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基于神经网络的混合非线性电阻率反演成

【作者】：江沸菠戴前伟冯德山董莉
【出版时间】：2015-10
【字数】：197（千字）
【定价】：￥50（元）
【出版社】：中南大学出版社
【ISBN】：978-7-5487-2067-6
【页码】：（页）
【开本】：16开

本书在介绍神经网络基本概念和基本原理的基础上，对神经网络非线性反演在电阻率成像技术中的应用进行了理论研究。分析了BP神经网络和RBF神经网络在电阻率成像反演中的优化算法、建模方法和反演流程。通过将神经网络与粒子群优化算法、差分进化算法、混沌技术、信息准则等多种新技术相结合，优化了神经网络反演模型的结构和性能，对今后神经网络在电法反演中的深入研究提供了可借鉴的经验。

本书可供从事地球物理正反演以及人工智能等领域的相关研究人员参考使用，也可作为高等院校相关专业的教师、研究生和高年级本科生的教学参考用书。

第1章绪论 1
1.1 电阻率成像 1
1.2 电阻率成像技术国内外研究进展及发展趋势 1
1.2.1 国外电阻率成像反演的研究进展 1
1.2.2 国内电阻率成像反演的研究进展 3
1.2.3 电阻率成像反演的发展趋势 4
1.3 神经网络的研究现状 5
1.3.1 神经网络的概念和研究历史 5
1.3.2 神经网络的基本模型 6
1.3.3 神经网络在电阻率法反演中的应用 7
1.4 粒子群优化算法 9
1.4.1 粒子群优化算法的研究现状 9
1.4.2 粒子群优化算法在地球物理资料反演中的应用 9
1.5 微分进化算法 10
1.5.1 微分进化算法的研究现状 10
1.5.2 微分进化算法在地球物理资料反演中的应用 12
1.6 主要研究工作和章节安排 12
1.6.1 课题研究的目的与意义 12
1.6.2 主要研究工作 14
1.6.3 章节安排 15
1.7 本章小结 16
第2章基于神经网络的电阻率反演成像 17
 2.1 电阻率法的基本理论 17
2.1.1 稳定电流场的基础理论 17
2.1.2 视电阻率的概念和意义 18
2.1.3 常用电阻率方法 19
2.1.4 正演问题的数值模拟方法 21
2.2 BP神经网络的反演方法 24
2.2.1 BP神经网络的基本结构 24
2.2.2 BP神经网络的学习算法 26
2.2.3 BP神经网络的样本划分与建模 30
2.2.4 BP神经网络的反演流程 31
2.3 本章小结 32
第3章基于混沌振荡PSO-BP算法的电阻率成像反演 34
3.1 粒子群优化算法的基本原理 34
3.2 基于混沌惯性权重的PSO算法 37
3.2.1 基于振荡递减的PSO算法 37
3.2.2 混沌的基本理论 38
3.2.3 基于混沌振荡的PSO算法 42
3.3 混沌振荡PSO-BP算法反演建模 43
3.3.1 BP神经网络的样本划分与建模 43
3.3.2 BP神经网络的隐含层结构设计 43
3.3.3 混沌振荡PSO-BP算法的实现步骤 46
3.4 数值仿真与模型反演 47
3.4.1 混沌振荡PSO-BP算法的性能验证 47
3.4.2 理论模型反演结果评估 48
3.5 本章小结 51
第4章基于混沌约束DE-BP算法的电阻率成像反演 52
4.1 微分进化算法的基本原理 52
4.2 基于混沌约束的DE算法 55
4.3 混沌约束DE-BP算法反演建模 59
4.3.1 BP神经网络的样本划分与建模 59
4.3.2 BP神经网络的隐含层结构设计 61
4.3.3 混沌约束DE-BP算法的实现步骤 63
4.4 数值仿真与模型反演 64
4.4.1 混沌约束DE-BP算法的性能验证 64
4.4.2 理论模型反演结果评估 65
4.5 本章小结 67
第5章基于信息准则的RBF神经网络电阻率成像反演 69
5.1 RBF神经网络结构 69
5.2 RBF神经网络学习算法 71
5.2.1 聚类算法 72
5.2.2 梯度算法 73
5.2.3 正交最小二乘法 74
5.3 基于汉南-奎因信息准则的OLS学习算法 75
5.3.1 RBF神经网络的泛化能力 75
5.3.2 信息准则 76
5.3.3 HQOLS算法的实现步骤 77
5.4 HQOLS-RBF电阻率成像反演建模 79
5.5 数值仿真与模型反演 81
5.5.1 HQOLS-RBF算法的性能验证 81
5.5.2 理论模型反演结果评估 83
5.6 本章小结 87
第6章基于二阶段学习的RBF神经网络电阻率成像反演 89
6.1 基于二阶段学习的RBF神经网络基本理论 89
6.1.1 OLS-RBFNN的不足 89
6.1.2 RBF神经网络的样本规划与建模 90
6.1.3 第一阶段学习 90
6.1.4 第二阶段学习 92
6.2 基于二阶段学习的RBF神经网络实现步骤 93
6.3 数值仿真与模型反演 95
6.3.1 信息准则的选择 95
6.3.2 二阶段学习RBF神经网络的性能验证 96
6.3.3 理论模型反演结果评估 97
6.4 本章小结 100
第7章基于主成分-正则化极限学习机的超高密度电法非线性反演 102
7.1 超高密度电法的基本原理及正演方法 102
7.2 极限学习机理论 104
7.2.1 标准极限学习机 104
7.2.2 主成分-正则化极限学习机 105
7.3 主成分-正则化极限学习机反演建模 107
7.3.1 样本构造 107
7.3.2 PCA降维 107
7.3.3 参数寻优 110
7.3.4 反演流程 112
7.4 模型反演 113
7.5 本章小结 118
第8章非线性反演工程实例分析 119
8.1 工程概况 119
8.2 神经网络直接反演 119
8.3 基于最小二乘反演结果的反演 122
8.4 本章小结 125
第9章总结与展望 127
9.1 总结 127
9.2 展望 129
附录 130
附录一：标准BP神经网络反演的matlab代码 130
附录二：标准RBF神经网络反演的matlab代码 132
参考文献 134

电阻率成像技术是一种重要的地球物理勘探方法，广泛应用于水文、环境、考古、矿产资源和油气勘探等领域，取得了较大的经济效益。近年来随着理论研究的深入和工程应用的发展，人们对勘探规模和资料解释精度的要求也在不断提高，传统的线性反演方法面临着新的挑战。

人工神经网络是以数学和物理方法从信息处理的角度对人脑生物神经网络进行抽象并建立起来的简化模型，是计算智能和机器学习研究最活跃的领域之一。将神经网络技术与地球物理学中的反演理论相结合，获得具有柔性信息处理特性的地球物理反演新方法，是目前地球物理学中非线性反演方法的一大研究热点。

本书主要针对神经网络非线性反演在电阻率成像中的应用进行理论研究，分析了BP神经网络和RBF神经网络在电阻率成像反演中的优化算法、建模方法和反演流程。

全书共分为9章：第1章绪论部分介绍了相关研究的背景和进展；第2章从电阻率法和神经网络反演两个方面入手，首先介绍了电阻率法和稳定电流场的基本理论、视电阻率的概念和正演数值模拟的方法；然后介绍了BP神经网络的基本概念、学习算法和反演建模的方法与流程，比较了不同BP学习算法在电阻率成像神经网络反演中的效率和效果；第3章和第4章分别通过混沌振荡粒子群优化算法和混沌约束微分进化算法对BP神经网络反演过程进行了优化，并通过模型反演验证了算法的有效性和鲁棒性；第5章和第6章引入RBF神经网络对电阻率成像进行反演，系统地研究了RBF神经网络反演电阻率资料的理论和方法，并引入统计学中的信息准则来自适应地确定RBF神经网络的隐含层结构，最后通过粒子群优化算法微调RBF神经网络参数以实现二阶段学习的神经网络反演；第7章对超高密度电阻率成像的神经网络反演进行了初步的理论研究，针对超高密度电法的高维勘探数据，采用主成分分析法进行预处理，然后引入正则化极限学习机进行快速反演，提高了超高密度电法非线性反演的计算效率；第8章在一个简单的工程实测数据上对本书研究的反演算法进行了验证；第9章结论部分对上面的研究成果进行了总结，比较了BP神经网络和RBF神经网络反演的区别，对神经网络反演在电阻率成像领域中今后的研究方向进行了分析和展望。

本书是作者从事神经网络理论与应用研究和电磁法反演建模与优化的教学和科研工作的系统总结，并从国内外相关文献资料中提取了最主要的理论及成果，力图反映本研究领域的最新研究动态。中南大学的汤井田教授、柳建新教授、熊章强教授、朱自强教授等对本书提出了很多宝贵的意见，在此向对本书创作过程中给予作者大力支持的各位专家表示由衷的感谢，向本书引用的参考文献的众多作者一并致谢。

本书获湖南师范大学博士出版基金资助，并在国家自然科学基金项目（41374118）、教育部博士点基金项目(20120162110015)、中国博士后科学研究基金项目（153678）、湖南省教育厅科研优秀青年项目（15B138），湖南省科技计划项目（2015JC3067）的联合资助下完成，在此对上述资助单位表示诚挚的谢意。

由于作者水平有限，书中难免存在缺点和不足之处，敬请广大读者给予批评指正。

作者

2015年10月

当今有色金属已成为决定一个国家经济、科学技术、国防建设等发展的重要物质基础，是提升国家综合实力和保障国家安全的关键性战略资源。作为有色金属生产第一大国，我国在有色金属研究领域，特别是在复杂低品位有色金属资源的开发与利用上取得了长足进展。

我国有色金属工业近30年来发展迅速，产量连年来居世界首位，有色金属科技在国民经济建设和现代化国防建设中发挥着越来越重要的作用。与此同时，有色金属资源短缺与国民经济发展需求之间的矛盾也日益突出，对国外资源的依赖程度逐年增加，严重影响我国国民经济的健康发展。

随着经济的发展，已探明的优质矿产资源接近枯竭，不仅使我国面临有色金属材料总量供应严重短缺的危机，而且因为“难探、难采、难选、难冶”的复杂低品位矿石资源或二次资源逐步成为主体原料后，对传统的地质、采矿、选矿、冶金、材料、加工、环境等科学技术提出了巨大挑战。资源的低质化将会使我国有色金属工业及相关产业面临生存竞争的危机。我国有色金属工业的发展迫切需要适应我国资源特点的新理论、新技术。系统完整、水平领先和相互融合的有色金属科技图书的出版，对于提高我国有色金属工业的自主创新能力，促进高效、低耗、无污染、综合利用有色金属资源的新理论与新技术的应用，确保我国有色金属产业的可持续发展，具有重大的推动作用。

作为国家出版基金资助的国家重大出版项目，《有色金属理论与技术前沿丛书》计划出版100种图书，涵盖材料、冶金、矿业、地学和机电等学科。丛书的作者荟萃了有色金属研究领域的院士、国家重大科研计划项目的首席科学家、长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、全国优秀博士论文奖获得者、国家重大人才计划入选者、有色金属大型研究院所及骨干企业的顶尖专家。

国家出版基金由国家设立，用于鼓励和支持优秀公益性出版项目，代表我国学术出版的最高水平。《有色金属理论与技术前沿丛书》瞄准有色金属研究发展前沿，把握国内外有色金属学科的最新动态，全面、及时、准确地反映有色金属科学与工程技术方面的新理论、新技术和新应用，发掘与采集极富价值的研究成果，具有很高的学术价值。

中南大学出版社长期倾力服务有色金属的图书出版，在《有色金属理论与技术前沿丛书》的策划与出版过程中做了大量极富成效的工作，大力推动了我国有色金属行业优秀科技著作的出版，对高等院校、研究院所及大中型企业的有色金属学科人才培养具有直接而重大的促进作用。

2010年12月