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中国地球物理学会地球物理技术委员会第九届学术会议—全域地球物理探测与智能感知学术研讨会

作者：彭聪朱凯光景春阳范天姣杨洋程宇奇吉林大学仪器科学与电气工程学院地球信息探测仪器教育部重点实验室

提升仪器采集效率、降低成本、提高分辨率是地球物理方法的重要发展趋势。特别是对于能够分析深部地下信息的时域电磁(TEM)系统而言,在大范围、高精度的探测要求下,探测结果往往会受到分辨率和噪声污染的制约。因此高效、可调控的噪声... 详细信息

提升仪器采集效率、降低成本、提高分辨率是地球物理方法的重要发展趋势。特别是对于能够分析深部地下信息的时域电磁(TEM)系统而言,在大范围、高精度的探测要求下,探测结果往往会受到分辨率和噪声污染的制约。因此高效、可调控的噪声抑制方法对于高分辨率TEM系统的发展至关重要。在TEM测量的数据预处理过程中,一般以抽道为关键技术实现快速高效的噪声压制。通常采用矩形抽道的方法来抑制随环境变化的多源噪声,包括甚低频噪声、电力线谐波噪声和具有局部零散和非平稳特性的天电噪声。因此,完善抽道策略以提高信噪比的思想也为本文的研究提供了依据。本文首先建立不同环境条件下的噪声模型并分析其与多种抽道权值的局部时频域特征,研究了适用于不同噪声环境的抽道策略。设计了基于B样条基函数的抽道策略,并根据抽道时间自动加权。该方法采用了B样条基函数的多项式形式特征,首要确保了抽道后信号的准确性,同时利用其频谱中的旁瓣衰减来抑制以VLF噪声为主的高频噪声分量。

关键词：基函数噪声压制

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瞬变电磁快速变维贝叶斯反演及在城市地下空间的应用

瞬变电磁快速变维贝叶斯反演及在城市地下空间的应用

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中国地球物理学会地球物理技术委员会第九届学术会议—全域地球物理探测与智能感知学术研讨会

作者：陈健张洋吉林大学仪器科学与电气工程学院/地球信息探测仪器教育部重点实验室

瞬变电磁法是能够提供地下空间电阻率分布的常用物探方法。在瞬变电磁数据反演解释中,常规反演方法多侧重于提供单一的最优反演结果,然而由于模型化过程和数据本身存在误差,使得存在一定范围内的模型均能够有效满足数据拟合,单一反演结... 详细信息

瞬变电磁法是能够提供地下空间电阻率分布的常用物探方法。在瞬变电磁数据反演解释中,常规反演方法多侧重于提供单一的最优反演结果,然而由于模型化过程和数据本身存在误差,使得存在一定范围内的模型均能够有效满足数据拟合,单一反演结果难免会造成估计结果的偏差。变维贝叶斯反演结合统计学思想提供的模型置信区间,能够有效对这种不确定度范围进行描述,然而受庞大的计算量及瞬变电磁自身正演速度的限制,使得该方法评估效率仍然较低。本研究进行了优化变维贝叶斯反演效率的有效尝试,探究了限制模型核数、变化采样步长及设置收敛条件对反演速度及收敛性的提升作用。为了提升变维贝叶斯反演的实用性,我们提出了BIC-A M优化策略用于瞬变电磁数据变维贝叶斯反演的快速精准解释。仿真结果验证了该策略能够满足对模型充分采样的同时,将反演速度提升4倍。我们利用该方法与MPI技术的结合,在普通计算机上高效的解释了城市地下空洞区的二维地下电阻率的概率密度分布信息,相比于传统算法反演效率提升15倍。研究成果将为瞬变电磁数据的快速不确定度分析提供新的解决策略,也能为变维贝叶斯反演在其它地球物理探测方法上的应用提供参考。

关键词：瞬变电磁变维贝叶斯 BIC-AM 反演效率

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伪随机编码源航空电磁探测的系统辨识优化方法

伪随机编码源航空电磁探测的系统辨识优化方法

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中国地球物理学会地球物理技术委员会第九届学术会议—全域地球物理探测与智能感知学术研讨会

作者：范天姣朱凯光景春阳彭聪杨洋吉林大学仪器科学与电气工程学院地球信息探测仪器教育部重点实验室

系统辨识方法是以伪随机编码为发射源,从瞬变电磁数据中提取大地脉冲响应的一种主要方法。该方法同时记录高频率发射电流信号和全时航空电磁数据,然后对源信号和场信号进行相关运算,以此获取高分辨率的浅层地质信息。航空电磁探测首次... 详细信息

系统辨识方法是以伪随机编码为发射源,从瞬变电磁数据中提取大地脉冲响应的一种主要方法。该方法同时记录高频率发射电流信号和全时航空电磁数据,然后对源信号和场信号进行相关运算,以此获取高分辨率的浅层地质信息。航空电磁探测首次应用伪随机编码作为发射源,进行大面积浅层勘探。常规的系统辨识方法会存在一定的系统误差,本文通过去除该误差对系统辨识进行优化。系统辨识方法主要基于维纳霍夫方程,构建伪随机编码源,航空电磁数据与大地脉冲响应的数学关系。航空电磁数据在数值计算上为伪随机编码源与大地脉冲的卷积,对该等式两边分别进行相关运算,将航空电磁数据与伪随机编码源的互相关结果与伪随机编码源的自相关结果矩阵化后,通过峰值匹配可辨识得到与单周期伪随机编码源长度相同的大地脉冲响应。但辨识得到的大地脉冲响应长度远远小于实际的大地脉冲响应长度,则系统误差的主要来源为未参与系统辨识的大地脉冲响应。该系统误差随时间序列增长,无噪声的情况下辨识结果与理论大地脉冲响应的相对误差最大可达到100%。定义系统辨识方法可辨识得到的大地脉冲响应为辨识值,没有参与辨识的部分为系统误差。因大地脉冲响应是呈e指数下降,可将辨识值与其时间序列分别取对数,通过最小二乘法对该数据进行一阶拟合。拟合函数延长一倍时间长度,计算出延长后的大地脉冲响应可视为系统误差,并通过卷积的方法从航空电磁数据中去除。通过数值计算,首次去除系统误差,可将辨识结果与理论大地脉冲响应相对误差的最大值下降至40%。本文通过对基于维纳霍夫方程的系统辨识方法进行了讨论,推导了系统辨识方法在矩阵求解中存在的系统误差,并通过最小二乘的方法减小了该系统误差。通过对河北张北伪随机源电磁探测试验数据进行了处理,通过实际案例证明了系统辨识优化方法的可靠性与优势。

关键词：航空电磁系统辨识系统误差去除数据处理大地脉冲响应

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多尺度地球物理与成矿系统探测:现状与进展

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地球物理学进展 2021年第3期36卷 1208-1225页

作者：周文月严加永陈昌昕中国自然资源航空物探遥感中心北京100083 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院北京100083 中国地质科学院北京100037 中国地质调查局中国地质科学院地球深部探测中心北京100037

不同的构造环境,物源基础和保存环境形成矿床在观测结果上表现为不同的地球物理属性,地球物理探测方法利用密度、磁化率、极化率、电阻(导)率、波阻抗等物性差异进行地下地质体探测.利用地球物理方法进行成矿系统探测需要剖析从局部到... 详细信息

不同的构造环境,物源基础和保存环境形成矿床在观测结果上表现为不同的地球物理属性,地球物理探测方法利用密度、磁化率、极化率、电阻(导)率、波阻抗等物性差异进行地下地质体探测.利用地球物理方法进行成矿系统探测需要剖析从局部到区域矿物矿床形成的物源、通道和富集以及保存的完整过程,以便在不同的尺度范围内完成地球物理多属性结构成像,指导下一步具体找矿任务.区域地球动力演化、物质和能量源区控制着成矿始端,成矿流体富集成矿以及保存条件控制着成矿末端,流体迁移的通道将成矿始端和成矿末端连接,形成一个完整的成矿系统.本文从成矿系统始端和末端两方面分别阐述各个地球物理探测方法的发展历程和适用范围,最后通过长江中下游成矿带庐枞矿集区泥河铁矿找矿实例论述多尺度地球物理探测方法在成矿系统始端和末端应用效果.

关键词：成矿系统多尺度地球物理探测找矿思路泥河铁矿

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基于高精度重力勘探对地下空洞的探测研究

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物探与化探 2024年第3期48卷 876-883页

作者：杨敏徐新强陈明纪晓琳王万银赵东明周巍张义蜜西安测绘总站陕西西安710054 中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院地球内部多尺度成像湖北省重点实验室湖北武汉430074 信息工程大学地理空间信息学院河南郑州450001 广东省地质物探工程勘察院广东广州510000 空军工程大学信息与导航学院陕西西安710007 长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054 海洋油气勘探国家工程研究中心北京100028 智慧地球重点实验室陕西西安710054

地下空洞埋藏浅、规模小不易探测,随着重力感应技术的发展,给准确快速获取微重力变化为探测地下空洞带来新机会,对小规模地下空洞的探测能力具有广泛的研究和实用价值。本文从重力基础理论、重力探测技术、重力数据处理及反演3方面对地... 详细信息

地下空洞埋藏浅、规模小不易探测,随着重力感应技术的发展,给准确快速获取微重力变化为探测地下空洞带来新机会,对小规模地下空洞的探测能力具有广泛的研究和实用价值。本文从重力基础理论、重力探测技术、重力数据处理及反演3方面对地下空洞进行系统的分析研究。在给定形体大小、重力数据精度的情况下,通过二分法计算出了重力探测的最大埋藏深度;将高密度采集、高精度重力探测方法用于某区客运站地下人行通道实际探测,获得一套高精度重力格网数据,理论研究和实测结果表明,现有重力仪器具有探测地下空洞的能力;采用最小曲率位场分离方法、2.5D人机交互反演和靶区识别三维物性快速反演方法,得到地下人行通道近SN向的分布,埋藏深度大致2.5~5 m,这与实际情况相符。本次研究为地下空洞探测摸索出一套完整的重力勘探流程,具有一定的参考价值。

关键词：重力勘探地下空洞客运站地下人行通道正反演研究

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基于SBAS技术的煤矿采空区探查与稳定性评价

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煤炭科学技术 2022年第3期50卷 208-214页

作者：张丰刁鑫鹏谭秀全李爱军杨隽山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队) 山东济宁272100 自然资源部采煤沉陷区综合治理工程技术创新中心山东济宁272100 中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116 江苏省资源环境信息工程重点实验室江苏徐州221116

煤炭资源的长期开采,导致地下大面积采空区的存在。城市建设快速发展使得土地资源日益紧张,煤矿沉陷区土地成为可持续发展的重要资源。进行高精度和大面积的采煤沉陷地探查与采空区稳定性评价工作,有利于缓解地下采空与地面建设间日益... 详细信息

煤炭资源的长期开采,导致地下大面积采空区的存在。城市建设快速发展使得土地资源日益紧张,煤矿沉陷区土地成为可持续发展的重要资源。进行高精度和大面积的采煤沉陷地探查与采空区稳定性评价工作,有利于缓解地下采空与地面建设间日益尖锐的矛盾,对城市的可持续发展具有重要的现实意义。InSAR技术能够通过历史影像实现大覆盖面积、毫米级精度的地表形变反演,具有常规测量手段无法比拟的优势。为深入探究该技术在煤炭资源采空区调查和稳定性评价工作中的可用性,以济宁城市规划区为例,采用2018-09-12—2019-03-11的14景Sentinel-1影像,利用短基线集技术(SBAS)反演了研究区域的形变时间序列,成功探明了采煤塌陷地的空间分布,并结合相应时间段内的地表实测数据进行了解译精度的评价。对解译结果综合和研究分析发现:(1)探测到济宁城市规划区10余处采煤塌陷地,监测成果与水准实测数据间的最大中误差为5.8 mm;研究区内大部分范围内地表形变速率低于10 mm/a,表明相应位置的老采空区已基本趋于稳定。(2)所提取老采空区地面点的变形曲线符合开采沉陷的基本规律;形变解译结果能够显著区分不同开采条件下地表残余变形的特征。(3)研究成果能够查明目标区采煤沉陷地的空间分布位置,指导矿山地质环境调查工作高效、有针对性地开展;可以为老采空区稳定性的初步评价提供基础数据。

关键词： SBAS 煤炭资源采空区稳定性评价济宁城市规划区采煤沉陷地质测量

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基于XRF-CNN土壤重金属Zn元素含量预测模型研究

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光谱学与光谱分析 2021年第3期41卷 880-885页

作者：陈颖杨惠肖春艳赵学亮李康庞丽丽史彦新刘峥莹李少华燕山大学电气工程学院河北省测试计量技术及仪器重点实验室河北秦皇岛066004 河南理工大学资源与环境学院河南焦作454000 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心自然资源部地质环境监测工程技术创新中心河北保定071051 河北先河环保科技股份有限公司河北石家庄050035

结合X射线荧光光谱法,针对土壤中重金属元素Zn含量的预测问题,提出基于深度卷积神经网络回归预测模型。对原始土壤进行相关预处理,用粉末压片法制作土壤压片,采用X射线荧光光谱法(X-Ray-fluorescence,XRF)获取土壤光谱,相比于传统检测方... 详细信息

结合X射线荧光光谱法,针对土壤中重金属元素Zn含量的预测问题,提出基于深度卷积神经网络回归预测模型。对原始土壤进行相关预处理,用粉末压片法制作土壤压片,采用X射线荧光光谱法(X-Ray-fluorescence,XRF)获取土壤光谱,相比于传统检测方式,XR F法具有检测速度快、精度高、操作简单、不破坏样品属性并且可实现多种重金属元素同时检测等优点,故将XRF与深度卷积神经网络相结合,实现对土壤中重金属Zn元素含量的精确预测。采用箱型图来剔除X射线荧光光谱中的异常数据,采用熵权法结合多元散射校正来对样品盒数据进行校正,采用Savitzky-Golay平滑去噪法以及线性本底法对光谱数据进行预处理,可以有效地解决由外界环境和人为因素产生的噪声及基线漂移等问题。针对卷积神经网络结构的特殊性,将获取的一维光谱数据向量,采用构建光谱数据矩阵的方式来进行处理,将同一浓度、同一含水率下5组平行光谱数据向量转化为二维光谱信息矩阵,以该矩阵作为深度卷积神经网络预测模型的输入,以适应卷积层的操作要求,利用深度卷积神经网络特殊的结构模式,能有效提取土壤光谱数据特征,提高了深度卷积神经网络预测模型的学习能力,降低模型的训练难度。深度卷积神经网络预测模型采用3层卷积层搭建,使用ReLU激活函数激活,采用最大池化方式,减少数据的维度,增加Dropout层,防止过拟合,使用ADAM优化器对预测模型进行优化。实验以平均相对误差(mean rel ative error,MRE)、损失函数(LOSS)、平均绝对误差(mean absolute error,MAE)确定了模型的最优学习率为10^(-3)以及最优迭代次数为3000,并将深度卷积神经网络预测模型与BP预测模型、ELM预测模型、PLS预测模型进行对比,以均方误差(mean square error,MSE)、均方根误差(root mean square error,RMSE)、以及拟合系数R^(2)来分析比较预测模型的好坏,结果表明,基于深度卷积神经网络预测模型在对土壤中重金属Zn元素含量预测方面优于BP,ELM,PLS三种预测模型,提高了预测精度。

关键词：土壤重金属 X射线荧光光谱光谱信息矩阵深度卷积神经网络

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瞬变电磁快速变维贝叶斯反演及在城市地下空间的应用

瞬变电磁快速变维贝叶斯反演及在城市地下空间的应用

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中国地球物理学会地球物理技术委员会第九届学术会议——全域地球物理探测与智能感知学术研讨会

作者：陈健张洋吉林大学仪器科学与电气工程学院/地球信息探测仪器教育部重点实验室长春130026

瞬变电磁法是能够提供地下空间电阻率分布的常用物探方法.在瞬变电磁数据反演解释中,常规反演方法多侧重于提供单一的最优反演结果,然而由于模型化过程和数据本身存在误差,使得存在一定范围内的模型均能够有效满足数据拟合,单一反演结... 详细信息

瞬变电磁法是能够提供地下空间电阻率分布的常用物探方法.在瞬变电磁数据反演解释中,常规反演方法多侧重于提供单一的最优反演结果,然而由于模型化过程和数据本身存在误差,使得存在一定范围内的模型均能够有效满足数据拟合,单一反演结果难免会造成估计结果的偏差.变维贝叶斯反演结合统计学思想提供的模型置信区间,能够有效对这种不确定度范围进行描述,然而受庞大的计算量及瞬变电磁自身正演速度的限制,使得该方法评估效率仍然较低.本研究进行了优化变维贝叶斯反演效率的有效尝试,探究了限制模型核数、变化采样步长及设置收敛条件对反演速度及收敛性的提升作用.为了提升变维贝叶斯反演的实用性,提出了BIC-AM优化策略用于瞬变电磁数据变维贝叶斯反演的快速精准解释.仿真结果验证了该策略能够满足对模型充分采样的同时,将反演速度提升4倍.利用该方法与MPI技术的结合,在普通计算机上高效的解释了城市地下空洞区的二维地下电阻率的概率密度分布信息,相比于传统算法反演效率提升15倍.研究成果将为瞬变电磁数据的快速不确定度分析提供新的解决策略,也能为变维贝叶斯反演在其它地球物理探测方法上的应用提供参考.

关键词：城市地下空间瞬变电磁法变维贝叶斯反演

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用于小尺寸拖曳式瞬变电磁系统的非共面bucking线圈弱耦合技术

用于小尺寸拖曳式瞬变电磁系统的非共面bucking线圈弱耦合技术

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中国地球物理学会地球物理技术委员会第九届学术会议——全域地球物理探测与智能感知学术研讨会

作者：张洋陈健林君吉林大学仪器科学与电气工程学院/地球信息探测仪器教育部重点实验室长春130026

小尺寸拖曳式瞬变电磁法具有高效、灵活的特点,可用于城市地下空间探测.由于发射线圈和接收线圈之间存在互感,早期的二次磁场信号被一次磁场信号所污染.为了补偿一次场,bucking线圈技术以其补偿效果好、接收线圈与地下物体耦合强度强等... 详细信息

小尺寸拖曳式瞬变电磁法具有高效、灵活的特点,可用于城市地下空间探测.由于发射线圈和接收线圈之间存在互感,早期的二次磁场信号被一次磁场信号所污染.为了补偿一次场,bucking线圈技术以其补偿效果好、接收线圈与地下物体耦合强度强等优点被广泛应用于机载TEM系统中.然而,在地面小回线瞬变电磁系统中直接采用bucking线圈技术会产生许多问题.一是接收线圈尺寸有限,导致带宽不足;二是bucking线圈会带来近场效应,造成浅层信息丢失.为了解决这些问题,提出了一种具有非共面bucking补偿的TEM结构.与传统设计相比,新结构不仅克服了近场效应,而且减小了接收线圈尺寸的限制.此外,该方法能显著抑制一次场耦合,对安装精度有较好的容错性.仿真和现场试验结果验证了新结构的有效性和实用性.

关键词：城市地下空间小尺寸拖曳式瞬变电磁系统非共面线圈弱耦合补偿结构

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联合改进U-Net模型和D-InSAR技术采矿沉陷提取方法

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自然资源遥感 2023年第3期35卷 145-152页

作者：林佳惠刘广范景辉赵红丽白世彪潘宏宇中国科学院空天信息创新研究院数字地球重点实验室北京100094 可持续发展大数据国际研究中心北京100094 中国科学院大学北京100049 中国自然资源航空物探遥感中心北京100083 南京师范大学海洋科学与工程学院南京210023 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室成都610041

矿产资源开采导致的地表沉陷不仅是矿区国土空间开发利用需要考虑的重要因素,而且对地下非法开采的区域具有明显的指征作用。矿产资源开采一般具有分布范围较广、分布不均且较分散的特点,因此快速、准确地识别并提取大区域内采矿沉陷的... 详细信息

矿产资源开采导致的地表沉陷不仅是矿区国土空间开发利用需要考虑的重要因素,而且对地下非法开采的区域具有明显的指征作用。矿产资源开采一般具有分布范围较广、分布不均且较分散的特点,因此快速、准确地识别并提取大区域内采矿沉陷的空间分布非常必要。本研究基于合成孔径雷达差分干涉测量技术(differential interferometric synthetic aperture Radar,D-InSAR)得到矿区多时相差分干涉相位图,并使用深度学习FCN-8s,PSPNet,Deeplabv3和U-Net模型训练网络开展采矿沉陷智能识别,结果显示U-Net模型具有较高的检测精度且用时较短。为提高采矿沉陷的语义分割提取精度,在传统U-Net模型中引入高效通道注意力模块进行训练。结果表明改进的U-Net模型与传统模型相比,在测试集上采矿沉陷对应的交并比提升2.54百分点,为大范围采矿沉陷时空分布提取问题提供新的解决方法。

关键词： U-Net模型 D-InSAR 采矿沉陷提取语义分割注意力模块

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