“磁法勘探”线上线下混合式教学模式探索与实践

“磁法勘探”是中国地质大学(北京)勘查技术与工程专业的一门核心课程,在新工科和一流课程建设项目推动下,开展了线上线下混合式教学模式探索和实践。本课程建设以新工科人才培养需求为导向,以线上线下相融合的教学模式为主线,在重塑教学目标、优化教学内容、丰富课程资源、研发实践教学仿真平台、构建多元化评价体系等方面开展探索与实践,取得阶段性成果。以成果为导向构建的线上线下混合式课程教学模式,使教学目标聚焦高质量工程人才培养,教学资源更加优化和丰富,教学模式更为融合高效,教学评价更为多元客观且覆盖教学全过程,对课程目标达成与新工科人才培养具有更好的支撑作用。

基于等值线拓扑走向的快速区域填充算法

本文提出了一种基于矩形规则网格数据的等值线区域颜色快速填充算法,该算法不需要通过复杂的搜索算法寻找等值连通区域,也不需要判断等值线封闭区域之间是否相互包含构建拓扑相邻关系树。该填充算法基于等值线形成的矩形网格追踪算法,通过对等值线生成中的拓扑走向进行判断并分类,以此为基础,按约定的规则将未闭合的开曲线与矩形边界线组成封闭区域;然后结合等值线本身的特性,并充分利用等值线生成过程中的信息对封闭区域进行排序,实现封闭区域的顺序覆盖填充。同时,本文给出了详细的区域填充颜色选取算法,该算法更加简单、快速。数据测试对比证明了所提出算法的正确性,以此为基础自主开发了重磁处理软件系统,该算法成为彩色等值线图绘制的基础。

重磁处理解释系统软件设计与关键实现技术

重磁探测是金属矿勘探的主要手段之一,其处理和解释方法技术已得到很大的发展,研发与其相适应的重磁软件是重要的研究课题.在国家863课题的支持下,我们设计并研发了重磁处理解释集成化软件系统.在分析国内外现有软件不足的基础上,我们对重磁软件系统所应具有的操作行为进行了针对性的设计,提出了具有特色的功能设计思路,并进行了针对性的研发实现.为满足深部矿产资源勘探需求和精细化解释需要,提出了更加具有针对性的软件设计解决方案,研发了特色的处理解释模块,核心突出软件的实时可视化和协同交互操作,使软件系统能高效地服务于使用者的目标任务.在优化改进处理、正反演算法的基础上,提出多核并行化方案并实现,提高了软件整体运行速度.最终形成了将数据管理、数据可视化、数据处理及解释有机结合的特色软件系统,为金属矿探测提供了一个高效、有力的工具.

重磁三维自动反演软件系统的分析与设计

由于三维反演计算非常耗时,导致目前的重磁三维自动反演系统的工作方式效率低。为了改善工作效率和提高反演结果的质量,提出实时可视化自动反演方式,设计并开发了一个重磁三维实时可视化反演系统。该系统在三维反演计算的过程中,将中间反演结果同时进行成图可视化,使得工作人员能及时分析和评价中间反演结果并能修改参数,以此来介入和引导复杂的反演过程,快速有效地得到比较理想的反演结果。该系统具有实时性、交互性和引导性特点。对该系统进行了分析和设计,并给出了其中的关键技术与设计方案。

重磁位场转换计算中迭代法的综合分析与研究

处理转换计算在重磁资料解释中发挥着重要的作用,但一些计算如向下延拓、化极等有时是很不稳定的,在频率域中则表现为其转换因子具有明显的放大作用,所以其FFT理论计算结果是不稳定的.因此,很多研究工作都是围绕增加计算的稳定性、提高计算效果进行的,其中迭代法是近来在研究中受到普遍重视的方法技术,并取得了较好的成果.但也存在对迭代法研究还不够深入,对其存在的缺点认识不够充分、客观等问题,例如,迭代法进行延拓及化极等计算时,对一些具体应用虽能在一定程度上获得较好的计算结果,但却存在计算结果并不会随着迭代次数的增加而得到持续改善的问题,对于原本不稳定的计算,迭代法在迭代次数比较大时,所得的结果依然是不稳定的.为此,本文在对迭代法进行分析研究的基础上,进一步推导了迭代法的通式,并分析了对迭代法收敛性影响的各种因素.分析结果表明:迭代法收敛到FFT理论直接计算结果的决定因素是计算过程中如何选择原始数据到目标数据的映射函数;在选择了合适的映射函数的情况下,迭代次数不仅仅是决定计算成本,而是决定结果好坏的关键因素;增加迭代次数虽然能够使计算收敛到FFT直接计算理论结果,但如果该理论结果本身就是不稳定的,则迭代法计算如果收敛,也是收敛到一个不稳定的结果.所以针对位场处理转换中一些不稳定计算采用迭代法,并没有从根本上解决计算的不稳定性问题.

重磁异常三维物性反演随机子域法方法技术

本研究针对三维物性反演中存在的困难和问题,提出三维物性反演的随机子域方法技术,首先是将正反演中保持不变的几何格架分离计算并存储,避免重复计算,从而提高正反演计算速度;其次是利用对称性等实现等效计算,明显降低格架计算和存储要求;再通过随机子域方式,降低反演的维数问题;另外,通过概率方式控制子域生成的分布,实现约束新机制.模型和实例计算表明了方法技术的效果,为大面积重磁数据的三维反演提供了有效的途径.

数据空间磁异常模量三维反演

强剩磁的存在通常导致了总磁化强度方向未知,进而影响了磁异常的反演和解释.磁异常模量是一种受磁化方向影响小的转换量,可以在强剩磁条件下通过反演三维磁化强度大小分布来推测场源分布状态.我们提出了一种数据空间磁异常模量反演算法来减少剩磁的影响.与标准的模型空间L2范数正则化反演方法相比,我们的方法有两个优点:一是无需搜索正则化参数(需要反复求解非线性反演问题),因而可以减少计算时间;二是反演结果更加聚焦,深度分辨率更高,我们对此进行了原因分析.通过模型和实测数据测试证明了该算法的有效性和更好的反演效果.

基于L_p范数稀疏优化算法的重力三维反演

三维密度反演已经成为重力数据定量解释的常规方法,但由于重力数据本身并没有深度分辨率,为了减少由此引起的重力反演的非唯一性,常用的手段是引入额外的先验信息.本文提出了一种重力三维稀疏反演(以下简称稀疏反演)方法,该方法通过求解物性上下界约束时的Lp范数(0≤p≤1)稀疏优化问题,来获得具有尖锐边界的解.与传统的L2范数反演方法相比,稀疏反演方法可以更加有效地利用已知的物性信息,获得深度分辨率更高的反演结果.此外,我们也分析了稀疏反演方法与二值、三值反演算法的等价性以及在实际应用中需要注意的问题.最后,通过模型试验以及矿区实测数据反演验证了稀疏反演方法的有效性.

井地磁异常模量联合反演

三维反演是磁测数据定量解释的重要方法,在金属矿勘探中扮演着重要的角色.但是在实际矿区的应用中,传统的磁总场异常反演方法依然存在两个问题:一是地面磁异常反演的深度分辨率较低,深部场源体的成像效果差;二是金属矿中可能包含强剩磁,反演结果可能是完全错误的.尽管前人对上述两个问题分别进行了广泛的研究,但尚未尝试同时解决这两个问题.本文在前人研究的基础上,提出了一种井地磁异常模量联合反演方法,该方法需要的控制参数少,无需加入额外的地质信息,且可用于多场源复杂磁异常的反演,具有较强的适用性.本文方法首先将地面和井中磁异常转化为模量数据,然后利用基于核函数或距离的加权函数将井地模量数据结合起来,使得该方法适用于联合反演.我们利用井地多种异常参量进行反演的模型试验表明,在强剩磁存在时,本文方法的效果优于其他方法,在减少剩磁影响的同时,也改善了深部成像效果,具有良好的应用前景.

低纬度化极应用迭代法的技术条件分析

针对现有的磁赤道地区磁异常迭代化极方法进行了分析,重点研究了迭代计算中的关键因素———映射函数的选择对迭代收敛性的影响,通过改变映射函数将其推广到除赤道外的其它低纬度条件的化极,并进一步给出了不同磁纬度地区的收敛条件。经过模型计算和实测磁异常验证,改进后的方法既适用于磁赤道也同样适用于其它低纬度地区,并且在保证化极效果的基础上提高了迭代计算的效率。

重力异常分离的小波域优化位变滤波方法

在重力异常分离中,频率域滤波分离方法是以全局数据频谱特征设计针对性的滤波器实现的.滤波器参数与空间位置无关,因此无法针对局部数据频谱特征动态调整滤波器参数.针对该局限性,在小波域滤波理论和优化滤波方法的基础上,本文研究提出了小波域优化位变滤波法,该方法具有空间变化滤波能力,在不同空间位置实现不同的滤波器特性,从而能实现局部数据频谱与全局数据频谱存在较大差异的重力异常分离问题.理论模型数据分离实验结果表明,在局部数据频谱与全局数据频谱差异较大的情况下,该方法相对于Butterworth滤波和优化滤波等方法具有优势.最后,用一个实例进行检验计算,体现了所提方法技术的效果和应用前景.

重磁遗传算法三维反演中动态数组优化方法

将地下场源划分成很多规则小单元 ,并且反演这些单元的物性变化是重磁反演 ,特别是三维反演的重要方向。在应用遗传算法进行该类反演过程中 ,隐含着数据量大时高维动态数据内存管理问题。为此 ,作者在本文中提出了简单。

基于阻尼最小二乘法的位场欧拉反演方法

欧拉反演方法是一种常用的估算场源位置的位场反演方法.在欧拉反演方法中如何获得稳定的解是一个还没有得到很好解决的难题,场源异常相互叠加干扰使反演系数矩阵极易奇异是造成反演结果发散的主要原因.我们基于阻尼最小二乘法对欧拉反演进行了进一步的分析研究,试图提高反演结果聚集度,获得可靠的反演结果.经过研究发现,阻尼因子的选取、系数矩阵的特征值、坐标系原点的位置设置等因素都会影响反演结果.阻尼系数大小与反演结果向原点压缩的程度呈正相关关系;系数矩阵特征值的大小与反演结果向原点压缩的程度呈负相关关系;并且特征值较小的系数矩阵对应的反演结果对坐标原点的位置变化较敏感.当阻尼系数确定后,采取变换坐标参考点的方法可以获得发散性小、稳定性好的反演结果,据此我们提出了变坐标系筛选方法.为了进一步地缩小反演结果的分布范围,我们根据反演结果与窗口中心点的空间关系对反演结果进行再次筛选.模型实验表明,阻尼最小二乘法欧拉反演方法和变坐标系筛选方法简单易行,可以明显地改善反演效果,增强反演结果的聚集程度.

重磁数据网格化时减少失真以及提高效率的技术研究(英文)

本文以地球物理观测数据网格化过程中插值点位的合理设置为研究对象,提出了一种基于离散数据分布特征分析的网格化参数合理提取方法技术。该方法通过对原始数据作走向、疏密等特征分析,从分析结果中提取合理的网格化参数,通过理论模型分析表明使用该参数能够显著减少数据失真。同时针对传统网格化软件中存在的一些不足之处,我们利用人机交互以及多线程并行技术,提出了若干减少失真以及提高效率的技术措施。在此基础上,我们开发实现了一个实用化的直观图形交互方式的网格化软件。最后给出了一个吉林某地磁异常的网格化实例,通过不同网格化结果的对比分析证明了该方法技术在减少重磁数据网格化时的数据失真、提高网格化效果方面的优越性。

强磁性体ΔT异常计算的误差分析研究

本文主要针对当前磁法勘探中高精度处理解释的需求,对强磁性体ΔT异常计算存在的误差进行分析研究.我们首先通过理论模型计算试验,证明常规计算采用的投影关系的ΔT与实际测量的模量差ΔT之间的误差E在磁异常幅值大时是明显存在的,其影响不容忽视.其次,当磁性强且剩磁存在时,投影ΔT曲线及其误差曲线在磁化方向与地磁场方向改变时具有一定的对称性;地磁场T0、磁性体形态（如二度水平圆柱体模型的半径r、柱体埋深R）和磁性参数（如磁化率κ）等参数确定的情况下,最大误差值出现在磁性体正上方,且其大小与磁性参数（κ）和模型体规模（如r/R）之间皆是指数关系;另外,研究还发现ΔT的计算误差曲线的一些其他规律特点,如在各纬度带上,ΔT计算误差的最大值Emax曲线的极值主要分布在中纬度地区;磁异常矢量Ta与地磁场T0的夹角θ逐渐变化时,随θ变化Emax曲线的极值分布在θ=90°~120°范围内;当磁异常幅值小于10000nT时,最大误差近似为磁异常矢量垂直于地磁场方向的测点附近的误差值;另外,磁性体（圆柱体为例）的半径（即尺度）与埋深的比值r/R超过0.5,且磁化率超过0.1SI时误差已达到3.9nT,磁化率增大与对应的Emax的值呈指数增长特点.因此,我们的研究表明,在强磁性体、磁异常幅值大的数据处理、反演及解释时,现有方法会产生较大的误差,应该基于严格的模量差ΔT,完善相应的处理以及反演方法.

基于磁异常的边界特征增强方法对比研究

基于磁异常进行场源边界识别(如断裂划分)是磁法勘探解释工作的重要内容.由于受到斜磁化、场源埋深、异常叠加以及噪声等多种因素的影响,基于磁异常直接进行场源的边界识别往往难以准确识别出场源体的边界,所以,人们研究了各种场源边界特征增强的方法技术,以便于进行场源边界的识别工作.近年来,国内外出现了很多新的边界特征增强方法,但有些方法的边界特征增强效果与已有方法相近,有的方法效果有待深化检验,存在验证方法的理论模型过于简单,未全面细致地分析出它们的优缺点等问题.针对上述情况,本文运用多种复杂、贴近实际的理论模型,深入对比分析了包括解析信号模法和倾斜角法等在内的15种具有代表性的边界增强方法,分析了它们在不同磁化方向、不同场源埋深、不同场源形态、异常叠加和噪声干扰等多种因素影响下的边界增强效果,重点归纳总结出它们的优缺点和适用条件,以为实际应用时的方法选择提供参考.通过模型实验,我们认为解析信号模垂向导数法、总水平导数法、解析信号模倾斜角法是在多种因素影响下,适用性较强、应用效果较好的三种方法.

海洋磁测日变校正的纬度改正方法研究

目前,在远海开阔性海域磁测中,尚难以有效设立日变站,致使日变改正仍存在着困难.本文利用地磁台站实测资料对地磁日变的纬度分布特征进行研究,发现日变值随纬度变化具有由Sq电流中心向南北两侧递增的规律,且二者之间的关系可用二次函数近似描述。以此规律为基础我们建立了纬度改正方法,该方法以经度链为基站,利用基站数据得到日变值与磁纬度的拟合函数以进行纬度改正,再调整时差作为经度校正即得到计算站的日变值.实测数据计算结果表明,相较于加权平均法,此方法在远距离(经度差达40°)仍能保持较高的校正精度(<4 nT),因而能更好地适用于远海磁测.

二氧化碳致裂装置的研究

本文研究了二氧化碳致裂装置的结构以及在施工过程中的一些细节问题。

水平尺度因子对功率谱深度估计的影响及修正方法研究

利用功率谱方法求取场源深度已经广泛应用于重磁数据处理解释.为了提高深度反演的精度,本文基于经典的Spector统计模型功率谱方法,研究了矩形棱柱体磁场的对数功率谱中各独立因子的变化特征,认为水平尺度因子的固有衰减性质对功率谱估计场源深度会产生较大影响.通过分析总结大量棱柱体模型磁场的功率谱深度估计结果,认为场源顶深与水平尺度的比值关系是决定是否进行水平尺度因子修正的重要因素.为获得更合理的深度估计结果,本文结合向上延拓方法和边界特征增强技术,提出了具有实用价值的水平尺度因子修正策略,提高了深度推断精度.模型验证和实际应用结果表明,文中所提方法能够取得更好的应用效果.

Computation of Magnetic Anomalies and Gradients for Spatial Arbitrary Posture Regular Body

In the interaction computation for 3D gravity and magnetic anomalies due to arbitrarily shaped homogenous magnetized polyhedron model composed of triangular facets, there are many difficult points, such as mass computing, absence of a mature computer technique in 3D geological body modeling, inconvenient human-computer interaction, hard program coding, etc.. Based on the formulae of the magnetic field due to horizontal regular bodies, and by applying forward theory with the three-dimensional Cartesian coordinate system transformation, the forward problems of magnetic anomalies and gradient tensors for arbitrary slantwise regular bodies were solved. It is shown that the magnetic calculating expressions of the arbitrary posture regular body are corrected by comparing results with the homogeneous polyhedral body model outcome data. Furthermore, in the same condition, the former significantly reduced forward time. Applying a new forward method of regular body expressions in arbitrary posture, developed software for interaction computation between the 3D geological body model and magnetic field has advantages of fast calculation speed, easy manipulation, etc..