Метод 3D-обратного решения ТЭМ с комбинацией PSO-NLCG и адаптивной регуляризацией

Видеть скрытые структуры под нашими ногами

Многие ресурсы и опасности, имеющие решающее значение для современной жизни, скрыты под поверхностью. Инженерам нужно обнаружить старые штольни перед строительством, водным менеджерам — проследить местонахождение водоносных горизонтов, а геологам — искать руды. В этом исследовании предложен более совершенный способ преобразования наземных измерений быстротекущих электромагнитных сигналов в ясные трёхмерные изображения того, что находится внизу, с целью повышения точности, устойчивости и практической полезности таких обзоров.

Слушая затухающие сигналы в недрах

Работа сосредоточена на методе транзиентной электромагнитной съемки, при котором петля провода на поверхности посылает короткий токовый импульс в землю, а затем «слушает», как затухает возникшее электромагнитное поле. Изменения в кривой затухания содержат подсказки о проводимости разных слоёв и тел, что, в свою очередь, связано с типом пород, содержанием воды или пустотами. Преобразовать эти шумные, кратковременные сигналы в 3D-карту сложно, потому что множество разных подземных конфигураций могут соответствовать одним и тем же данным, а измерения часто искажены помехами от линий электропередач и другими источниками.

Баланс между подгонкой данных и правдоподобной картиной недр

Чтобы справиться с этим, авторы сформулировали задачу как задачу оптимизации: найти трёхмерное распределение электрических свойств, которое наилучшим образом воспроизводит наблюдаемые сигналы и при этом остаётся геологически правдоподобным. Они измеряют, насколько предложенная модель соответствует данным, и добавляют второй член, который поощряет сглаженные, а не чрезмерно зазубренные структуры. Ключевым улучшением является то, что вес этого сглаживания не фиксирован. Сначала он силен, помогая решению оставаться стабильным несмотря на шум. По мере продвижения расчёта он постепенно ослабляется, позволяя модели уточнять формы и границы реальных подземных объектов вместо чрезмерного сглаживания.

Сочетание широкого поиска и тонкой настройки

Второй компонент — гибридная стратегия поиска, сочетающая два типа численных методов. Алгоритм роя частиц имитирует стаю простых исследователей, проверяющих множество разных подземных моделей в широком диапазоне, что помогает избежать попадания в плохие локальные минимумы. После того как глобальный поиск сузил область до перспективного региона, метод нелинейного сопряжённого градиента вступает в дело для эффективного уточнения модели с использованием локальной информации о градиентах. Авторы также вводят ограничения, удерживающие значения модели в реалистичных пределах, и критерии остановки, которые предотвращают бесполезную трату вычислений, когда улучшения становятся пренебрежимо малыми.

Тестирование на эталонах и синтетических моделях недр

Команда сначала проверила свой гибридный подход на наборе стандартных математических тест-функций, широко используемых для сравнения алгоритмов оптимизации. В простых и сильно неровных ландшафтах их комбинированный метод последовательно достигал значений ближе к теоретически оптимальным, чем либо роевой, либо градиентный методы по отдельности, при этом время выполнения было лишь немного больше по сравнению с быстрыми, но менее точными схемами. Затем они применили технику к смоделированным компьютерным сценариям недр с одной или несколькими пластинчатыми структурами, проводимость которых отличалась от окружения, добавив реалистичный шум к симулированным измерениям. В этих тестах традиционные методы либо искажали формы, либо размывали границы, либо смещали цели, тогда как новый подход гораздо точнее восстановил размеры, глубину и положение объектов.

Доказательство ценности на данных с реальной строительной площадки

В завершение авторы применили свой метод к полевым данным с участка строительства, где были известны участки выработанных пространств, оставленные предыдущими разработками. Линии съёмки и срезы по глубине, полученные новой инверсией, хорошо согласовались с местоположением и глубинными интервалами большинства известных полостей. В областях, где два аномальных объекта лежали очень близко, метод их объединил, но в целом пространственное соответствие было сильным, что показывает устойчивость подхода вне контролируемых тестов.

Более чёткие карты недр для более безопасных решений

Проще говоря, исследование демонстрирует, как сочетание широкомасштабного поиска с тщательной тонкой настройкой и адаптацией степени сглаживания по мере уточнения модели может привести к более ясным и надёжным 3D-картам того, что скрыто под поверхностью. Для планировщиков, горняков и экологических инженеров это означает больше шансов обнаружить скрытые структуры, избежать опасностей и разумно использовать подземное пространство, опираясь только на измерения, сделанные на поверхности.

Цитирование: Jianqiang, C., Feng, Z., Xuhai, D. et al. A 3D inversion method of TEM combining PSO-NLCG optimization and adaptive regularization. Sci Rep 16, 16115 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-48117-x

Ключевые слова: транзиентная электромагнитная, 3D-инверсия, геофизическая съемка, алгоритм оптимизации, подземные структуры