1 提出了球坐标系、地形起伏、场源建立的三维大地电磁正演算法.
基于前期研究基础,采用能够准确计算MT阻抗和倾子的场源,开发了一套球坐标系下、考虑复杂陆地与海洋地形的三维大地电磁正演计算方法。并通过建立一维地球模型,开展了自研算法与解析结果的对比,在更长周期大地电磁的有限元模拟计算仍能和解析解契合(如图1左)。

图1:左:层状模型球坐标解析解与有限元结果对比,(a)视电阻率;(b)相位;右:周期在10000s下视电阻率和相位受地形和海洋效应影响
2.揭示了陆地与海洋对中国大陆大地电磁响应的畸变影响规律
考虑全球复杂电磁环境,包括海洋和大陆不均匀电性结构分布、陆地和海洋地形以及沉积层分布等,采用球坐标系下四面体非结构化网格对整个地球进行单元离散。计算结果显示(图1右)在长周期10000s下,考虑地形和地表海陆不均匀电导率因素,视电阻率和相位受到的影响是显著的,尤其在青藏高原和沿海地区。因此,在洲际尺度和沿海区域,大地电磁计算必需考虑地形和海水的影响。
3.提出了基于莱维( Levy )飞行(随机游走)的大地电磁三维反演算法
拟线性反演,易陷入局部极小,完全非线性反演计算量巨大,为了结合拟线性反演和完全非线性反演方法的优点,通过Levy分布给出每一步迭代的步长。Levy飞行过程具有重尾分布特性,能在较大范围搜索多个局部极小值,在算力量较小的情况下具备全局搜索能力。计算搜索路径上模型的统计信息(均值与标准差),直观评价反演结果。通过理论棋盘模型测试,结果如图2所示,可以看到对于棋盘异常的恢复不仅在高导体区域恢复较好,在低导体区域也同样可以恢复。LGD能够取得比NLCG更小的数据拟合差。

图2:LGD和NLCG算法反演结果对比图
4.采用正反演嵌套映射网格策略,在反演网格的基础上,进行正演网格的自适应加密的多源反演
完成电离层信号和磁层信号的多源联合反演,并反演电离层全球到局部的转换函数和磁层的C响应函数。通过采用球坐标系下四面体单元网格进行单元离散,因此,拟采用一种四面体最长边二等分(tetrahedral longest edge bisection,TLEB)的方法,在反演过程中解耦正反演网格。通过频率和区域双重并行策略,提高大规模区域计算的效率。采用slab模型进行测试,联合和单一反演结果如图3所示,联合多源电磁数据的反演在较传统磁层信号反演的基础上融入了电离层信号的反演,能更好约束上地幔的电性结构。为大地电磁的多源电磁联合反演奠定技术基础。

图3:环太平洋俯冲带模型合成数据反演结果。第一列为真实模型,第二列为单一Sq源的反演结果,第三列为单一Dst源的反演结果, 第四列为联合多源数据的反演结果。白色圆点为测点。
5.大地电磁标准化软件平台架构设计以及大地电磁数据强干扰去除算法研究取得良好进展:
1)完成了大地电磁数据处理云平台的架构设计和研究方案,搭建以Django Rest Framework为核心的后端系统,结合高性能数据库PostgreSQL和分布式任务队列系统Celery初步实现了用户管理与授权、项目管理等后端API设计。基于Docker和持续集成(CI)和持续部署(CD)流水线自动化了构建、测试和部署过程,确保了高效、可靠和快速的平台开发与部署,并建立了智能自动数据编辑和评级云平台。
2)提出了一种结合改进型RepVGG与DnCNN的大地电磁强干扰识别和去除方法,首先利用改进的RepVGG网络快速、高精度的识别出观测信号中的强噪声,然后利用DnCNN网络对识别出含噪片段进行精细去噪,最后重构出完整信号。仿真与实测实验均表明,该方法在识别准确率、信噪比提升以及视电阻率曲线改善方面均优于现有方法(见图4)。

图4. 改进DuCNN电磁干扰识别和压制方法效果
总之,项目在时间短、任务重的情况下,克服困难,完成了项目预期任务目标、达到或部分超过了考核指标要求,取得了阶段性成果。项目在Geology等期刊上发表了多篇论文,在大兴安岭示范区完成三维电性结构反演,取得一些创新认识。
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