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物探与化探  2024, Vol. 48 Issue (5): 1359-1367    DOI: 10.11720/wtyht.2024.1522
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基于深度学习的变差函数自动拟合方法研究
赵丽芳1,2(), 喻思羽1,2(), 李少华1,2
1.长江大学 油气资源与勘探技术教育部重点实验室,湖北 武汉 430100
2.长江大学 地球科学学院,湖北 武汉 430100
An automatic fitting method for a variogram based on deep learning
ZHAO Li-Fang1,2(), YU Si-Yu1,2(), LI Shao-Hua1,2
1. Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources, Ministry of Education, Yangtze University, Wuhan 430100, China
2. School of Geosciences, Yangtze University, Wuhan 430100, China
全文: PDF(3408 KB)   HTML
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

变差函数是量化空间相关性的重要工具,现有变差函数拟合方法存在拟合结果不稳定现象。针对现有方法的不足,本文提出一种基于深度学习的变差函数自动拟合方法,以提高自动拟合的精度与稳定性。实验变差函数的拟合本质是一种非线性优化问题,即实现实验变差函数与理论变差函数之间的匹配度最优化。新方法采用多组参数值不同的理论变差函数生成大量训练数据集并进行深度神经网络训练学习,最后采用训练模型完成实验变差函数自动拟合。多组实验结果表明,基于深度神经网络的强大拟合能力,新方法拟合稳定性、计算效率均优于最小二乘法,为地质统计学中变差函数自动拟合提供了新思路。

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赵丽芳
喻思羽
李少华
关键词 变差函数自动拟合深度学习地质统计学    
Abstract

A variogram serves as a crucial tool for quantifying spatial correlations. However, existing variogram fitting methods often yield unstable results. This study proposed an automatic variogram fitting method based on deep learning, aiming to enhance the precision and stability of automatic fitting. The fitting of the experimental variogram is essentially a nonlinear optimization problem, which involves optimizing the matching between the experimental and theoretical variograms. The proposed method generated substantial training datasets using several sets of theoretical variograms with varying parameter values for training and learning in deep neural networks. The trained model was then used for the automatic fitting of the experimental variogram. Multiple sets of experimental results demonstrate that based on the robust fitting capability of deep neural networks, the proposed method manifested superior fitting stability and computational efficiency compared to the least squares method, providing a novel approach for automatic variogram fitting in geostatistics.

Key wordsvariogram    automatic fitting    deep learning    geostatistics
收稿日期: 2023-12-01      修回日期: 2024-04-02      出版日期: 2024-10-20
ZTFLH:  P631  
基金资助:国家自然科学基金项目(42002147);油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学)开放基金项目(PI2023-04)
通讯作者: 喻思羽(1987-),男,长江大学地球科学学院副教授,主要从事地质统计学与人工智能的研究工作。Email:573315294@qq.com
作者简介: 赵丽芳(2000-),女,长江大学地球科学学院硕士研究生,研究方向为储层地质建模与人工智能。Email:1372397547@qq.com
引用本文:   
赵丽芳, 喻思羽, 李少华. 基于深度学习的变差函数自动拟合方法研究[J]. 物探与化探, 2024, 48(5): 1359-1367.
ZHAO Li-Fang, YU Si-Yu, LI Shao-Hua. An automatic fitting method for a variogram based on deep learning. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(5): 1359-1367.
链接本文:  
https://www.wutanyuhuatan.com/CN/10.11720/wtyht.2024.1522      或      https://www.wutanyuhuatan.com/CN/Y2024/V48/I5/1359
Fig.1  神经网络结构
v1 v2 v3 v4 v19 v20 C0 range sill
13.04 23.73 36.66 41.25 85.43 87.01 5 44.14 84.75
6.04 16.99 43.76 45.61 77.48 82.78 5 35.89 79.97
14.45 17.54 33.05 39.66 78.51 76.79 5 43.64 75.19
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
14.53 35.27 45.21 49.80 85.18 87.15 5 34.77 85.23
21.75 40.62 51.56 68.23 89.99 90.32 5 28.07 87.99
Table 1  1 000×20 实验变差函数数据
分组 C0 range sill
第一组 0 20 ~ 45 70 ~ 85
第二组 10 25 ~ 50 75 ~ 90
第三组 15 30 ~ 55 80 ~ 95
第四组 20 35 ~ 60 85 ~ 100
Table 2  实验变差函数各数据参数
Fig.2  两种不同方法拟合效果对比
a—变差函数的range范围为25~50时最小二乘法和深度学习法range映射关系,红色点为异常点;b—变差函数的range范围为35~60时最小二乘法和深度学习法range映射关系,红色点为异常点;c—变差函数的range范围为35~60时最小二乘法和深度学习法range映射关系,红色点为异常点;a1—对应a红色异常点横纵坐标分别对应最小二乘法拟合曲线和深度学习曲线变程;b1—对应b红色异常点横纵坐标分别对应最小二乘法拟合曲线和深度学习曲线变程;c1—对应c红色异常点横纵坐标分别对应最小二乘法拟合曲线和深度学习曲线变程
参数 第一组 第二组 第三组
理论变差函数 最小二乘法 深度学习 理论变差函数 最小二乘法 深度学习 理论变差函数 最小二乘法 深度学习
C0 0 0 -0.13 20.00 1.67 17.97 0 0 0.2
range 28.22 6.40 30.01 37.63 4.98 32.47 58.93 8.78 57.62
sill 84.27 78.11 83.86 85.17 78.25 81.24 96.83 53.18 94.37
Table 3  变差函数C0rangesill参数对比
Fig.3  两种方法的均方根误差和平均误差对比
Fig.4  两种方法的效率对比
Fig.5  深度学习插值拟合
a—数据点为10实验变差函数经插值后变为20个数据点红色为原始点蓝色为插值点;b—图a插值后的数据点拟合效果;c—数据点为15实验变差函数经插值后变为20个数据点红色为原始点蓝色为插值点;d—图c插值后数据点拟合效果
v1 v2 v10 C0 range sill
19.10 38.93 91.27 10 49.42 92.01
17.03 27.94 97.51 10 54.12 88.67
? ? ? ? ? ? ?
11.36 30.05 94.78 10 58.91 94.25
17.68 35.53 92.45 10 54.42 93.44
Table 4  1 000×6 实验变差函数数据点
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