一种三维地面可控源电磁勘探不规则测网布设方法

1.本发明涉及电磁勘探技术领域，具体是一种三维地面可控源电磁勘探不规则测网布设方法。


背景技术：

2.可控源电磁勘探采用接地导线或者不接地回线作为人工源，发射电磁信号，在近区或远离场源的地方观测电场和磁场，成像地下电阻率分布特征。该方法避免了天然源的不确定性因素，可以在较高噪声区域采集到高质量信号。因此被广泛应用于油气勘探与检测、地下水勘查，矿产资源勘查等领域。目前，全球资源环境面临前所未有的压力，可控源电磁勘探以其对物性识别的独特优势遇到了前所未有的机遇。为进一步提升探测可靠性，可控源电磁勘探正逐渐向三维观测、三维解释方向发展。
3.三维可控源电磁勘探的特殊性之一在于测点的面积性布设，bhuyian等(2010)模拟了深海地质环境中复杂电阻率结构的三维电磁响应特征，认为不同测点间距的测网对异常体的分辨率存在很大区别，加密测网相比稀疏测网对异常体结构的表达更为合理。由此可见，三维可控源电磁勘探的测网优化布设对探测效果有着至关重要的影响。
4.目前，地面可控源电磁勘探的测点布设一般都是根据地质任务和工作量要求，按照行业技术规程进行设计。测线通常垂直地层基本走向或主要构造线方向，再根据工作量要求和相关技术规程设置测点间距。为了达到探测目的，还需要根据测区已知地质资料，预设地球物理模型，反复数值计算或物理实验，规划测线方向。稍微复杂的方法是将模型参数和观测数据的关系表示为d＝gm，其中m为模型参数，d为观测数据，g为正演映射矩阵，通过模型扰动分析，检查观测数据对模型参数变化的敏感性，进而选择适宜的测点和测线间距。目前，在实际野外数据采集中，三维地面可控源电磁勘探通常采用等线距和等点距规则数据采集网。
5.规则数据采集网存在三点不足：(1)受人为因素干扰较大，缺乏测网布设质量评价标准，难以保证最大化获得地下目标体的地球物理信息；(2)由于地形变化、地表障碍以及人为等因素的影响，例如城市、文物古迹、河流、大面积的水田、山地、沼泽地区，难以实现规则测网布设；(3)根据压缩感知理论，某个测点的电磁响应只与其下方一定范围的地电模型参数相关。同理，地下目标体某点的物理性质只与地面一定范围内的观测数据相关。因此，对于分辨地下异常体，等测线长度、固定线距和点距的规则数据观测网，将导致部分观测数据冗余，增加勘探成本。然而，在国内外研究中，针对三维地面可控源电磁勘探测点位置的优化布设研究案例尚不多见。
6.为了解决上述问题，申请人提出一种三维地面电磁勘探不规则测网优化布设方法。首先，基于观测数据与模型参数之间的非线性关系，显式计算三维地面可控源电磁勘探灵敏度矩阵；其次，采用灵敏局矩阵奇异值，定义测点位置优化设计的目标函数(适应度函数)；最后，采用全局优化的遗传算法，加入测点分布约束条件，搜索适应度函数的极小值，实现三维地面电磁勘探不规则测网的优化设计。
7.不规则测网就是数据观测点呈不规则分布，其特点是根据障碍物的分布情况灵活地设计数据观测位置，有效地避开地形陡峭和特殊地表障碍物，解决固定线距和点距的规则观测系统无法实施的难题。同时，不规则测网的优化设计，可以在有限的空间范围内最大化获得深部地质目标体的地球物理信息。在减少测点的情况下，对目标体的成像结果优于传统的规则测网观测系统，有效降低勘探成本和风险。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种三维地面可控源电磁勘探不规则测网布设方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.一种三维地面可控源电磁勘探不规则测网布设方法，包含以下步骤：
11.步骤2、利用奇异值分解(svd)，灵敏度矩阵j(n
×
m)可以被表示为：，其中m表示模型参数个数，n表示观测数据个数，ur和vr分别为n
×
r和m
×
r的特征向量矩阵，λr是包含r个奇异值(λ1,λ2,...,λr)的对角线矩阵，奇异值均大于零，并从大到小排列，r为灵敏度矩阵j的秩，t表示转置。较大的奇异值表示模型空间扰动，将会引起数据空间较大变化，即为数据空间对较大特征值所对应的模型分辨力较高；
12.步骤3、定义测网布设的质量函数(qf)，质量函数值作为测网布设优劣的标准，其值越小，表示测网布设越优秀，观测数据对模型参数的分辨能力越强；
13.步骤4、将质量函数作为遗传算法的适应度函数(目标函数)of＝qf，在遗传迭代过程中，根据适应度函数值(目标函数值)对个体进行优胜劣汰，搜索适应度函数的最小值；
14.步骤5、设置测点位置约束条件，随机生成种群大小为n的初始种群，种群中每个个体表示一个测网，个体携带的基因表示测点的位置坐标(x,y,z)；
15.步骤6、将初始种群分配给p个计算节点，分别计算种群中每个个体的适应度函数值，将计算结果发送给主节点，执行非支配排序和拥挤距离计算，使得种群中每个个体具有非支配等级和拥挤距离两个属性参数；
16.步骤7、接着利用选择、交叉和变异等一系列遗传操作，从父代种群中产生种群大小为n的子代种群；
17.步骤8、将子代种群分配到p个计算节点，计算每个种群的适应度函数值；
18.步骤9、将计算结果发送给主节点，合并父代种群和子代种群，组成种群大小为2n的合并种群，执行非支配排序和拥挤距离计算；
19.步骤10、根据个体的适应度函数值，从合并种群中选择最佳的n个最佳个体，组成下一遗传迭代的父代种群；
20.步骤11、重复步骤6-10遗传迭代过程直至满足预先设定的停止准则。
21.作为本发明的进一步技术方案：所述步骤1灵敏度矩阵具体是：灵敏度矩阵是观测数据对模型参数的导数，表征地下某一点的物理属性与地面地球物理观测数据的关系,其表达式推导遵从egbert&kelbert的框架，为了提高观测数据对目标地质体的分辨能力，灵敏度矩阵采用观测数据对目标体模型参数的导数计算，即为面向目标模型参数灵敏度矩阵。灵敏度矩阵元素可以被表示为：其中f表示模型参数到观测数据的正演映
射，j＝1,2,3,...,n，n表示观测数据个数，mk表示第k个目标模型参数。
22.作为本发明的进一步技术方案：所述步骤3所述的质量函数具体是：根据roux&garc
í
a(2014)，平滑的奇异值谱对模型参数才有更好的分辨能力。为了获得最平滑的奇异值谱，定义不规则测网优化布设的质量函数为：qf＝l
twt
wl，其中l＝[ln(λ1),ln(λ2),......,ln(λr)]
t
为灵敏度矩阵奇异值矢量，w为粗糙度算子，即为奇异值一阶差分，即为平缓因子，表达式为：
[0023][0024]
质量函数值表征了奇异值谱的光滑程度，作为评价测网布设的质量标准，质量函数值越小，观测数据对模型参数的分辨能力越强。
[0025]
作为本发明的进一步技术方案：所述步骤4和5中所述的目标函数和约束条件的具体表达式是：
[0026]
min of＝qf
[0027][0028]
其中x,y和z是三维坐标数值，min表示最小坐标值，max表示最大坐标值。
[0029]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0030]
(1)能够规避地表障碍，建立最优的自由数据采集网络，从而最大化获得地质目标体的地球物理信息；
[0031]
(2)有助于提高观测数据对目标体的分辨能力，提高模型参数估计的可靠性；
[0032]
(3)能够控制勘探成本，降低勘探风险。
附图说明
[0033]
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
[0034]
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
如图1所示，一种三维地面可控源电磁勘探不规则测网布设方法，包括以下步骤：
[0036]
1.基于观测数据与模型参数之间的非线性关系，显式计算三维地面可控源电磁勘探灵敏度矩阵，灵敏度矩阵表征地下某一点的物理属性与地面地球物理观测数据的关系。
[0037]
2.利用奇异值分解(svd)，灵敏度矩阵j(n
×
m)可以被表示为：，其中m表示模型参数个数，n表示观测数据个数，ur和vr分别为n
×
r和m
×
r的特征向量矩阵，λr是包含r个奇异
值(λ1,λ2,...,λr)的对角线矩阵，奇异值均大于零，并从大到小排列，r为灵敏度矩阵j的秩，t表示转置。较大的奇异值表示模型空间扰动，将会引起数据空间较大变化，即为数据空间对较大特征值所对应的模型分辨力较高；
[0038]
3.定义测网布设的质量函数(qf)，质量函数值作为测网布设优劣的标准，其值越小，表示测网布设越优秀，观测数据对模型参数的分辨能力越强；
[0039]
4.将质量函数作为遗传算法的适应度函数(目标函数)of＝qf，在遗传迭代过程中，根据适应度函数值(目标函数值)对个体进行优胜劣汰，搜索适应度函数的最小值；
[0040]
5.设置测点位置约束条件，随机生成种群大小为n的初始种群，种群中每个个体表示一个测网，个体携带的基因表示测点的位置坐标(x,y,z)；
[0041]
6.将初始种群分配给p个计算节点，分别计算种群中每个个体的适应度函数值，将计算结果发送给主节点，执行非支配排序和拥挤距离计算，使得种群中每个个体具有非支配等级和拥挤距离两个属性参数；
[0042]
7.接着利用选择、交叉和变异等一系列遗传操作，从父代种群中产生种群大小为n的子代种群；
[0043]
8.将子代种群分配到p个计算节点，计算每个种群的适应度函数值；
[0044]
9.将计算结果发送给主节点，合并父代种群和子代种群，组成种群大小为2n的合并种群，执行非支配排序和拥挤距离计算；
[0045]
10.根据个体的适应度函数值，从合并种群中选择最佳的n个最佳个体，组成下一遗传迭代的父代种群；
[0046]
11.重复步骤6-10遗传迭代过程直至满足预先设定的停止准则。
[0047]
本发明在理论上，率先讨论不规则三维测网的优化布设问题，采用面向目标模型参数灵敏度矩阵奇异值定义目标函数，实现地面可控源电磁勘探不规则三维测网优化布设的理论研究；
[0048]
在应用上，突破传统三维地面可控源电磁法依据线距和点距布置数据观测点的思想，实现影响观测系统设计多个参数的优化设计。为最大化获得深部地质目标体的地球物理信息提供理论支撑和技术保障。
[0049]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
[0050]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。