CN111291316A - 一种基于小波变换的多尺度电阻率反演方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于小波变换的多尺度电阻率反演方法及系统。其中,该方法,属于地球物理勘探电阻率反演领域,为了解决很难确定地质界面的准确位置的问题,其首先通过卷积型小波变换将模型参数从空间域转换到小波域,然后通过在小波域中求解反演方程来获得不同尺度的小波域特征参数增量,进而得到迭代后的小波域特征参数结果,之后对该结果进行反卷积变换,得到空间域的电阻率模型,能够较高精度地定位和描绘地质目标的边界。
Description
技术领域
本发明属于地球物理勘探电阻率反演领域,尤其涉及一种基于小波变换的多尺度电阻率反演方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息,不必然构成在先技术。
直流电阻率反演方法是地球物理勘探中最常用技术之一,已被广泛应用于许多领域,包括环境工程,水文科学和矿物勘探等。近年来,对地下隐蔽不良地质体形态和边界的准确刻画成像分辨率要求越来越高,而传统电阻率反演方法通常采用基于L2范数的光滑约束反演,受方法本身的局限性制约,难以对陡变的地质界面精细刻画,这是传统电阻率反演方法的一个固有缺陷,也是一个挑战性问题。为此,必须对现有直流电阻率反演方法进行改良。多尺度反演方法目前仅在地震和电磁类方法中研究和应用,尚未在直流电阻率方法中研究和应用。
目前,直流电阻率反演的研究取得了一定的效果,但发明人发现,仍存在以下关键问题,尚未解决:1)传统的直流电阻率反演方法为提高成像分辨率,通常需要其它地球物理或地质数据提供先验信息,如不等式约束和结构约束反演方法等。但是,如果缺少先验信息,这些方法将受到限制。在缺乏已知先验信息的情况下,光滑约束最小二乘反演是最常用的方法。用这种方法可以生成在相邻网格之间具有平滑变化的电阻率模型,因此有时很难确定地质界面的准确位置。2)目前多尺度方法主要应用在地震和电磁反演领域,但尚未在电阻率方法中应用,这是因为直流电阻率法经常使用的电势或视电阻率数据中没有包含频率信息。
发明内容
为了解决上述问题,本发明的第一个方面提供一种基于小波变换的多尺度电阻率反演方法,其首先通过卷积型小波变换将模型参数从空间域转换到小波域,然后通过在小波域中求解反演方程来获得不同尺度的小波域特征参数增量,进而得到迭代后的小波域特征参数,之后对该结果进行反卷积变换,得到空间域的电阻率模型,能够较高精度地定位和描绘地质目标的边界。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种基于小波变换的多尺度电阻率反演方法,包括:
步骤1:对选定区域地质探测,得到迭代初始时刻的空间域电阻率模型参数;
步骤2:通过卷积型小波变换将当前电阻率模型参数从空间域转换到小波域;
步骤3:在小波域中求解反演方程,获得不同尺度的小波域特征参数增量,进而得到迭代后的小波域特征参数;
步骤4:将迭代后的小波域特征参数进行反卷积变换,得到迭代后的空间域电阻率模型参数及正演结果;
步骤5:根据迭代后的空间域电阻率模型的正演结果与采集的视电阻率数据的均方根值RMS大小来判断收敛性,若收敛,则根据迭代后的空间域电阻率模型参数来绘制选定区域的电阻率分布图像;若不收敛,则返回步骤2。
为了解决上述问题,本发明的第二个方面提供一种基于小波变换的多尺度电阻率反演系统,其首先通过卷积型小波变换将模型参数从空间域转换到小波域,然后通过在小波域中求解反演方程来获得不同尺度的小波域特征参数增量,进而得到迭代后的小波域特征参数结果,之后对该结果进行反卷积变换,得到空间域的电阻率模型,能够较高精度地定位和描绘地质目标的边界。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种基于小波变换的多尺度电阻率反演系统,包括:
视电阻率数据采集装置,包括特定排列的电极,用于采集预设位置之间的视电阻率数据;
多尺度电阻率反演控制器,其被配置为:
对选定区域地质探测,得到迭代初始时刻的空间域电阻率模型参数;
通过卷积型小波变换将当前电阻率模型参数从空间域转换到小波域;
在小波域中求解反演方程,获得不同尺度的小波域特征参数增量,进而得到迭代后的小波域特征参数;
将迭代后的小波域特征参数进行反卷积变换,得到迭代后的空间域电阻率模型参数及正演结果;
根据迭代后的空间域电阻率模型的正演结果与采集的视电阻率数据的均方根值RMS大小来判断收敛性,若收敛,则根据迭代后的空间域电阻率模型参数来绘制选定区域的电阻率分布图像;若不收敛,则继续通过卷积型小波变换将当前电阻率模型参数从空间域转换到小波域。
为了解决上述问题,本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质,其首先通过卷积型小波变换将模型参数从空间域转换到小波域,然后通过在小波域中求解反演方程来获得不同尺度的小波域特征参数增量,进而得到迭代后的小波域特征参数结果,之后对该结果进行反卷积变换,得到空间域的电阻率模型,能够较高精度地定位和描绘地质目标的边界。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时实现如上述所述的基于小波变换的多尺度电阻率反演方法中的步骤。
为了解决上述问题,本发明的第四个方面提供一种计算机设备,其首先通过卷积型小波变换将模型参数从空间域转换到小波域,然后通过在小波域中求解反演方程来获得不同尺度的小波域特征参数增量,进而得到迭代后的小波域特征参数结果,之后对该结果进行反卷积变换,得到空间域的电阻率模型,能够较高精度地定位和描绘地质目标的边界。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的基于小波变换的多尺度电阻率反演方法中的步骤。
本发明的有益效果是:
本发明的基于小波变换的多尺度电阻率反演方法,将空间域电阻率模型求解域从空间域转换到小波域进行计算,基于空间域电阻率模型在小波域中具有不同尺度的特征,通过以不同尺度约束边界信息,实现对隐蔽不良地质体形态与边界的精细刻画与成像。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例提出的基于小波变换的多尺度电阻率反演方法流程图;
图2是本发明实施例提出的地电模型中的卷积变换过程示意图;
图3是本发明实施例进行数值模拟时使用的地电模型设计图;
图4是本发明实施例根据基于小波变换的多尺度电阻率反演方法的成像结果。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
如图1所示,本实施例提供了一种基于小波变换的多尺度电阻率反演方法,其包括:
步骤1:对选定区域地质探测,得到迭代初始时刻的空间域电阻率模型参数m(1);
在具体实施中,第一次迭代的空间域电阻率模型参数m(1)为初始空间域电阻率模型,可以取任意模型,通常取所有视电阻率数据的平均值作为均一初始模型的电阻率值。正演有明确的控制方程,可用有限元、有限差分等手段得到较为精确的正演结果,用G(·)表示正演过程。迭代初始时刻的空间域电阻率模型的正演结果为G(m(1))。
在对选定区域地质探测的方法多种多样,在本实施例中使用了地表高密度技术。具体流程如附图2所示。
地电模型图如附图3所示,反演区域设置为124m*32m,背景电阻率为100Ω·m。模型中添加了两个矩形状的低阻体,其电阻率为20Ω·m。
步骤2:通过卷积型小波变换将当前电阻率模型参数从空间域转换到小波域。
卷积型小波变换是一系列的卷积变换,每次只对K1和K2的结果(近似系数)进行卷积变换(K1,K2,K3,K4四个卷积核依次使用),直到不能再进行。最终所有经过以卷积核K3和K4卷积变换后的结果(细节系数)为小波域特征参数其中,小波域特征参数也就是小波域系数。
卷积型小波变换可以在一定程度上克服局部极小问题,并且收敛速度比传统的单尺度方法要快。
本实施例一组用于提取地电模型不同尺度边界特征的卷积核,分别提取了正对角线和副对角线的边界信息,并用平均值近似保留了地电模型的信息。取四个2*2的卷积核,可以进行等价的逆变换,确保信息不丢失。
步骤3:在小波域中求解反演方程,获得不同尺度的小波域特征参数增量,进而得到迭代后的小波域特征参数。
其中,d是视电阻率,也就是某两个电极点的电位差,除以供电电流,乘以装置系数(和电极点空间位置有关);通常有上千个数据;
C-1表示逆小波变换,则后向差商如下:
中心差商为:
具体地,在所述步骤3中,小波域中的反演方程为:
其中,I是单位矩阵;μI是阻尼因子,用于改善反演方程的病态性;λ是空间光滑度的参数,用于平衡空间光滑约束对目标函数影响的权重;λ为元素值均为λ的扩展向量;W为数据加权矩阵;T表示矩阵装置;为第k次迭代的敏感度矩阵;为第k次迭代的小波域特征参数增量;d为所有排列电极采集的视电阻率数据;G(·)表示正演过程;m(k)为第k次迭代的空间域电阻率模型参数。
数据d采集使用某种特定的电极排列,如温纳装置、施伦贝尔装置、偶极偶极或某几种装置的组合,对AB两点供电,测量MN的电位差,进而通过公式获得所有排列的视电阻率ρ,作为数据d。这里K为装置系数,有通用的求解公式,I为供电电流。
在本实施例中,正演使用矩形单元双线性插值的有限元方法,并采用自然边界条件。网格大小为2.0m*2.0m,电极间距设为2.0米,测线布置64个电极。所用数据为施伦贝谢和偶极偶极两种形式的电极排列组合。
步骤4:将迭代后的小波域特征参数进行反卷积变换,得到迭代后的空间域电阻率模型参数及正演结果。
其中,反卷积小波变换是步骤2中卷积型小波变换的等价可逆变换。
步骤5:根据迭代后的空间域电阻率模型的正演结果与采集的视电阻率数据的均方根值RMS大小来判断收敛性,若收敛,则根据迭代后的空间域电阻率模型参数来绘制选定区域的电阻率分布图像;若不收敛,则返回步骤2。
具体地,均方根值RMS的计算公式为:
通过上述步骤也就得到了反演结果,如附图4所示,该数值模拟表明,基于小波变换的多尺度电阻率反演方法能够较准确的刻画地质目标体的形态和定位。
本实施例的基于小波变换的多尺度电阻率反演方法,将空间域电阻率模型求解域从空间域转换到小波域进行计算,基于空间域电阻率模型在小波域中具有不同尺度的特征,通过以不同尺度约束边界信息,实现对隐蔽不良地质体形态与边界的精细刻画与成像。
实施例二
本实施例提供了一种基于小波变换的多尺度电阻率反演系统,其包括:
(1)视电阻率数据采集装置,包括特定排列的电极,用于采集预设位置之间的视电阻率数据d。
数据d采集使用某种特定的电极排列,如温纳装置、施伦贝尔装置、偶极偶极或某几种装置的组合,对AB两点供电,测量MN的电位差,进而通过公式获得所有排列的视电阻率ρ,作为数据d。这里K为装置系数,有通用的求解公式,I为供电电流。
在对选定区域地质探测的方法多种多样,在本实施例中使用了地表高密度技术。具体流程如附图2所示。
地电模型图如附图3所示,反演区域设置为124m*32m,背景电阻率为100Ω·m。模型中添加了两个矩形状的低阻体,其电阻率为20Ω·m。
在本实施例中,正演使用矩形单元双线性插值的有限元方法,并采用自然边界条件。网格大小为2.0m*2.0m,电极间距设为2.0米,测线布置64个电极。所用数据为施伦贝谢和偶极偶极两种形式的电极排列组合。
(2)多尺度电阻率反演控制器,其被配置为:
(2.1)对选定区域地质探测,得到迭代初始时刻的空间域电阻率模型参数;
在具体实施中,第一次迭代的空间域电阻率模型参数m(1)为初始空间域电阻率模型,可以取任意模型,通常取所有视电阻率数据的平均值作为均一初始模型的电阻率值。正演有明确的控制方程,可用有限元、有限差分等手段得到较为精确的正演结果,用G(·)表示正演过程。
(2.2)通过卷积型小波变换将当前电阻率模型参数从空间域转换到小波域。
卷积型小波变换是一系列的卷积变换,每次只对K1和K2的结果(近似系数)进行卷积变换(K1,K2,K3,K4四个卷积核依次使用),直到不能再进行。最终所有经过以卷积核K3和K4卷积变换后的结果(细节系数)为小波域特征参数
本实施例一组用于提取地电模型不同尺度边界特征的卷积核,分别提取了正对角线和副对角线的边界信息,并用平均值近似保留了地电模型的信息。取四个2*2的卷积核,可以进行等价的逆变换,确保信息不丢失。
(2.3)在小波域中求解反演方程,获得不同尺度的小波域特征参数增量,进而得到迭代后的小波域特征参数。
具体地,利用差商代替微商,得到敏感度矩阵,进而求解小波域中的反演方程,得到第k次迭代的小波域特征参数增量;敏感度矩阵是所有排列电极采集的视电阻率数据对各个小波域特征参数求偏导后构成的矩阵;
具体地,小波域中的反演方程为:
其中,I是单位矩阵;μI是阻尼因子,用于改善反演方程的病态性;λ是空间光滑度的参数,用于平衡空间光滑约束对目标函数影响的权重;λ为元素值均为λ的扩展向量;W为数据加权矩阵;T表示矩阵装置;为第k次迭代的敏感度矩阵;为第k次迭代的小波域特征参数增量;d为所有排列电极采集的视电阻率数据;G(·)表示正演过程;m(k)为第k次迭代的空间域电阻率模型参数。
(2.4)将迭代后的小波域特征参数进行反卷积变换,得到迭代后的空间域电阻率模型参数及正演结果。
其中,反卷积小波变换是上述卷积型小波变换的等价可逆变换。
(2.5)根据迭代后的空间域电阻率模型的正演结果与采集的视电阻率数据的均方根值RMS大小来判断收敛性,若收敛,则根据迭代后的空间域电阻率模型参数来绘制选定区域的电阻率分布图像;若不收敛,则继续通过卷积型小波变换将当前电阻率模型参数从空间域转换到小波域。
例如:根据第k+1次迭代的空间域电阻率模型的正演结果与所有排列电极采集的视电阻率数据的均方根值RMS大小判断是否收敛,若收敛,则根据第k+1次迭代的空间域电阻率模型参数,绘制选定区域的电阻率分布图像;若不收敛,则继续将下一次迭代的空间域电阻率模型参数转换为相应小波域特征参数。
均方根值RMS的计算公式为:
本实施例的基于小波变换的多尺度电阻率反演系统,将空间域电阻率模型求解域从空间域转换到小波域进行计算,基于空间域电阻率模型在小波域中具有不同尺度的特征,通过以不同尺度约束边界信息,实现对隐蔽不良地质体形态与边界的精细刻画与成像。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时实现如实施例一所述的基于小波变换的多尺度电阻率反演方法中的步骤。
本实施例将空间域电阻率模型求解域从空间域转换到小波域进行计算,基于空间域电阻率模型在小波域中具有不同尺度的特征,通过以不同尺度约束边界信息,实现对隐蔽不良地质体形态与边界的精细刻画与成像。
实施例四
本实施例提供了一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现如实施例一所述的基于小波变换的多尺度电阻率反演方法中的步骤。
本实施例将空间域电阻率模型求解域从空间域转换到小波域进行计算,基于空间域电阻率模型在小波域中具有不同尺度的特征,通过以不同尺度约束边界信息,实现对隐蔽不良地质体形态与边界的精细刻画与成像。
本领域内的技术人员应明白,本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程,是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中,该程序在执行时,可包括如上述各方法的实施例的流程。其中,所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory,ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory,RAM)等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于小波变换的多尺度电阻率反演方法,其特征在于,包括:
步骤1:对选定区域地质探测,得到迭代初始时刻的空间域电阻率模型参数;
步骤2:通过卷积型小波变换将当前电阻率模型参数从空间域转换到小波域;
步骤3:在小波域中求解反演方程,获得不同尺度的小波域特征参数增量,进而得到迭代后的小波域特征参数;
步骤4:将迭代后的小波域特征参数进行反卷积变换,得到迭代后的空间域电阻率模型参数及正演结果;
步骤5:根据迭代后的空间域电阻率模型的正演结果与采集的视电阻率数据的均方根值RMS大小来判断收敛性,若收敛,则根据迭代后的空间域电阻率模型参数来绘制选定区域的电阻率分布图像;若不收敛,则返回步骤2。
3.如权利要求1所述的基于小波变换的多尺度电阻率反演方法,其特征在于,在所述步骤3中,利用差商代替微商,得到敏感度矩阵,进而求解小波域中的反演方程,获得不同尺度的小波域特征参数增量,进而得到迭代后的小波域特征参数;所述敏感度矩阵是采集的视电阻率数据对各个小波域特征参数求偏导后构成的矩阵。
6.一种基于小波变换的多尺度电阻率反演系统,其特征在于,包括:
视电阻率数据采集装置,包括特定排列的电极,用于采集预设位置之间的视电阻率数据;
多尺度电阻率反演控制器,其被配置为:
对选定区域地质探测,得到迭代初始时刻的空间域电阻率模型参数;
通过卷积型小波变换将当前电阻率模型参数从空间域转换到小波域;
在小波域中求解反演方程,获得不同尺度的小波域特征参数增量,进而得到迭代后的小波域特征参数;
将迭代后的小波域特征参数进行反卷积变换,得到迭代后的空间域电阻率模型参数及正演结果;
根据迭代后的空间域电阻率模型的正演结果与采集的视电阻率数据的均方根值RMS大小来判断收敛性,若收敛,则根据迭代后的空间域电阻率模型参数来绘制选定区域的电阻率分布图像;若不收敛,则继续通过卷积型小波变换将当前电阻率模型参数从空间域转换到小波域。
8.如权利要求6所述的基于小波变换的多尺度电阻率反演系统,其特征在于,在所述多尺度电阻率反演控制器中,利用差商代替微商,得到敏感度矩阵,进而求解小波域中的反演方程,获得不同尺度的小波域特征参数增量,进而得到迭代后的小波域特征参数;所述敏感度矩阵是采集的视电阻率数据对各个小波域特征参数求偏导后构成的矩阵。
9.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的基于小波变换的多尺度电阻率反演方法中的步骤。
10.一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的基于小波变换的多尺度电阻率反演方法中的步骤。
Priority Applications (1)
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