CN117233858A - 基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演方法 - Google Patents

基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演方法 Download PDF

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任玉晓
郭诗雨
刘斌
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刘本超
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Abstract

本发明提供了一种基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演方法，本发明针对单一方法难以得到隧道异常体准确位置提出了交叉梯度交替联合反演，约束共同空间；针对二者没有适用的准确的岩石物理对应关系的问题在交叉梯度联合反演的结果上提出了基于聚类约束的地震与电法交替联合反演，进一步提升边界约束；交叉梯度联合反演结果为聚类联合反演提供了可靠的聚类类别与初始聚类中心，聚类联合反演结果为交叉梯度联合反演提供了更好的边界约束信息，二者循环迭代，有效提升了联合反演的精度。

Description

基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演方法
技术领域
本发明属于地球物理勘探技术领域，涉及一种基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演方法。
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。
很多区域的隧道建设面临高海拔、高水压、高地应力等极端环境，致灾水体、深大富水断裂、强岩溶、强蚀变带等灾害源赋存状态极其复杂、隐蔽性更强，多灾害源并存诱发探测物理场畸变干扰严重，给不良地质判识带来巨大挑战，一旦误判、漏判，易诱发重大灾害。究其原因，单一预报方法多解性强，而传统综合探测和解译往往是几种预报方法的简单组合，且极复杂地质条件下多灾害耦合链动致灾效应更显著，灾难性更强。
隧道施工复杂的施工环境，使得单一物探方法无法准确探明前方不良地质体。全波形反演存在由于采用局部优化算法而导致结果易于陷入局部极值的问题，隧道观测条件下，检波器数量较少加上偏移距更小，隧道全波形反演结果质量不高；隧道电阻率方法具有勘探成本低，对地下含水低阻体敏感等特点得到广泛应用，但是反演结果存在体积效应，分辨率较低，对高阻体的敏感性较弱。
近年来，联合反演方法在地球物理领域得到越来越广泛的应用，主要形式包括基于岩石物理关系和基于结构相似性的耦合。由于不同地质区域所对应的岩石物理关系各不相同，目前使用的岩石物理关系均为经验公式或者统计规律，且仅在局部适用。面对复杂的地下介质，不同物性参数之间的关系也无法用简单的多项式表达。聚类作为物性联合反演的有效手段，聚类类别的设置与参考聚类中心的选择对反演结果至关重要。此外，基于结构相似性的联合反演则基于不同方法对同一构造均能产生响应，而不需要具体的岩石物理关系，应用更为广泛，交叉梯度是其中的有效方法之一。
目前实现隧道多源数据联合反演主要存在以下两个难题：
第一，隧道全波形反演与隧道电阻率法存在各自的局限性，单一方法难以得到隧道异常体的准确位置，如何进一步提高结构性约束是实现隧道多源数据联合反演的必须要解决的问题。
第二，地震勘探与电法勘探无准确的岩石物理对应关系，在二者没有适用的准确的岩石物理对应关系的情况下，引入聚类联合反演，如何进一步将二者有效联合从而提高反演精度是实现隧道多源数据联合反演的关键。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演方法，本发明针对单一方法难以得到隧道异常体准确位置提出了交叉梯度交替联合反演，约束共同空间；针对二者没有适用的准确的岩石物理对应关系的问题在交叉梯度联合反演的结果上提出了基于聚类约束的地震与电法交替联合反演，进一步提升边界约束；交叉梯度联合反演结果为聚类联合反演提供了可靠的聚类类别与初始聚类中心，聚类联合反演结果为交叉梯度联合反演提供了更好的边界约束信息，二者循环迭代，有效提升了联合反演的精度。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演方法，包括以下步骤：
构建真实电阻率模型以及对应的波速模型；
获取分别利用不同类型的单一反演方法得到的单独反演结果；
根据各单独反演结果，计算交叉梯度项函数，交替进行不同类型的联合反演，得到交叉梯度交替联合反演的结果，以约束共同空间；
根据交叉梯度交替联合反演的结果，设置聚类类别与聚类中心，计算聚类项函数，进行聚类交替联合反演，以优化边界信息；
利用聚类交替联合反演的结果，约束异常体的边界；
得到最终的联合反演结果。
作为可选择的实施方式，在得到最终的联合反演结果前，还包括交替进行交叉梯度交替联合反演与聚类交替联合反演，两者循环迭代，直至满足收敛条件。
作为可选择的实施方式，构建真实电阻率模型以及对应的波速模型的具体过程包括根据实际情况设置三维隧道电阻率模型，在此基础上生成对应的三维隧道波速模型。
作为可选择的实施方式，分别利用不同类型的单一反演方法，包括分别利用单一电法反演与单一地震反演方法。
作为可选择的实施方式，计算交叉梯度项函数，交替进行不同类型的联合反演的具体过程包括：计算一项单一反演方法获得的物性的交叉梯度项函数作为另一项单一反演损失函数的其中一项，以所述另一项单一反演损失函数更新后的结果，再计算交叉梯度项函数进行所述一项单一反演，重复上述过程，直到满足迭代收敛条件。
进一步的，交叉梯度项函数具体为：
式中，m1和m2分别为联合反演中的物性参数，x为垂直于隧道开挖方向的水平方向，y为隧道开挖方向，z为垂直于隧道开挖方向的竖直方向。
作为可选择的实施方式，设置聚类类别与聚类中心，计算聚类项函数的具体过程包括：
根据交叉梯度联合反演的结果初步给定聚类中心的个数与聚类中心的值，计算聚类项函数作为损失函数其中一项，所述聚类项函数具体为：
其中：
式中，M是进行聚类的数据的个数，C是聚类中心的个数，ujk是第j个数据pj相对于第k个聚类中心vk的隶属度；q是隶属度的调节系数，取值根据实际情况而调整；η为权重系数；tk为第k个聚类中心的参考值。
进一步的，计算隶属度时，综合考虑不同单一反演方法的模型参数与反演效果，分别设置权重系数。
作为可选择的实施方式，进行聚类交替联合反演的具体过程包括：先计算聚类项函数加到一项单一反演损失函数中，以所述一项单一反演反演更新后的结果，再计算聚类项函数进行另一项单一反演，重复上述过程，直到达到设置的迭代次数。
一种基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演系统，包括：
模型构建模块，用于构建真实电阻率模型以及对应的波速模型；
单一反演结果接收模块，用于分别获得利用不同类型的单一反演方法单独反演得到的结果；
交叉梯度反演模块，用于根据各单独反演结果，计算交叉梯度项函数，交替进行不同类型的联合反演，得到交叉梯度交替联合反演的结果，以约束共同空间；
聚类约束反演模块，用于根据交叉梯度交替联合反演的结果，设置聚类类别与聚类中心，计算聚类项函数，进行聚类交替联合反演，以优化边界信息；
结果输出模块，用于利用聚类交替联合反演的结果，约束异常体的边界，得到最终的联合反演结果。
还包括，循环迭代模块，用于按照设置的迭代次数交替进行直到满足迭代收敛条件，得到基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演结果。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述方法中的步骤。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明针对不同探测方法所对应的物理属性往往没有适用的准确的岩石物理关系，提出了基于聚类约束的地震与电法交替联合反演，聚类方法在物性空间将波速和电阻率划分成了不同的聚类，其根据物性值与聚类中心的距离关系来划分聚类，隶属于同一聚类中心的物性值围绕在聚类中心的周围，进一步提升了边界约束效果，获得了较准确的三维隧道反演结果。
(2)本发明针对单一方法难以得到隧道异常体准确位置的问题，提出了交叉梯度与聚类约束交替联合反演，交叉梯度要求联合反演的两个物性参数在空间变化指向同一或者相反方向，即两者在结构上相似，可以进一步约束共同空间，提升了联合反演的精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
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为本发明实施例中的基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演方法流程图；
图2为本发明实施例中的隧道交叉梯度反演过程流程图；
图3为本发明实施例中的隧道聚类约束反演过程流程图；
图4为本发明实施例中的隧道联合反演结果示意图(z＝15m处沿隧道探测方向的切片图)。
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
本实施例公开了基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1,构建真实电阻率模型以及对应的波速模型，针对三维隧道探测需求，本实施例的模型大小为30×30×30m，电阻率模型背景电阻率为1000Ωm，低阻界面为500Ωm；波速模型背景波速为3000m/s，低速界面为2500m/s。
步骤S2，如图2所示，进行三维隧道地震与电法交叉梯度反演；
首先进行一步地震与电法单独反演，计算交叉梯度项，具体形式为：
式中，m1和m2分别为联合反演中的物性参数，本实例中分别为波速和电阻率，x为垂直于隧道开挖方向的水平方向，y为隧道开挖方向，z为垂直于隧道开挖方向的竖直方向。
先将交叉梯度项加至地震反演的损失函数中，得到地震反演结果，再次求取交叉梯度项用于电法反演重复上述过程，直到满足迭代收敛条件，得到基于交叉梯度的联合反演结果。
步骤S3，如图4所示，进行三维隧道地震与电法聚类约束反演；
本实施例中，根据交叉梯度联合反演的结果初步给定聚类中心的个数与聚类中心的值，来计算聚类函数项，具体形式为：
其中
式中，M是进行聚类的数据的个数，C是聚类中心的个数，ujk是第j个数据pj相对于第k个聚类中心vk的隶属度；q是隶属度的调节系数，取值根据实际情况而调整；η为权重系数；tk为第k个聚类中心的参考值。
计算隶属度时，综合考虑地震与电法的模型参数与反演效果，对两者分别设置权重系数γv、γρ，具体形式为：
式中，v表示速度，ρ表示电阻率。
先将聚类函数项加至地震反演的损失函数中，得到地震反演结果，再次求取聚类函数项加至电法反演的等式两端，得到电法反演结果，重复上述过程，直到满足迭代收敛条件，得到聚类约束反演结果。
步骤S4，按照设置的迭代次数，交替进行交叉梯度联合反演与聚类联合反演，直到满足迭代收敛条件，得到最终基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演结果。
实施例二
一种基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演系统，包括：
模型构建模块，用于构建真实电阻率模型以及对应的波速模型；
单一反演结果接收模块，用于分别获得利用不同类型的单一反演方法单独反演得到的结果；
交叉梯度反演模块，用于根据各单独反演结果，计算交叉梯度项函数，交替进行不同类型的联合反演，得到交叉梯度交替联合反演的结果，以约束共同空间；
聚类约束反演模块，用于根据交叉梯度交替联合反演的结果，设置聚类类别与聚类中心，计算聚类项函数，进行聚类交替联合反演，以优化边界信息；
结果输出模块，用于利用聚类交替联合反演的结果，约束异常体的边界，得到最终的联合反演结果。
还包括，循环迭代模块，用于按照设置的迭代次数交替进行直到满足迭代收敛条件，得到基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演结果。
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，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、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、CD-ROM、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。
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。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (13)

1.一种基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演方法，其特征是，包括以下步骤：
构建真实电阻率模型以及对应的波速模型；
获取分别利用不同类型的单一反演方法得到的单独反演结果；
根据各单独反演结果，计算交叉梯度项函数，交替进行不同类型的联合反演，得到交叉梯度交替联合反演的结果，以约束共同空间；
根据交叉梯度交替联合反演的结果，设置聚类类别与聚类中心，计算聚类项函数，进行聚类交替联合反演，以优化边界信息；
利用聚类交替联合反演的结果，约束异常体的边界；
得到最终的联合反演结果。
2.如权利要求1所述的一种基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演方法，其特征是，在得到最终的联合反演结果前，还包括交替进行交叉梯度交替联合反演与聚类交替联合反演，两者循环迭代，直至满足收敛条件。
3.如权利要求1或2所述的一种基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演方法，其特征是，构建真实电阻率模型以及对应的波速模型的具体过程包括根据实际情况设置三维隧道电阻率模型，在此基础上生成对应的三维隧道波速模型。
4.如权利要求1或2所述的一种基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演方法，其特征是，分别利用不同类型的单一反演方法，包括分别利用单一电法反演与单一地震反演方法。
5.如权利要求1或2所述的一种基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演方法，其特征是，计算交叉梯度项函数，交替进行不同类型的联合反演的具体过程包括：计算一项单一反演方法获得的物性的交叉梯度项函数作为另一项单一反演损失函数的其中一项，以所述另一项单一反演损失函数更新后的结果，再计算交叉梯度项函数进行所述一项单一反演，重复上述过程，直到满足迭代收敛条件。
6.如权利要求5所述的一种基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演方法，其特征是，交叉梯度项函数具体为：
式中，m1和m2分别为联合反演中的物性参数，x为垂直于隧道开挖方向的水平方向，y为隧道开挖方向，z为垂直于隧道开挖方向的竖直方向。
7.如权利要求1或2所述的一种基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演方法，其特征是，设置聚类类别与聚类中心，计算聚类项函数的具体过程包括：
根据交叉梯度联合反演的结果初步给定聚类中心的个数与聚类中心的值，计算聚类项函数作为损失函数其中一项，所述聚类项函数具体为：
其中：
式中，M是进行聚类的数据的个数，C是聚类中心的个数，ujk是第j个数据pj相对于第k个聚类中心vk的隶属度；q是隶属度的调节系数，取值根据实际情况而调整；η为权重系数；tk为第k个聚类中心的参考值。
8.如权利要求7所述的一种基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演方法，其特征是，计算隶属度时，综合考虑不同单一反演方法的模型参数与反演效果，分别设置权重系数。
9.如权利要求1或2所述的一种基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演方法，其特征是，进行聚类交替联合反演的具体过程包括：先计算聚类项函数加到一项单一反演损失函数中，以所述一项单一反演反演更新后的结果，再计算聚类项函数进行另一项单一反演，重复上述过程，直到达到设置的迭代次数。
10.一种基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演系统，其特征是，包括：
模型构建模块，用于构建真实电阻率模型以及对应的波速模型；
单一反演结果接收模块，用于分别获得利用不同类型的单一反演方法单独反演得到的结果；
交叉梯度反演模块，用于根据各单独反演结果，计算交叉梯度项函数，交替进行不同类型的联合反演，得到交叉梯度交替联合反演的结果，以约束共同空间；
聚类约束反演模块，用于根据交叉梯度交替联合反演的结果，设置聚类类别与聚类中心，计算聚类项函数，进行聚类交替联合反演，以优化边界信息；
结果输出模块，用于利用聚类交替联合反演的结果，约束异常体的边界，得到最终的联合反演结果。
11.如权利要求10所述的一种基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演系统，其特征是，还包括，循环迭代模块，用于按照设置的迭代次数交替进行直到满足迭代收敛条件，得到基于聚类约束的隧道多源数据交叉梯度联合反演结果。
12.一种计算机可读存储介质，其特征是，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-9中任一项所述方法中的步骤。
13.一种终端设备，其特征是，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-9中任一项所述方法中的步骤。
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CN118068443A (zh) * 2024-04-18 2024-05-24 山东省地质科学研究院 整合地球物理数据进行地质力学参数评估的方法及装置

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