重力梯度全张量数据三维共轭梯度聚焦反演

随着全张量重力梯度测量技术的日趋成熟和应用领域的不断扩大,重力梯度全张量数据的三维反演技术越来越受重视.本文利用剖分单元之间几何架构等效性,实现了重力梯度全张量场三维正演快速计算和导数矩阵优化存储.并将积分灵敏度、粗糙度和最小支撑泛函约束以及参考模型和模型参数界限约束引入到目标函数中,采用共轭梯度法进行反演迭代,实现了重力梯度全张量数据三维快速正反演计算.多种模型的反演试算表明:本文提出的反演算法的可靠性和稳定性较好,并且算法速度快、占用内存低且易于并行化.     

可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演研究

可控源音频大地电磁法在资源勘探等领域中发挥着重要的作用.我们把有限差分数值模拟方法用于可控源音频大地电磁三维正演,结合正则化反演方案和共轭梯度反演的思路,将反演中的雅可比矩阵计算问题转为求解两次"拟正演"问题,得到模型参数的更新步长,形成反演迭代,实现了可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演算法.该反演算法可用于对有限长度电偶源激发下采集到的可控源音频大地电磁全区(近区、过渡区和远区)视电阻率和相位资料进行三维反演定量解释,获得地下三维模型的电阻率结构.理论模型合成数据的反演算例验证了所实现的可控源音频大地电磁三维共轭梯度反演算法的有效性和稳定性.     

基于有限差分正演的带地形三维大地电磁反演方法

本研究实现了一套基于有限差分（FD）方法的大地电磁测深数据带地形三维反演算法及代码.其中,在大地电磁场正演数值模拟方面,开发了起伏地形条件下基于交错网格剖分、有限差分方法的大地电磁测深三维正演代码;在满足平面波场假设的前提下,使用长方体网格剖分模拟三维起伏地形,实现了带地形三维正演计算;并设计理论模型进行试算,经试算结果与前人的有限元法计算结果对比,验证了所研发的带地形三维正演计算的正确性与可靠性.在反演方面,本研究基于非线性共轭梯度方法编写了大地电磁测深带地形三维反演代码,试验了不同的共轭梯度搜索因子β,避免了目标函数对海森矩阵（参数二次导数矩阵）的显式计算和存储,初步实现了大地电磁资料的带地形三维反演.最后,对一系列理论模型进行正演计算,利用其生成的合成数据模拟实测数据进行反演,并与现有的不带地形大地电磁测深三维反演结果比较,检验了所研发的带地形三维反演计算的可靠性与稳定性.     

基于交叉梯度结构约束的大地电磁主轴各向异性并行三维反演

各向异性介质对大地电磁观测数据的影响往往不可忽略,因此需要提高大地电磁各向异性三维反演的可靠性和有效性.为了满足大地电磁各向异性三维反演的需求,本文研究了一种基于交叉梯度结构约束的大地电磁主轴各向异性并行三维反演算法.根据大地电磁平面波理论假设,正演方程采用背景场与二次场分离的计算方式,二次场利用交错网格有限差分法求解.由于各向异性反演的多解性,本文将各向异性介质简化为主轴各向异性,并在此基础上进一步采用有限内存拟牛顿LBFGS法实现三维各向异性反演.为了提高各向异性反演的分辨率,反演目标函数中引入交叉梯度项,利用先验的结构信息,对三个方向的电阻率参数进行结构约束,最终的反演进一步利用MPI(Message Passing Interface,消息传递接口)技术实现分频并行计算,测试结果显示并行接近线性加速比.     

地面矩形大定源电磁法频率域三维非线性共轭梯度反演

本文实现了地面矩形大定源三维频率域反演.矩形大定源三维模型响应计算采用交错网格有限差分技术.正演的微分方程为异常电场满足的非齐次Helmholtz方程,方程右手边源项中的大定源产生的背景格林函数由虚界面法结合虚框法计算.频率域三维反演采用非线性共轭梯度反演技术.反演的数据类型为垂直磁场的频率域响应Hz的实部和虚部分量.数值结果表明,(1)三维模型正演模拟数值结果与前人一致,为三维反演奠定基础;(2)针对两个三维导电模型,分别进行了三维反演数值试算.反演结果可以清晰恢复出异常体的电阻率和位置信息,表明地面矩形大定源三维频率域非线性共轭梯度反演具有可行性.本文研究的意义在于,在电磁响应时频转换技术的基础上,如果将野外实测的瞬变电磁数据变换为对应的频率响应,则结合本文提出的三维反演技术,可以为矩形大定源瞬变电磁数据的三维解释提供一个新的思路.     

三维频率域航空电磁反演研究

航空电磁数据的三维解释由于数据量大需要有高效的反演算法作为支撑.本文利用两种目前主流的数值优化技术（非线性共轭梯度和有限内存的BFGS法）实现了三维频率域航空电磁反演,并进一步比较了两种方法的有效性和运算效率.在反演过程中,为了更好地反演异常体的空间位置,模型方差矩阵中的光滑系数在反演起始阶段取值较大;当数据拟合差下降趋于平缓时,再利用较小的光滑因子约束反演过程来实现聚焦和获得精确的反演结果.理论数据反演表明这两种优化策略具有相似的内存需求,但是有限内存的BFGS技术比非线性共轭梯度法在计算时间和模型反演分辨率上具有一定的优越性,因此有限内存BFGS法更适合于求解大规模三维反演问题. 模型试验进一步表明目前主流的迭代法求解技术不适合大规模航空电磁数据反演,未来移动平台多源电磁数据快速正反演可通过引入矩阵分解技术来实现.     

体积分方程法模拟电偶源三维电磁响应

利用体积分方程法模拟电偶源激发时均匀导电半空间频率域三维电磁响应.讨论了张量格林函数的计算,对于需要计算三重积分的张量格林函数电荷项一次部分,应用一种差分近似的方法求解,这种方法在保证计算精度的同时更加便于计算机实现;采用二次剖分的算法解决了计算张量格林函数时的奇异值问题;计算含有贝塞尔函数的积分项时,利用一种结合连分式展开的高斯求积代替常规的快速汉克尔变换方法,在确保正确计算的同时提高了计算精度.     

井地电法的准解析近似三维反演研究

研究复杂地电模型上的井地电法三维反演一直是一个具有挑战性的课题。本文在准解析近似和重加权正则化的共轭梯度法的基础上,用visualFortran6.5开发了井地电法三维准解析近似反演程序。反演过程中的正演和Frechet导数矩阵计算都应用准解析近似大大提高了计算的速度。通过理论模型的合成数据反演试算,说明基于准解析近似法和加权正则化的共轭梯度法的井地电法三维反演程序有着计算速度快,反演精度高等特点。     

大地电磁非线性共轭梯度拟三维反演

提出了非线性共轭梯度法大地电磁拟三维反演.该方法选取共轭梯度反演算法为拟三维反演的核心.在计算灵敏度（Jacobian）矩阵时,吸取近似灵敏度矩阵思想,采用一维灵敏度矩阵来代替三维灵敏度矩阵,并对非测点的灵敏度元素提出一种近似方法.在第一次反演之后,采用拟牛顿法更新灵敏度矩阵.拟三维反演法在很大程度上节省了计算时间,并且理论模型和实际资料的反演试算结果表明大地电磁拟三维反演法具有一定的实用价值.     

基于不等式约束的最小二乘法三维电阻率反演及其算法优化

基于光滑约束的最小二乘法是三维电阻率反演的主要方法,但该方法在某些情况下存在着多解性较强的问题,且普遍耗时较长,严重制约了三维反演方法的推广与发展.为改善上述问题,将表征模型参数变化范围的不等式约束作为先验信息引入最小二乘线性反演方法中,有效地改善了反演结果的精度,降低了反演的多解性问题.为了解决耗时较长的问题,基于预条件共轭梯度(PCG)算法和Cholesky分解法的特点提出了一套优化三维电阻率反演计算效率的计算方案.在该方案中,Cholesky分解法被用来求解敏感度矩阵计算中的多个点源场的正演问题,Cholesky分解法只需对总体系数矩阵进行一次分解,然后对不同的右端向量进行回代即可.将预条件共轭梯度法引入到三维电阻率反演方程的求解中,将雅可比迭代中的对角阵作为预处理矩阵,其具有求逆方便、无需内存空间的特点,有效地加快了收敛速度.对合成数据以及实测数据的反演算例表明,借助不等式约束和反演效率优化方案,最小二乘反演方法可得到较为精确的反演结果,有效地提高了反演计算效率,具有良好的推广前景.     

大地电磁三维数据空间反演并行算法研究

目前大地电磁三维反演实际应用的主要问题是计算效率低.在对大地电磁三维数据空间反演算法进行深入分析的基础上,本文提出了基于频点和矩阵划分的大粒度并行反演方案和具体实现步骤,并在曙光TC5000A高性能计算平台上实现了基于MPI的大地电磁三维数据空间反演并行算法.该算法实现了包括三维正演、灵敏度矩阵、叉积矩阵以及模型改正量的并行执行,不仅计算效率高,而且每个节点机上灵敏度矩阵的存储空间只需原来微机上的2/N(N是参加并行计算的节点机个数),大大地减少了内存开销.通过两个理论模型合成的数据对实现的三维数据空间反演并行算法进行试算,对比分析了多个节点机下程序的执行效率.测试结果表明,所实现的三维数据空间反演并行算法是可行的、高效的,与单机相比,不仅可以提高运行速度,缩短计算时间,而且还可以扩大计算规模,极大地推动了大地电磁三维反演的实用化.     

大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟的并行计算研究

为了更有效的提高大地电磁三维正演的计算速度,引入了并行处理技术.大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟是按照不同频率来计算的,各频率之间求取电磁场值的过程是相互独立的.根据这一特点,可以将多个频率的计算任务平均划分为一个或者几个频率的计算子任务,分配到各个计算节点去并行执行,计算完成后将结果汇总.本文通过采用主从并行模式、分频并行计算的方案,在曙光TC5000A高性能并行平台上实现了基于MPI的大地电磁三维正演的并行计算.通过两个理论模型对实现的大地电磁三维正演并行算法进行试算,对比分析了多个节点机下程序的执行效率.测试结果表明,所实现的三维正演并行算法是正确的、高效的,为进一步的大地电磁三维反演并行算法研究奠定了重要基础.     

过套管电阻率测井的地层电阻率快速反演算法

过套管电阻率测井是通过测量套管壁电势实现测量地层的视电阻率,基于传输线方程理论,针对层状地层,给出了套管壁电势、电流对地层横向电阻导数的微分方程(称Jacobi矩阵微分方程)及边界条件;利用Jacobi矩阵微分方程边值问题导出了过套管电阻率测井反演地层参数的Jacobi矩阵系数的解析表示,利用Marquardt方法实现了过套管测井的地层电阻率反演;通过计算对Jacobi矩阵的特性进行了探讨,并获得了较快的计算速度(因为Jacobi矩阵是用解析解表示的),反演结果与地层模型取得了较好的逼近.本文实现了过套管电阻率测井地层参数的Jacobi系数矩阵的快速计算及地层电阻率反演,为进一步开展电阻率测井数据处理提供了理论依据和快速反演算法.     

基于加权平均导数的频率-空间域正演模拟及GPU实现

传统基于旋转坐标系的频率-空间域正演模拟方法仅适用于方形网格,而实际生产中矩形网格广泛存在,本文提出一种适用性广的正演差分算子,不仅适用于方形网格而且适用于矩形网格.通过综合运用平均导数法、加速项加权平均、模拟退火法压制频散和减少单个波长所需网格点数,从而提高算法精度和减少计算量.在该方法的基础上采用不完全LU分解作为求解Helmholtz方程的预条件,并利用图形处理器加速计算速度,很大程度上提高了频率域正演的效率.     

计算最小走时和射线路径的界面网全局方法

用慢度分块均匀正方形模型将介质参数化，仅在正方形单元的边界上设置计算结点，这些结点构成界面网．根据Ｈｕｖｓｅｎｓ和Ｆｅｒｍａｔ原理，由不断扩张、收缩的波前点扫描代替波前面搜索，在波前点附近点的局部最小走时计算中对波前点之间的走时使用双曲线近似，通过比较确定最小走时和相应的次级源位置，记录在以界面网点位置为指针的３个一维数组中．借助这些数组通过向源搜索可计算任意点（包括界面网以外的点）上的全局最小走时和射线路径．这一方法不受介质慢度差异大小限制，占内存少，计算速度较快，适于走时反演和以Ｍａｓｌｏｖ射线理论为基础的波场计算．     

基于频率-慢度域叠前地震记录的合成与并行方法研究

正演模拟是叠前弹性波反演的基础.采用慢度法计算层状介质的叠前地震记录,分别对频率和慢度进行积分变换得到时-空域的地震道集,并对在慢度积分过程中产生的计算噪音提出了解决方案.为得到高精度合成地震记录,需将地层细分,但地层层数很多时,计算量较大;而对地层粗分虽然会大大加快运算速度,但合成记录会丢失很多信息,文中给出了地层的划分原则.该方法能够计算出包括转换波和多次反射在内的全地震响应.但在提高合成记录精度的同时,也导致计算量增大、计算效率降低,因此,本文对基于慢度法全波场模拟进行了并行算法设计,采用计算域分割、工作池并行技术,建立了慢度法全波场正演模拟的并行算法,使得弹性波正演问题求解更加高效,为充分利用叠前地震资料进行叠前反演提供了研究基础.     

Application of Large‐Scale Inversion Algorithms to Hydraulic Tomography in an Alluvial Aquifer

Large‐scale inversion methods have been recently developed and permitted now to considerably reduce the computation time and memory needed for inversions of models with a large amount of parameters and data. In this work, we have applied a deterministic geostatistical inversion algorithm to a hydraulic tomography investigation conducted in an experimental field site situated within an alluvial aquifer in Southern France. This application aims to achieve a 2‐D large‐scale modeling of the spatial transmissivity distribution of the site. The inversion algorithm uses a quasi‐Newton iterative process based on a Bayesian approach. We compared the results obtained by using three different methodologies for sensitivity analysis: an adjoint‐state method, a finite‐difference method, and a principal component geostatistical approach (PCGA). The PCGA is a large‐scale adapted method which was developed for inversions with a large number of parameters by using an approximation of the covariance matrix, and by avoiding the calculation of the full Jacobian sensitivity matrix. We reconstructed high‐resolution transmissivity fields (composed of up to 25,600 cells) which generated good correlations between the measured and computed hydraulic heads. In particular, we show that, by combining the PCGA inversion method and the hydraulic tomography method, we are able to substantially reduce the computation time of the inversions, while still producing high‐quality inversion results as those obtained from the other sensitivity analysis methodologies.     

一种并行的大地电磁场非线性共轭梯度三维反演方法

本文改进并验证了大地电磁测深数据的三维反演算法和并行计算程序,程序对计算机物理内存和CPU速度及数量要求较低,使普通家用机进行三维反演计算成为可能.本文在Newman和Alumbaugh(2000)提出的三维非线性共轭梯度算法和Rodi和Mackie(2001)给出的大地电磁场二维NLCG反演预处理方法的基础上实现了大地电磁场NLCG三维反演算法,改进了的预处理方法,将反演计算对初始模型的依赖性降到最低,并且通过理论模型验证了程序的正确性,并根据日本KAYABE地区实测数据的反演结果验证了算法的实用性.     

Gravity compression forward modeling and multiscale inversion based on wavelet transform

The main problems in three-dimensional gravity inversion are the non-uniqueness of the solutions and the high computational cost of large data sets. To minimize the high computational cost, we propose a new sorting method to reduce fluctuations and the high frequency of the sensitivity matrix prior to applying the wavelet transform. Consequently, the sparsity and compression ratio of the sensitivity matrix are improved as well as the accuracy of the forward modeling. Furthermore, memory storage requirements are reduced and the forward modeling is accelerated compared with uncompressed forward modeling. The forward modeling results suggest that the compression ratio of the sensitivity matrix can be more than 300. Furthermore, multiscale inversion based on the wavelet transform is applied to gravity inversion. By decomposing the gravity inversion into subproblems of different scales, the non-uniqueness and stability of the gravity inversion are improved as multiscale data are considered. Finally, we applied conventional focusing inversion and multiscale inversion on simulated and measured data to demonstrate the effectiveness of the proposed gravity inversion method.