孫大利 李方舟 費靖淇

中國地震局第一監(jiān)測中心 天津 300171

引言

近年來隨著城市化的不斷發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴大，地上有限的空間資源難以滿足人們?nèi)粘Ｉ睢⒐ぷ鞯男枨?。與之相對的地下空間，大部分城市的開發(fā)程度還很低，具有廣闊的發(fā)展前景[1]。地球物理勘探可以有效探測到地下異常信號，通過對異常信號的反演得到地下異常結(jié)構(gòu)分布，用以輔助地質(zhì)勘查解釋，為城市地下空間的科學(xué)合理的利用提供保障。

在城市地下空間開發(fā)過程中，地下水的分布對工程的進(jìn)展有著極大的影響，瞬變電磁法是一種地球物理勘探方法，應(yīng)用于礦產(chǎn)勘探和地下水調(diào)查等，對于地下水分布具有良好的反映，但是瞬變電磁法勘探原理較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理更是專業(yè)性強、難度大，需要專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行分析處理，難以普及。針對這一問題，亟須設(shè)計和開發(fā)一款瞬變電磁法反演軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理流程的自動化，降低應(yīng)用門檻。目前，主流的編程語言Python具有豐富的標(biāo)準(zhǔn)庫，擴展性和可嵌入性強，可以提供簡潔的交互界面，用以滿足普通用戶的使用，但是對于復(fù)雜的數(shù)值計算執(zhí)行效率低，占用內(nèi)存較大，耗時長。而Fortran語言語法格式接近數(shù)學(xué)公式的自然描述，執(zhí)行效率高，在數(shù)值計算領(lǐng)域運用廣泛，可以滿足瞬變電磁反演算法的復(fù)雜計算。

綜上所述，本文基于Python和Fortran語言聯(lián)合設(shè)計開發(fā)，核心算法采用瞬變電磁法中心回線系統(tǒng)Occam一維反演算法，使用Fortran語言編寫，外部交互界面使用Python語言編寫，最后在將兩部分銜接形成完整的反演軟件，實現(xiàn)自動化處理功能。

1 算法介紹

瞬變電磁法反演算法的核心是構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，選取最優(yōu)算法，通過調(diào)整搜索策略，使得實際探測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)具有較好的擬合度，來到達(dá)探測地下電性結(jié)構(gòu)分布特征的目的。Occam反演算法是1987年StevenC.Cconstable首次提出的，由于反演過程是非唯一不確定的，具有多解性，在求解策略上，Occam反演算法通過引入粗糙度，選擇模型盡可能簡單平滑的解，從而減少對實測數(shù)據(jù)的過度解釋，并且消除簡單分成模型中的任意不連續(xù)性[2]，在保證算法穩(wěn)定的同時，加快收斂速度，提高處理效率。本文模擬的數(shù)據(jù)采集裝置是中心回線系統(tǒng)，通過移動線圈進(jìn)行工作，適合城市地下空間探測。

2 軟件設(shè)計開發(fā)

程序主要分為3大部分，包括主程序、Occam反演算法程序和操作程序。

主程序：采用Pyside2內(nèi)置可執(zhí)行程序QtDesigner設(shè)計界面組件和布局，生成ui文件，然后在主程序中調(diào)用PySide2模塊中的QtWidgets、QtUiTools、QtCore用于導(dǎo)入ui文件，生成界面窗口、加載界面組件，并初始化事件觸發(fā)信號和按鈕。

Occam反演算法程序：采用Fortran語言編寫，使用visual studio編譯器生成可執(zhí)行文件保存到軟件所在目錄下，等待調(diào)用。

操作程序：包括輸入部分、運行Fortran程序和輸出部分，輸入部分調(diào)用shutil模塊和QUiLoader函數(shù)，用于導(dǎo)入實測數(shù)據(jù)文件，以及將界面內(nèi)用戶輸入信息傳入相應(yīng)變量中。運行Fortran程序部分調(diào)用subprocess和threading模塊，創(chuàng)造子線程調(diào)用外部可執(zhí)行程序。最后輸出部分調(diào)用numpy、matplotlib模塊，將計算后輸出數(shù)據(jù)數(shù)組化并繪制折線圖[3]。

2.1 基于Fortran語言實現(xiàn)Occam反演算法

電磁法勘探一般實測數(shù)據(jù)和地下模型之間的關(guān)系可以表示為：

反演問題是已知實測數(shù)據(jù)d反過來求解真實模型空間m，根據(jù)Occam反演算法我們需要在求解式中加入正則化項，從而在眾多滿足數(shù)據(jù)擬合條件的解中選取最簡單光滑的解模型?；谏鲜鲈?，可以得到目標(biāo)函數(shù)，同時定義：

式中，d表示實測數(shù)據(jù)向量，m表示模型參數(shù)空間向量，X為期望擬合差，W為對角加權(quán)矩陣為拉格朗日乘子，為粗糙度矩陣。

求取目標(biāo)函數(shù)的極小值，即可直接獲得此次迭代的新模型：

2.2 基于Pyside2模塊開發(fā)交互界面

軟件交互界面主要框架采用由諾基亞公司開發(fā)的Python圖形化界面開源庫Pyside，所有操作均通過用戶界面上創(chuàng)建的相應(yīng)輸入?yún)^(qū)和按鈕完成，主要包括參數(shù)設(shè)計區(qū)、運行日志區(qū)和結(jié)果輸出區(qū)。

其中參數(shù)設(shè)計設(shè)置“選擇文件”按鈕，用于快速導(dǎo)入實際采集到的數(shù)據(jù)，設(shè)置“修改參數(shù)”按鈕，驅(qū)動內(nèi)部程序根據(jù)用戶在文本框內(nèi)輸入的內(nèi)容，修改模型初始化參數(shù)；運行日志區(qū)會根據(jù)用戶點擊操作實時反饋內(nèi)部程序運行信息，提示進(jìn)程并反饋錯誤操作；結(jié)果輸出區(qū)會根據(jù)算法程序得到的反演記過繪制折線圖，直觀反映地下電性分布結(jié)構(gòu)，同時所在路徑下會生成結(jié)果文件，輸出并保存計算結(jié)果。圖1展示運行初始化和模型參數(shù)加載成功界面。

圖1 界面展示

圖2 反演結(jié)果示例

2.3 實例演示

使用瞬變電磁中心回線裝置探測某區(qū)域，裝置直徑10m，電流1A，得到單點的實測數(shù)據(jù)。使用一維Occam反演軟件進(jìn)行處理，如圖4所示，在界面上生成折線圖，并將反演數(shù)據(jù)保存?？梢钥吹浇?jīng)過軟件處理后的結(jié)果呈現(xiàn)出多層狀的分布，代表著地下不同電阻率地層的分布情況，電阻率低的分層是含有地下水的可能性最高，可以作為地下空間開發(fā)時的輔助意見。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計的軟件，通過簡潔的輸入模塊和直觀的輸出模塊，將復(fù)雜的參數(shù)調(diào)整、核心計算和數(shù)據(jù)可視化等操作封裝在內(nèi)部模塊中，用戶只需要進(jìn)行簡單的操作，就可以得到瞬變電磁法探測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，省去了中間專業(yè)化的處理，極大地簡化了實際操作流程，可以更快更高效的將該方法運用到實際地下空間開發(fā)中。通過對實際案例的應(yīng)用和測試，取得了很好的實踐效果。