基于深度学习的重力异常与重力梯度异常联合反演

高效高精度的反演算法在重力大数据时代背景下显得尤为重要,受深度学习卓越的非线性映射能力的启发,本文提出了一种基于深度学习的重力异常及重力梯度异常的联合反演方法.文中首先提出了一种基于网格点几何格架的重力异常及重力梯度异常的空间域快速正演算法,这为本文深度学习反演算法的实现奠定了基础;其次对大量的不同密度模型进行正演计算获得样本数据集;然后设计了一种端到端的深度学习网络结构(GraInvNet),再利用样本数据对该网络结构进行训练;最后进行反演预测.组合模型试验表明,多维度数据联合反演相比单一分量反演其结果更“聚焦”,且与模型边界高度吻合,并且对于复杂模型的姿态与物性预测具有极为显著的优势,以及对于含噪声数据的反演,其质量也不会降低;Vinton岩丘实测重力数据也验证了文中方法的有效性;从而证明了深度学习在重力数据的高效高精度反演方面具有的巨大潜力.

海域重力异常模型的多尺度分析

不同于传统的重力异常模型精度分析方法,本文以马里亚纳海沟区域(140°E—150°E,10°N—20°N)为例,利用DOG球面小波提取了DTU10、DTU17和SIO V32.1模型在不同波段内的重力异常信号,对模型间的差异进行了深入分析,并对基于径向基函数的不同深度、不同分辨率的多尺度分析进行了尝试。利用DOG球面小波对各模型多尺度分析的结果表明,随着尺度变小,模型间的差异在变大;DTU10、DTU17模型间的差异主要集中在10.9~43.6 km的波段内,分布在海岸、海沟、海底山附近,体现了Cryosat-2、Jason-1/GM观测数据和FES2014海潮模型的贡献;受模型构建方法不同、观测数据增多和波形重跟踪的影响,DTU17、SIO V32.1模型的差异大于DTU10、DTU17之间的差异。对传统径向基函数进行了改进,实现了多深度、多空间分辨率情况下径向基函数多尺度分析,结果略优于单一深度、单一空间分辨率径向基函数构建结果,有望应用于多源数据的重力场模型构建。

基于ICESat-2多波束激光测高数据的全球海洋重力异常反演分析

卫星测高技术是获取精细海洋重力数据的重要技术手段之一。常规卫星测高反演海洋重力异常主要是利用沿轨测高数据,而跨轨数据因较长的时间间隔或者稀疏的地面轨间距往往不能用于海洋重力异常反演,进而影响了海洋重力异常模型精度的进一步改善。新型激光测高ICESat-2能够同时获得3对光束观测数据,相邻激光束的地面间距约为3 km,为结合跨轨数据改善海洋重力异常模型提供了可能。本文首先给出了集成沿轨和跨轨数据反演海洋重力异常的处理策略;然后,分别利用沿轨数据和集成的数据构建了ICESat-2全球海洋重力异常模型(IS2Gra_alo和IS2Gra_alo_acr),结果表明通过补充跨轨数据能够有效提高沿轨数据反演海洋重力异常的精度,并验证了ICESat-2测高数据反演全球海洋重力异常的可靠性。此外,本文还探讨了ICESat-2不同跨轨数据组合对海洋重力异常模型反演精度的影响,在沿轨数据的基础上集成适当距离的跨轨观测数据能够有利于改善海洋重力异常模型的精度。本文研究为后续SWOT宽刈幅测高数据和我国双星跟飞模式测高数据反演海洋重力异常模型提供了参考意义。

理论自由空间重力异常处理在承德高原地区应用效果分析

布格重力校正方法中存在正常场校正的高程起算面误差、高程校正误差与地形和中间层校正误差,为避免传统布格重力校正方法中存在的误差影响,提高资料解释的准确性,本文采用了理论自由空间重力异常处理技术,对在承德御道口波状高原区的实测重力资料重新进行了处理。通过与布格重力异常的对比分析,对该方法进行了评价。研究结果表明,在波状高原地区,理论自由空间重力异常相较于布格重力异常能够较好地反映区域重力场的空间分布形态,对局部信息的展现也更加清晰、丰富,对构造形态表现更加合理、准确,根据不同的地质目的,合理选择布格校正和理论自由空间重力异常处理,可提升资料解释的可靠性。

任意起伏地形下重力异常三维正演及并行计算

为了进一步提高空间-波数域三维重力异常正演算法的适用范围和计算效率,本文采用任意傅里叶变换算法实现了空间-波数域三维重力异常正演,且在NVIDIA CUDA平台上进行CPU-GPU并行加速.任意傅里叶变换算法的基本思想是将二维傅里叶变换转化为两个一维傅里叶变换,一维傅里叶变换积分离散为多个单元积分累加和,离散单元中原函数采用二次插值形函数拟合,求出单元积分的解析表达式.相比现有的傅里叶变换算法,新方法具有采样灵活、积分精度高、计算速度快和傅里叶变换的截断效应小等优势.利用空间-波数域算法的高度并行性,采用CPU并行求解常微分方程,GPU并行计算任意傅里叶变换,实现了CPU-GPU并行加速方案,进一步提升了本文算法效率.利用常密度模型,对比数值解和解析解,结果表明本文算法正确;利用变密度模型对比了任意傅里叶变换算法与高斯快速傅里叶变换算法的计算效率与精度,在相近的数值精度下,本文算法波数选取少,效率高;测试CPU-GPU并行效果,结果表明相比CPU串行算法,CPU-GPU并行算法的计算效率大大提升,千万数量级节点数模型正演仅耗时数秒.最后利用实际地形数据进行三维重力异常场数值模拟,证明了新方法的高效性与实用性,对实现大规模复杂条件下重力异常精细化反演成像与综合解释有重要意义.

不同类型地震震级与重力变化异常的统计特征及其机理分析

依据收集到的107个4.0级以上地震震例,研究中国陆区中强地震震前重力变化异常统计特征,探讨地震震级与震前重力变化异常各要素及地震性质之间的统计关系,给出了5、6、7、8级地震震级判定的重力变化异常时变距S、量级G和时间T参考指标,并对比、分析了逆冲型、走滑型和正断型地震的重力变化特点,进而结合流体物质运移假说及岩石物理实验结果,探讨了震前重力变化异常的物理机制,以及其与亚失稳阶段、地震孕育能量的联系.得到的主要结论有:(1)震前重力变化异常参量与震级之间更符合非线性关系,5、6、7、8级地震的震前重力变化异常时变距参考指标分别为67、111、185、305 km,重力变化异常量级参考指标分别为49、67、92、125μGal,重力变化异常时间参考指标分别为1.6、2.5、3.7、5.2 a.(2)地震类型对震前重力变化参量有一定影响,尤其是7级以上强震的差异更加明显,逆冲型地震的重力变化量级及时变距可能更大;重力变化异常时间方面,正断型地震可能对应更长的重力变化时间,逆冲型次之,走滑型最短.(3)震前重力变化异常的物理机制可能是,在孕震晚期、亚失稳阶段,震中周边区域岩石裂隙增多、扩展、贯通,引起流变性的深部幔源物质向地壳运移,同时地壳内先存的流体物质由于应力分布不均而大规模迁移,最终在地表引起重力场变化响应.(4)目前流动重力观测受到时空密度的制约,地震预报主要针对5级以上地震,且震级越大预报效能越好.

基于UNet++卷积神经网络的重力异常三维密度反演

三维密度反演是地球物理领域的研究热点,而在大数据及人工智能发展的时代背景下如何快速高效地实现重力数据反演显得更为重要.传统反演方法通常需要存储大型系数矩阵,内存占用大,耗费时间长,同时为约束反演结果而加入的正则化约束项参数难以确定;深度学习可以不依赖先验信息,也不需要计算及存储系数矩阵,使得计算效率大大提高.基于此,本文提出了一种基于UNet++网络的重力异常反演方法.首先将UNet++网络中部分参数进行更改:选择在输入数据绝对值较大时梯度更稳定的LeakyReLU作为激活函数;加入了Batch Normalization层,增强了网络的收敛速度及稳定性.然后为了提高网络的全局最优化能力,引入了基于余弦退火的学习率更新策略,使用梯度的一阶以及二阶矩估计的Adam最优化算法,利用数据集与标签集进行网络训练,实现了重力异常的三维密度反演.通过实验验证了UNet++、LeakyReLU更快速稳定的收敛能力,而余弦退火学习率更新策略具有更强的全局寻优能力.含噪模型实验及实际数据反演结果进一步证明该方法的正确性和有效性,及其良好的泛化能力与抗噪能力.

关于水准测量高差重力异常改正方法的探讨

为了实现在没有条件实测重力和检索布格重力异常数据库的地区进行水准测量高差的重力异常改正,满足水准测量闭合差的限差要求,本文利用多种重力场模型计算的空间重力异常和不同插值方法得到的布格重力异常,对某隧道水准测量高差进行重力异常改正。根据误差传播定律计算重力异常中误差,分析三种不同正常重力平均值的计算公式对水准测量闭合差的影响。实例计算结果表明,在所有外业限差满足要求,但水准测量闭合差仍然超限的情况下,通过利用重力场模型和布格重力异常计算的重力异常改正对高差测量值进行改正后,两种方法均能使闭合差满足限差要求,部分布格重力异常插值方法优于重力场模型。同时验证三种重力异常改正的近似公式对结果影响并不大,可基于实际情况采用不同的公式进行计算。以上结论可为地形起伏较大地区的水准测量重力异常改正计算提供参考。

基于Ka/Ku波段测高及船载重力数据的全球海洋重力异常模型构建研究

海洋重力数据在海洋大地测量学、地球物理学、物理海洋、航空航天及军事应用等诸多领域都有重要的意义。随着卫星测量技术的发展,卫星测高已成为反演海洋重力最主要的数据来源。随着测高数据的不断获取,急需对不同类型的测高数据进行最优融合。近海海域中波形数据由于受到陆地影响,一定程度上降低了测高数据的精度。另外,海底地形变化剧烈的海域对应的大地水准面变化剧烈,也影响了重力反演的精度。因此,论文主要就测高数据精度分析、测高数据精细化处理、不同频率测高数据融合、重力异常最优反演方法及重力异常模型精化等方面展开系统地研究,最终建立全球高精度高分辨率的海洋重力异常模型。论文的主要研究内容和成果如下。

基于重力异常数据构建海陆交界区域海底地形模型

针对使用重力反演海陆交界区非规则形状海域海底地形算法实施困难的问题,基于海底地形数据与重力数据间近似线性的关系,提出使用改进的GGM(gravity-geologic method)和回归分析方法,联合水深测量数据和重力异常数据构建海陆交界区非规则形状海域海底地形。选择中国南海2°×2°(6°~8°N,115°~117°E)范围为研究区域,采用改进的GGM和回归分析方法分别构建海陆交界区海底地形模型SCS_iGGM和SCS_iRA,并与SCS_Grid(研究区声学水深数据直接格网化结果)和SCS_topo_23.1等模型的结果进行比对。结果表明,SCS_iGGM和SCS_iRA模型与SCS-DTU18、SCS-ETOPO1、SCS_topo_23.1模型整体统计结果相似度较高,相关系数高于0.99。外部检核结果表明,SCS_iGGM和SCS_iRA模型精度相当,相较于SCS-DTU18、SCS-ETOPO1和SCS_topo_23.1模型,二者精度分别提高约76%、70%和53%。联合实验海域重力异常和船载水深数据建立的海底地形模型的数据恢复能力和模型构建效果均优于仅依靠船载水深数据所得结果。

基于顶点中心有限元算法的重力场矢量和重力梯度张量高精度模拟

密度非均质性引起的重力异常由三维泊松方程控制,而目前大多数正演模拟方法都依赖于其积分解和以单元为中心的数值方法。当利用重力位计算重力场时,这些数值策略将不可避免地失去准确性。为了缓解这一问题,本文提出了一种高效、准确的高阶顶点中心有限元方法来模拟三维重力异常。首先,通过具有六面体网格的顶点中心有限元来建立正演算法,并选用ILU-BICGSTAB迭代方法求解大型对称稀疏线性方程组。其次,为了获得重力位的一阶导数和二阶导数,采用了高阶拉格朗日插值技术。最后,采用三维立方体密度模型测试了顶点中心有限元算法的准确性,并利用薄垂直矩形棱镜模型和实测模型测试了算法的灵活性。数值结果表明,高阶顶点中心有限元算法能获得高精度的重力场矢量和重力梯度张量。与精确积分解和顶点中心算法相比,高阶顶点中心有限元格式在模拟三维重力异常方面表现出更高的效率和准确性。同时,相较于单元中心数值解,高阶顶点中心有限元算法在模拟三维重力异常表现出更高的效率和准确性。

基于Bursa模型的地球重力场模型2008高程异常误差算法

针对地球重力场模型2008(EGM2008)根据点位经纬度求得的高程异常精度较差,且测区内校正用已知点难以就近获得的问题,提出一种以Bursa模型求解EGM2008高程异常误差的算法;基于Bursa模型可进行严密高程转换的特点,利用测区外已知点求解的转换参数对测量点进行EGM2008高程异常误差值解算;以验算实例和不同区域工程实例对比的方式对该算法进行验算,结果表明:所提算法解算的高程异常误差值可作为EGM2008高程异常误差的修正值,利用远距离已知点校正高程异常可得到图根级精度的高程成果,且能适应不同地形、地势的工程测量要求。

重力异常和重力梯度联合辅助导航算法及仿真

鉴于潜艇的惯性导航系统误差随时间积累的缺陷,重力无源辅助导航近几年成为水下潜艇辅助导航研究的热点和前沿问题.采用多模型自适应Kalman滤波并行算法对重力异常和重力梯度联合辅助导航,通过对沿航迹重力异常和重力梯度信息因子的实时分配,加权处理得到潜艇位置的最优实时估计.选取不同特征区域的2条航线进行仿真试验,对算法的匹配可靠性和匹配误差进行分析,结果表明,该算法能弥补单纯重力异常或重力梯度匹配定位精度不够、误匹配以及匹配失效情况的不足,提高现有重力场辅助导航的定位成功率和定位精度.

矩形棱柱体重力梯度张量异常正演计算公式

矩形棱柱体重力梯度张量异常常用的正演计算公式含有解析奇点。结合理论推导过程详细分析了"奇点"存在的原因,并基于前人提出的长方体ΔT场及其梯度场无解析奇点理论表达式,建立了矩形棱柱体重力梯度张量无解析"奇点"公式,通过模型计算结果对比和理论分析证明了其正确性。

利用垂直重力梯度异常反演海底地形

根据海底地形与海面重力异常之间的响应函数关系,给出了海底地形起伏与海面垂直重力梯度异常之间的响应函数关系。据此,采用高斯型海山模型,进行了利用垂直重力梯度异常反演海底地形的模拟研究。研究了岩石圈有效弹性厚度、地壳密度以及截断波长对反演结果的影响,并通过实际数据试验计算得到了高精度的海底地形模型。

基于改进的小子域滤波的重力异常及重力梯度张量边缘增强(英文)

针对利用重磁资料增强地质体边界在图像中的视觉效果和提高地质解译的准确性问题,提出应用改进的小子域滤波方法对重力异常及重力梯度张量数据进行增强处理。根据滑动窗口子域平均选择原理,探讨了改进的小子域滤波方法在位场异常数据含有高斯白噪声时,不同窗口大小对地质体边界的识别效果及其在具有不同边界延伸方向地质体中的应用效果。模型试验结果表明,利用改进的小子域滤波对重力梯度张量数据进行增强处理,得到的地质体边界形态失真更小,且受滤波窗口大小、噪声以及地质体边界方向的影响较小;对深部场源体,通过增大滤波窗口的方式,可以较好地反映深部场源体的边界。结合黑龙江省虎林盆地重力异常以及计算的重力梯度张量的处理实例表明改进的小子域滤波法较传统的小子域滤波法增强了对断裂水平位置信息的识别。

不同小波基函数在重力梯度异常正演计算中的应用研究

在复杂地质体的重力梯度异常正演计算中,会生成巨型稠密的灵敏度矩阵,相对应的内存存储需求和矩阵向量乘法的耗时都会增加。笔者基于小波变换理论,首先从理论上给出了小波域中的重力梯度异常正演方程,之后选用不同小波基函数进行模型正演对比实验探讨计算效率。研究表明Db3小波基函数能有效减少正演计算中灵敏度矩阵对内存的需求,同时减少矩阵向量乘法操作数。

方向导数在重力梯度带异常解释中的应用

台阶是重力梯度带异常解释的主要物理模型。通过模型计算,证实台阶布格重力异常Δg的一阶水平方向导数V xz极大值位置与台阶上沿的地面投影位置相一致,而与倾角关系不大。因此,利用V xz极大值可以方便地确定台阶上沿的地面投影位置。根据V xz曲线极大值两侧的对称性可以判断出台阶的倾向。同时推导出应用1/2与3/4V xz极值点位置反演台阶模型参数的计算公式,并证明这个公式比应用1/2与1/4V xz极值点反演精度更高。

重力位三阶梯度张量异常的波数域转换计算及其DEXP定量解释方法

现在的仪器测量技术还不能直接测量重力位三阶梯度张量,本文提供了一种基于重力异常及重力梯度张量数据的重力位三阶梯度张量波数域转换计算方法。为验证计算方法的正确性,文中计算了三维模型重力位三阶梯度张量异常,并将重力位三阶梯度张量波数域转换结果和模型正演结果进行对比,结果表明所采用的波数域转换方法是可行的,并且相对于重力异常数据,基于重力梯度张量数据的波数域转换结果精度更高,其均方根误差不超过1 pMKS。此外,基于Vinton盐丘区实测数据利用波数域转换方法得到该地区的重力三阶梯度张量数据,并将其用于DEXP方法的数据解释中,所得的深度以及边界结果与前人的研究结果相符合。

海洋垂直重力梯度异常的计算及其在地形反演中的应用

将测高重力异常、局部大地水准面和垂线偏差作为输入数据,计算海洋垂直重力梯度异常。以中西太平洋海域作为研究对象,对垂直重力梯度异常和海底地形的相关性进行分析,在20~200km波段范围内利用梯度异常推估海底地形。结果表明,反演地形的相对精度在7.14%左右,在多海山地区精度较差。