短偏移距瞬變電磁法（SOTEM）是由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究人員發(fā)明的電磁探測新方法，以其精度高、深度大、效率高等優(yōu)勢，已成為2 km深度以淺礦產(chǎn)資源、工程環(huán)境、清潔能源勘查的重要方法之一。該方法在近源情況下進(jìn)行觀(guān)測，具有數據量大、信息多、處理難的特點(diǎn)。
模型驅動(dòng)反演算法嚴重依賴(lài)于初始模型，主觀(guān)性強，很容易陷入局部最優(yōu)解，精度受限；數據驅動(dòng)反演算法雖不依賴(lài)于初始模型，但物理機制不清晰，計算成本高，速度受限。薛國強研究員團隊提出了一種基于模型驅動(dòng)和數據驅動(dòng)的混合算法，通過(guò)參數優(yōu)化、驅動(dòng)升級和混合加速三個(gè)步驟，實(shí)現速度與精度兼顧的反演。相較于傳統算法，他們提出的混合算法計算效率可提升75%，且目標體的邊界刻畫(huà)更為清晰準確。
首先采用等級狀拓撲結構和概率密度函數重新定義精英粒子（公式1），提升粒子尋優(yōu)能力，實(shí)現驅動(dòng)升級；然后將三維反演中常用的擬牛頓算法作為粒子群算法的加速器，實(shí)現反演效率加速。
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引入加權策略（公式2）和飛行策略（公式3）作為混合策略。加權策略定義了新的混合算法的模型更新公式，實(shí)現兩種算法間的融合可以更好地兼顧速度和精度；飛行策略提升了混合算法中個(gè)體粒子的躍遷能力，同時(shí)反演計算時(shí)間成本大幅壓縮。
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大量數值模擬結果表明，相較于傳統粒子群算法和擬牛頓算法，他們提出的混合算法對數據量的依賴(lài)性下降到三分之二，計算時(shí)間壓縮到原來(lái)的三分之一（圖1），且具有抗噪能力強（圖2）、穩定性好和分辨率高（圖3）等優(yōu)點(diǎn)。
圖1 不同算法尋優(yōu)路徑對比。(a) 擬牛頓算法； (b) 粒子群算法；(c) 未優(yōu)化混合算；(d) 本文提出的混合算法。圖中虛線(xiàn)代表尋優(yōu)路徑
圖2 不同噪聲水平下的反演結果
圖3 擬牛頓反演算法(a)與粒子群-擬牛頓混合算法(b)反演結果對比
他們將該混合算法應用于內蒙古某煤礦采空區SOTEM探測數據的反演。利用自研裝備系統（圖4a）共完成11條SOTEM測線(xiàn)，線(xiàn)距為20 m，點(diǎn)距為10 m，發(fā)射源長(cháng)度為500 m，最小偏移距為310 m（圖4b）。利用混合算法對整個(gè)數據體進(jìn)行反演，獲得了測區500 m深度范圍內的三維電性結構（圖5a），并發(fā)現了區內存在的含水采空區（圖5b）。三維反演結果揭示的地層分布與鉆孔結果基本吻合，驗證了混合算法的準確性和實(shí)用性。
圖4 內蒙古某煤礦SOTEM數據采集。（a）自研探測裝備；（b）收發(fā)布置圖
圖5 混合算法三維反演結果（a）三維電性結構（b）典型剖面鉆孔對比情況
該研究提出的混合算法，不需要計算靈敏度矩陣，保證了反演進(jìn)程的穩定性。其中數據驅動(dòng)算法（粒子群算法）的全局尋優(yōu)能力能夠保證反演精度，模型驅動(dòng)算法（擬牛頓算法）的超線(xiàn)性收斂特征能夠保證反演速度。這一成果可為SOTEM數據的高精度反演解釋提供有力的技術(shù)手段。
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊IEEE TGRS（薛國強,何一鳴,陳衛營(yíng),武欣,宋婉婷. 3-D inversion based on the particle swarm optimization-quasi-newton hybrid algorithm for SOTEM[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2023, 61, 5905811. DOI: 10.1109/TGRS.2023.3259146）。研究得到了國家自然科學(xué)基金項目(42030106, 42274192)、第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究項目(2019QZKK0804)、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)部署項目(IGGCAS-201901)和中國科學(xué)院科研儀器設備研制項目 (YJKYYQ20190004)的共同資助。
