基于构造导向滤波的高斯束层析速度建模方法及其应用

高斯束层析速度建模方法利用高斯束传播算子计算层析核函数,能够提高速度模型反演的精度与稳定性,但尚未引入地质先验信息有时会导致反演结果缺乏地质意义。基于此,通过引入预条件模型正则化算子,推导得到构造导向滤波约束下的高斯束层析速度建模方法,该方法的关键是构造导向滤波算子的构建。本文通过地震剖面计算构造的结构张量,利用各向异性光滑算子加入地质构造特征作为反演的正则化约束条件。该方法完全基于数据驱动,实现了对层析反演的"软约束",既缓解层析反演求解的多解性,同时又提高反演分辨率,得到更加符合地质认识的高精度速度模型。数值模拟实验及实际数据应用验证了构造导向滤波下的高斯束层析速度建模的有效性与实用性。     

河流附近非水平初始面潜水渗流分析

考虑初始面非水平条件,建立河流边界控制下的半无限含水层渗流模型,提出非水平初始面及其相关参数（a、t_N）的简易计算方法,并探讨模型的适用条件。分析表明,该法适用于观测数据较少、地下水水位变幅相对于潜水含水层厚度较小、且观测孔距河岸较近条件下河流附近潜水含水层渗流计算。结合实例,采用查表法和配线法求解模型。计算结果表明:参数a和t_N的计算值不同,水位计算误差在0.02 m以内,较原公式精度有明显提高。新模型为初始面非水平条件下的潜水渗流计算提供一种简易方法。     

基于GM（1，1）的组合灰色模型预测软基沉降

以灰色系统理论为基础,建立了沉降预测的组合灰色模型,对一般灰色模型具有的无限增长特性进行了改进和修正。在求解过程中,采用spline插值函数对现场观测沉降数据进行插值变换生成等时距序列,并对沉降预测模型的初值进行了优化选择,以提高预测精度。运用MATLAB语言编制模型计算程序,通过沉降预测实例及后验差法检验模型精度,表明沉降预测的组合灰色模型预测精度较高,具有较强的适用性。     

含弱面块状结构岩质边坡稳定概率计算

首先采用不平衡推力模式分析块状结构岩体边坡稳定性系数的计算格式,推导了具体计算程序,并指出了该格式在可靠度计算中建立极限状态方程的困难;其次研究了解决该问题的近似方法,提出利用不平衡推力分析模式作为计算试验手段,通过计算试验提供样本数据,确定以岩体力学参数为自变量的修匀函数作为稳定性系数的近似解析式;然后以该函数为基础建立极限状态方程,利用验算点方法求解可靠度;最后分别利用该方法和传统的均差方法计算某工程问题。对比发现近似方法在精度上可满足要求,且计算工作量减少,表明了该方法的有效性。     

起伏地形大地电磁二维反演

为了适应地形起伏的实际地质情况,开展带地形的最小二乘二维反演研究。鉴于大地电磁(MT)反演的不适定问题,引入Tikhonov的正则化方法,从而获得关于总目标函数的方程,利用光滑约束最小二乘法求解总目标函数方程。由于正则化因子值与反演精度以及稳定性相关,采用主动约束平衡方法获取最优化的正则化因子,以确保反演精度和稳定性都达到最佳。与此同时,利用电磁场互易定理以节省反演迭代过程求解雅可比矩阵的计算时间。构建了若干地质构造模型进行试算,分别讨论TE、TM模式以及二者联合模式的反演结果,并与前人研究工作对比以说明本文方法的反演效果。     

基于混合核函数PSO-LSSVM的边坡变形预测

支持向量机（SVM）的核函数类型和超参数对边坡位移时序预测的精度有重要影响。鉴于局部核函数学习能力强、泛化性能弱,而全局核函数泛化性能强、学习能力弱的矛盾,通过综合两类核函数各自优点构造了基于全局多项式核和高斯核的混合核函数,并引入粒子群算法（PSO）对最小二乘支持向量机（LSSVM）超参数进行全局寻优,提出了边坡位移时序预测的混合核函数PSO-LSSVM模型。将模型应用于锦屏一级水电站左岸岩石高边坡变形预测分析,并与传统核函数支持向量机预测结果进行对比分析。结果表明,该模型较传统方法在预测精度上有了明显提高,预测结果科学可靠,在边坡位移时序预测中具有良好的实际应用价值。     

基于克里金模型的边坡稳定可靠度分析方法

边坡工程的复杂性不仅表现为各岩土参数的变异性和非确定性,而且还在于其极限状态功能函数的非解析性及隐式性。以Janbu 法为例,研究了隐式功能函数下易于执行的边坡工程稳定可靠度计算方法。首先,调用边坡极限平衡模式获得岩土基本参数,并利用拉丁超立方试验设计抽取影响边坡稳定性基本参数的适量初始样本。其次,采用地质统计学中的克里金（Kriging）各向异性关联映射方法,将边坡功能函数值表述为随机过程。然后,结合主动学习方法,基于搜索规则调整训练样本,通过反复迭代循环确定满足实际工程精度的随机过程所表示的边坡功能函数。最后,调用随机过程函数通过验算点法（JC法）获得边坡的失效概率。工程算例分析表明,文中方法的求解精度与蒙特卡洛模拟方法相当,但计算过程简明,效率高,更具工程实用性。     

一种提高稀疏观测数据区反演精度的策略

在一个观测数据稀疏的地区,仅用观测数据来获得接近于真实的模型解是非常困难的,因此在反演时加入先验信息,考虑基于参考模型的反演方法是合理的。在一个观测数据有限,先验信息也很少的区域,获取合适的参考模型非常困难。在无法选取合适参考模型的情况下,提出了一种在参考模型远离真实模型的情况下,通过反演迭代过程中对参考模型的不断修改,使参考模型逐步逼近真实模型,从而提高了反演精度的策略。这里设计了均匀层状模型及含异常体的模型对算法进行了验证,证实了此方法对反演大型地质异常体具有较好的适用性。     

汉克尔自适应算法在电磁计算中的应用

对于地球物理电磁计算中常出现的贝塞尔函数积分,对比几种高精度的快速汉克尔长滤波系数的精度,选择出一种对于一般情况都表现较好的汉克尔滤波系数,在其基础上,进行一个自适应的截断,来计算相关核函数的积分问题。这样既能保证计算的精度,又能节省计算时间。通过计算实例表明,该算法在保证精度的前提下,相比汉克尔滤波直接计算方法,能够节省大量的时间,尤其对于积分核函数相对复杂的情况,节省时间量尤其显著。在地球物理数据计算量越来越繁琐的今天,该算法对节省计算机资源,具有可行性和实用性。     

基于模糊理论的混凝土热力学参数识别方法

根据混凝土内部温度观测数据,建立了基于模糊理论的混凝土热力学参数识别方法。根据观测点的温度观测数据的误差特性,建立了模糊优化的目标函数。将热传导反问题作为非线性优化问题处理,然后采用BFGS方法求解。由于温度观测误差的随机特性,分析了混凝土热力学参数识别结果的统计特性。数值计算结果表明,在考虑到温度观测误差的条件下,所建立的参数反演方法能够有效地识别出混凝土的热力学参数。     

基于局部重力场建模的Tikhonov正则化点质量核径向基函数方法

针对点质量核径向基函数应用于局部重力场建模中的设计矩阵严重病态问题,本文引入Tikhonov正则化方法对传统点质量核径向基函数方程进行改造,建立了相应的正则化模型。通过模拟数据进行仿真实验,以传统格网化方法作为对比试验,利用"标靶法"确定两种模型的最优结构。实验结果表明:正则化点质量核径向基函数可以直接利用离散数据进行局部重力场建模。在两种模型的最优结构下,当实测数据无污染时,正则化方法达到与传统格网化方法相当的精度;当实测值中加入3 mGal的高斯白噪声时,正则化方法的精度获得了27.9%的提升。这说明本文方法可以应用于局部重力场建模中,且模型结构更优,抗干扰能力更强。     

机器学习算法反求水文地质参数

传统方法求解优化问题时,一般都是依据最小二乘原理来确定目标函数。鉴于这种方法没有考虑到原始测量数据的误差对计算结果及精度带来的影响。为此,提出机器学习算法改进传统的目标函数,同时结合双评价粒子群算法来求解水文地质参数。结果表明,该算法具有良好的收敛性和稳定性,求解效率高,简单易实现。      

大定圆回线频率域电磁场特征研究

大定圆回线非中心回线装置的电磁场计算公式中含有双重贝塞尔函数,因其高震荡性,使用常规方法计算误差较大。为提高计算精度,本文使用一种通过改进核函数的快速汉克尔变换算法来进行求解,计算结果表明:该算法能够很好的压制贝塞尔函数的强震荡性对计算结果的干扰,即使在非准静态近似的条件下,也能精确地计算出大圆回线源位于地表及接收点位于地面任意一点的电磁场,此外,大定源回线电磁场的分布规律不仅与接收装置位于回线内、外有关,还与圆回线所处的位置成一定的线性关系。     

利用一维正则化反演进行大地电磁测深数据拟二维反演解释

大地电磁测深的反演问题是不适定的,其反演结果不稳定,且具有非唯一性。通过在目标函数中采用正则化方法,可以使得不适定反演问题具有稳定的反演结果,并改善解的稳定性和非唯一性问题。为了提高野外大地电磁测深数据的处理效率和初步解释的精度,提出了大地电磁测深数据的一维正则化反演进行拟二维反演解释方法。这里所述的大地电磁测深一维反演解释,与以往的解释方法不同,其思路首先用Bostick反演的深度来控制层参数,使反演计算的模型参数仅存在电阻率;最后采用阻尼高斯-牛顿算法进行反演计算,并将Bostick反演结果作为反演计算的初始模型。通过模型试算,结果表明其处理速度快、解释直观,对野外大地电磁测深数据进行初步反演解释是可行的。     

基于贝叶斯理论面波频散曲线随机反演

面波频散曲线反演是获得地下横波速度结构的重要地球物理方法。常规基于迭代最小二乘等线性反演方法依赖于初始模型,且存在多极值、容易陷入局部最小、反演精度低等问题。基于贝叶斯理论的随机反演方法是一种可以融合先验信息的非线性反演方法,该方法无需人为给定初始模型,仅利用先验信息对模型进行随机采样,根据概率分布筛选接受合适的后验概率密度估计结果,可达到对细节信息的准确估计。本文针对瑞利面波频散曲线,提出了基于GPR数据先验资料约束的贝叶斯马尔科夫蒙特卡洛(MCMC)随机反演方法,通过随机改变模型参数并计算其频散曲线与实际频散曲线的似然函数来选择是否接受新的模型参数,不断重复此过程,最终得到与实际频散曲线拟合效果最佳的最优解以及横波速度解的后验概率密度分布。通过理论模型以及实际数据反演测试,验证了该方法与常规无约束的随机反演相比,可以有效地提高反演速度和反演精度。     

混合蛙跳算法在中小河流河道水力学模型计算中的应用研究

采用混合蛙跳算法对中小河流一维水力学模型进行流量求解,并结合辽宁西部中小河流测流断面实测流量数据,对比分析混合蛙跳算法在中小河流一维水力学模型流量求解的适用性和计算精度。研究结果表明:经过和测流断面实测流量数据对比,混合蛙跳算法在中小河流水力学模型流量推求中具有较高的计算精度,适用于中小河流一维水力学模型的流量计算。研究成果对于中小河流流量自动观测提供方法参考。     

时空径向基函数配点法在计算二维地下水非稳定流动问题中的应用

本文中使用的径向基函数配点法是以时空配点法为基础来解决抛物型方程的一类问题。这种方法与近似求时间导数的隐式,显式法以及其他数值法不同,它不需要对离散系统的时间稳定性进行分析。用时空径向基函数配点法求解二维地下水非稳定流动问题,通过呈现有混合边界条件及只有一类边界条件两种情况下的计算结果,说明了该方法求解该问题的精度及效率较高,结果理想。     

利用阻尼型高斯牛顿法的激发极化数据聚焦反演

利用阻尼型高斯牛顿法求解反演目标函数,并将粗糙度矩阵约束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,同时结合预条件共轭梯度法进行反演迭代,实现了激发极化数据三维聚焦反演快速计算。通过对几个典型模型的试算,并与传统光滑模型约束的反演结果进行比较,表明该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。     

水动力学模型与集合卡尔曼滤波耦合的实时校正多变量分析方法

为减少非恒定水流计算中的不确定性,在水流随机运动系统状态空间模型基础上,应用集合卡尔曼滤波(EnKF)技术建立了非恒定水流分析的实时更新(校正)方法。该方法适用于非线性的随机微分方程,过程和观测噪声可以是非正态分布。同时,为充分利用水位、流量等误差量级相差巨大的观测中所蕴含的有效信息,导出了EnKF多变量分析格式。以明渠单峰洪水过程的合成数据为例,考察了运用建立的实时更新方法分析预报一维洪水演进的性能。重点对比了采用不同精度等级下的水位和流量观测资料进行滤波的效果。在中国现行标准规定的允许观测误差范围内,以水位观测进行一维洪水动力学模型的滤波分析可有效地控制误差、估计流量、识别水流运动系统状态。长江干流清溪场至万县江段实际洪水计算还证实:该方法通过插入即时观测,可实时更新模型状态,给出与实际更为接近的计算。     

具有守恒特性的二维溃坝洪水演进数值模型

基于结构网格,采用有限体积法建立了二维水动力学模型,模拟溃坝洪水在复杂实际地形条件下的流动过程。该模型采用中心迎风格式求解界面通量,并结合对界面变量的线性重构,使其具有空间上的二阶精度。分别采用中心差分方法和半隐式方法对底床坡度项和摩擦阻力项进行离散,保证了模型的和谐性和稳定性。对于复杂地形条件下溃坝洪水的模拟,负水深的产生是影响模型稳定的关键因素。当库朗特数小于0.25时,模型能够保证任何时刻的计算水深都是非负的,而无需对负水深单元进行特殊处理。因此,相比于现有的大部分溃坝洪水模型,该模型具有更强的鲁棒性和稳定性。