基於混合蛙跳算法的三維重力密度異常快速反演

《基於混合蛙跳算法的三維重力密度異常快速反演》是依託河海大學，由蔣甫玉擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於混合蛙跳算法的三維重力密度異常快速反演
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：蔣甫玉
• 依託單位：河海大學

項目摘要

三維密度反演是重力勘探工作，特別是資料處理與解釋的主要環節之一。通過反演得到的岩石密度信息，對地質填圖、地質構造研究以及礦產資源調查具有重要意義。然而，地球物理反問題的多解性及反問題計算的低效率嚴重地阻礙了既往反演方法的套用。針對這兩個瓶頸問題，本課題在對啟發式非線性反演研究的基礎上，創新地利用混合蛙跳算法以實現對三維密度異常的快速反演。擬結合算法的內在機理，在密度更新過程中加入密度、深度約束條件以減少多解性；擬根據重力異常邊緣增強成果，限定種群規模總數、採用格架分離技術和格架等效計算方案、將算法本身具有的並發性與圖形處理單元具有多個流處理單元的硬體優勢結合起來、將只對最差蛙進行多次疊代更新的策略改進為對子群內所有蛙進行一次更新，以大幅度提高計算效能；擬以梅山鐵礦區的重力數據為基礎，將反演結果與已有的物探、地質資料作對比，探討反演結果的可靠性，以期重力勘探在社會發展中發揮更加積極的作用。

結題摘要

重力數據的反演是獲取地球下部空間岩體密度信息的重要手段之一。遺憾的是，重力反問題的多解性、趨膚效應以及數值計算的低效性嚴重地阻礙了既往反演方法的實際套用。本課題提出利用混合蛙跳算法實現對密度異常的反演，對適用於反演的蛙跳算法種群規模及子種群數的確定方法、蛙跳算法的可靠性及計算效率和實際套用效果進行了詳細研究。研究結果表明，種群規模大小的選取應保持其與觀測數據的尺度一致，而子種群數應遵循子種群數與各子群內的個體數儘量相等的原則；此外，由於GPU單元在傳輸上具有很高的頻寬，所以在數據傳輸方面不會占有很長的時間。因此，真正能夠對提高速度有效的是每個執行緒所處理的複雜度，複雜度越大，加速比就越高。由於重力正演公式比重力梯度正演公式複雜度高，因此前者的加速效果更明顯。利用共享存儲器的存儲特點以及執行緒設計，對每個執行緒計算出的回響值疊加採用經過最佳化過的並行歸約算法，在相同條件下能夠得到高達15倍的加速比。進一步地將深度、密度約束條件融合到蛙跳算法密度更新策略中，為減小該算法反演結果的多解性提供了保障。在提高計算效能方面，格架分離技術和格架等效計算方案的套用、蛙跳算法本身具有的並發性與圖形處理單元具有多個流處理單元的硬體優勢的完美結合以及將傳統蛙跳算法中只對最差蛙進行多次疊代更新的策略改進為對子群內所有蛙進行一次更新，能夠使得基於混合蛙跳算法的密度反演在計算效能方面取得較好的成果。在實際套用中，利用蛙跳三維密度反演方法對梅山鐵礦地區的重力數據進行反演，劃分出斷層12條，對於礦致異常的反演解很好的反映出了礦體頂部埋藏深度，與實際勘探結果基本吻合。該算法的實現，開闢了重力啟發式非線性反演的新途徑，一方面確立了實際重力異常資料處理過程中混合蛙跳算法參數設定的一般準則，另一方面提高了重力反演的計算效率，使等待時間達到解釋人員能夠接受的程度。這為位場勘探在社會發展中發揮出更加積極的作用奠定了重要的理論基礎。