基于不等式约束的三维电阻率探测混合反演方法

三维电阻率探测的线性反演和非线性反演中均存在着多解性的固有难题.电阻率线性反演方法的效率较高,但反演结果对初始模型的依赖性较强,易陷入局部极小;而非线性反演方法不依赖初始模型,但搜索效率极低,尚未见到关于三维电阻率非线性反演的文献.针对上述问题,融合线性与非线性反演方法的互补优势,提出了最小二乘法(线性方法)与改进遗传算法(非线性方法)相结合的混合反演方法的概念和思想.首先,提出了将介质电阻率变化范围作为不等式约束引入反演方程的思路,以实现压制多解性、提高可靠性的目标.提出了宽松不等式约束和基于钻孔推断的局部严格不等式约束的获取及定义方法.在此基础上,分别提出了基于不等式约束的最小二乘线性反演方法和遗传算法非线性反演方法.其次,对于遗传算法在变异搜索方向控制、初始群体产生等方面进行了改进,优化了其搜索方向和初始群体多样性.然后,提出了混合反演方法及其实现方案,利用改进遗传算法进行第一阶段反演,发挥其对初始模型的依赖程度低的优势,搜索到最优解附近的空间,输出当前最优个体;利用最小二乘法进行第二阶段反演,将遗传算法得到的当前最优个体作为初始模型,在最优解附近空间执行高效率的局部线性搜索,最终实现地电结构的三维成像.最后,开展了合成数据与实际工程算例验证,与传统最小二乘方法进行了对比,发现混合反演方法在压制多解性、摆脱初始模型依赖和提高反演效果方面有较好效果.

三维电阻率空间结构约束反演成像方法

反演的多解性是三维电阻率探测的固有问题,极易造成地质解释的误差甚至错误。针对该问题,提出利用其他勘探地球物理方法(如地震反射方法、地质雷达方法等)获得的异常体的空间结构和形态信息作为电阻率反演先验约束的学术思路。首先,提出空间结构约束这一新约束的构制方法,将已知异常区域(由其他勘探地球物理方法得到)映射到三维反演模型中,使得对应区域的各网格之间的电阻率差异极小,建立一种表达简单、易于实现的空间结构约束矩阵,可表征常见典型构造,特别是形态或结构较复杂的地质构造。在此基础上,构造携带空间结构约束的三维电阻率探测反演目标函数及其反演成像方程,形成三维电阻率探测空间约束反演成像方法。然后,基于上述反演方法,开展数值试验和工程应用,将地质雷达和地质分析获得的空间结构约束施加到三维电阻率反演中,发现利用三维电阻率空间结构约束反演方法大大增加了异常区域的先验信息,可有效去除反演成像中的假异常和多余构造,对异常体的定位精度和界面分辨效果较传统的电阻率反演方法有了很大的提高,使得反演结果与地质原型较为一致,显著压制了电阻率探测反演的多解性问题,证明三维电阻率探测空间结构约束反演成像方法是抑制多解性、改善定位精度和界面分辨效果的可行途径。

基于参考模型的三维电阻率约束反演方法研究

三维电阻率探测存在反演多解性问题,易造成地质解译困难甚至判断错误。针对该问题,提出将多种地球物理探测手段获得的已知信息构建为参考模型约束施加到电阻率反演方程中的解决思路。以地质钻探获得介质电阻率信息,以地质雷达法获得异常体界面信息,将得到的已知信息映射到三维电阻率反演得到参考模型,在电阻率反演中施加参考模型约束,形成了基于参考模型的三维电阻率约束反演方法,其中携带有已知先验信息的参考模型约束,具有定向引导电阻率反演方向的作用,理论上有助于压制反演多解性。开展相应的数值试验和工程应用,结果表明上述电阻率反演方法实现了对异常体形态、规模、电阻率值等的较好反映,是实现多元地球物理探测信息融合、压制多解性的一条可行途径。

基于GPU混合反演的隧道电阻率超前探测成像研究

隧道施工期超前探测对于避免突涌水灾害的发生具有重要作用,为满足隧道三维电阻率超前探测快速化解译与成像的要求,本文提出了一种基于GPU并行的蚁群算法与最小二乘方法相结合的混合反演算法.该方法结合线性反演与非线性反演的优点,利用蚁群算法全局搜索能力强的优点为最小二乘反演提供较优的初始模型,以克服最小二乘算法容易陷入局部最优的缺点,提高了隧道三维电阻率反演成像的精度.同时,基于蚁群算法的天然并行性,提出了CUDA环境下的GPU并行策略,实现了三维电阻率反演的快速化成像.其次,开展了基于GPU混合反演的数值算例,与传统最小二乘线性反演进行了对比,基于GPU并行计算的混合反演计算效率得到了显著提高,对含水构造的位置、形态有较好的反映,压制了三维反演的多解性.最后开展了物理模型试验,结果表明基于GPU混合反演探测的低阻异常体与实际含水构造的位置较为相符,发现基于GPU加速的混合反演方法在提高探测精度与加快反演速度方面具有显著优势,为三维电阻率混合反演方法在隧道超前探测实际工程中的应用奠定了基础.