遗传算法在海洋水体波阻抗反演中的应用

【摘要】进入21世纪以来，地震海洋学的快速发展让我们看到了该学科在海洋资源探索、开发、保护方面的巨大潜力。而地震海洋学正是通过将海上勘探地震学的横向分辨率好，采集信息的连续性等诸多优势与物理海洋学中温盐密之间的内在关系联合来研究海洋水体的微细结构特征的学科。在地震海洋学研究中，海洋水体的波阻抗反演起到了至关重要的作用。海洋水体波阻抗的反演精确程度不仅决定了海洋水体的声波速度值和密度值的准确度，更是影响了海洋水体的温盐密微细结构的求取。关于海洋水体波阻抗的反演方法研究较少，本文试图将非线性的遗传反演算法应用到海洋水体波阻抗反演中，并研究如何进一步提高海洋水体波阻抗反演的精度。遗传算法是一种智能的、全局性的、具有自适应功能的优化搜索算法，它模拟了自然界中生物的遗传、进化过程。遗传算法将自然界中广泛存在的“物竞天择”和“适者生存”的生物规律划分为选择、交叉和变异三个生物进化阶段。由于遗传算法本身所具有的并行性、自适应性、鲁棒性好等优点以及该算法在解决一些复杂问题时所展现出来的优越性能，使得该算法在越来越多的科学领域得到研究和使用。而地震勘探中的波阻抗反演是一个典型的多参数、多解性、复杂的非线性问题，遗传算法的特点使得该算法在地震勘探波阻抗反演中获得了大量的研究。然而传统的遗传算法本身所具有的随机性、收敛慢等缺点限制了该算法在地震波阻抗反演中的应用和研究。在地震海洋学学科中，海洋水体波阻抗求取和研究是十分重要的部分。海洋水体波阻抗既可以反映海水的分层性特点，又可以用于求取海水的温度、盐度、速度以及密度信息。而海水的温度、盐度和密度信息又是研究海洋内波、海洋涡旋、海洋锋、海洋黑潮、海洋环流等海水物理现象的重要参数。所以精确地求解海洋水体的波阻抗值直接决定了地震海洋学结论的精确程度。海水的声速变化范围往往在1430m/s~1530m/s，且海水的密度变化范围很小，因此海水的波阻抗值变化范围与陆上地震波阻抗变化范围比较而言相对较小。由于海水波阻抗的变化较小，因此海水的反射系数变化也很小，其值的数量级往往在-3甚至更小。而针对地震波阻抗反演中多解性、非线性问题，遗传算法具有反演精度高、自适应性强等特点，因此本文将遗传算法应用到海水波阻抗反演中。针对遗传算法在地震波阻抗反演中表现出来的一些不足之处，本文根据相邻海水层波阻抗差较小，海水反射系数差别不大的特点，对传统的遗传算法进行了几点改进。针对海洋水体波阻抗反射系数变化范围小的情况[-0.001,0.001]，采用热槽法缩小解空间，提高遗传算法的搜索速度；采用倒数转换方法求取染色体的适应度函数值，以增大个体差异，保证后代种群中出现多个优秀个体；采用多种群精英保留策略和迁移策略，增加了每一个种群中个体的多样性和保护了种群中的最优个体；采用改进的交叉算子，使得交叉算子充分发挥其邻域搜索能力；设计了一组交叉-变异概率表，保护种群中个体的多样性；同时采用两种具有不同特点的选择算子，确保种群中染色体个体之间的多样性。为了对比传统遗传算法和本文改进的遗传算法的反演效果，本文根据某一海区的XCTD资料设计了20层的海水模型和100层的海水模型来验证传统遗传算法和改进遗传算法的反演效果。两个海洋水体模型验证了本文改进的遗传算法反演海洋水体波阻抗的效率和精度要高于传统的遗传算法。最后通过将本文设计的遗传算法应用到我国某一海区的二维叠后地震资料反演中，提取研究海区的海洋水体的波阻抗，并依据反演得到的波阻抗推导出研究海区的海洋水体的温度、盐度、速度和密度的二维分布。通过与研究海区实际XCTD中海水温度和盐度数据的对比验证了本文改进的遗传算法的有效性。
【作者】黄庆文；
【导师】张进；
【作者基本信息】中国海洋大学，矿产普查与勘探，2014，硕士
【关键词】遗传算法；海洋水体；水体波阻抗；水体反射系数；

【参考文献】
[1]冯高伟.沿海石油物流方案设计[D].大连海事大学,交通运输规划与管理,2004,硕士.
[2]单美慧.新疆维、汉乳腺癌中mTOR信号通路4EBP1和S6K1的分子病理学研究[D].新疆医科大学,外科学（专业学位）,2013,博士.
[3]屠以诺.胃癌细胞SGC-7901在恒温热处理后HSPs的表达变化及其临床意义[D].广州医科大学,肿瘤学,2014,硕士.
[4]朱继杰.不同熟性棉花品种器官建成及主要生理性状对播期的反应[D].河北农业大学,作物栽培学与耕作学,2004,硕士.
[5]马培瑜,裘立群.短纤维橡胶复合体在声系软管中的应用[J].特种橡胶制品.1989(02)
[6]钱萍.初中生英语作业策略使用调查研究[D].扬州大学,学科教学,2012,硕士.
[7]高春玲.论现代企业竞争情报系统的构建与运作[D].华东师范大学,2004.
[8]陈艳.鱼肉肌原纤维凝胶的modori产生机理研究[D].浙江工业大学,2004.
[9]吴婷.新媒体视域下的政府危机管理研究[D].华中师范大学,地方政府学,2014,硕士.
[10]刘冬梅.叶适事功法律思想研究[D].重庆大学,法律史,2014,硕士.
[11]王灿,王艳莉,詹亮,何星,杨俊和,乔文明,凌立成.微波辐照气相法合成氮掺杂石墨烯[J].无机材料学报,2012,02:146-150.
[12]侯琳.基于EDEM离散元方法的抛丸器工作过程分析[D].济南大学,机械设计及理论,2012,硕士.
[13]郭川.中原地区小城镇特色景观创新设计[D].武汉理工大学,设计艺术学,2012,硕士.
[14]李义.黑龙江省万宝村村庄改造的对策研究[D].吉林大学,农业推广,2012,硕士.
[15]何汉林.GMM动态迟滞特性建模及其参数辨识[D].杭州电子科技大学,机械电子工程,2012,硕士.
[16]金晶.大学生村官制度的实践研究[D].内蒙古科技大学,思想政治教育,2013,硕士.
[17]王添琦.白念珠菌中核苷酸类物质分析方法的建立及其在代谢组学应用研究[D].第二军医大学,药物分析学,2013,硕士.
[18]魏阳.智能深度检测系统设计[D].南京理工大学,电子与通信工程,2012,硕士.
[19]谢大佳.基于Photoshop插件体系的几种数字图像处理算法的研究[D].西安电子科技大学,计算机系统结构,2011,硕士.
[20]刘海侠.秦岭细鳞鲑的生物学特征及遗传多样性研究[D].西北农林科技大学,水生生物学,2014,博士.
[21]张清真.“诗文小说”《钟情丽集》研究[D].安庆师范学院,中国古代文学,2013,硕士.
[22]张伟.综放面采空区瓦斯渗流规律及其数值模拟研究[D].西安科技大学,2008.
[23]卢妤.不可辩解型产品伤害危机应对方式对顾客购买意愿的影响研究[D].上海外国语大学,企业管理,2012,硕士.
[24]银小青.中学生“炫坏”行为解读[D].首都师范大学,课程与教学论,2014,硕士.
[25]胡琳铧.基于竞争优势的LB集团供应链成本管理研究[D].西北农林科技大学,工商管理（专业学位）,2012,硕士.
[26]李淑,张顶立,房倩,卢伟.北京地铁车站深基坑地表变形特性研究[J].岩石力学与工程学报,2012,01:189-198.
[27]上官沁丽.高校马克思主义大众化的研究[D].燕山大学,马克思主义中国化研究,2013,硕士.
[28]张顺淼.基于Web的分散异构模具标准件库集成应用平台的研究与开发[D].福州大学,机械制造及自动化,2004,硕士.
[29]梁青梅.新手型初中化学教师学科教学知识的调查研究[D].首都师范大学,学科教学,2013,硕士.
[30]魏振义.基于BP神经网络的手写数字识别系统的设计与实现[D].河北科技大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[31]刘益林,王介妮,曹磊昌,韩生.碳气凝胶复合材料在超级电容器中应用的研究进展[J].现代化工,2014,06:28-31.
[32]蒋杉,吕晓云.基于数据挖掘技术的高炉分析与诊断专家系统[J].冶金自动化,2011,04:26-29+74.
[33]刘玉萍.基于同步相量测量的高压输电线路故障定位方法研究[D].西南交通大学,电力系统及其自动化,2014,硕士.
[34]刘文丹.两种土壤基质中木本植物凋落物分解特性比较[D].西南大学,生态学,2014,硕士.
[35]张守英.掺锗HfAlO_x薄膜的微结构与电荷存储特性[D].西南大学,凝聚态物理学,2014,硕士.
[36]郑智文.特种设备检测行业管理创新研究[D].山东师范大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[37]赵卫伟.基于分形理论和支持向量机的齿轮箱故障诊断研究[D].中北大学,机械工程,2014,硕士.
[38]刘楠.EVA业绩评价体系与传统财务指标体系的比较分析[J].企业改革与管理,2014,15:68-69.
[39]李强.基于C/S模式的图书管理系统的开发[D].天津大学,软件工程,2013,硕士.
[40]李恒爽.云南传统民间美术甲马—数字化保护与传承个案研究[D].云南艺术学院,艺术与信息技术,2014,硕士.
[41]张金国.生物化学课教学研究与实践[J].安阳大学学报.2002(03)
[42]王杨弘.浮选脱墨渣纤维制备纸张增强剂的研究[D].北京林业大学,林产化学加工工程,2013,硕士.
[43]刘洋.香港特别行政区的宪制性法律及其相互关系[D].上海社会科学院,宪法学与行政法学,2012,硕士.
[44]袁传明.潍坊市高校大学生篮球爱好者运动损伤的状况、原因及对策分析[D].河北师范大学,运动训练,2014,硕士.
[45]刘旭东.论网络服务关系及其面临的法律问题[D].华东政法学院,法律,2003,硕士.
[46]朱文发.基于捷联惯性技术的轨道线路状态动态检测方法研究[D].上海工程技术大学,车辆工程,2011,硕士.
[47]闫曼悦.农民工有序网络政治参与研究[D].中南民族大学,行政管理,2013,硕士.
[48]程红波.黑龙江移动通信公司供应链发展规划综合管理研究[D].吉林大学,项目管理,2014,硕士.
[49]李尚琪.HMGB家族蛋白调控胚胎中胚层诱导和背腹图式形成的作用机理[D].山东大学,发育生物学,2013,硕士.
[50]高虎虎.含油污泥制备油煤水浆及应用研究[D].西安科技大学,化学工程,2014,硕士.