本發(fā)明涉及一種兼顧時空分辨率優(yōu)化的修復劑遷移地球物理實時監(jiān)測方法，屬于適用于特定功能的數(shù)據(jù)處理領域。

背景技術：

1、開發(fā)具有成本效益的原位修復技術，以有效應對地下水系統(tǒng)中的污染物羽流，已成為環(huán)境修復研究的重要方向。原位修復技術通常通過注入各種反應劑來建立處理區(qū)，這些反應劑可以與污染物發(fā)生反應，從而實現(xiàn)去污效果。常見的反應劑包括化學氧化劑和微米級零價鐵。

2、實時監(jiān)測修復劑的分布情況對于確保修復過程的順利進行至關重要。然而，傳統(tǒng)的采樣方法盡管在井口附近能夠準確測量修復劑濃度，卻往往難以捕捉遠離井口區(qū)域的修復劑羽流動態(tài)。地球物理技術，尤其是電阻層析成像技術（electrical?resistancetomography，ert，也稱電阻率法），逐漸被視為監(jiān)測修復劑遷移的有效手段。ert以其快速、空間連續(xù)和非侵入性的特點，能夠通過探測地下物質的獨特電特征，評估修復劑在地下的分布情況。

3、在ert調查中，地下修復劑分布成像的空間分辨率主要受電極布置和測量方案的影響。目前，大多數(shù)ert調查仍采用標準的四極電極幾何配置進行表面布置，如wenner或dipole-dipole陣列。已有研究表明，傳統(tǒng)的電極陣列在面對特定電異常目標時，可能并不是最佳選擇，特別是在測量數(shù)量或持續(xù)時間受限的情況下。因此，研究者們開發(fā)了多種優(yōu)化方法，用以設計ert調查，以確定最有效的測量配置組合，最大化空間靈敏度或分辨率。例如，現(xiàn)有技術中已有利用遺傳算法優(yōu)化ert調查，以實現(xiàn)平均靈敏度的最大化的方法；有通過最大化地下的估計分辨率來優(yōu)化ert調查的compare-r策略；以及通過貝葉斯實驗來最大化目標區(qū)域的信息獲取，從而優(yōu)化ert調查設計的方法。然而，這些方法大多適用于靜態(tài)調查設計，未能適應地下電異常體隨時間變化的情況。

4、此外，在ert監(jiān)測修復劑遷移的過程中，獲取高分辨率的時空數(shù)據(jù)對理解修復劑在地下的行為至關重要。雖然通過增加測量配置數(shù)量或應用優(yōu)化方法可以提高空間分辨率，但對于數(shù)據(jù)采集時間的影響尚未得到充分研究。如何確定適當?shù)臏y量數(shù)據(jù)集的分辨率和規(guī)模，以準確捕捉地下的復雜情況，是一個主要挑戰(zhàn)。

5、因此，針對現(xiàn)有技術中ert調查設計局限于靜態(tài)調查，缺乏針對動態(tài)環(huán)境的靈活性，且未充分考慮到數(shù)據(jù)采集時間與空間分辨率之間的矛盾問題，需要一種新的解決方案。

技術實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提出了一種新的多目標優(yōu)化框架，旨在同時提高空間分辨率和降低數(shù)據(jù)采集時間，以更有效地監(jiān)測修復劑在地下的遷移過程，能夠在動態(tài)環(huán)境下實現(xiàn)更加精確和高效的ert調查設計，為環(huán)境監(jiān)測提供了新的解決方案。

2、技術方案：為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出一種兼顧時空分辨率優(yōu)化的修復劑遷移地球物理實時監(jiān)測方法，包括以下步驟：

3、步驟1，根據(jù)電極數(shù)量確定可行的測量配置，由可行的測量配置形成綜合數(shù)據(jù)集，從綜合數(shù)據(jù)集中選取指定數(shù)量的四電極測量配置，獲取根據(jù)所述指定數(shù)量的四電極測量配置對目標區(qū)域進行電阻率層析成像ert勘測得到的勘測結果，根據(jù)勘測結果進行反演，確定后續(xù)勘測的目標區(qū)域；

4、步驟2，根據(jù)上次勘測確定的目標區(qū)域，使用非支配排序遺傳算法ii求解本次勘測的多目標優(yōu)化模型，并獲得帕累托前沿；所述多目標優(yōu)化模型包含兩個目標函數(shù)，分別是最大化目標區(qū)域內(nèi)的平均相對估計分辨率和最小化ert數(shù)據(jù)采集時間；所述帕累托前沿提供了給定時間窗口下最大化空間分辨率的最佳測量配置組合，以及給定空間分辨率下最小化數(shù)據(jù)采集時間的最佳測量配置組合；

5、步驟3，綜合考慮空間分辨率和數(shù)據(jù)采集時間，從帕累托前沿中選擇一個最優(yōu)解，獲取根據(jù)該最優(yōu)解進行ert勘測并反演后確定的下一次勘測的目標區(qū)域；

6、步驟4，在給定的一系列勘測時刻下，重復步驟2和步驟3的操作，對時移ert勘測調查進行優(yōu)化，得到最終的修復劑遷移監(jiān)測結果。

7、作為優(yōu)選，所述步驟1中，根據(jù)電極數(shù)量確定可行的測量配置，由可行的測量配置形成綜合數(shù)據(jù)集，包括：

8、根據(jù)電極數(shù)量n，確定總共有n(n-1)(n-2)(n-3)/8種可能的四電極配置，剔除電極幾何系數(shù)超過指定閾值或為負數(shù)的配置，其余可行的測量配置構成綜合數(shù)據(jù)集。

9、作為優(yōu)選，所述步驟2中，兩個目標函數(shù)分別為：

10、；

11、；

12、其中，第一目標函數(shù) f1目標是最大化目標區(qū)域內(nèi)的平均相對估計分辨率，第二目標函數(shù) f2目標是最小化ert數(shù)據(jù)采集時間；x代表決策變量，是綜合數(shù)據(jù)集的子集；nmc(x)表示集合x中的測量配置數(shù)； j是屬于目標區(qū)域的單元格總數(shù)；rt,k和rc,k分別是由正在評估的集合x和綜合數(shù)據(jù)集給出的目標區(qū)域內(nèi)單元格k的估計分辨率。

13、作為優(yōu)選，估計分辨率的計算公式如下：

14、；

15、其中，g是靈敏度矩陣，包含視電阻率對模型電阻率值的偏導數(shù)；λ表示阻尼系數(shù)；c包含粗糙度過濾約束。

16、作為優(yōu)選，所述步驟1和步驟3中，根據(jù)反演結果確定下一次勘測的目標區(qū)域，包括：

17、收集ert勘測對應的阻抗數(shù)據(jù)，將阻抗數(shù)據(jù)、電極排列方式以及目標區(qū)域網(wǎng)格單元剖分數(shù)據(jù)提供給r3t代碼，對阻抗數(shù)據(jù)集進行反演，得到電導率的空間分布；

18、對反演后的電導率單元值進行評估，確定其是否超過整個目標區(qū)域的平均電導率，如果超過，則選擇這些單元構成下一次勘測設計的目標區(qū)域。

19、作為優(yōu)選，所述步驟2中，非支配排序遺傳算法ii的再生機制使用定制的交叉和變異操作，其他進化操作不變，其中，對于進行交叉操作的兩個個體x1和x2，從父本x1中隨機選取n1個基因，從父本x2中隨機選取n2個基因進行交換，得到子代y1和y2，每個基因代表一種測量配置，且交叉操作符合以下標準：如果子代含有重復基因，則這些重復基因將被隨機的非重復基因替換；如果子代解不滿足公式的約束條件，則交叉操作將重復進行，其中nmc,min和nmc,max分別表示優(yōu)化集提前設定的最小和最大測量配置數(shù)；

20、對于進行變異操作的個體x3，從父本x3中隨機選取n3個基因刪除，并用隨機選取的m個非重復基因替換，從而得到子代y3；同樣，如果子代解違背公式，則變異操作將重復進行。

21、作為優(yōu)選，所述步驟4中，在一系列勘測時刻下進行時移ert勘測優(yōu)化時，使用前一時刻的ert勘測結果，作為下一時刻勘測的先驗信息。

22、本發(fā)明還提供一種兼顧時空分辨率優(yōu)化的修復劑遷移地球物理實時監(jiān)測系統(tǒng)，包括：

23、第一處理模塊，用于根據(jù)電極數(shù)量確定可行的測量配置，由可行的測量配置形成綜合數(shù)據(jù)集，從綜合數(shù)據(jù)集中選取指定數(shù)量的四電極測量配置，獲取根據(jù)所述指定數(shù)量的四電極測量配置對目標區(qū)域進行電阻率層析成像ert勘測得到的勘測結果，根據(jù)勘測結果進行反演，確定后續(xù)勘測的目標區(qū)域；

24、第二處理模塊，用于根據(jù)上次勘測確定的目標區(qū)域，使用非支配排序遺傳算法ii求解本次勘測的多目標優(yōu)化模型，并獲得帕累托前沿；所述多目標優(yōu)化模型包含兩個目標函數(shù)，分別是最大化目標區(qū)域內(nèi)的平均相對估計分辨率和最小化ert數(shù)據(jù)采集時間；所述帕累托前沿提供了給定時間窗口下最大化空間分辨率的最佳測量配置組合，以及給定空間分辨率下最小化數(shù)據(jù)采集時間的最佳測量配置組合；

25、第三處理模塊，用于綜合考慮空間分辨率和數(shù)據(jù)采集時間，從帕累托前沿中選擇一個最優(yōu)解，獲取根據(jù)該最優(yōu)解進行ert勘測并反演后確定的下一次勘測的目標區(qū)域；

26、時移控制模塊，用于在給定的一系列勘測時刻下重復第二處理模塊和第三處理模塊的操作，對時移ert勘測調查進行優(yōu)化，得到最終的修復劑遷移監(jiān)測結果。

27、本發(fā)明還提供一種計算機設備，包括：一個或多個處理器；存儲器；以及一個或多個程序，其中所述一個或多個程序被存儲在所述存儲器中，并且被配置為由所述一個或多個處理器執(zhí)行，所述程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上所述的兼顧時空分辨率優(yōu)化的修復劑遷移地球物理實時監(jiān)測方法的步驟。

28、本發(fā)明還提供一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上所述的兼顧時空分辨率優(yōu)化的修復劑遷移地球物理實時監(jiān)測方法的步驟。

29、有益效果：本發(fā)明所提出的多目標優(yōu)化框架顯著克服了現(xiàn)有優(yōu)化技術在ert監(jiān)測修復劑遷移過程中所存在的缺陷，即未考慮數(shù)據(jù)收集時間的問題。通過提出ert調查設計的多目標優(yōu)化模型以及定制的非支配排序遺傳算法ii（nsga-ii），本發(fā)明實現(xiàn)了空間分辨率和數(shù)據(jù)采集時間之間的有效平衡，為決策者提供不同時空分辨率的pareto最優(yōu)解進行選擇。研究結果表明，相較于隨機測量配置，本發(fā)明的優(yōu)化配置能夠將所需的測量時間減少超過三分之二，同時提供更高的空間分辨率，確保更精準地監(jiān)測修復劑的分布。這一優(yōu)化結果在理想三維含水層中得到了驗證，數(shù)據(jù)顯示，優(yōu)化后的配置在深層電導率異常和修復劑分布的重構上，準確度提高了20%以上。