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        基于U-Net的斷層檢測實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

        2021-12-14 07:16:38孫成禹張繁昌
        實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2021年10期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)檢測

        唐 杰,孫成禹,張繁昌

        (中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580)

        0 引言

        在教學(xué)過程中,培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是為學(xué)生樹立終身學(xué)習(xí)觀念的至關(guān)重要的一點(diǎn),激發(fā)學(xué)生的科學(xué)動(dòng)機(jī)是提高其科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑,學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)會(huì)影響他們對(duì)科學(xué)的認(rèn)知和科學(xué)素養(yǎng)的形成。通過培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科學(xué)動(dòng)機(jī),學(xué)生能夠獲得認(rèn)知成就,從而進(jìn)一步改善其學(xué)習(xí)態(tài)度,提高學(xué)生的科學(xué)表現(xiàn),獲得科學(xué)動(dòng)力[1-3]??茖W(xué)動(dòng)機(jī)的培養(yǎng),包括外部過程導(dǎo)向(出勤),內(nèi)部過程導(dǎo)向(興趣),外部成果導(dǎo)向(實(shí)驗(yàn)效果)和內(nèi)部成果導(dǎo)向(理解程度),鼓勵(lì)學(xué)生在課堂上的積極表現(xiàn),提升學(xué)生思考問題和解決問題的能力,能夠有效地促進(jìn)學(xué)生學(xué)業(yè)成績的提升。深度學(xué)習(xí)(Deep Learning)作為機(jī)器學(xué)習(xí)的重要分支,近幾年來在眾多學(xué)科、領(lǐng)域內(nèi)都取得了頗具突破性進(jìn)展。深度學(xué)習(xí)是一種對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征學(xué)習(xí)的方法,并能夠建立、模擬人腦的神經(jīng)結(jié)構(gòu),仿照大腦面對(duì)信息時(shí)的處理模式,自動(dòng)對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋工作,將深度學(xué)習(xí)相關(guān)方法引入教學(xué)實(shí)踐中,能夠激發(fā)學(xué)生的興趣,提升學(xué)生處理實(shí)際問題的能力[4-5]。

        地球物理專業(yè)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科,因此在教學(xué)過程中,既要使學(xué)生掌握“三基”和初步掌握解決實(shí)際應(yīng)用問題的技能,又要通過實(shí)驗(yàn)和教學(xué)實(shí)習(xí)等實(shí)踐性課程鞏固和加深課堂知識(shí),培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析和解決問題的能力[6-7]。讓學(xué)生能在完成實(shí)驗(yàn)的同時(shí)樹立嚴(yán)肅認(rèn)真和實(shí)事求是的態(tài)度,培養(yǎng)理論和實(shí)際相結(jié)合的科學(xué)作風(fēng),鍛煉學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作的能力以及分析問題和解決問題的能力[8-9]。斷層檢測是地震數(shù)據(jù)解釋中的一個(gè)非常經(jīng)典的問題,并且作為油氣生產(chǎn)勘探數(shù)據(jù)處理中的重要過程,非常適合作為地球物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主題。因此,設(shè)計(jì)了基于深度學(xué)習(xí)的斷層檢測教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

        1 實(shí)驗(yàn)基本原理

        斷層檢測是地震資料解釋的一項(xiàng)重要工作,而人工斷層解釋耗時(shí)較長并且具有極強(qiáng)的主觀性,傳統(tǒng)的邊緣檢測屬性往往會(huì)產(chǎn)生模糊的斷層圖像,并且這些屬性對(duì)不同性質(zhì)的不連續(xù)性非常敏感,其中許多與斷層無關(guān)[10-11]。深度學(xué)習(xí)是可以模擬人腦思維機(jī)制的有智能、能自主學(xué)習(xí)的算法,通過構(gòu)建具有很多隱層的機(jī)器學(xué)習(xí)模型和海量的訓(xùn)練數(shù)據(jù),來學(xué)習(xí)和發(fā)掘數(shù)據(jù)中更有用的特征,從而更加精準(zhǔn)的完成分類或預(yù)測任務(wù)[12-13]。基于深度學(xué)習(xí)的斷層檢測方法,原理是將斷層檢測視為一個(gè)語義分割任務(wù),使用人工合成的斷層訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫對(duì)搭建的U-Net 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練并測試,訓(xùn)練完備后便可應(yīng)用于實(shí)際地震數(shù)據(jù)中的斷層預(yù)測。

        2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

        2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程設(shè)計(jì)

        基于認(rèn)知學(xué)習(xí)理論方法,學(xué)習(xí)是通過認(rèn)知結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和轉(zhuǎn)換來進(jìn)行的,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中促進(jìn)學(xué)生積極參與,學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中通過處理和重組所學(xué)知識(shí)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性。通過學(xué)習(xí)深度學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)知識(shí),圍繞斷層檢測這一重要知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所提工作任務(wù),完成實(shí)驗(yàn)測試與分析,在教學(xué)過程中要在教師的引導(dǎo)下分析任務(wù)目標(biāo),針對(duì)所要求的任務(wù)目標(biāo),設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)操作流程,有計(jì)劃有步驟地解決問題?;赨-Net網(wǎng)絡(luò)的斷層檢測實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程如圖1 所示,主要包括:相關(guān)理論知識(shí)的講解、學(xué)習(xí)UNet網(wǎng)絡(luò)、U-Net網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練、訓(xùn)練效果的測試與分析、對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行斷層預(yù)測并分析,最后得出結(jié)論。

        圖1 斷層檢測實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程圖

        通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)動(dòng)機(jī),在教學(xué)中可以改進(jìn)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,創(chuàng)建以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)環(huán)境,支持學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)和獨(dú)立編程的自主權(quán),充分利用學(xué)生的潛力和學(xué)習(xí)能力;強(qiáng)調(diào)理論教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的相輔相成,注重學(xué)生實(shí)驗(yàn)的主體性和教學(xué)雙方的互動(dòng)性,強(qiáng)化學(xué)生對(duì)于所學(xué)知識(shí)應(yīng)用效果的深入認(rèn)識(shí)。學(xué)生通過親身參與實(shí)驗(yàn)可獲得認(rèn)知成就感,掌握處理實(shí)際問題的能力,進(jìn)而提升內(nèi)在科學(xué)動(dòng)力。通過該教學(xué)流程,學(xué)生可以很好地將理論知識(shí)和實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)合起來,不僅有利于加深對(duì)理論知識(shí)的掌握,同時(shí)還能提高創(chuàng)新能力。

        2.2 U-Net網(wǎng)絡(luò)

        深度學(xué)習(xí)是一種對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征學(xué)習(xí)的方法,并能夠建立、模擬人腦的神經(jīng)結(jié)構(gòu),仿照大腦面對(duì)信息時(shí)的處理模式,能夠自動(dòng)對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋工作。在教學(xué)過程中首先向?qū)W生講授U-Net 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)思路,并結(jié)合U-Net程序介紹其特點(diǎn),U-Net網(wǎng)絡(luò)最初設(shè)計(jì)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)分割任務(wù),其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由用于下采樣的收縮路徑和用于上采樣的對(duì)稱擴(kuò)展路徑組成。在收縮路徑中,利用連續(xù)的卷積池化層提取圖像中的特征信息,數(shù)據(jù)大小隨著通道數(shù)目的增加而減小,并且數(shù)據(jù)大小在底部達(dá)到最小值;與之相反,在擴(kuò)展路徑中,數(shù)據(jù)的大小隨著通道數(shù)的減少而變大,最后恢復(fù)到與原始數(shù)據(jù)相同并輸出結(jié)果。如圖2 所示給出了向?qū)W生提供的U-Net網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),學(xué)生可以學(xué)習(xí)并了解該網(wǎng)絡(luò)的主要模塊。

        圖2 U-Net網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

        2.3 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

        本次教學(xué)實(shí)驗(yàn)基于Tensorflow 搭建的U-Net 網(wǎng)絡(luò)模型來實(shí)現(xiàn),使用大小為128 ×128 的訓(xùn)練樣本組成的訓(xùn)練集對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練和測試。由教師提供訓(xùn)練數(shù)據(jù)集,訓(xùn)練集共包含2 500 個(gè)訓(xùn)練樣本,將其中2 300 個(gè)數(shù)據(jù)劃分作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)、200 個(gè)數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù);測試集包括128 個(gè)數(shù)據(jù),3 者是嚴(yán)格不相交的,教師提供的合成地震數(shù)據(jù)剖面及其對(duì)應(yīng)的斷層標(biāo)簽數(shù)據(jù)如圖3 所示。此外還可以引導(dǎo)學(xué)生自己拾取斷層標(biāo) 簽數(shù)據(jù),豐富訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫。

        圖3 合成地震數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的斷層標(biāo)簽

        訓(xùn)練結(jié)束后得到準(zhǔn)確度(Accuracy)曲線和損失(Loss)曲線如圖4 所示。向?qū)W生講授如何結(jié)合訓(xùn)練準(zhǔn)確度和損失曲線來分析訓(xùn)練效果,理論與應(yīng)用相結(jié)合。通過分析可知網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練過程中的準(zhǔn)確度逐步上升且在趨于97.2%左右時(shí)保持穩(wěn)定,損失值逐步下降并保持穩(wěn)定。從網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練準(zhǔn)確度和損失曲線可以初步判定U-Net網(wǎng)絡(luò)得到了正確有效的訓(xùn)練。

        圖4 訓(xùn)練準(zhǔn)確度和損失曲線

        2.4 數(shù)據(jù)測試分析

        為了檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練效果,使用模型數(shù)據(jù)測試集對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試,測試結(jié)果如圖5 所示。由圖5可見,訓(xùn)練完備的U-Net 網(wǎng)絡(luò)可以準(zhǔn)確且完整地預(yù)測出地震數(shù)據(jù)中的斷層位置。

        圖5 模型數(shù)據(jù)斷層檢測測試結(jié)果

        為了進(jìn)一步讓學(xué)生了解所訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)中斷層的檢測能力,選用了某一工區(qū)的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。實(shí)際數(shù)據(jù)斷層結(jié)果如圖6 所示,由圖6 可知訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)能夠有效地識(shí)別實(shí)際地震數(shù)據(jù)中的斷層信息,結(jié)合這個(gè)結(jié)果,進(jìn)一步向?qū)W生教授深度學(xué)習(xí)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的泛化能力。由圖6 還可見,其中的大斷層和較為明顯的小斷層基本都能被準(zhǔn)確地檢測出來,這進(jìn)一步說明了U-Net 網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的實(shí)際數(shù)據(jù)斷層檢測能力,有望應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)工作中。雖然在檢測實(shí)際地震數(shù)據(jù)中的斷層時(shí),網(wǎng)絡(luò)只檢測到了數(shù)據(jù)中的大斷層和較為明確的小斷層,但是網(wǎng)絡(luò)的斷層檢測性能仍然可以通過在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中增加實(shí)際數(shù)據(jù)訓(xùn)練樣本來提高。因此,在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中解釋某一工區(qū)的實(shí)際地震數(shù)據(jù)體時(shí),解釋工作人員可以選擇并手動(dòng)拾取部分地震數(shù)據(jù)體中的斷層,將其添加至訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行再訓(xùn)練,便可以進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)性能和對(duì)本工區(qū)內(nèi)地震數(shù)據(jù)中斷層的檢測準(zhǔn)確度[14-15]。

        圖6 實(shí)際數(shù)據(jù)斷層檢測測試結(jié)果

        2.5 結(jié)論與評(píng)價(jià)

        綜合科學(xué)動(dòng)機(jī)和認(rèn)知成就對(duì)學(xué)生做出綜合性的評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)最終成績時(shí)綜合考慮多個(gè)方面,如課堂出勤、程序編寫效果、報(bào)告狀況以及在課堂以外完成的附加實(shí)驗(yàn)分析等??己说哪康牟粌H是學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的理解和掌握,更重要的是將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化到實(shí)際的應(yīng)用中去,從學(xué)到的方法中分析實(shí)際問題,解決實(shí)際問題,從而將理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來。

        讓學(xué)生針對(duì)程序運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)行調(diào)試分析和討論,保存程序源代碼文件和圖形成果文件,將編程實(shí)驗(yàn)成果結(jié)合理論知識(shí)制作成Word 文字報(bào)告和PPT幻燈片,進(jìn)行展示、講解、討論和評(píng)價(jià)。學(xué)生在完成對(duì)基于深度學(xué)習(xí)斷層檢測的結(jié)果分析處理后,不僅要對(duì)所做的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析總結(jié),更要發(fā)揮自己的想象力,突破實(shí)驗(yàn)本身的限制,對(duì)實(shí)驗(yàn)原理方法進(jìn)行深入的思考,為網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)、激活函數(shù)、學(xué)習(xí)率、優(yōu)化函數(shù)等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整測試,分析不同參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和預(yù)測結(jié)果的影響,加深對(duì)理論知識(shí)的理解。

        為了對(duì)比理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)效果,分別在兩階段進(jìn)行問卷調(diào)查和知識(shí)考核,得到表1 所示數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié),是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神,增強(qiáng)獨(dú)立工作能力,獲得本專業(yè)技術(shù)和管理能力的重要過程。學(xué)生實(shí)驗(yàn)期間必須明確記錄實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,對(duì)實(shí)驗(yàn)工作進(jìn)行總結(jié)。通過學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn),同學(xué)們把課堂上學(xué)到的理論知識(shí)進(jìn)行了應(yīng)用,加深了對(duì)理論知識(shí)的理解,對(duì)專業(yè)知識(shí)有了更深刻的認(rèn)識(shí),而且培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考、靈活運(yùn)用知識(shí)的能力,提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力及綜合素質(zhì)。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)拓展了教與學(xué)的空間,把教的任務(wù)由傳授知識(shí)為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑?wù)和引導(dǎo)學(xué)生為主,整個(gè)教學(xué)活動(dòng)的中心實(shí)現(xiàn)了從教師到學(xué)生的轉(zhuǎn)變,學(xué)生角色更是從被動(dòng)接受知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)應(yīng)用、探索知識(shí)。此外問卷調(diào)查結(jié)果也表明,通過實(shí)驗(yàn)教學(xué),學(xué)生上理論課的積極性也得到很大提高,教學(xué)效果得到明顯提升。

        表1 實(shí)驗(yàn)效果評(píng)估表

        3 結(jié)語

        結(jié)合深度學(xué)習(xí)的最新發(fā)展,在教學(xué)過程中設(shè)置了一種基于U-Net 的地震數(shù)據(jù)自動(dòng)斷層檢測的方法實(shí)驗(yàn),該網(wǎng)絡(luò)模型以地震數(shù)據(jù)為輸入,能夠準(zhǔn)確預(yù)測斷層位置。能夠模擬人類的經(jīng)驗(yàn),并通過不斷擴(kuò)充訓(xùn)練庫進(jìn)行訓(xùn)練而不斷發(fā)展,在地震解釋的這一關(guān)鍵步驟自動(dòng)化方面顯示出巨大的希望。通過教師對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì),教學(xué)過程中主要以科學(xué)動(dòng)機(jī)的培養(yǎng)為主,提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動(dòng)思考的能力,突破傳統(tǒng)教育模式,結(jié)合最新科學(xué)進(jìn)展,培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知成就獲得感,通過合理正確的引導(dǎo),充分開拓學(xué)生的思維,提高學(xué)生的動(dòng)手能力,將扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用到更深的層次,更高的領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)了理論課的“理論-實(shí)驗(yàn)-應(yīng)用”一體化教學(xué)模式。結(jié)果表明,基于U-Net 的斷層檢測教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),不僅有利于學(xué)生對(duì)抽象理論概念的理解,使學(xué)生深刻地掌握斷層檢測的理論和方法,而且學(xué)生實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)接受知識(shí)到自主學(xué)習(xí)、探索知識(shí)、主動(dòng)應(yīng)用的角色轉(zhuǎn)變,實(shí)現(xiàn)由獲取知識(shí)到應(yīng)用創(chuàng)新的突破。

        ·名人名言·

        成功的科學(xué)家往往是興趣廣泛的人。他們的獨(dú)創(chuàng)精神可能來自他們的博學(xué)。多樣化會(huì)使人觀點(diǎn)新鮮,而過于長時(shí)間鉆研一個(gè)狹窄的領(lǐng)域,則易使人愚蠢。

        ——貝弗里奇

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