基于人工神经网络的瞬变电磁成像方法.pdf
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1、 第 47 卷第 5 期物 探 与 化 探Vol.47,No.5 2023 年 10 月GEOPHYSICAL&GEOCHEMICAL EXPLORATION Oct.,2023doi:10.11720/wtyht.2023.1547游希然,张继锋,石宇.基于人工神经网络的瞬变电磁成像方法J.物探与化探,2023,47(5):1206-1214.http:/doi.org/10.11720/wtyht.2023.1547You X R,Zhang J F,Shi Y.Artificial neural network-based transient electromagnetic imagin
2、gJ.Geophysical and Geochemical Exploration,2023,47(5):1206-1214.http:/doi.org/10.11720/wtyht.2023.1547基于人工神经网络的瞬变电磁成像方法游希然1,张继锋1,2,3,石宇1(1.长安大学 地质工程与测绘学院,陕西 西安 710054;2.海洋油气勘探国家工程研究中心,北京100028;3.长安大学 地球物理场多参数综合模拟实验室,陕西 西安 710054)摘 要:瞬变电磁法(transient electromagnetic method,TEM)目前常用的解释方法是采用全区视电阻率参数,其涉及
3、的公式复杂,迭代过程繁琐耗时。本文分析 TEM 数据特征,引入人工神经网络(ANN),实现了瞬变电磁拟电阻率成像。设计多隐层 BP 神经网络,利用瞬变电磁解析方法计算出响应幅值,作为拟电阻率的映射参数参与网络训练,再使用训练集外的新数据来测试训练后的网络。构建了均匀半空间、一维层状模型,验证神经网络的正确性和适应性,对三维地电模型进行了成像。结果表明:神经网络计算的拟电阻率能够反映出地电模型的目标体异常,网络成像结果准确度较高。最后,利用神经网络算法处理实测数据,进一步说明神经网络成像可以作为资料解释的依据。该研究证明了人工神经网络在瞬变电磁成像上的可行性,为瞬变电磁成像提供了一种新的思路。关
4、键词:瞬变电磁成像;人工神经网络;拟电阻率中图分类号:P631 文献标识码:A 文章编号:1000-8918(2023)05-1206-09收稿日期:2022-11-08;修回日期:2023-03-02基金项目:国家自然科学基金(42174168);陕西自然科学基金(2021JM-159);长安大学中央高校基本科研业务费专项资金(300102262201)第一作者:游希然(1999-),男,硕士研究生,主要从事地球物理瞬变电磁法反演研究工作。Email:chdyxr 通讯作者:张继锋(1978-),男,教授,主要从事电磁法理论及正反演研究工作。Email:zjf0201 0 引言瞬变电磁法是地
5、球物理探测领域中重要的勘探方法之一1,广泛应用于油气勘探、矿产勘查、工程勘查、环境调查、考古探测、军事探测等诸多方面2。作为一种时间域电磁探测方法,瞬变电磁解释一般是将接收到的电磁响应转化为视电阻率、视深度等能够表征地下电性分布的参数,以视电阻率拟断面图形象地描述地下介质的电性特征,为后续解释工作提供依据。瞬变电磁成像作为定性解释的基础,一直是瞬变电磁的研究热点之一。Fullagar3提出了均匀半空间下基于对水平地层最大趋肤深度的近似成像理论,陈本池等4提出了拟波动方程偏移成像方法,之后众多学者在该方法的基础上进行了优化和改进。Fullagar 等5提出了 Emax 电导率深度转换方法,该方法
6、具有较好的适用性。严良俊等6将全区视电阻率计算方法用于瞬变电磁快速成像,并对中心回线装置的快速成像方法进行了研究。郭文波等7借鉴地震解释方法,提出了将电磁衰减信号转换成拟地震子波的成像方法。Nekut8提出了瞬变电磁数据近似成像方法,研究了成像中的电导率取值问题,提出了中心回线装置数据的近似成像方法。陈小红等9提出了利用快速一阶与二阶近似成像算法改进的快速成像方法。樊亚楠等10将地震勘探中的 Born 近似算法用于瞬变电磁成像计算中。近年来随着机器学习的再度火热,将人工神经网络应用于地球物理方法中是目前的热门方向之一。Spichak 等11使用人工神经网络对可控音频大地电磁数据进行研究。Sin
7、gh 等12利用人工神经网络进行了垂直电阻率测深的反演,最后得出的结论是只能在非常有限的模型参数下进行信息提取。谢林涛13基于瞬变电磁一维正演理论,将神经网络与视电阻率快速成像方法相结合进行了研究。朱凯光等14将人工神经网络用于航空瞬变电磁数据简单 5 期游希然等:基于人工神经网络的瞬变电磁成像方法两层反演。李栋15将神经网络应用于航空瞬变电磁成像,获得了一定的应用效果。Noh 等16使用神经网络进行了航空瞬变电磁数据的视电阻率成像的研究。吴国培等17利用神经网络进行瞬变电磁中心回线装置的视电阻率计算,结果表明神经网络可以进行视电阻率的快速计算。相比传统成像方法,人工神经网络利用学习的特点有效
8、避免了复杂解析公式的推导和数值算法计算过程中的迭代过程,但对样本的选择及网络训练的要求十分高。因此,使用神经网络进行成像是一种区别于常规成像方法的新思路。本文通过半空间模型、一维层状模型和三维模型的处理结果依次验证神经网络的效果;通过神经网络对实测数据进行处理,取得了较好的解释结果。1 方法原理1.1 数据准备瞬变电磁法属于时间域电磁法,因此本文使用的训练数据包括时间和感应电动势两部分。利用一维正演算法生成一系列时间感应电动势数据,计算出对应的视电阻率,将视电阻率作为训练样本的期望输出。要使得训练样本能够满足神经网络的需求,需要对数据进行转换和归一化处理。由于 TEM 数据中的时间、感应电动势
9、和视电阻率之间的数量级具有一定差异,为使网络能够成功拟合数据间的关系,需要进行数据转换。本文将感应电动势转化为响应幅值 15,表达式如式(1)所示:i=V2i+V2i+k,(1)其中:i为第 i 道的响应幅值;Vi和 Vi+k分别为第 i道和第 i+k 道的感应电动势,k 为道差。这样得到的响应幅值在数量级上与时间一致。将时间、响应幅值和视电阻率同时对数化,使 3 种数据数量级统一。数据的归一化处理是机器学习中常见的数据挖掘工作,将数据限制在某一范围内,以增加数据指标间的可比性。本文所使用的归一化法则为 Minmax法则18,其运算关系式为:y=(ymax-ymin)(x-xmin)(xmax
10、-xmin)+ymin,(2)式中:x 为初始数据序列;y 为归一化后的数据序列;xmax与 xmin分别为初始数据中的最大值和最小值;ymax与 ymin分别为设定的期望归一化区间的最大值和最小值,ymax与 ymin之间要求不包括 0 值,即 ymax与 ymin保持同号。本文所设置的期望区间为0.1,0.9,通过上式的运算,可以将样本数据大小全部控制在期望区间内。为了保证神经网络的训练效果,本文通过正演得到了由 101 000 组数据构成的训练集,具体参数如表 1 所示。表 1 训练数据参数Table 1 Parameters of training data发射电流/A发射半径/m采样
11、时间/s电阻率范围/(m)时间道数201.810-610-1110001011.2 神经网络原理人工神经网络是从信息处理的角度对人脑神经网络进行抽象,建立某种模型,按不同的连接方式组成的网络19,通过学习得到输入向量与输出结果之间的函数映射关系。其中最著名网络模型是 BP 神经网络,其学习规则由 Rumelhart 和 McCelland 等领导的研究小组首次提出,至今仍被广泛使用。BP 算法规定神经网络的训练过程分为信号的正向传播和误差的反向传播。在正向传播中,训练样本从输入层传入网络,经各层隐含层逐层处理后到达输出层,若输出层的实际输出与期望输出的误差达到要求,则训练结束;否则,进入反向传
12、播过程。反向传播是将输出误差以某种形式向隐含层逐层反传,将误差分摊给各层神经元,根据一定的规则来修正各神经元的权值。以上过程在网络训练中周而复始的进行,直到输出误差减小到可以接受的范围为止,或者设置其他条件来限制训练时长。以 3 层网络为例,图 1 为 BP 神经网络的结构示意图,包含输入层、隐含层和输出层。输入层由 n个 神经元组成,输入数据由xi表示;隐含层由q个神图 1 三层 BP 神经网络结构Fig.1 Structure diagram of the three-layer BP neural network7021物 探 与 化 探47 卷 经元组成,zk表示隐含层的输出;输出层由
13、 m 个神经元组成,输出数据由 yj表示;用 vki表示输入层到隐含层的连接权值,用 wjk表示隐含层到输出层的连接权值。其中,隐含层的输入和输出的表达式为:Sk=ni=0vikxi,zk=f(Sk)。(3)输出层的输入和输出可以表示为:Sj=qk=0wjkzk,yj=f(Sj)。(4)其中:f()为节点的激活函数。在神经网络的某一次训练过程中,输出误差为:E=12m-1j=0(lgyj-lgdj)2,(5)其中:dj为期望输出。对于任意神经元的连接权值wjk,其修正量应使输出误差 E 减小,相应权值修正方法如式(6)所示:zk=(mj=1yjwjk)fz(Sk),vki=mj=1yjwjkf
14、z(Sk)xi。(6)其中:为学习率,也叫作步长;为误差信号项;S为隐含层净输入。采用以上算法训练的网络可以根据电磁响应预测出电阻率值,虽然这种方法拟合的电阻率曲线不能等价于模型或地层的真实电阻率曲线,但能够客观描述地电分布规律,因此这种预测得到的电阻率值被称为拟电阻率20。本文以 BP 神经网络为基础,建立了用于计算瞬变电磁拟电阻率的双隐层神经网络,其结构如图2 所示。图 2 瞬变电磁拟电阻率成像神经网络结构Fig.2 Structural diagram of neural network with transient electromagnetic pseudo resistivity
15、图 2 中,w 代表权值;b 代表误差因子,网络训练需不断地更改并保存 w 和 b;t 为时间数据;为响应幅值;f 为激活函数,其中 f1为 Sigmoid 函数,f2为 Tanh 函数,f3为 Purelin 函数;为神经网络拟电阻率。另外,本文选择 Levenberg-Marquardt 算法作为神经网络的训练算法,因其具有极快的收敛速度,适合中大型神经网络,因此适用于处理瞬变电磁数据。通过试凑法逐渐增加隐含层节点的数量,并与上一次网络的预测性能进行对比,最终确定隐含层神经元数量分别为 8 和 2,输出层神经元数量为 1。对于双层结构的网络来说,学习率设置在 0.01 0.001内为宜,经
16、对比测试,选择将学习率设置为 0.005,兼顾训练速度和效果。为防止训练出现过度拟合,选择输出误差、训练次数和误差梯度作为限制条件,其中最大训练次数为 10 000 次,目标误差为 10-6,最小误差梯度为 10-10。在设置完以上参数后,让网络对训练集进行不断学习,直到满足预期效果,训练停止后保存各神经元参数,之后即可用新数据来测试网络。2 模型计算为测试网络性能,本文设计了多种一维层状地电模型和三维地电模型,将正演计算的接收数据(时间 t 和感应电动势 V)经预处理后输入网络,计算出拟电阻率,绘图分析网络输出的效果。其中,一维模型的发射参数均与训练集数据的发射参数一致(如表 1 所示),发
17、射电流为 20 A,发射半径 1.8 m。2.1 均匀半空间模型均匀半空间模型是最基础的地电模型之一,设计了 3 种不同参数的半空间模型,模型的电阻率分别为 10、100、1 000 m,采样时间为 10-6 10-1 s,时间道数 40 道。经网络计算后绘制出电阻率时间曲线,如图 3 所示,其中黑色直线为模型的真电阻率。8021 5 期游希然等:基于人工神经网络的瞬变电磁成像方法图 3 不同参数的均匀半空间模型计算结果Fig.3 Calculation results of uniform half space model with different parameters 采用平均相对误差
18、 E 和拟合优度 R 来作为神经网络的拟合效果的衡量指标,原理如式(7)和式(8)所示。E=1n(1i-0i)0i 100%,(7)R=1-(1i-0i)20i2,(8)其中:n 为时间道数;1为神经网络拟电阻率;0为模型的真电阻率;R 越接近于 1 说明两组数据相似程度越高,神经网络拟合效果越好。3 个模型的衡量指标如表 2 所示。表 2 半空间模型衡量指标Table 2 Measurement index of half-space model模型/(m)平均相对误差 E/%拟合优度 R时间道数a102.150.999740b1001.900.999840c10001.970.999840
19、 对比图 3 进行讨论,半空间模型的电阻率不会随深度变化,拟电阻率的趋势与真实值基本吻合,曲线趋于稳定的直线。在 a 和 c 模型中曲线存在波动,b 模型中拟合效果最好。经测试发现,模型电阻率在接近训练集边界值时(正演数据的范围是 11 000 m),拟电阻率曲线都会出现一定程度的波动,尤其是计算低阻模型时(一般小于 100 m),网络拟合效果较差;对于高阻模型,拟电阻率曲线更加接近真实模型,并且比较稳定。对于半空间模型,神经网络在误差范围内能够很好地反映模型真电阻率的变化。2.2 一维模型首先研究的是二层模型,本文设计了 2 种典型的水平二层模型,分别为 G 型模型和 D 型模型,模型参数如
20、表 3 所示,时间道数为 101 道。经神经网络计算绘制出拟电阻率深度曲线,如图 4 所示,网络拟合的衡量指标如表 4 所示。对于二层模型,神经网络拟电阻率曲线的变化符合模型真电阻率的变化趋势,曲线在地层突变处出现骤增或骤降,数值上与真电阻率接近,网络对于D 型模型的拟合效果相比 G 型模型而言要更好一些。因此,神经网络能够拟合二层模型的电阻率变化。表 3 二层模型参数Table 3 Parameters of two-layer model模型层厚/m/(m)模型层厚/m/(m)G 型50Inf10100D 型50Inf10010图 4 二层模型计算结果Fig.4 Calculation r
21、esults of two-layer mode9021物 探 与 化 探47 卷 表 4 二层模型衡量指标Table 4 Measurement index of the two-layer model模型/(m)平均相对误差 E/%拟合优度 R时间道数G 型10-10010.790.9734101D 型100-107.300.9923101 接下来是对三层模型的研究,本文选择了 4 种经典三层地电模型,分别为 H 型、K 型、A 型和 Q型,具体模型参数及模型衡量指标如表 5、表 6 所示,神经网络的计算结果如图 5 所示。表 5 三层模型参数Table 5 Parameters of t
22、hree-layer model模型层厚/m/(m)模型层厚/m/(m)H 型50100Inf10010100K 型50100Inf1010010模型层厚/m/(m)模型层厚/m/(m)A 型50100Inf10100500Q 型50100Inf50010010图 5 三层模型计算结果Fig.5 Calculation results of the three-layer model表 6 三层模型衡量指标Table 6 Measurement index of the three-layer model模型/(m)平均相对误差 E/%拟合优度 R时间道数H 型100-10-10020.180
23、.9790101K 型10-100-1017.220.9488101A 型10-100-50025.780.8054101Q 型500-100-1020.210.9764101 如图 5 所示,拟电阻率曲线能够表现出模型电阻率随深度变化的趋势,对于 H 型模型(图 5a),曲线在地层边界处分别有 2 次转折,符合模型设定。对于 K 型模型(图 5b),曲线在模型第二层处有起浮,但因瞬变电磁法对低阻敏感,导致幅值较小,该情况符合理论常识,因此该模型的拟合效果最好。对于 A 型模型(图 5c),该模型的电阻率随深度而不断增高,电阻率范围跨度较大,而曲线符合电阻率递增趋势,但对第二层边界的识别度较低
24、,因此误差相对较大。对于 Q 型模型(图 5d),曲线符合电阻率 2次下降趋势,突变处与地层边界接近,因此误差较小。综上所述,对于一维层状模型而言,拟电阻率曲线符合模型电阻率随深度的变化,神经网络拟合效果符合正演结果。2.3 三维模型为进一步验证神经网络适用性,本文设计了三维半空间模型对网络进行测试。设置地下介质的电阻率背景值为 1 000 m,埋藏有 2 个低阻异常,异常体均为正方体。1 号异常体的棱长为 30 m,顶部埋深为 50 m,左端点水平位置为 20 m,电阻率为300 m,如图 6 中红色立方体;2 号异常体的棱长为 10 m,顶部埋深为 10 m,左端点水平位置为 110 m,
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