一种测量地表到深层大地电阻率的方法及装置

摘要

本发明实施例公开了一种测量地表到深层大地电阻率的方法及装置，用于解决由于四极法和大地电磁法测量电阻率的物理意义不相同，两者测量结果并不能简单拼接而导致其无法较好获得地表至深层大地电阻率分布的技术问题。本发明实施例方法包括：S1、根据采用四极法和大地电磁法测得的大地电阻率数据，获得目标函数；S2、对目标函数采用最小二乘粒子群算法进行初始化得到初始化粒子，获得初始全局最优解；S3、根据初始化粒子进行粒子状态更新，并使用最小二乘法进行反演，获得全局最优解；S4、判断全局最优解是否达到预置条件，若是，则输出全局最优解，否则转至执行S3。

说明书

技术领域

本发明涉及地球物理探测技术领域，尤其涉及一种测量地表到深层大地电阻率的方法及装置。

背景技术

大地电阻率测量在电力系统、基础设计、建筑工地选址、地质勘测、地下水研究、采矿、石油、热能及考古等方面得到了广泛的应用。人们利用大地电阻率探测地下几米的浅层至几千米的深层的地下物质及地质结构。大地电阻率能够区分地下物质的种类，确定覆盖层的构成及基岩深度，确定砂、砾石、金属沉积物及地下水层的厚度与深度、探测断层带，确定不同大地地质间的陡斜接触，扩充和完善钻井程序和地震测量。

常规大地电阻率测量方法主要有四极法与大地电磁法(MT法)。四极法的信号较小难以穿越高阻层，导致其测深不足，只能测量地表以下数百米的电阻率分布。大地电磁法使用不同频率的信号实现不同深度电阻率的测量，其最大频率可达到上千赫兹，但直流接地极在单极大地回线运行时通过直流，高频信号与低频信号测量得到的大地电阻率的等效性仍有待讨论。四极法和大地电磁法测量电阻率的物理意义不相同，两者测量结果并不能简单拼接，而无法较好获得地表至深层大地电阻率分布。因此，如何合理地结合两种方法来获得地表至深层大地电阻率分布需要进一步的研究。

发明内容

本发明实施例提供了一种测量地表到深层大地电阻率的方法及装置，解决了由于四极法和大地电磁法测量电阻率的物理意义不相同，两者测量结果并不能简单拼接而导致其无法较好获得地表至深层大地电阻率分布的技术问题。

本发明实施例提供的一种测量地表到深层大地电阻率的方法，包括：

S1、根据采用四极法和大地电磁法测得的大地电阻率数据，获得目标函数；

S2、对目标函数采用最小二乘粒子群算法进行初始化得到初始化粒子；

S3、根据初始化粒子进行粒子状态更新，并使用最小二乘法进行反演，获得全局最优解；

S4、判断全局最优解是否达到预置条件，若是，则输出全局最优解，否则转至执行S3。

可选地，步骤S1具体包括：

S11、根据对采用四极法和大地电磁法测得的大地电阻率数据进行反演得到的四极法反演目标函数和大地电磁法反演目标函数相加所得到的结果，获得向量目标函数。

可选地，步骤S2具体包括：

S21、对向量目标函数采用最小二乘粒子群算法进行粒子位置和速度的初始化，得到初始化粒子。

可选地，步骤S3具体包括：

S31、根据初始化粒子进行粒子速度和位置的更新，并使用最小二乘法进行反演，获得粒子的最新位置；

S32、根据粒子的最新位置和粒子的目标函数，更新粒子的最优位置，并获得全局最优解。

可选地，步骤S4具体包括：

S41、判断全局最优解是否不再减少或超出预置迭代次数，若是，则输出全局最优解，否则转至执行S31。

本发明实施例提供的一种测量地表到深层大地电阻率的装置，包括：

计算模块，用于根据采用四极法和大地电磁法测得的大地电阻率数据，获得目标函数；

初始化模块，用于对目标函数采用最小二乘粒子群算法进行初始化得到初始化粒子；

反演模块，用于根据初始化粒子进行粒子状态更新，并使用最小二乘法进行反演，获得全局最优解；

判断模块，用于判断全局最优解是否达到预置条件，若是，则输出全局最优解，否则转至执行S3。

可选地，计算模块包括：

计算单元，用于根据对采用四极法和大地电磁法测得的大地电阻率数据进行反演得到的四极法反演目标函数和大地电磁法反演目标函数相加所得到的结果，获得向量目标函数。

可选地，初始化模块包括：

初始化单元，用于对向量目标函数采用最小二乘粒子群算法进行粒子位置和速度的初始化，得到初始化粒子。

可选地，反演模块包括：

反演单元，用于根据初始化粒子进行粒子速度和位置的更新，并使用最小二乘法进行反演，获得粒子的最新位置；

更新单元，用于根据粒子的最新位置和粒子的目标函数，更新粒子的最优位置，并获得全局最优解。

可选地，判断模块包括：

判断单元，用于判断全局最优解是否不再减少或超出预置迭代次数，若是，则输出全局最优解，否则转至执行S31。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供了一种测量地表到深层大地电阻率的方法及装置，通过根据采用四极法和大地电磁法测得的大地电阻率数据，获得目标函数；对目标函数采用最小二乘粒子群算法进行初始化得到初始化粒子；根据初始化粒子进行粒子状态更新，并使用最小二乘法进行反演，获得全局最优解；判断全局最优解是否达到预置条件，若是，则输出全局最优解，通过有效结合了两种方法，形成了更有效的覆盖地表到地下数十公里深度的测量方法，解决了由于四极法和大地电磁法测量电阻率的物理意义不相同，两者测量结果并不能简单拼接而导致其无法较好获得地表至深层大地电阻率分布的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种测量地表到深层大地电阻率的方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种测量地表到深层大地电阻率的装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种四极法测量示意图；

图4为本发明实施例提供的一种大地电磁法测量示意图；

图5为本发明实施例提供的一种最小二乘粒子群算法的算法流程示意图；

图6为本发明实施例提供的最小二乘粒子群算法反演结果示意图；

图7为本发明实施例提供的四极法与大地电磁法的对比示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种测量地表到深层大地电阻率的方法及装置，用于解决由于四极法和大地电磁法测量电阻率的物理意义不相同，两者测量结果并不能简单拼接而导致其无法较好获得地表至深层大地电阻率分布的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种测量地表到深层大地电阻率的方法包括：

S11、根据对采用四极法和大地电磁法测得的大地电阻率数据进行反演得到的四极法反演目标函数和大地电磁法反演目标函数相加所得到的结果，获得向量目标函数。

首先，采用四极法测量浅层大地电阻率，采用大地电磁法测量深层大地电阻率。四极法测量步骤如下：1、根据现场的勘查情况，确定测量中心点，如图3所示。2、再保持测量中心点位置不变，以南北方向布线进行等距四极法的测量，极距按“1-2-3-5-7”的原则选取。3、保持测量中心点位置不变，分别以东西、东南-西北、西南-东北方向布线进行同样的测量。4、以公式一进行土壤模型的一维反演和三维反演。5、根据反演结果判断是否补充局部测量，即移动测量中心点，再由步骤2～4进行补充测量和反演。

其中，公式一为均方根误差公式，具体为：

其中，F₁为四极法反演的均方根误差，m₁为测量数据个数，d_i为第i组测量极距，ρ_a和ρ_M分别为视在电阻率的正演值和测量值。ρ_a由S12最小二乘粒子群算法提供的土壤参数计算得到的视在电阻率。

大地电磁法测量步骤如下：1、以测量中心点布置大地电磁法的电极和磁极，如图3所示。2、测量并获得视在电阻率的频率的特性数据。3、由电场-磁场相关性判断测量数据的有效性，并决定是否进行重复测量。4、以公式二进行大地模型的一维反演。5、由反演结果和测量数据共同确定测深，由测深判断是否重复步骤2-4的测量。

其中，公式二为均方根误差公式，具体为：

其中，F₃为大地电磁法反演的均方根误差，m₃为测量数据个数，f_i为第i组测量频率，ρ_a和ρ_M分别为复数视在电阻率的正演值和测量值。ρ_a由S12最小二乘粒子群算法提供的土壤参数计算得到。

通过将进行反演后的公式一和公式二相加，即可得到向量目标函数。具体由公式三可得，公式三具体为：

min F＝F₁+F₃。

其中，F为四极法和大地电磁法联合使用的向量目标函数。

请参阅表1，为土壤视在电阻率测量数据：

表1土壤视在电阻率测量数据

a(m)1234610121420ρ_M(Ω·m)74.584.678.666.950.955.354.356.361.6

S21、对向量目标函数采用最小二乘粒子群算法进行粒子位置和速度的初始化，得到初始化粒子。

本发明实施例采用的混合优化方法以最小二乘粒子群算法为例，粒子群算法(Particle Swarm Optimization，PSO)是无导数方法，它通过群体中个体之间的协作和信息共享来寻找最优解，是一种基于群体智能的优化计算方法。

PSO算法中粒子的运动以定向移动和随机搜索进行：每个粒子向当前所有粒子的最优解g*和自身最优解x*_i移动，而且在移动的过程中对粒子附近位置作随机搜索。如果一个粒子找到比自身当前最优解更好的位置，则更新其当前最优解；如果当前全局最优解优于过往的全局最优解，则作替换。

设x*_i为粒子i的当前最佳位置，全局最优解g*≈min>i)，i＝1，2，...，n_p。n_p为粒子数量。

在获得向量目标函数后，需要通过最小二乘粒子群算法初始化粒子的位置和速度，并取得起始的全局最优解g*＝min[f(x1),...,f(xnp)]，t＝0。

S31、根据初始化粒子进行粒子速度和位置的更新，并使用最小二乘法进行反演，获得粒子的最新位置。

在对向量目标函数采用最小二乘粒子群算法进行粒子位置和速度的初始化，得到初始化粒子，并获得初始全局最优解之后。使得t＝t+1，并对所有n_p个粒子，更新新的速度v^t_i，然后更新粒子位置，使用最小二乘法进行反演，所得结果作为最新位置。

请参阅表2，为最小二乘粒子群的反演结果：

表2最小二乘粒子群的反演结果

i12345ρ_i(Ω·m)50.14501.607.39823.1052.34h_i(m)0.680.411.200.85∞

S32、根据粒子的最新位置和粒子的目标函数，更新粒子的最优位置，并获得全局最优解。

在根据初始化粒子进行粒子速度和位置的更新，并使用最小二乘法进行反演，获得粒子的最新位置之后，计算每个粒子的目标函数，更新每个粒子的最优位置x*_i，并取得当前的全局最优解g*。

S41、判断全局最优解是否不再减少或超出预置迭代次数，若是，则输出全局最优解，否则转至执行S31。

在根据粒子的最新位置和粒子的目标函数，更新粒子的最优位置，并获得全局最优解(即当前目标函数值)之后，判断全局最优解是否不再减少或超出预置迭代次数，若是，则输出全局最优解，否则转至执行S31。

请参阅图5，为最小二乘粒子群算法的算法流程示意图。请参阅图6，为最小二乘粒子群算法反演结果示意图。

以上为对本发明实施例提供的一种测量地表到深层大地电阻率的方法的详细描述，以下将对本发明实施例提供的一种测量地表到深层大地电阻率的装置进行详细的描述。

计算模块201，用于根据采用四极法和大地电磁法测得的大地电阻率数据，获得目标函数，计算模块具体还包括：

计算单元2011，用于根据对采用四极法和大地电磁法测得的大地电阻率数据进行反演得到的四极法反演目标函数和大地电磁法反演目标函数相加所得到的结果，获得向量目标函数。

初始化模块202，用于对目标函数采用最小二乘粒子群算法进行初始化得到初始化粒子，计算模块具体还包括：

初始化单元2021，用于对向量目标函数采用最小二乘粒子群算法进行粒子位置和速度的初始化，得到初始化粒子。

反演模块203，用于根据初始化粒子进行粒子状态更新，并使用最小二乘法进行反演，获得全局最优解，计算模块具体还包括：

反演单元2031，用于根据初始化粒子进行粒子速度和位置的更新，并使用最小二乘法进行反演，获得粒子的最新位置；

更新单元2032，用于根据粒子的最新位置和粒子的目标函数，更新粒子的最优位置，并获得全局最优解。

判断模块204，用于判断全局最优解是否达到预置条件，若是，则输出全局最优解，否则转至执行S3，计算模块具体还包括：

判断单元2041，用于判断全局最优解是否不再减少或超出预置迭代次数，若是，则输出全局最优解，否则转至执行S31。

请参阅图7，为本发明实施例提供的四极法与大地电磁法的对比示意图。

本发明实施例提供了一种测量地表到深层大地电阻率的方法及装置，通过根据采用四极法和大地电磁法测得的大地电阻率数据，获得目标函数；对目标函数采用最小二乘粒子群算法进行初始化得到初始化粒子；根据初始化粒子进行粒子状态更新，并使用最小二乘法进行反演，获得全局最优解；判断全局最优解是否达到预置条件，若是，则输出全局最优解，通过有效结合了两种方法，形成了更有效的覆盖地表到地下数十公里深度的测量方法，解决了由于四极法和大地电磁法测量电阻率的物理意义不相同，两者测量结果并不能简单拼接而导致其无法较好获得地表至深层大地电阻率分布的技术问题。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。