现代地质 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (01): 173-183.DOI: 10.19657/j.geoscience.1000-8527.2021.150
收稿日期:
2021-07-03
修回日期:
2022-09-03
出版日期:
2023-02-10
发布日期:
2023-03-20
通讯作者:
熊杰,男,博士,教授,硕士生导师,1975年出生,地球探测与信息技术专业,主要从事地球物理反演、人工智能研究。Email: xiongjie@yangtzeu.edu.cn。
作者简介:
薛瑞洁,女,硕士研究生,1997年出生,电子与通信工程专业,主要从事地球物理反演、深度学习方面的研究。Email:244960383@qq.com。
基金资助:
XUE Ruijie(), XIONG Jie(
), ZHANG Yue, WANG Rong
Received:
2021-07-03
Revised:
2022-09-03
Online:
2023-02-10
Published:
2023-03-20
摘要:
针对传统反演方法存在的初始模型依赖、计算时间较长等问题,提出一种基于卷积神经网络的磁异常反演方法。该方法首先设计大量磁异常体模型,进行正演模拟产生样本数据集;接着借鉴经典的卷积神经网络VGG-13设计了一种全新的VGG磁异常反演网络(VGGINV);然后使用样本数据集训练该网络,并优化网络参数;最后对理论模型和实测数据进行反演实验。实验结果表明,该方法可以准确地反演出磁异常体的位置和磁化强度,具有较强的学习能力和一定的泛化能力,能有效解决磁异常数据反演问题。
中图分类号:
薛瑞洁, 熊杰, 张月, 王蓉. 基于卷积神经网络的磁异常反演[J]. 现代地质, 2023, 37(01): 173-183.
XUE Ruijie, XIONG Jie, ZHANG Yue, WANG Rong. Magnetic Anomaly Inversion Based on Convolutional Neural Network[J]. Geoscience, 2023, 37(01): 173-183.
模型 | 形状大小 |
---|---|
矩形模型 | 3×3、4×4、5×5、3×6、6×3、4×8、8×4 |
阶梯模型 | 每层2×3、每层2×5 |
多个矩形模型 | 左右:4×4,5×5; |
上下:3×3 |
表1 模型设置
Table 1 Setting of the model
模型 | 形状大小 |
---|---|
矩形模型 | 3×3、4×4、5×5、3×6、6×3、4×8、8×4 |
阶梯模型 | 每层2×3、每层2×5 |
多个矩形模型 | 左右:4×4,5×5; |
上下:3×3 |
参数设置 | cost1 | cost2 | cost3 | |
---|---|---|---|---|
a=1,b=1,c=0.01 | 初 | 70600.7 | 74423690 | 281516.1 |
终 | 41.4994 | 2.826036 | 2791.417 | |
a=0.3,b=1,c=0.01 | 初 | 74828.3 | 62532120 | 281406.3 |
终 | 54.6469 | 2.4157293 | 1445.448 | |
a=0.1,b=1,c=0.01 | 初 | 55667.2 | 50526652 | 281485.8 |
终 | 76.7177 | 1.238823 | 1919.319 | |
a=0.3,b=1,c=0.001 | 初 | 61337.8 | 53639600 | 281489.6 |
终 | 30.9852 | 1.7518381 | 6934.962 |
表2 不同约束系数的各项损失情况统计
Table 2 Statistics of various losses with different constraint coefficients
参数设置 | cost1 | cost2 | cost3 | |
---|---|---|---|---|
a=1,b=1,c=0.01 | 初 | 70600.7 | 74423690 | 281516.1 |
终 | 41.4994 | 2.826036 | 2791.417 | |
a=0.3,b=1,c=0.01 | 初 | 74828.3 | 62532120 | 281406.3 |
终 | 54.6469 | 2.4157293 | 1445.448 | |
a=0.1,b=1,c=0.01 | 初 | 55667.2 | 50526652 | 281485.8 |
终 | 76.7177 | 1.238823 | 1919.319 | |
a=0.3,b=1,c=0.001 | 初 | 61337.8 | 53639600 | 281489.6 |
终 | 30.9852 | 1.7518381 | 6934.962 |
迭代次数 | cost1 | cost2 | cost3 | 时间/s |
---|---|---|---|---|
10000 | 163.3861 | 4.295458 | 184598.4 | 1080 |
20000 | 59.18427 | 3.218473 | 73968.87 | 2160 |
30000 | 38.09513 | 2.206896 | 9698.529 | 3240 |
40000 | 46.98742 | 2.305809 | 7262.683 | 4620 |
50000 | 30.98522 | 1.751838 | 6934.962 | 5760 |
60000 | 51.24117 | 3.776375 | 6501.225 | 6900 |
表3 不同迭代次数的各项损失情况统计
Table 3 Statistics of various losses for different iteration times
迭代次数 | cost1 | cost2 | cost3 | 时间/s |
---|---|---|---|---|
10000 | 163.3861 | 4.295458 | 184598.4 | 1080 |
20000 | 59.18427 | 3.218473 | 73968.87 | 2160 |
30000 | 38.09513 | 2.206896 | 9698.529 | 3240 |
40000 | 46.98742 | 2.305809 | 7262.683 | 4620 |
50000 | 30.98522 | 1.751838 | 6934.962 | 5760 |
60000 | 51.24117 | 3.776375 | 6501.225 | 6900 |
分类 | 参数设置 | CNN |
---|---|---|
数据样本 | 训练集 | 6737 |
测试集 | 1685 | |
网络设置 | 学习率 | η=0.001 |
激活函数 | ReLU | |
优化器 | Adam | |
L2正则化 | λ=1 | |
Dropout | 0.7 | |
目标函数 | a=0.3,b=1,c=0.001 | |
训练过程 | 迭代次数 | 30000 |
批量大小 | 1000 |
表4 CNN网络参数设置
Table 4 CNN network parameter settings
分类 | 参数设置 | CNN |
---|---|---|
数据样本 | 训练集 | 6737 |
测试集 | 1685 | |
网络设置 | 学习率 | η=0.001 |
激活函数 | ReLU | |
优化器 | Adam | |
L2正则化 | λ=1 | |
Dropout | 0.7 | |
目标函数 | a=0.3,b=1,c=0.001 | |
训练过程 | 迭代次数 | 30000 |
批量大小 | 1000 |
分类 | 参数设置 | VGGINV |
---|---|---|
数据样本 | 训练集 | 7458 |
测试集 | 1865 | |
网络设置 | 学习率 | η=0.001 |
激活函数 | ReLU | |
优化器 | Adam | |
Dropout | 0.7 | |
目标函数 | a=0.3,b=1,c=0.001 | |
训练过程 | 迭代次数 | 50000 |
时间 | 2760s |
表5 VGGINV网络参数设置
Table 5 VGGINV network parameter settings
分类 | 参数设置 | VGGINV |
---|---|---|
数据样本 | 训练集 | 7458 |
测试集 | 1865 | |
网络设置 | 学习率 | η=0.001 |
激活函数 | ReLU | |
优化器 | Adam | |
Dropout | 0.7 | |
目标函数 | a=0.3,b=1,c=0.001 | |
训练过程 | 迭代次数 | 50000 |
时间 | 2760s |
[1] |
LIU S, HU X, ZHANG H, et al. 3D magnetization vector inversion of magnetic data: Improving and comparing methods[J]. Pure and Applied Geophysics, 2017, 174(12): 4421-4444.
DOI URL |
[2] | 安玉林. 三度体梯度磁异常全方位正反演方法[J]. 现代地质, 2000, 14(1):85-90. |
[3] |
KAMM J, LUNDIN I A, BASTANI M, et al. Joint inversion of gravity, magnetic, and petrophysical data—A case study from a gabbro intrusion in Boden, Sweden[J]. Geophysics, 2015, 80(5): B131-B152.
DOI URL |
[4] | 冯旭亮, 王万银, 宋立军, 等. 基于LP范数正则化的V字型密度界面重力反演[J]. 地球物理学报, 2019, 62(3): 1022-1036. |
[5] |
SUN J, LI Y. Multidomain petrophysically constrained inversion and geology differentiation using guided fuzzy c-means clustering[J]. Geophysics, 2015, 80(4): ID1-ID18.
DOI URL |
[6] | 陈华根, 李嘉虓, 吴健生, 等. MT-重力模拟退火联合反演研究[J]. 地球物理学报, 2012, 55(2):663-670. |
[7] | 张江阳, 孙珍, 邱宁, 等. 基于粒子群算法的俯冲带三维有效弹性厚度反演[J]. 地球物理学报, 2019, 62(12): 4738-4749. |
[8] | 熊杰, 孟小红, 刘彩云, 等. 基于差分进化的大地电磁反演[J]. 物探与化探, 2012, 36(3):448-451. |
[9] |
LIU S, HU X, LIU T, et al. Ant colony optimization inversion of surface and borehole magnetic data under lithological constraints[J]. Journal of Applied Geophysics, 2015, 112: 115-128.
DOI URL |
[10] | 张荣, 李伟平, 莫同. 深度学习研究综述[J]. 信息与控制, 2018, 47(4):385-397,410. |
[11] | 赵鹏飞, 刘财, 冯晅, 等. 基于神经网络的随机地震反演方法[J]. 地球物理学报, 2019, 62(3): 1172-1180 |
[12] | 王庆, 曾齐红, 张友焱, 等. 基于多尺度区域卷积神经网络的露头孔洞自动提取[J]. 现代地质, 2021, 35(4):1147-1154. |
[13] |
LI S, LIU B, REN Y, et al. Deep-learning inversion of seismic data[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2020, 58(3): 2135-2149.
DOI URL |
[14] |
WU B, MENG D, WANG L, et al. Seismic impedance inversion using fully convolutional residual network and transfer learning[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2020, 17(12): 2140-2144.
DOI URL |
[15] | 王昊, 严加永, 付光明, 等. 深度学习在地球物理中的应用现状与前景[J]. 地球物理学进展, 2020, 35(2): 642-655. |
[16] | TELFORD W M, TELFORD W M, GELDART L P, et al. Applied Geophysics[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1990. |
[17] |
XIONG J, ZHANG T. Multiobjective particle swarm inversion algorithm for two-dimensional magnetic data[J]. Applied Geophysics, 2015, 12(2): 127-136.
DOI URL |
[18] | SIMONYAN K, ZISSERMAN A. Very deep convolutional networks for large-scale image recognition[M]// Proceedings of the International Conference on Learning Representations(ICLR), 2015: 1-14. |
[19] |
HU Z, LIU S, HU X, et al. Inversion of magnetic data using deep neural networks[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2021, 311: 106653.
DOI URL |
[20] | XU B, WANG N, CHEN T, et al. Empirical evaluation of rectified activations in convolutional network[M]//Proceedings of the International Conference on Machine Learning (ICML) Workshop, 2015. |
[21] | HE K, ZHANG X, REN S, et al. Deep residual learning for image recognition[C]// Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition. IEEE Computer Society Institute of Electrical and Electronics Engineers, USA in Scimago Institutions Rankings, 2016: 770-778. |
[22] |
YANG F, MA J. Deep-learning inversion: A next-generation seismic velocity model building method[J]. Geophysics, 2019, 84(4): R583-R599.
DOI URL |
[23] |
LIU S, HU X, LIU T. A stochastic inversion method for potential field data: ant colony optimization[J]. Pure and Applied Geophysics, 2014, 171(7): 1531-1555.
DOI URL |
[1] | 杨雪, 葛藤菲, 范正国, 黄旭钊, 何敬梓, 田嵩, 李靖, 杨海, 骆遥, 李冰. 四川太和钒钛磁铁矿区地球物理特征及其找矿意义[J]. 现代地质, 2024, 38(01): 77-86. |
[2] | 张文艳, 朱裕振, 刘雪, 汝亮, 闫冰. 山东禹城李屯地区重磁异常特征与找矿预测[J]. 现代地质, 2024, 38(01): 68-76. |
[3] | 王庆, 曾齐红, 张友焱, 邵燕林, 魏薇, 邓帆. 基于多尺度区域卷积神经网络的露头孔洞自动提取[J]. 现代地质, 2021, 35(04): 1147-1154. |
[4] | 王亮, 陶平, 张嘉玮, 范玉梅. 黔东南金矿与圈定的黔湘桂新元古代火山构造特征及地质意义[J]. 现代地质, 2017, 31(03): 637-650. |
[5] | 姚长利, 李宏伟, 郑元满, 孟小红, 张聿文. 低纬度化极应用迭代法的技术条件分析[J]. 现代地质, 2012, 26(6): 1175-1184. |
[6] | 闫玉梅, 刘少峰, 潘峰, 吴键, 祁攀文. 基于高精度重磁资料的松辽盆地南部十屋断陷基底断裂研究[J]. 现代地质, 2011, 25(1): 122-128. |
[7] | 唐金生 李成立 杨海波 崔瑞华. 高精度磁法在松辽盆地北部古龙—常家围子断陷火山岩预测方面的应用[J]. 现代地质, 2009, 23(3): 508-514. |
[8] | 周小虎,谭克龙,万余庆,段清波,宋德闻,牛新龙. 现代遥感技术在秦始皇陵考古研究中的应用[J]. 现代地质, 2007, 21(1): 157-162. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||