本發(fā)明涉及地震數(shù)據(jù)處理，具體為一種基于深度學(xué)習(xí)圖像配準(zhǔn)的地震波形反演方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、地震勘探是指人工激發(fā)所引起的彈性波利用地下介質(zhì)彈性差異，通過(guò)觀測(cè)和分析人工地震產(chǎn)生的地震波在地下的傳播規(guī)律，推斷地下巖層性質(zhì)和形態(tài)的地球物理勘探方法。在地震勘探的數(shù)據(jù)處理中，速度建模是一個(gè)關(guān)鍵步驟，其精度直接影響到地震波成像的質(zhì)量。全波形反演(fwi)作為一種非線性參數(shù)反演方法，利用地震波的全部信息(包括旅行時(shí)、振幅、多次波、散射波等)合成數(shù)據(jù)擬合觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)地下速度密度參數(shù)，該方法能夠獲得低、中、高全波數(shù)速度信息，反演結(jié)果可對(duì)地下復(fù)雜構(gòu)造形態(tài)進(jìn)行高精度地刻畫(huà)和描述。

2、然而，傳統(tǒng)的全波形反演方法采用最小二乘范數(shù)(l2)來(lái)測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)之間的差異。這種測(cè)量方式在模擬數(shù)據(jù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)較大差異時(shí)，尤其是當(dāng)模擬數(shù)據(jù)相對(duì)于觀測(cè)數(shù)據(jù)移動(dòng)超過(guò)半個(gè)周期時(shí)，會(huì)導(dǎo)致周期跳躍現(xiàn)象的發(fā)生。這就要求fwi有足夠好的初始模型，如果模型可以預(yù)測(cè)半周期內(nèi)的數(shù)據(jù)，fwi收斂于正確的解。否則fwi就會(huì)受到周期跳躍影響，并被引導(dǎo)向一個(gè)局部最小值。

3、

4、其中，(t)表示時(shí)間方向；(h)表示空間方向；(t，h)表示數(shù)據(jù)是一個(gè)二維矩陣；dcal(t，h)表示模擬數(shù)據(jù)，為計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬獲得的地震數(shù)據(jù)；dobs(t,h)表示觀測(cè)數(shù)據(jù)，為物探船野外采集的真實(shí)地震數(shù)據(jù)；表示數(shù)據(jù)差異，為dcal(t，h)和dobs(t,h)的平方差。

5、為避免反演落入局部極小值，一些學(xué)者們提出了互相關(guān)、動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整、最優(yōu)輸運(yùn)等方法。計(jì)算波場(chǎng)的一維走時(shí)差異，多采用互相關(guān)函數(shù)計(jì)算時(shí)移量為優(yōu)化目標(biāo)，即：

6、

7、其中，δτ表示觀測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)作為圖像序列的波形時(shí)間的到達(dá)時(shí)差異；s表示一個(gè)人工震源(炮點(diǎn))的數(shù)據(jù)索引；r表示一個(gè)地震檢波器的數(shù)據(jù)索引；jt表示工區(qū)內(nèi)所有地震道的波形到達(dá)時(shí)差的平方和。

8、從更高的層次看，地震記錄求取差異和進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程可利用圖像配準(zhǔn)方法解決。配準(zhǔn)問(wèn)題簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是讓一張圖像對(duì)齊到另一張圖像，使得對(duì)齊后的圖像盡可能相似。即給定一個(gè)浮動(dòng)圖像im和一張固定圖像if，預(yù)測(cè)得到形變場(chǎng)φ(t，h)，iw表示浮動(dòng)圖像通過(guò)形變場(chǎng)φ(t，h)恢復(fù)后的浮動(dòng)圖像。

9、iw＝im*φ(t，h)???(3)

10、其中，形變場(chǎng)φ(t，h)表示采樣點(diǎn)在t方向和h方向的位置移動(dòng)。

11、配準(zhǔn)方法可以分類為傳統(tǒng)的方法和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法。傳統(tǒng)圖像配準(zhǔn)方法采用基于局部圖像相似性尋優(yōu)方法或特征配準(zhǔn)方法，前者通過(guò)不斷迭代尋找空間變換的最優(yōu)解，在處理形變較小圖像配準(zhǔn)問(wèn)題時(shí)有較好效果；后者大多采用特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，在圖像形變劇烈的情況下較好的表現(xiàn)，但計(jì)算成本較高。傳統(tǒng)的方法需要人工反復(fù)調(diào)整參數(shù)，不適合自動(dòng)化大規(guī)模數(shù)據(jù)運(yùn)行?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的配準(zhǔn)方法指利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的配準(zhǔn)方法，該方法中參數(shù)是共享的，首先利用大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練一個(gè)模型，然后利用這個(gè)訓(xùn)練好的模型對(duì)新圖像進(jìn)行配準(zhǔn)。這個(gè)方法雖然訓(xùn)練過(guò)程計(jì)算成本較高，但是在配準(zhǔn)過(guò)程比傳統(tǒng)方法快一個(gè)數(shù)量級(jí)。

12、當(dāng)前，全波形反演fwi技術(shù)在實(shí)踐中面臨著若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：

13、(1)缺失低頻的數(shù)據(jù)利用l2目標(biāo)函數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)殘差過(guò)程中容易出現(xiàn)周波跳躍(波形錯(cuò)位)，在地下出現(xiàn)速度斷面或繞射點(diǎn)，反射波會(huì)出現(xiàn)反射波復(fù)雜交叉疊置等情況，更加劇了周期跳躍問(wèn)題。

14、(2)地震記錄振幅受到速度，拉梅常數(shù)，密度耦合作用，不確定性較強(qiáng)，而目前受有限觀測(cè)孔徑限制和聲波方程模擬限制僅能保證波場(chǎng)的相位準(zhǔn)確，在此基礎(chǔ)以l2目標(biāo)函數(shù)受振幅影響難以獲得準(zhǔn)確速度結(jié)構(gòu)。

15、(3)計(jì)算相位差異的方法有互相關(guān)(cc)，動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法(dtw)，最優(yōu)輸運(yùn)方法(0t)：如果采用互相關(guān)計(jì)算相位差異，需要?jiǎng)澐謺r(shí)窗并拾取最大時(shí)間移動(dòng)差異，分析時(shí)窗過(guò)大，互相關(guān)相位差異結(jié)果分辨率很低，分析時(shí)窗過(guò)小，穩(wěn)定性較差；動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法(dtw)只能計(jì)算時(shí)間方向的一維差異，當(dāng)淺層速度出現(xiàn)橫向變化，繞射波雙曲線的頂點(diǎn)在模擬數(shù)據(jù)和觀測(cè)數(shù)據(jù)中發(fā)生時(shí)間和空間的移動(dòng)，一維方法無(wú)法描述這種橫向移動(dòng)；最優(yōu)輸運(yùn)目標(biāo)函數(shù)計(jì)算成本過(guò)高(0t)，二維圖像的輸運(yùn)方案計(jì)算時(shí)間可能超過(guò)正演炮集時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就在于為了解決上述至少一個(gè)技術(shù)問(wèn)題而提供一種基于深度學(xué)習(xí)圖像配準(zhǔn)的地震波形反演方法及系統(tǒng)。

2、本發(fā)明提供一種基于深度學(xué)習(xí)圖像配準(zhǔn)的地震波形反演方法，包括以下步驟：

3、步驟s102，基于小偏移距觀測(cè)數(shù)據(jù)和背景速度場(chǎng)進(jìn)行最小二乘偏移構(gòu)建反射系數(shù)模型，根據(jù)反射系數(shù)和所述背景速度場(chǎng)進(jìn)行born正演獲取模擬地震記錄圖像；

4、步驟s104，基于所述模擬地震記錄圖像和地震觀測(cè)圖像，采用深度學(xué)習(xí)圖像配準(zhǔn)獲取地震記錄形變場(chǎng)；

5、步驟s106，應(yīng)用以下公式計(jì)算歸一化的形變場(chǎng)，

6、φ_nor(t，h)＝φ(t，h)/wavelet_length(t，h)????(4)

7、其中，φ_nor(t，h)表示歸一化的形變場(chǎng)；φ(t，h)表示地震記錄形變場(chǎng)；wavelet_length(t，h)表示當(dāng)前數(shù)據(jù)主頻波的波長(zhǎng)，(t)表示時(shí)間方向，(h)表示空間方向；

8、判斷所述歸一化的形變場(chǎng)是否滿足預(yù)設(shè)條件；若滿足，迭代過(guò)程終止；否則，執(zhí)行步驟s108；

9、步驟s108，根據(jù)所述地震記錄形變場(chǎng)計(jì)算伴隨震源，將所述伴隨震源加載到波動(dòng)方程進(jìn)行波場(chǎng)傳播，利用互相關(guān)計(jì)算低波數(shù)梯度分量更新所述背景速度場(chǎng)，重復(fù)執(zhí)行步驟s102至步驟s106。

10、進(jìn)一步地，步驟s102中，最小二乘偏移采用偏移反褶積方式實(shí)現(xiàn)。

11、進(jìn)一步地，步驟s104中，將所述模擬地震記錄圖像作為浮動(dòng)圖像，將所述地震觀測(cè)圖像作為固定圖像，進(jìn)行深度學(xué)習(xí)圖像配準(zhǔn)，獲取所述地震記錄形變場(chǎng)。

12、進(jìn)一步地，步驟s104包括如下步驟：

13、輸入待配準(zhǔn)圖像，經(jīng)過(guò)多尺度并行全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)后輸出形變矢量場(chǎng)；其中，所述待配準(zhǔn)圖像包括所述浮動(dòng)圖像和所述固定圖像；

14、所述浮動(dòng)圖像基于所述形變矢量場(chǎng)，利用空間變換網(wǎng)絡(luò)生成形變圖像；

15、根據(jù)損失函數(shù)計(jì)算所述固定圖像和所述形變圖像之間的差異性并更新所述地震記錄形變場(chǎng)的參數(shù)，進(jìn)行多次迭代得到最終的地震記錄形變場(chǎng)。

16、進(jìn)一步地，對(duì)所述待配準(zhǔn)圖像采用三層多尺度并行下采樣模塊降低圖像大小并獲得多尺度下采樣特征圖；

17、將所述多尺度下采樣特征圖依次通過(guò)金字塔空洞卷積模塊、自適應(yīng)通道注意力模塊進(jìn)行特征提取和特征處理；

18、將經(jīng)過(guò)所述自適應(yīng)通道注意力模塊處理后的特征圖輸入方向感知層和上采樣層得到輸入圖像對(duì)的形變矢量場(chǎng)。

19、進(jìn)一步地，所述損失函數(shù)采用如下公式，

20、l(if，im，φ)＝l(if，im，φ)+λlsmoth(if，im，φ)????(5)

21、其中，if表示固定圖像；im表示浮動(dòng)圖像；φ表示地震記錄形變場(chǎng)φ(t，h)；l(if，im，φ)表示im變換后的圖像灰度相似性；λ表示空間平滑程度系數(shù)；lsmoth(if，im，φ)表示圖像灰度相似性做平滑處理。

22、進(jìn)一步地，步驟s106中：

23、所述預(yù)設(shè)條件為：所述歸一化的形變場(chǎng)φ_nor(t，h)<1％。

24、進(jìn)一步地，步驟s108包括如下步驟：

25、根據(jù)以下公式計(jì)算伴隨震源，

26、

27、其中，(t)表示時(shí)間方向；(h)表示空間方向；δτ表示觀測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)作為圖像序列的波形時(shí)間的到達(dá)時(shí)差異；δs表示觀測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)作為圖像序列的波形空間的到達(dá)時(shí)差異；gt(t+δτ，h)表示用于速度更新的梯度；表示觀測(cè)數(shù)據(jù)的一階時(shí)間導(dǎo)數(shù)；表示觀測(cè)數(shù)據(jù)的二階時(shí)間導(dǎo)數(shù)；dcal表示模擬數(shù)據(jù)；w為比例系數(shù)，用于平衡時(shí)間和空間的比例關(guān)系；表示時(shí)間延遲的伴隨震源；表示地震記錄由于速度橫向變化導(dǎo)致繞射波頂點(diǎn)橫向移動(dòng)的伴隨震源；

28、將所述伴隨震源加載到波動(dòng)方程進(jìn)行波場(chǎng)傳播，利用互相關(guān)計(jì)算低波數(shù)梯度分量更新所述背景速度場(chǎng)，具體通過(guò)如下公式，

29、梯度為：

30、

31、其中，f(t，h)表示震源波場(chǎng)；gt(t+δτ，h)表示伴隨震源波場(chǎng)；表示梯度，表示在地下每個(gè)時(shí)間上兩個(gè)進(jìn)行互相關(guān)；j代表目標(biāo)函數(shù)，m代表質(zhì)點(diǎn)速度。

32、本發(fā)明還提供一種基于深度學(xué)習(xí)圖像配準(zhǔn)的地震波形反演系統(tǒng)，包括：

33、模擬地震記錄圖像獲取模塊，用于基于小偏移距觀測(cè)數(shù)據(jù)和背景速度場(chǎng)進(jìn)行最小二乘偏移構(gòu)建反射系數(shù)模型，根據(jù)反射系數(shù)和所述背景速度場(chǎng)進(jìn)行born正演獲取模擬地震記錄圖像；

34、地震記錄形變場(chǎng)獲取模塊，用于基于所述模擬地震記錄圖像和地震觀測(cè)圖像，采用深度學(xué)習(xí)圖像配準(zhǔn)獲取地震記錄形變場(chǎng)；

35、地震波形反演模塊，用于應(yīng)用以下公式計(jì)算歸一化的形變場(chǎng)，

36、φ_nor(t，h)＝φ(t，h)/wavelet_length(t，h)????(4)

37、其中，φ_nor(t，h)表示歸一化的形變場(chǎng)；φ(t，h)表示地震記錄形變場(chǎng)；wavelet_length(t，h)表示當(dāng)前數(shù)據(jù)主頻波的波長(zhǎng)，(t)表示時(shí)間方向，(h)表示空間方向；

38、所述地震波形反演模塊還用于判斷所述歸一化的形變場(chǎng)是否滿足預(yù)設(shè)條件；若滿足，迭代過(guò)程終止；否則，通過(guò)速度更新模塊更新所述背景速度場(chǎng)；

39、速度更新模塊，用于根據(jù)所述地震記錄形變場(chǎng)計(jì)算伴隨震源，將所述伴隨震源加載到波動(dòng)方程進(jìn)行波場(chǎng)傳播，利用互相關(guān)計(jì)算低波數(shù)梯度分量更新所述背景速度場(chǎng)。

40、本發(fā)明還提供一種電子設(shè)備，包括：處理器、存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器上并可在所述處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被所述處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)任一種基于深度學(xué)習(xí)圖像配準(zhǔn)的地震波形反演方法。

41、本發(fā)明的有益效果在于：

42、(1)對(duì)于經(jīng)典全波形反演的周波跳躍導(dǎo)致的局部極值問(wèn)題，本發(fā)明進(jìn)行深度學(xué)習(xí)全局匹配，改善對(duì)初始速度模型的依賴，采用的是變形場(chǎng)避免匹配振幅帶來(lái)的不確定性問(wèn)題。

43、(2)對(duì)于變形矢量場(chǎng)的計(jì)算，本發(fā)明采用了多尺度并行下采樣模型和自適應(yīng)通道注意力模塊，不但適應(yīng)大變形場(chǎng)計(jì)算而且對(duì)小變形的配準(zhǔn)精度也較高，并且本發(fā)明經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后，相比傳統(tǒng)的圖像配準(zhǔn)方法效率也有明顯提高。

44、(3)本發(fā)明的變形矢量場(chǎng)是一個(gè)二維矩陣，相比目前互相關(guān)，動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整，輸運(yùn)等方法求取的一維時(shí)間延遲更為合理，容易獲得更為準(zhǔn)確的速度模型。

45、(4)本發(fā)明利用born正演獲得反射波數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，不但適應(yīng)于透射波而且能夠適應(yīng)于反射波，避免了經(jīng)典全波形反演速度更新深度不夠的問(wèn)題。

46、本發(fā)明利用了深度學(xué)習(xí)的高效率和高精度，避免波形匹配容易發(fā)生的周波跳躍問(wèn)題陷入局部最小值。本發(fā)明可以構(gòu)建比常規(guī)方法更穩(wěn)定的速度模型,從而使地震偏移成像質(zhì)量得到顯著的提高。