吉林大学学报(地球科学版) ›› 2024, Vol. 54 ›› Issue (3): 1003-1015.doi: 10.13278/j.cnki.jjuese.20230086

• 地球探测与信息技术 • 上一篇    下一篇

基于小波包分解与GA优化BP神经网络的瞬变电磁反演

李瑞友1,白细民2,张勇1,汪靖1,朱亮3,丁小辉1,李广4   

  1. 1.江西财经大学软件与物联网工程学院,南昌330013
    2.江西省勘察设计研究院有限公司,南昌330095
    3.国网江西省电力有限公司供电服务管理中心,南昌330000
    4.东华理工大学地球物理与测控技术学院,南昌330013
  • 出版日期:2024-05-26 发布日期:2024-05-26
  • 通讯作者: 李广(1988—),男,副教授,主要从事电磁法数据处理及应用等方面的研究,Email: li_guangg@163.com
  • 作者简介:李瑞友(1994—),男,讲师,主要从事瞬变电磁反演、机器学习等方面的研究,Email: liruiyou@jxufe.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(41904076);江西省教育厅科学技术项目(GJJ2200528);南昌市水文地质与优质地下水资源开发利用重点实验室开放基金(20231B22)

Using Wavelet Packet Denoising and BP Neural Network Based on GA Optimization for Transient Electromagnetic Inversion

Li Ruiyou1,Bai Ximin2,Zhang Yong1,Wang Jing1,Zhu Liang3,Ding Xiaohui1,Li Guang4   

  1. 1. School of Software and Internet of Things Engineering, Jiangxi University of Finance and Economics, Nanchang 330013, China 
    2. Jiangxi Institute Co., Ltd. of Survey and Design, Nanchang 330095, China 
    3.  Power Supply Service Management Center of State Grid Jiangxi Electric Power Co., Ltd., Nanchang 330000, China
    4.  School of Geophysics and Measurement Control Technology, East China University of Technology, Nanchang 330013, China
  • Online:2024-05-26 Published:2024-05-26
  • Supported by:
    Supported by the National Natural Science Foundation of China (41904076), the Scientific Research Foundation of Jiangxi Provincial Education Department (GJJ2200528) and the Open Fund from Nanchang Key Laboratory of Hydrogeology and High Quality Groundwater Resources Exploitation and Utilization (20231B22)

摘要: 瞬变电磁反演是高维非凸的复杂非线性反演问题。利用传统的BP(back propagation)神经网络可以有效缓解瞬变电磁反演的过拟合现象,但是BP算法收敛速度慢、易陷入局部最优。为了解决这些问题,提出了一种基于小波包分解(wavelet packet denoising, WPD)和遗传算法(genetic algorithm, GA)优化BP神经网络的方法(WPDGABP),并应用于瞬变电磁反演中。首先,采用基于硬阈值和Daubechies系列中Db13的WPD方法降低观测磁场数据中的噪声成分,同时提出一种剔除冗余特征的样本采集策略。然后,引入具有全局性的GA优化BP神经网络初始权重,提升BP算法的学习能力和求解精度。最后,基于中心回线源一维瞬变电磁正演理论,构建层状地电模型,经WPD预处理后进行反演,并比较GABP与传统Occam、单一BP、PSOBP(particle swarm optimizationBP)、DEBP(differential evolutionBP)等算法的反演结果。理论模型与实测数据反演结果表明:在瞬变电磁层状地电模型反演中,WPDGABP比其他算法具有更高的精度以及更强的稳定性和正演数据拟合能力,可有效应用于电磁探测反演解释中。


关键词: 瞬变电磁法, 小波包分解, BP神经网络, 遗传算法, 反演

Abstract:  Transient electromagnetic inversion is a complex nonlinear problem with highdimensional nonconvexity. The traditional BP neural network can effectively alleviate the overfitting phenomenon for transient electromagnetic inversion. However, the BP method has the disadvantage of converges slowly and easily falls into local optimum. In order to solve these problems, an approach based on wavelet packet denoising (WPD) and genetic algorithm (GA) to optimize BP neural network (WPDGABP) was proposed and applied to transient electromagnetic inversion. A wavelet packet denoising method based on hard threshold and Db13 was used to reduce noise signal from observed magnetic field data. And a sample collection strategy was proposed to remove redundant features. Additionally, the global GA algorithm was introduced to optimize the BP initial weight, which improved the learning ability and solution accuracy for BP. Finally, based on the 1D transient electromagnetic forward theory with center loop source, a layered geoelectric model was established, and then inversion was performed after WPD processing, in which the inversion results by GABP algorithm were compared with that of the traditional Occam, BP, particle swarm optimizationBP (PSOBP) and differential evolutionBP (DEBP). The results of theoretical model and measured examples show that the proposed method is superior to others algorithm in the accuracy, stability and higher forward data fitting ability, which can be effectively applied to the inversion interpretation for electromagnetic exploration.


Key words: transient electromagnetic method, wavelet packet denoising, BP neural network, genetic algorithm, inversion

中图分类号: 

  • P631
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