本發(fā)明屬于地球物理，具體涉及基于改進的擴散模型的地質體重力數(shù)據(jù)反演方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、在地球物理研究中，重力反演是一種關鍵技術，廣泛用于識別地質異常、繪制地下巖石結構圖，并幫助勘探和提取重要資源，如石油和礦產(chǎn)。通過測量地球表面的重力場變化，可以推斷地下密度分布，從而發(fā)現(xiàn)可能的油氣藏、礦脈和其他地質特征。這一技術不僅為資源勘探提供了重要的科學依據(jù)，還在地質災害預警和環(huán)境保護等方面發(fā)揮著重要作用。

2、近年來，機器學習技術在各個領域取得了顯著進展，尤其是在圖像處理和計算機視覺方面。監(jiān)督學習作為其中的一大類，通過使用帶標簽的重力數(shù)據(jù)來訓練模型，從而使其能夠在新重力數(shù)據(jù)上進行準確預測。u-net是一種經(jīng)典的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡架構，它屬于監(jiān)督學習的范疇。u-net采用了對稱的編碼器-解碼器結構，在圖像分割任務中的語義信息提取和空間細節(jié)恢復方面表現(xiàn)出色。然而，它在編碼和解碼過程中對等效水平的特征進行均勻加權，可能會在不太重要的地質特征下掩蓋關鍵地質特征。為了解決這一問題，jha?et?al.(2019)提出了resu-net++網(wǎng)絡，其首先通過引入殘差連接，保留了更多的重力細節(jié)信息；其次使用作為一種輕量級的注意力機制的壓縮和激勵模塊，顯著增強了網(wǎng)絡識別局部和全局地球物理特征的能力。但其復雜的結構和大量參數(shù)容易導致計算資源需求高、訓練和推理速度慢，以及在數(shù)據(jù)有限情況下容易過擬合。為了改善這一情況，jascha?et?al.?(2015)提出的擴散模型能夠生成細節(jié)豐富的樣本，在處理復雜數(shù)據(jù)時表現(xiàn)出色，具有較好的魯棒性，它有效簡化resu-net++網(wǎng)絡的復雜模塊，降低整體模型的計算復雜度和資源需求，但是其在特征提取方面不如resu-net++網(wǎng)絡。

技術實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供基于改進的擴散模型的地質體重力數(shù)據(jù)反演方法及系統(tǒng)，利用resu-net++在特征提取中的高效性和明確的結構設計，彌補擴散模型在效率和解釋性上的不足。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、基于改進的擴散模型的地質體重力數(shù)據(jù)反演方法，包括以下步驟：

4、基于預設約束條件，建立多個重力異常地質體模型，獲取重力數(shù)據(jù)；其中，所述重力異常地質體模型的尺寸包括3x3x3，4x4x4，5x5x5，4x4x2及3x3x5；

5、向擴散模型的編碼器u型結構中引入resu-net++網(wǎng)絡，獲得resdm-net++網(wǎng)絡；其中，所述擴散模型包括正向擴散過程和逆向擴散過程；

6、基于resdm-net++網(wǎng)絡以及所述重力數(shù)據(jù)，獲得地質體的三維物理結構模型，完成對地質體重力數(shù)據(jù)的反演。

7、優(yōu)選的，所述重力數(shù)據(jù)包括重力分量數(shù)據(jù),?,?,?,?,?和；其中，為利用多個重力異常地質體模型模擬的重力響應，記為，重力場的垂直分量記為：

8、，

9、其中，γ代表引力常數(shù)，表示地下某異常域d內的密度分布，為對應的正演線性算子，核函數(shù)，，代表場點位置向量，代表源點位置向量，是場點位置向量的垂向坐標，是源點位置向量的垂向坐標，表示源點處的體積微元。

10、優(yōu)選的，所述擴散模型中，

11、正向擴散過程是向輸入擴散模型的原始重力數(shù)據(jù)中添加噪聲，公式如下：

12、，

13、其中，是在時間步的數(shù)據(jù)，是在時間步的噪聲系數(shù)，定義為，是預定義的噪聲表；是在時間步的數(shù)據(jù)，是與輸入數(shù)據(jù)形狀相同的隨機噪聲；

14、逆向擴散過程是從帶有噪聲的數(shù)據(jù)中恢復出原始重力數(shù)據(jù)，公式如下：

15、

16、是擴散模型編碼器的輸出。

17、優(yōu)選的，所述resdm-net++網(wǎng)絡的u型結構包括編碼器、一個空間金字塔模塊和解碼器，其中，編碼器由三個下采樣模塊組成，每個下采樣模塊包括一個與se模塊配對的剩余單元；解碼器由三個解碼模塊組成，每個解碼模塊包括注意力機制模塊、上采樣層、特征連接層以及殘差單元。

18、優(yōu)選的，所述se模塊通過全局池化將輸入的重力數(shù)據(jù)壓縮為一個向量，壓縮公式如下：

19、

20、其中，代表輸入重力數(shù)據(jù)，代表實數(shù)域，h和w分別表示在通道數(shù)c中通過卷積運算提取的重力數(shù)據(jù)的行數(shù)和列數(shù)，表示行索引，表示列索引。

21、優(yōu)選的，所述空間金字塔模塊通過建立不同的膨脹率，將所述下采樣模塊提取的重力數(shù)據(jù)特征進行多尺度采樣，獲得所述重力數(shù)據(jù)特征的多尺度上下文信息；其中，所述膨脹率配備等效卷積核，所述等效卷積核的大小如下表示：

22、，

23、其中，??為原始卷積核大小，為膨脹系數(shù)。

24、本發(fā)明還提供基于改進的擴散模型的地質體重力數(shù)據(jù)反演系統(tǒng)，用于實現(xiàn)所述方法，包括：

25、重力數(shù)據(jù)獲取模塊，用于基于預設約束條件，建立多個重力異常地質體模型，獲取重力數(shù)據(jù)；其中，所述重力異常地質體模型的尺寸包括3x3x3，4x4x4，5x5x5，4x4x2及3x3x5；

26、模型改進模塊，用于向擴散模型的編碼器u型結構中引入resu-net++網(wǎng)絡，獲得resdm-net++網(wǎng)絡；其中，所述擴散模型包括正向擴散過程和逆向擴散過程；

27、結構反演模塊，用于基于resdm-net++網(wǎng)絡以及所述重力數(shù)據(jù)，獲得地質體的三維物理結構模型，完成對地質體重力數(shù)據(jù)的反演。

28、優(yōu)選的，所述重力數(shù)據(jù)采集模塊包括：

29、模型集構建單元，用于組合多個單獨重力異常地質體模型，獲得模型集；

30、模型正演單元，用于基于所述模型集進行模型正演，生成所述重力數(shù)據(jù)；所述重力數(shù)據(jù)包括重力分量數(shù)據(jù),?,?,?,?,?和；其中，為利用多個重力異常地質體模型模擬的重力響應，記為，重力場的垂直分量記為：

31、，

32、其中，γ代表引力常數(shù)，表示地下某異常域d內的密度分布，為對應的正演線性算子，核函數(shù)，，代表場點位置向量，代表源點位置向量，是場點位置向量的垂向坐標，是源點位置向量的垂向坐標，表示源點處的體積微元。

33、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：在擴散模型的編碼器結構中加入resu-net++核心模塊進行組合構建一個新網(wǎng)絡（即resdm-net++網(wǎng)絡）。該網(wǎng)絡主要利用resu-net++在特征提取中的高效性和明確的結構設計，彌補擴散模型在效率和解釋性上的不足；同時通過擴散模型的去噪過程作為正則化手段，幫助減少resu-net++網(wǎng)絡在有限數(shù)據(jù)下的過擬合風險。

技術特征：

1.基于改進的擴散模型的地質體重力數(shù)據(jù)反演方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述重力數(shù)據(jù)包括重力分量數(shù)據(jù)、、、、、和；其中，為利用多個重力異常地質體模型模擬的重力響應，記為，重力場的垂直分量記為：

3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述擴散模型中，

4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述resdm-net++網(wǎng)絡的u型結構包括編碼器、一個空間金字塔模塊和解碼器，其中，編碼器由三個下采樣模塊組成，每個下采樣模塊包括一個與se模塊配對的剩余單元；解碼器由三個解碼模塊組成，每個解碼模塊包括注意力機制模塊、上采樣層、特征連接層以及殘差單元。

5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，所述se模塊通過全局池化將輸入的重力數(shù)據(jù)壓縮為一個向量，壓縮公式如下：

6.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，所述空間金字塔模塊通過建立不同的膨脹率，將所述下采樣模塊提取的重力數(shù)據(jù)特征進行多尺度采樣，獲得所述重力數(shù)據(jù)特征的多尺度上下文信息；其中，所述膨脹率配備等效卷積核，所述等效卷積核的大小如下表示：

7.基于改進的擴散模型的地質體重力數(shù)據(jù)反演系統(tǒng)，用于實現(xiàn)權利要求1-6任一項所述方法，其特征在于，包括：

8.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述重力數(shù)據(jù)采集模塊包括：

技術總結
本發(fā)明涉及地球物理技術領域，具體提供基于改進的擴散模型的地質體重力數(shù)據(jù)反演方法及系統(tǒng)，方法包括以下步驟：基于預設約束條件，建立多個重力異常地質體模型，獲取重力數(shù)據(jù)；向擴散模型的編碼器U型結構中引入ResU?Net++網(wǎng)絡，獲得ResDM?net++網(wǎng)絡；基于ResDM?net++網(wǎng)絡以及重力數(shù)據(jù)，獲得地質體的三維物理結構模型，完成對地質體重力數(shù)據(jù)的反演。該網(wǎng)絡主要利用ResU?Net++在圖像分割和特征提取中的高效性和明確的結構設計，彌補擴散模型在效率和解釋性上的不足；同時通過擴散模型的去噪過程作為正則化手段，幫助減少ResU?Net++網(wǎng)絡在有限數(shù)據(jù)下的過擬合風險。

技術研發(fā)人員：鮮明浩,嚴震乾,黃悅瑤,稅尹麒,徐錚偉,高波
受保護的技術使用者：成都理工大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/15