数据反演为例,进行理论模型反演试验,试验结果表明,多目标粒子群反演算法能尽可能多地保留可行解,得到反演解集;通过分析反演解集,既能深入的理解反演过程,又能灵活地从数据拟合和模型约束两方面进行权衡与选择,得到比正则化反演更合理的反演结果;该算法能同时解决正则化因子选取困难和初始模型依赖问题。     

大地电磁自适应正则化反演算法

针对大地电磁正则化反演中正则化因子的选取困难问题提出了自适应正则化反演算法（Adaptive Regularized Inversion Algorithm, ARIA）. 在该算法中， ①提出了一种新的数据方差处理方法：数据方差规范化，使得数据方差的大小只对数据的拟合发生影响，不对数据目标函数和模型约束目标函数的权重产生影响，从而减少了正则化因子取值的影响因素；②提出了粗糙度核矩阵的概念，并给出了由基本结构插值基函数计算粗糙度核矩阵的公式，使得模型目标函数的构建更为简便、直接；③根据数据目标函数、模型约束目标函数和正则化因子之间的关系，提出了两种正则化因子自适应调节方法. 本文详细阐述了最平缓模型约束下的大地电磁一维连续介质反演的ARIA实现，以几个算例的分析比较来说明ARIA的有效性.     

地震与大地电磁测深数据的自适应正则化同步联合反演

在传统的联合反演研究中,地球物理学者往往更多地关注数据拟合,很少涉及正则化理论.本文在电阻率和速度随机分布的大地电磁测深(MT)与地震联合反演研究的基础之上,将正则化思想引入到同步联合反演中,加入先验信息进行模型约束,选取最小模型为稳定泛函,并首次采用自适应正则化算法来确定联合反演的正则化因子.根据以往研究成果,采用非...     

利用Extrapolation Tikhonov正则化算法进行重力梯度三维密度反演（英文）

本文利用Extrapolation Tikhonov正则化算法处理重力梯度数据三维密度反演的线性不适定问题。与Tikhonov正则化方法相比,Extrapolation Tikhonov正则化方法减小了因正则化参数的引入而带来的反演结果误差,提高了预测数据与观测数据之间的拟合精度。同时为了消除位场数据反演时位置函数快速衰减对反演结果的影响,本文提出了基于重力梯度全张量特征向量法的深度加权函数,模型试验证明了该深度加权函数能有效识别异常体密度分布特征。对澳大利亚Kauring地区实测重力梯度数据进行反演,并和已有研究成果对比分析。结果表明该反演方法能够较好的获取地下异常体的密度分布信息。     

利用GPS垂直位移反演区域陆地水储量变化的TSVD-Tikhonov正则化方法

利用GPS垂直位移反演区域陆地水储量变化(TWSC)属于典型的病态问题,其关键是如何进行稳定求解并提高反演结果的精度和可靠性.本文引入TSVD-Tikhonov组合正则化方法对利用GPS垂直位移反演区域TWSC的病态问题进行求解,并以四川省TWSC反演为例进行分析与验证.首先,通过数值模拟对TSVD、Tikhonov和TSVD-Tikhonov正则化方法采用不同正则化参数选取策略(RMSE最小准则、GCV法和L-curve法)进行反演,结果显示基于TSVD-Tikhonov正则化反演的TWSC比单独使用TSVD或Tikhonov正则化反演结果的精度和可靠性更高,这三种正则化方法反演2005年1月至12月的TWSC差值的平均STD分别为14.97 mm、7.03 mm和5.04 mm.其次,利用中国地壳运动观测网络(CMONOC)的72个GPS测站的垂直位移数据,基于TSVD-Tikhonov正则化反演了四川省2010年12月至2021年2月的TWSC时间序列,结果表明GPS反演的TWSC与GRACE/GFO Mascon模型(JPL、CSR和GSFC)的空间分布特征及季节性变化符合较好...     

基于物性参数梯度累加约束的电阻率法和重力勘探数据二维联合反演

对不同地球物理方法的数据进行联合反演,通过模型参数的相互约束可以减小反演的多解性.本文对电阻率法和重力勘探数据开展了基于电阻率和剩余密度梯度累加约束的二维联合反演研究.电阻率法采用数据空间Occam反演,重力勘探采用基于对数障碍法的正则化反演.通过在电阻率法和重力勘探反演的目标函数中引入电阻率和剩余密度梯度累加约束项,利用交替迭代方式实现了电阻率法和重力勘探数据的二维联合反演.对理论模型合成数据进行了单方法反演和联合反演,对比了反演效果.结果表明：联合反演结果优于单方法反演结果,联合反演结果对异常体的物性值恢复和形态刻画效果更好.     

基于对称多项式约束的重力反演

由于地球物理场的等效性、观测数据集的有限性和数据观测存在误差等问题,地球物理反演通常为不适定问题.Tikhonov正则化是应用最广泛的减少反演不适定性的方法之一,稳定函数的引入一方面提高了反演稳定性;另一方面将先验信息融入反演,提高了反演的效果.稳定函数的构建是正则化反演的关键之一,本文提出一种可以融入任意数量先验物性信息的对称多项式模型约束稳定函数.通过引入该函数,达到充分利用岩石先验物性信息、提高反演效果的目的.重力模型及实测数据反演表明,基于对称多项式的模型约束反演,可以实现任意数量岩石统计物性的利用,并获得理想的异常体边界和密度范围约束效果.     

火山Mogi模型形变反演的虚拟观测法及方差分量估计

针对Mogi模型垂直位移与水平位移联合反演中的病态问题,改进火山形变总体最小二乘(Total Least Squares,TLS)联合反演的虚拟观测法,并使用方差分量估计(Variance Components Estimation,VCE)方法确定病态问题的正则化参数.将附有先验信息的参数作为观测方程,与垂直位移和水平位移的观测方程联合解算,推导了三类观测方程联合反演的求解公式及基于总体最小二乘方差分量估计确定正则化参数的表达式,给出了算法的迭代流程.通过算例实验,研究了总体最小二乘联合反演的虚拟观测法在火山Mogi模型形变反演中的应用;算例结果表明,三类数据的联合平差及方差分量估计方法可以确定权比因子并得到修正后的压力源参数,具有一定的实际参考价值.     

基于交叉梯度约束的地震初至纵波与瑞雷面波联合反演

本文提出了一种初至纵波(P波)与瑞雷面波的交叉梯度联合反演策略.通过对初至P波进行全波形反演可以获得近地表P波速度结构;通过对仅含瑞雷面波信息的地震数据转换到频率-波数域进行加窗振幅波形反演(Windowed-Amplitude Waveform Inversion,w-AWI)可获得近地表横波(S波)速度结构.在二者反演的目标函数中均加入P波速度和S波速度的交叉梯度作为正则化约束项,使得在反演过程中P波速度和S波速度相互制约,相互约束,从而实现对地震初至P波与瑞雷面波的联合反演.数值模拟结果表明交叉梯度联合反演可以提高S波速度反演分辨率,而P波速度反演结果并没有得到提高.实际资料的反演结果表明,交叉梯度联合反演能够获得更加可信的近地表速度结构.     

人工蜂群算法的电震非线性联合反演研究

本文为解决直流电阻率法和瑞雷面波法反演存在的多解性问题,构建了新的电震联合反演目标函数,通过增加不同地球物理响应的反演参数,利用权系数调节各参数对反演结果的影响,实现同步联合反演,从而减少多解性.引入人工蜂群算法求解目标函数,有效解决了传统反演方法将非线性问题线性化处理产生的细节信息丢失问题,提高了反演精度.经过对较为复杂的四层速度递增AA型和四层含低速夹层HA型理论模型和实例数据的反演验证,表明基于人工蜂群算法的非线性联合反演能够有效减少单一方法多解性问题并提高反演精度.     

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.     

水平层状介质中双侧向测井资料的迭代Tikhonov正则化反演

根据非线性反演理论与Morozov偏差原理研究建立从双侧向测井(DLL)资料中同时重构地层原状电阻率、侵入带电阻率、侵入半径、层界面位置以及井眼泥浆电阻率的迭代正则化算法.首先利用Tikhonov正则化反演理论将双侧向测井资料的反演问题转化为含有稳定泛函的非线性目标函数的极小化问题,并利用Gauss-Newton算法确定极小化解.为得到稳定的反演结果并有效实现测井资料的最佳拟合,在迭代过程中将Morozov偏差原理和Cholesky分解技术相结合,建立了一套后验选择正则化因子的方法.最后通过理论模型和大庆油田实际测井资料的处理结果,验证了该算法能够取得更为满意的反演效果.     

基于双约束项的广义线性多波联合反演（英文）

常规多波联合反演采用Zoeppritz方程的近似式构建正演方程,反演过程中需要假定背景纵横波速度比为常数,其反演精度不高,稳定性不好。本文提出了一种基于精确Zoeppritz方程的多波联合反演方法,结合贝叶斯方法进行广义线性反演。本方法基于精确Zoeppritz方程构建正演方程,避免了近似式反演在大角度时引起的误差;利用贝叶斯方法引入模型参数的先验分布信息,作为反演的正则化项,降低了反演的不适定性;反演目标函数中引入低频软约束,稳定了反演低频结果,提高了反演的鲁棒性;在求解反演目标函数时,利用快速算法,降低了反演的运算量。经过模型试算,证明了该方法的优越性和抗噪性;并在实际资料的应用中证明了该方法的实用性和有效性。     

用于零偏移距VSP资料的自适应波形反演方法研究

提出一种利用零偏移距VSP资料初至下行波(即直达波)反演介质品质因子Q及层速度V等参数的方法, 称为自适应时域波形反演法(ATWI). 为了充分地利用有效信息, 该方法根据实际VSP资料的信噪比及直达波与上行波干涉的程度,自适应最大限度地选取未受干扰的初至波片段,并用该片段构造目标函数; 通过恰当地构造数据加权矩阵提高目标函数对Q值变化的敏感性;为克服非线性反演的病态问题,采用近来发展的乘性正则化方法,并通过约束条件限制待求参数的取值范围;文中推导出了雅可比矩阵各元素的解析表达式,从而减小了反问题的计算量.合成数据反演结果表明,与谱比值法和子波包络峰值瞬时频率法相比较,ATWI法受上行波影响相对较小、抗噪性能更强.实际资料算例进一步证明了ATWI方法的有效性.     

大地电磁与地震正则化同步联合反演

文中在于鹏等提出的电阻率和速度随机分布的大地电磁与地震联合反演方法的基础上,将Tikhonov正则化思想引入到联合反演中,加入先验信息进行模型约束,以最小模型为稳定器,采用L曲线方法来确定近似最佳的正则化因子。考虑到线性寻优算法容易陷入局部极小,文中采用非线性的模拟退火方法来实现大地电磁与地震的同步联合反演。通过模型试验的对比分析,我们认为加入有效模型约束的正则化联合反演可以比单纯考虑数据拟合的联合反演和单独反演方法更有效地提高解的稳定性和计算效率,获得更接近实际而且稳定的解。     

三维大地电磁自适应正则化有限内存拟牛顿反演

有别于传统基于梯度信息的反演方法在正则化约束中用总梯度逼近海塞逆矩阵的技术,本文将正则化约束问题的数据拟合项和模型光滑项分开考虑,只利用数据拟合函数的梯度信息对数据拟合项的海塞矩阵进行逼近,通过求解类高斯牛顿下降方向方程得到不依赖前几次迭代正则化因子的更精确下降方向,在求解当前迭代下降方向的过程中,通过保证右端项中两个向量的二范数在同一数量级的原则,实现了正则化因子的自动更新.对理论模型的试算表明这种自适应正则化反演方案可以在拟牛顿反演框架下基本达到OCCAM的算法稳定性,反演结果对初始模型依赖性较小,同时又无需在一次迭代中多次搜索最佳正则化因子.本文还基于此算法讨论了大地电磁各参数对于反演结果的影响,由于本文的反演结果能得到充分的正则化约束,因而在此框架下讨论阻抗和倾子在反演中的作用相对更为客观.     

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.     

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。