吉林大学学报(地球科学版) ›› 2017, Vol. 47 ›› Issue (2): 580-588.doi: 10.13278/j.cnki.jjuese.201702301

• 地球探测与信息技术 • 上一篇    下一篇

基于遗传算法优化的BP神经网络在密度界面反演中的应用

张代磊, 黄大年, 张冲   

  1. 吉林大学地球探测科学与技术学院, 长春 130026
  • 收稿日期:2016-08-07 出版日期:2017-03-26 发布日期:2017-03-26
  • 作者简介:张代磊(1989),男,博士研究生,主要从事航空地球物理探测方面的研究,E-mail:zhangdailei@hotmail.com
  • 基金资助:
    国家高技术研究发展计划("863"计划)项目(2014AA06A613)

Application of BP Neural Network Based on Genetic Algorithm in the Inversion of Density Interface

Zhang Dailei, Huang Danian, Zhang Chong   

  1. College of GeoExploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China
  • Received:2016-08-07 Online:2017-03-26 Published:2017-03-26
  • Supported by:
    Supported by the National High Technology Research and Development Program ("863" Program)of China (2014AA06A613)

摘要: BP神经网络方法在二维密度界面的反演中取得了较好的效果,但在反演三维界面时,由于模型更复杂、参数更多,BP神经网络的收敛速度和反演精度都有一定程度的下降。为了改善反演效果,本文利用遗传算法对BP神经网络的权值、阈值选择过程进行优化,获得了更好的网络模型;并将此模型应用于密度界面模型的反演中,预测误差从上百米减小到数十米,同时迭代计算步数减少了近2/3,有效减少了计算时间,反演结果更准确。利用基于遗传算法优化的BP神经网络反演了法国某地区莫霍面深度,预测相对误差仅为1.8%,取得了较好的应用效果。基于遗传算法优化的BP神经网络在密度界面的反演中具有良好的应用价值和研究前景。

关键词: BP神经网络, 遗传算法, 密度界面反演, 网络训练, 优化

Abstract: The method of BP neural network has achieved good results in the inversion of 2D density interface, however, the converging speed and inversion accuracy would decrease when it is used to inverse 3D density interface due to more complicated model and more parameters. Genetic algorithm is used to optimize the process of choosing weights and thresholds of BP network in this paper in order to improve inversion results. Then a better network model is obtained and this model will be utilized in the inversion of density interface model. This method could increase inversion accuracy as well as reduce calculation time, and better inversion results would be achieved. At last the method is utilized to inverse the depth of Moho in some region in France and the application effect is good. It is illustrated that BP neural network based on genetic algorithm has benign application value and research prospect in the inversion of density interface.

Key words: BP neural network, genetic algorithm, inversion of density interface, network training, optimization

中图分类号: 

  • P312.1
[1] Van der Bann M, Jutten C. Neural Networks in Geo-physical Applications[J]. Society of Exploration Geophysists, 2000, 65(4):1032-1047.
[2] Russell B. Neural Network Applications in Geophysics[C]//CSEG National Convention. Cakgary:Hampon-Russell Software, 2005:339-341.
[3] Hajian A, Ardestani E V, Lucas C. Depth Estimation of Gravity Anomalies Using Hopfield Neural Networks[J]. Journal of the Earth & Space Physics, 2011, 37(2):1-9.
[4] Nagendra R, Prasad P V S, Bhimasankaram V L S. Forword and Inverse Computer Modeling of a Gravity Field Resulting from a Density Interface Using Parker-Oldenberg Method[J]. Computer & Sciences, 1996, 22(3):227-237.
[5] 陈东敬,张新兵. 带模拟退火的拟BP神经网络在伊朗某地区重力资料反演中的应用[J]. 勘探地球物理进展,2005, 28(3):215-218. Chen Dongjing, Zhang Xinbing. The Application of Quasi-BP Neural Network with Simulated Annealing in the Inversion of Gravity Data in Some Region of Iran[J]. Progress in Exploration Geophysics, 2005, 28(3):215-218.
[6] 朱自强,程方道,黄国祥. 同时反演两个三维密度界面的拟神经网络BP算法[J]. 石油物探,1995, 34(1):76-85. Zhu Ziqiang, Cheng Fangdao, Huang Guoxiang. Quasi Neural Network BP Algorithm for Simultaneous Inversion of 3-D Density Interface[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 1995, 34(1):76-85.
[7] 张新兵,王家林,陈冰,等. BP, Hopfield神经网络在位场反演中的应用比较[J]. 物探化探计算技术,2007, 29(2):162-166. Zhang Xinbing, Wang Jialin, Chen Bing, et al. The Application Comparison of BP, Hopfield Neural Network in the Inversion of Potential Field[J]. Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration, 2007, 29(2):162-166.
[8] 郭文斌,朱自强,鲁光银. 重力异常的BP神经网络三维物性反演[J]. 地球物理学进展,2012, 27(2):409-416. Guo Wenbin, Zhu Ziqiang, Lu Guangyin. 3-D Gravity Inversion for Physical Properties Using BP Network[J]. Progress in Geophysics, 2012, 27(2):409-416.
[9] 侯祥林,陈长征,虞和济,等. 神经网络权值和阈值的优化方法[J]. 东北大学学报(自然科学版),1999, 20(4):447-450. Hou Xianglin, Chen Changzheng, Yu Heji, et al. Optimum Method About Weights and Thresholds of Neural Network[J]. Journal of Northeastern University (Natural Science), 1999, 20(4):447-450.
[10] 张国翊,胡铮. 改进BP神经网络模型及其稳定性分析[J]. 中南大学学报(自然科学版),2011, 42(1):115-124. Zhang Guoyi, Hu Zheng. Improved BP Neural Network Model and Its Stability Analysis[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2011, 42(1):115-124.
[11] 刘洪林,胡建,王金山,等. GA+BP神经网络在薄互层储层预测中的应用[J]. 物探与化探,2004, 28(5):460-463. Liu Honglin, Hu Jian, Wang Jinshan, et al. The Application of GA+BP Hybrid Neural Network to Inter-Bed Deposit Prediction[J]. Geophysical & Geochemical Exploration, 2004, 28(5):460-463.
[12] 李琼,李勇,李正文,等. 基于GA-BP理论的储层视裂缝密度地震非线性反演方法[J]. 地球物理学进展,2006, 26(2):465-471. Li Qiong, Li Yong, Li Zhengwen, et al. A Seismic Nonlinear Inversion for Apparent Fracture Density of Hydrocarbon Reservior Based on GA-BP Theory[J]. Progress in Geophysics, 2006, 26(2):465-471.
[13] 柳建新,童孝忠,李爱勇,等. MT资料反演的一种实数编码混合遗传算法[J]. 中南大学学报(自然科学版),2007, 38(1):160-163. Liu Jianxin, Tong Xiaozhong, Li Aiyong, et al. A Real Coded Hybrid Genetic Algorithm in Magnetotelluric Sounding Data Inversion[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2007, 38(1):160-163.
[14] 柯小平,王勇,许泽厚,等. 青藏东缘三维Moho界面的位场遗传算法反演[J]. 大地测量与地球动力学,2006, 26(1):101-104. Ke Xiaoping, Wang Yong, Xu Zehou, et al. 3D Moho Depth Inversion of Eastern Tibetan Plateau from Gravity Data with Genetic Algorithm[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2006, 26(1):101-104.
[15] 徐黎明,王清,陈剑平,等. 基于BP神经网络的泥石流平均流速预测[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2013, 43(1):186-191. Xu Liming, Wang Qing, Chen Jianping, et al. Forecast for Average Velocity of Debris Flow Based on BP Neural Network[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2013, 43(1):186-191.
[16] 张明君,张化光. 基于遗传算法优化的神经网络PID控制器[J]. 吉林大学学报(工学版),2005, 35(1):92-96. Zhang Mingjun, Zhang Huaguang. Neural Network PID Controller Optimized by GA[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2005, 35(1):92-96.
[17] 王贝贝,郝天珧. 具有已知深度点的二维单一密度界面的反演[J]. 地球物理学进展,2008, 23(3):834-838. Wang Beibei, Hao Tianyao. The Inversion of Two-Dimensional Mono-Density Interface with Several Known Control Points[J]. Progress in Geophysics, 2008, 23(3):834-838.
[18] 胡立天,郝天珧. 带控制点的三维密度界面反演方法[J]. 地球物理学进展,2014, 29(6):2498-2503. Hu Litian, Hao Tianyao. The Inversion of Three-Dimensional Density Interface with Control Points[J]. Progress in Geophysics, 2014, 29(6):2498-2503.
[19] 刘银萍,孟令顺. 利用重力异常研究虎林盆地的构造分区和基底形态[J]. 吉林大学学报(地球科学版),2007, 37(增刊1):36-39. Liu Yinping, Meng Lingshun. Using Gravity Anomaly Study Structure Division and Basement Morphology of the Hulin Basin[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2007, 37(Sup. 1):36-39.
[20] 焦新华,陈化然,吴燕冈,等. 天津地区地壳物性界面的计算及深部构造特征[J]. 吉林大学学报(地球科学版),2006, 36(4):616-621. Jiao Xinhua, Chen Huaran, Wu Yangang, et al. The Calculation and Study of Petrophysical Property Interfaces and Their Deep Structural Feature in Tianjin Area[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2006, 36(4):616-621.
[1] 周孙超, 宋腾蛟, 王琰, 蔡宗佑. 基于小龙虾优化算法的BP神经网络模型在滑坡易发性评价中的应用[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(3): 937-950.
[2] 韩复兴, 王源, 高正辉, 常志邈, 马飞, 秦昊, 尚浩. 基于NEWUOA的CRS叠加成像技术[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(1): 386-396.
[3] 任何军, 沈天琪, 张凤鲲, 李艳玲. 湖库清淤底泥氟固化/稳定化药剂设计及响应面优化[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(5): 1671-1679.
[4] 刘刚, 彭轶群, 徐昊, 裴江涛, 骆祖江. 基于统计学的地面沉降监测网优化设计[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(4): 1240-1255.
[5] 张晟瑀, 申文超, 苏小四. 基于随机森林法的区域地下水硝酸盐污染风险评价[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(3): 943-956.
[6] 靳雪彬, 李丙喜, 张振国, 雷茂盛, 安利双, 丁恺. 匹配追踪分频谱蓝化在叠后地震提频中的应用[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(2): 646-656.
[7] 解仁伟. 水平层状岩隧道荷载计算公式修正方法及其应用[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2024, 54(3): 943-953.
[8] 刘怀湜, 赵雪娇, 刘雨新, 房庭瑞, 张静, 嵇艳鞠. 基于改进粒子群优化的超顺磁效应多参数提取[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2024, 54(3): 993-1002.
[9] 李瑞友, 白细民, 张勇, 汪靖, 朱亮, 丁小辉, 李广. 基于小波包分解与GA优化BP神经网络的瞬变电磁反演[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2024, 54(3): 1003-1015.
[10] 白青林, 刘烜良, 张军华, 王福金, 刘中伟, 焦红岩.

基于CV-XGBoost的水下分流河道砂体厚度预测及应用 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(5): 1602-1610.

[11] 束龙仓, 栾佳文, 宫 荣, 鲁程鹏, 丁 峰, 陶月赞, 龚建师. 傍河地下水位监测断面的优化设计[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(2): 555-.
[12] 赵一行, 詹刚毅, 石钰锋, 简庆华. 土岩复合地层超深圆形基坑内衬墙作用效果及优化[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(2): 526-.
[13] 闫佰忠, 徐文杰, 李玉涵, 孙剑, 毕攀, 李瑶, 张旭. 地下水源热泵抽灌井优化布置及参数灵敏度[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(1): 218-229.
[14] 刘志强, 黄磊, 李钢柱, 许磊, 李文宝. 崎岖海底对下伏水平地层反射波特征的影响[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(1): 274-282.
[15] 李小兰, 曾献奎, 王栋, 吴吉春. 基于优化-自适应稀疏网格替代模型的地下水模拟参数不确定性分析[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2022, 52(4): 1234-.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 于 平,李瑞磊,付 雷,郝 雪,张向军,廉国芬. 松辽盆地滨北地区区域构造特征及意义--地震长剖面给出的证据[J]. J4, 2005, 35(05): 611 -615 .
[2] 张原庆, 宋炳忠, 王玉福, 张宁. 鲁西铜石岩体金成矿规律和成矿预测[J]. J4, 2010, 40(6): 1287 -1294 .
[3] 李建平,李桐林,张 辉,徐凯军. 不规则回线源层状介质瞬变电磁场正反演研究及应用[J]. J4, 2005, 35(06): 790 -0795 .
[4] 高松, 宋莹, 王琳,蒋步新. 水体中秋兰姆特效降解菌的筛选及其降解性能研究[J]. J4, 2006, 36(03): 455 -457 .
[5] 张凤君,李 卿,马玖彤,于广菊. 膜蒸馏处理糠醛废水的实验研究[J]. J4, 2006, 36(02): 270 -0273 .
[6] 卢双舫,李吉君,薛海涛,徐立恒. 油成甲烷碳同位素分馏的化学动力学及其初步应用[J]. J4, 2006, 36(05): 825 -829 .
[7] 丁志宏,冯平,毛慧慧. 考虑径流年内分布影响的丰枯划分方法及其应用[J]. J4, 2009, 39(2): 276 -0280 .
[8] 任何军, 刘娜,高松,张兰英,张玉玲,周睿. 假单胞菌DN2对多氯联苯的降解及bphA1核心序列测定[J]. J4, 2009, 39(2): 312 -0316 .
[9] 黄奇波, 覃小群, 刘朋雨, 康志强, 唐萍萍. 半干旱区岩溶碳汇原位监测方法适宜性研究[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2015, 45(1): 240 -246 .
[10] 熊晓亮,孙红月,张世华,蔡岳良. 高扬程虹吸保障条件分析与合理管径选择数值模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2014, 44(5): 1595 -1601 .