井地三维电阻率反演研究.

本文首先讨论了垂直有限线源三维电阻率反演方法并利用阻尼最小二乘法技术实现了垂直有限线源三维电阻率反演,然后研究了反演中的几个相关问题.模型试验结果表明：初值选择越合理,反演结果越接近真值;地表的观测范围越大,包含深部电阻率的信息越丰富,反演效果越好.     

大斜度井和水平井井地三维电阻率数值模拟和联合反演

井地电阻率成像法利用井套管作电流源向井下供入大功率直流电流,在地表测量由地下介质的电性变化形成的电位分布,通过反演可得到地下介质的电阻率分布.针对大斜度井和水平井开展井地三维电阻率数值模拟和反演研究,对油田注水及压裂效果监测具有重要意义.基于井地电阻率成像法原理,采用有限差分法和不完全切勒斯基共轭梯度法进行了三维正演模拟,研究了大斜度井和水平井的井地电位响应特征.提出了采用层状约束阻尼最小二乘法由浅到深地进行大斜度井和水平井的多层联合反演,并对实际水平井井地电位各个层段数据进行了三维反演.模拟结果表明,倾斜线源和水平线源会对地面电位响应产生明显影响,在反演中需要考虑线源形态.实际水平井井地电位反演成像表明,考虑倾斜线源或者水平线源的联合反演得到了准确的水平井三维注水层成像图,得出注水层的真电阻率分布,能够判断注水运移方向.     

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.     

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.     

变阻尼共轭梯度算法及其性能分析

为了提高反演的分辨率和计算效率,本文在传统阻尼共轭梯度法的基础上,提出了变阻尼共轭梯度算法.由于在最小二乘线性反演过程中,多数情况下都要计算偏导数矩阵,而偏导数矩阵列向量的长度大小决定了解向量在对应分量方向上前进的快慢,变阻尼共轭梯度算法的提出正是利用了偏导数矩阵的这一特点.从理论上讲,它要优于传统的固定阻尼共轭梯度法.最后通过计算实例证明了该算法计算精度高,稳定性好,收敛速度快.因此采用变阻尼共轭梯度算法进行地球物理反演是切实可行的.     

利用共轭梯度方法的电阻率三维反演若干问题研究

利用共轭梯度方法的电阻率三维反演是近几年才发展起来的 ,尚有诸多问题有待探讨。主要讨论了拉格朗日因子λ、共轭梯度迭代次数对三维反演结果的影响 ,以便获得良好的三维反演效果     

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.     

地面可控源频率测深三维非线性共轭梯度反演

讨论了地面可控源电磁勘探三维非线性共轭梯度反演的可行性以及反演过程中考虑场源的必要性.反演采用非线性共轭梯度反演方法.反演过程中,模型响应利用交错网格有限差分技术计算.反演数据采用与发射源平行的电场x分量E_x.利用层状导电模型作为背景,设计了两个理论模型进行数值试验:第一个模型中包含两个电阻率异常,以检验反演的有效性;第二个模型中,在测区外设置了一个低阻异常,以考察源的信息在反演中的作用.两个模型的反演分别从层状背景模型开始,迭代120次后终止.数值试验结果表明,(1)非线性共轭梯度反演所获得的电阻率分布和理论模型吻合较好;(2)非线性共轭梯度算法收敛速度较慢,需要较多的迭代次数完成反演;(3)对于可控源频率电磁勘探,必须考虑源位置信息.因此,本文采用考虑场源信息的地面可控源非线性共轭梯度反演方法能完成真正意义上的可控源频率电磁测深数据的反演.     

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.     

时间域航空电磁2.5维非线性共轭梯度反演

对于时间域航空电磁法二维和三维反演来说,最大的困难在于有效的算法和大的计算量需求.本文利用非线性共轭梯度法实现了时间域航空电磁法2.5维反演方法,着重解决了迭代反演过程中灵敏度矩阵计算、最佳迭代步长计算、初始模型选取等问题.在正演计算中,我们采用有限元法求解拉式傅氏域中的电磁场偏微分方程,再通过逆拉氏和逆傅氏变换高精度数值算法得到时间域电磁响应.在灵敏度矩阵计算中,采用了基于拉式傅氏双变换的伴随方程法,时间消耗只需计算两次正演,从而节约了大量计算时间.对于最佳步长计算,二次插值向后追踪法能够保证反演迭代的稳定性.设计两个理论模型,检验反演算法的有效性,并讨论了选择不同初始模型对反演结果的影响.模型算例表明:非线性共轭梯度方法应用于时间域航空电磁2.5维反演中稳定可靠,反演结果能够有效地反映地下真实电性结构.当选择的初始模型电阻率值与真实背景电阻率值接近时,能得到较好的反演结果,当初始模型电阻率远大于或远小于真实背景电阻率值时反演效果就会变差.     

基于数据空间和稀疏约束的三维重力和重力梯度数据联合反演

随着重力和重力梯度测量技术的日趋成熟,基于重力和重力梯度数据的反演技术得到了广泛关注.针对反演多解性严重、计算效率低和内存消耗大等难点问题,本文开展了三维重力和重力梯度数据的联合反演研究,该方法结合重力和重力梯度两种数据,将L0范数正则化项加入到目标函数中,并在数据空间下采用改进的共轭梯度算法求解反演最优化问题.同时,本文摒弃了依赖先验信息的深度加权函数,引入了自适应模型积分灵敏度矩阵,用来克服因重力和重力梯度数据核函数随深度增加而衰减引起的趋肤效应问题.为了提高反演计算效率,本文又推导出基于规则网格化的重力和重力梯度快速正演计算方法.模拟试算表明,改进的共轭梯度法可以降低反演的迭代次数,提高反演的收敛速度;自适应模型积分灵敏度矩阵,可以有效解决趋肤效应,提高反演纵向分辨能力;数据空间和改进的共轭梯度算法结合,可以更好地降低反演求解方程的维度,避免存储灵敏度矩阵,有效地降低反演计算时间和内存消耗量.野外实例表明,该算法可以在普通计算机下快速地获得地下密度分布模型,表现出较强的稳定性和适用性.     

大地电磁法三维共轭梯度反演研究

Based on the analysis of the conjugate gradient algorithm, we implement a threedimensional （3D） conjugate gradient inversion algorithm with magnetotelluric impedance data. During the inversion process, the 3D conjugate gradient inversion algorithm doesn＇ t need to compute and store the Jacobian matrix but directly updates the model from the computation of the Jacobian matrix. Requiring only one forward and four pseudo-forward modeling applications per frequency to produce the model update at each iteration, this algorithm efficiently reduces the computation of the inversion. From a trial inversion with synthetic magnetotelluric data, the validity and stability of the 3D conjugate gradient inversion algorithm is verified.     

Simultaneous elastic parameter inversion in 2-D/3-D TTI medium combined later arrival times

Traditional traveltime inversion for anisotropic medium is, in general, based on a “weak” assumption in the anisotropic property, which simplifies both the forward part (ray tracing is performed once only) and the inversion part (a linear inversion solver is possible). But for some real applications, a general (both “weak” and “strong”) anisotropic medium should be considered. In such cases, one has to develop a ray tracing algorithm to handle with the general (including “strong”) anisotropic medium and also to design a non-linear inversion solver for later tomography. Meanwhile, it is constructive to investigate how much the tomographic resolution can be improved by introducing the later arrivals. For this motivation, we incorporated our newly developed ray tracing algorithm (multistage irregular shortest-path method) for general anisotropic media with a non-linear inversion solver (a damped minimum norm, constrained least squares problem with a conjugate gradient approach) to formulate a non-linear inversion solver for anisotropic medium. This anisotropic traveltime inversion procedure is able to combine the later (reflected) arrival times. Both 2-D/3-D synthetic inversion experiments and comparison tests show that (1) the proposed anisotropic traveltime inversion scheme is able to recover the high contrast anomalies and (2) it is possible to improve the tomographic resolution by introducing the later (reflected) arrivals, but not as expected in the isotropic medium, because the different velocity (qP, qSV and qSH) sensitivities (or derivatives) respective to the different elastic parameters are not the same but are also dependent on the inclination angle.     

Three-Dimensional Magnetotelluric Inversion: An Introductory Guide for Developers and Users

In the last few decades, the demand for three-dimensional (3-D) inversions for magnetotelluric data has significantly driven the progress of 3-D codes. There are currently a lot of new 3-D inversion and forward modeling codes. Some, such as the WSINV3DMT code of the author, are available to the academic community. The goal of this paper is to summarize all the important issues involving 3-D inversions. It aims to show how inversion works and how to use it properly. In this paper, I start by describing several good reasons for doing 3-D inversion instead of 2-D inversion. The main algorithms for 3-D inversion are reviewed along with some comparisons of their advantages and disadvantages. These algorithms are the classical Occam’s inversion, the data space Occam’s inversion, the Gauss–Newton method, the Gauss–Newton with the conjugate gradient method, the non-linear conjugate gradient method, and the quasi-Newton method. Other variants are based on these main algorithms. Forward modeling, sensitivity calculations, model covariance and its parallel implementation are all necessary components of inversions and are reviewed here. Rules of thumb for performing 3-D inversion are proposed for the benefit of the 3-D inversion novice. Problems regarding 3-D inversions are discussed along with suggested topics for future research for the developers of the next decades.     

大地电磁全信息资料三维共轭梯度反演研究(英文)

在对张量阻抗数据、倾子数据和共轭梯度算法深入分析的基础上,我们实现了大地电磁全信息资料三维共轭梯度反演算法。基于全信息资料的三维共轭梯度反演研究,探讨了同时利用五个电磁场分量整理得到的大地电磁资料进行三维反演定量解释的方法以及全信息数据在三维反演中的作用。理论模型合成数据的反演结果表明,在三维反演中使用张量阻抗和倾子数据结合的全信息数据的反演结果优于只使用张量阻抗数据(或只使用倾子数据)的反演结果,提高了反演结果的分辨率和可信度。合成数据的反演算例也验证了所实现的大地电磁全信息资料三维共轭梯度反演算法的正确性和稳定性。     

基于模型空间压缩的大地电磁三维反演研究

本文提出了一种基于模型空间压缩技术的大地电磁三维反演方法.该方法在传统大地电磁三维反演理论的基础上,通过小波变换将待反演的空间域模型参数映射到小波域进行反演,获得小波域更新模型后再通过小波逆变换得到空间域反演模型.由于小波变换具有压缩特性和多尺度分辨能力,本文反演方法可在一定程度上提高反演分辨率.为了提高反演效率,我们针对基于L_1范数的模型约束求解不易收敛的反演问题,提出了一种基于模型粗糙度的简单有效的预条件处理技术.为验证本文算法的有效性,本文首先对经典的"棋盘"模型进行三维反演测试.反演结果表明本文算法的反演效率与传统方法相当,但对于深部异常体具有更好的分辨能力.最后,我们通过对实测数据反演进一步验证本文算法的有效性.     

Improved preconditioned conjugate gradient algorithm and application in 3D inversion of gravity-gradiometry data

With the continuous development of full tensor gradiometer (FTG) measurement techniques, three-dimensional (3D) inversion of FTG data is becoming increasingly used in oil and gas exploration. In the fast processing and interpretation of large-scale high-precision data, the use of the graphics processing unit process unit (GPU) and preconditioning methods are very important in the data inversion. In this paper, an improved preconditioned conjugate gradient algorithm is proposed by combining the symmetric successive over-relaxation (SSOR) technique and the incomplete Choleksy decomposition conjugate gradient algorithm (ICCG). Since preparing the preconditioner requires extra time, a parallel implement based on GPU is proposed. The improved method is then applied in the inversion of noisecontaminated synthetic data to prove its adaptability in the inversion of 3D FTG data. Results show that the parallel SSOR-ICCG algorithm based on NVIDIA Tesla C2050 GPU achieves a speedup of approximately 25 times that of a serial program using a 2.0 GHz Central Processing Unit (CPU). Real airborne gravity-gradiometry data from Vinton salt dome (southwest Louisiana, USA) are also considered. Good results are obtained, which verifies the efficiency and feasibility of the proposed parallel method in fast inversion of 3D FTG data.     

倾子资料三维共轭梯度反演研究

在对倾子响应和共轭梯度算法深入分析的基础上,我们实现了倾子资料三维共轭梯度反演算法.基于倾子资料的三维共轭梯度反演研究,探讨了利用倾子资料进行三维反演定量解释的方法.通过对理论模型合成数据 进行反演试算,验证了所实现的倾子资料三维共轭梯度反演算法的有效性和稳定性.该反演算法可用于对大地电磁测深和地磁测深(地震地磁台站进...