起伏地表全波形反演网格采集算子一致性构建方法及系统

本发明涉及地球物理勘探，具体为起伏地表全波形反演网格采集算子一致性构建方法及系统。

背景技术：

1、地震全波形反演是地球物理勘探领域获取地下速度模型的核心手段，能够充分利用地震记录的振幅、相位等全部波形信息重建地下介质结构。在陆上勘探场景中，地表普遍存在地形起伏，给地震波数值模拟与反演带来较大挑战。非规则网格间断伽辽金方法可直接贴合起伏地表开展波场模拟，摆脱规则网格对地形处理的局限，成为起伏地表全波形反演的主流实现路径。完整的全波形反演包含正演模拟、数据残差构建、伴随波场求解、速度梯度计算以及模型迭代更新多个耦合环节，整个反演流程高度依赖离散空间、震源加载、检波采样、残差反传各个模块之间的数学匹配关系。离散环节的匹配程度，直接决定速度梯度的物理有效性，进而影响最终反演模型的收敛效果与成像质量，因此对整套反演流程的离散一致性提出较高的技术要求。

2、在现有起伏地表全波形反演技术实施过程中，网格构建、速度模型导入、地表几何处理、炮检点定位插值多为相互独立的处理环节。不同处理环节采用各自的坐标基准与边界判定逻辑，容易出现炮检点位判定失效、几何边界基准错位的问题。混合阶网格实施时，单元阶次大多依靠人工指定，单元尺度与多项式阶次之间缺少自动化约束关系，不同阶单元交界面处的自由度映射、迹空间投影、数值通量处理容易出现遗漏。震源加载、检波采样以及残差反传算子往往分开独立开发实现，若各类算子采用互不相同的插值逻辑，会造成正演算子与伴随算子无法满足离散转置关系，损失函数、伴随波场和速度梯度之间数学链条断裂。常规方案仅依靠合成地震记录外观评判正演效果，缺少标准化的离散链路校验手段，算子不匹配带来的误差会混入反演结果，难以区分成像异常来源于地下介质或是离散计算链路缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了弥补现有技术的不足，提供了起伏地表全波形反演网格采集算子一致性构建方法及系统，通过坐标基准对齐、地表贴合混合阶三角网格离散、基于同一权重表同源生成震源加载/检波采样/残差反传三类算子，确保正反演全程离散与插值逻辑一致，避免算子失配。频率域迭代求解中，利用统一离散结构计算速度梯度并更新模型。同时，在反演启动、参数变更及模型变化超出阈值时，自动执行五项一致性校验与离散空间/算子重构，维持全流程数值一致性。

2、本发明为解决上述技术问题，提供如下技术方案：一方面，起伏地表全波形反演网格采集算子一致性构建方法，该方法包括：

3、s100、坐标基准对齐：读取纵波速度模型、地表高程、炮检坐标、观测地震数据、源子波、反演频带参数，统一至同一物理坐标系，构建地表贴合计算域，判定炮检点的计算域归属，输出统一基准数据集；

4、s200、离散空间构建：基于统一基准数据集计算全域目标单元尺度，生成贴合地表三角网格，依据单元尺度-波长关系分配单元阶次，建立跨阶界面投影与通量规则，形成混合阶离散空间；

5、s300、同源算子生成：基于混合阶离散空间划定源检有限支持范围，生成归一化权重表，基于同一权重表构建震源加载、检波采样与残差反传三类算子，所述残差反传算子是采用的权重表的转置形式；

6、s400、反演迭代求解：基于三类算子与混合阶离散空间，组装频率域正演系统矩阵，求解正演波场提取计算数据，生成数据残差后回注求解伴随波场，计算速度梯度完成纵波速度模型更新，循环迭代至收敛；

7、s500、一致校验更新：在反演启动前与参数变更时执行多维度一致性检验，检验全部通过进入反演迭代；迭代过程中根据纵波速度模型变化程度，触发离散空间与算子重构，维持全流程离散一致性。

8、进一步地，所述坐标基准对齐中，以地表高程曲线作为计算域顶部自由边界，在计算域的左侧、右侧与底部向外拓展预设厚度的最佳匹配层作为边界吸收层，吸收向外传播的地震波以消除边界反射干扰；建立参数域向物理域的垂向拉伸映射，垂向拉伸映射数学表达：，式中，z代表物理域垂向坐标；代表水平坐标x位置对应的地表高程数值；代表取值区间为0至1的归一化垂向参数，用于控制参数域垂向位置映射关系；代表计算域底部水平边界在物理域中的垂向坐标值（即模型的最大深度）；依据映射后物理坐标逐个判定炮检点归属，将炮检点划分为物理域内部点位、最佳匹配层范围内点位，剔除坐标完全处于计算域外的炮检点位，地表以上全部空间执行统一介质标记，标记数据供s200离散空间构建直接调用。

9、更进一步地，所述统一基准数据集包含纵波速度模型采样参数、地表高程离散采样序列、有效炮检点集合、源子波频谱序列、反演频率列表；最佳匹配层厚度为固定物理厚度，最佳匹配层仅布置于计算域左侧边界、右侧边界、底部边界，计算域顶部保持自由地表边界不设置最佳匹配层；炮检点的计算域归属判定分为有效域内点位、边界层允许采样点位两类，不属于上述两类的点位直接标记为无效点位，无效点位不参与同源采集算子构建的权重计算；参数域向物理域的垂向拉伸映射全程不改变水平方向坐标映射关系，水平坐标保持一一对应，保证地下纵波速度模型插值位置不发生偏移。

10、更进一步地，所述全域目标单元尺度由局部色散约束尺度经速度梯度修正、近地表采集区尺度收紧得到；局部色散约束尺度由局部平滑纵波速度、最高反演频率、单波长采样数量共同确定；局部波长计算公式：，式中：为局部波长，为单元位置局部平滑纵波速度，为最高反演频率；局部色散约束尺度：，式中为色散约束下的目标网格尺度；为原始规则速度模型水平、垂向采样间隔；为单个局部波长内最少网格采样点数；单元阶次分配以单元最大边长h、单元局部纵波速度v、最高反演频率形成无量纲比值作为判定依据；当，分配p0零阶单元；当，分配p1一阶单元；其余条件分配p2二阶单元；针对零与一阶、零与二阶、一与二阶单元交界面配置专属迹空间投影规则、自由度映射规则、数值通量处理规则；网格细分过程严格约束相邻单元层级差，防止网格尺寸突变引入数值误差，生成的三角网格节点、单元邻接关系、边界标记完整输出至s300同源采集算子构建。更进一步地，所述混合阶离散空间的生成采用四叉树层级细分模式，细分触发条件为单元实际物理边长大于全域目标单元尺度的设定倍数，取值1.2；网格平衡控制规则限定相邻单元之间层级差值最大为一级，细分完成之后将四叉树叶单元剖分为三角形单元；跨阶界面的迹空间投影规则实现不同阶单元边界自由度互相映射，数值通量处理规则实现跨单元交界面波场能量传递；零阶单元对应细尺寸网格单元，一阶单元对应中等尺寸网格单元，二阶单元对应粗尺寸网格单元，实现细网格配置低阶单元、粗网格配置高阶单元，在控制整体计算自由度总量的同时压制数值频散；生成混合阶离散空间之后固定单元-自由度映射关系，该映射关系在未触发重构条件时不做变更。

11、更进一步地，所述源检有限支持范围以炮检点为中心、以预设空间尺度为作用半径，仅搜索半径范围内的网格单元与局部自由度；权重计算采用高斯核函数结合局部质量矩阵投影的方式完成归一化处理，使权重分布满足离散内积下的投影要求；生成的统一权重表包含炮检点编号、关联单元编号、单元内局部自由度编号与对应归一化权重四类信息，全流程仅维护一套权重表；震源加载、检波采样与残差反传三类算子均直接调用该权重表生成，不单独构建独立插值逻辑，避免不同插值逻辑导致的正反演算子失配。

12、更进一步地，所述源检有限支持范围由高斯核空间标准差确定，权重生成数学表达为：；式中，代表单元编号e内部局部自由度编号j对应的未归一化权重，代表震源点或者检波点的物理空间坐标，代表单元e内部第j号局部自由度对应的物理坐标，代表高斯核空间标准差，限定源检点对周边单元的空间作用半径；未归一化权重经过单元局部质量矩阵投影完成归一化处理得到最终权重，将炮检点编号、单元编号、局部自由度编号、最终权重存储形成唯一源检权重表；震源加载算子、检波采样算子直接读取源检权重表生成，残差反传算子读取源检权重表的转置数据生成，三套算子无独立插值计算逻辑。

13、更进一步地，所述频率域正演系统矩阵针对每一个计算频率独立配置最佳匹配层复伸缩参数完成组装；震源加载算子将源子波载荷投影至混合阶离散空间全部有效自由度，求解波动方程得到正演波场；检波采样算子读取正演波场输出计算地震数据；观测地震数据执行预处理，预处理包含频带对齐、时间采样对齐、增益对齐、无效道剔除，预处理之后观测地震数据与计算地震数据做差值运算得到数据残差，式中为预处理后观测地震数据，为数据残差向量；伴随残差反传算子将数据残差映射回离散空间自由度，求解伴随波动方程得到伴随波场。

14、更进一步地，所述反演迭代求解还包含速度梯度计算以及纵波速度模型更新，读取组装系统矩阵时所使用的同一套底层离散逻辑，求取系统矩阵针对纵波速度参数的变化关系，结合正演离散波场、伴随波场计算损失函数对应纵波速度的梯度；对梯度施加全域平滑约束、纵波速度上下限硬约束、正则化约束，约束之后梯度输入优化算法完成纵波速度模型更新；速度梯度采用与频率域正演系统矩阵同源的材料导数逻辑进行计算，所述材料导数为频率域正演系统矩阵对介质参数求导的公知方法，梯度叠加平滑约束、速度上下限约束、正则化约束后更新纵波速度模型；迭代过程遍历全部频率分组、全部炮集，迭代终止条件满足以下任意一项即结束迭代流程：达到预设最大迭代次数，示例性取值30次；数据失配下降至设定阈值10-4；梯度范数下降至设定阈值10-5。

15、更进一步地，所述多维度一致性校验包含五项顺序执行的检验项目，五项检验项目分别为矩阵转置点积检验、采集算子点积检验、局部速度导数检验、泰勒余项检验、最佳匹配层收敛检验；矩阵转置点积检验用于验证频率域正演系统矩阵组装以及矩阵转置运算正确性；采集算子点积检验用于验证震源加载算子、检波采样算子、伴随残差反传算子之间转置对应关系；局部速度导数检验采用单元微小速度扰动方式核验速度导数计算链条；泰勒余项检验核验损失函数到速度梯度全计算链路有效性；最佳匹配层收敛检验核验吸收边界参数的吸收效果；五项检验统一设置误差判定阈值10-6，全部检验误差小于10-6判定校验通过；迭代过程中，当纵波速度模型整体相对变化大于15%，触发离散空间以及算子重构。

16、更进一步地，所述五项检验全部满足预设误差阈值，允许进入正式纵波速度模型迭代更新；任意一项检验超出误差阈值，输出异常单元编号、异常炮检点编号、异常计算频率，回退至离散空间构建或同源算子生成完成离散对象重构；纵波速度模型更新完成后评估目标单元尺度与单元阶次分配变化幅度，变化幅度超出设定阈值，强制回退至s200重新构建混合阶离散空间；每完成一次纵波速度模型更新，即重新评估全域目标单元尺度与单元阶次分布的变化幅度；当纵波速度模型的整体变化幅度超过预设阈值，导致目标单元尺度的变化比例或单元阶次的调整比例超出允许范围时，自动触发离散空间重构流程，重新计算目标单元尺度、生成三角网格、分配单元阶次并更新统一权重表；重构完成后重新执行全套一致性检验，检验通过后继续后续反演迭代。

17、另一方面，起伏地表全波形反演网格采集算子一致性构建系统，该系统包括：

18、坐标基准对齐模块：读取纵波速度模型、地表高程、炮检坐标、观测地震数据、源子波及反演频带参数，统一物理坐标系，构建地表贴合计算域，判定炮检点归属，输出统一基准数据集；

19、离散空间构建模块：调用统一基准数据集，计算全域目标单元尺度，生成地表贴合三角网格，按单元尺度-波长关系分配单元阶次，建立跨阶界面投影与通量规则，输出混合阶离散空间；

20、同源算子生成模块：依托混合阶离散空间划定源检有限支持范围，生成归一化权重表，由此构建震源加载、检波采样、残差反传算子，残差反传算子采用权重表转置；

21、反演迭代求解模块：调用离散空间与三类算子，组装频率域正演矩阵，求解正演、伴随波场，计算速度梯度并更新纵波速度模型，循环迭代直至收敛；

22、一致校验更新模块：反演启动及参数改动后执行多维度一致性检验；迭代中依据模型变化，触发离散空间、算子重构，保障离散一致性。

23、与现有技术相比，该起伏地表全波形反演网格采集算子一致性构建方法及系统具备如下有益效果：

24、一、本发明通过将速度模型、地表几何、炮检观测系统、网格离散、单元阶次配置与源检权重纳入同一套离散对象协同构建，打破各处理环节相互独立的传统处理模式，消除多源输入带来的坐标基准错位、炮检点越界、自由度映射失配等问题。针对起伏地表复杂条件下混合阶间断伽辽金离散场景，建立跨阶单元交界面的迹空间投影、自由度映射与数值通量处理规则，依据局部波动传播特征自动完成单元阶次分配，实现细网格配置低阶单元、粗网格配置高阶单元的适配模式，在控制整体计算自由度规模的前提下有效压制数值频散，保障非规则三角网格贴合起伏地表时波场传递的数值稳定性，为全波形反演正反演闭环计算提供可靠的离散空间基础。

25、二、本发明通过单元尺度与局部波长的无量纲关联关系自动分配单元阶次，实现细网格匹配低阶单元、粗网格匹配高阶单元的布局，在控制整体计算自由度规模的前提下抑制数值频散，同时针对不同阶次单元的交界面配置专属的迹空间投影、自由度映射与数值通量规则，保障混合阶离散空间内部波场能量正常传递。设置多维度前置校验流程，在反演启动、参数修改以及离散对象重构完成后开展全套一致性检验，在进入迭代更新前定位离散链路中的异常问题，避免仅依靠地震道集外观判别正演质量的局限，形成从数据输入、正演伴随计算到模型更新、结果校验的完整闭环，适配起伏地表与横向非均质条件下的频率域全波形反演工作。

26、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。