基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的跨孔電阻率時(shí)序監(jiān)測(cè)反演成像方法.pdf

1、中國(guó)重大地下工程施工過(guò)程中經(jīng)常遭遇突涌水等地質(zhì)災(zāi)害以及由此引發(fā)的地下水環(huán)境破壞等問(wèn)題，因此，對(duì)地下水體的賦存狀態(tài)、運(yùn)移路徑以及影響區(qū)域等狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)對(duì)于后續(xù)災(zāi)害防治工作具有重要意義。直流電阻率法具有對(duì)水體敏感性較高的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在地下水活動(dòng)的監(jiān)測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用。然而對(duì)于地下水體快速運(yùn)移過(guò)程的監(jiān)測(cè)，現(xiàn)有電阻率監(jiān)測(cè)與反演方法存在對(duì)快速變化過(guò)程響應(yīng)不敏感、反演效果差以及無(wú)法有效預(yù)測(cè)等問(wèn)題，亟待開(kāi)展針對(duì)性的研究工作。
　　針對(duì)

2、上述問(wèn)題，本文以基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的電阻率時(shí)序反演方法研究為核心，采用理論分析、數(shù)值反演、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法，重點(diǎn)開(kāi)展了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的跨孔電阻率CT監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型、觀測(cè)模型研究以及時(shí)序反演方法等理論研究，利用數(shù)值模擬試驗(yàn)檢驗(yàn)了時(shí)序反演方法的性能，總結(jié)歸納了模擬地下水運(yùn)移的低阻體漸變和突變過(guò)程的成像特征。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展了水體擴(kuò)散運(yùn)移監(jiān)測(cè)模型試驗(yàn)研究以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了本文方法的有效性和可靠性。
　　本文的主要研

3、究工作及成果如下:
　　(1)基于灰色預(yù)測(cè)理論的卡爾曼濾波電阻率預(yù)測(cè)模型優(yōu)化方法。針對(duì)傳統(tǒng)卡爾曼濾波電阻率預(yù)測(cè)模型采用簡(jiǎn)單隨機(jī)游走模型或線(xiàn)性演化模型，本文引入灰色預(yù)測(cè)理論對(duì)電阻率預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，從中揭示隱含的電阻率變化趨勢(shì)。同時(shí)，在連續(xù)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)的過(guò)程中，不斷將卡爾曼濾波方法得到的當(dāng)前時(shí)刻的最優(yōu)估計(jì)電阻率模型添加到歷史電阻率模型序列中，更新數(shù)據(jù)庫(kù)，以提高對(duì)下一時(shí)刻預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。
　　(2)基于跨孔電阻率CT全四極聯(lián)

4、合觀測(cè)方式的卡爾曼濾波觀測(cè)模型優(yōu)化方法。本文提出了一種全四極聯(lián)合的觀測(cè)方式，作為卡爾曼濾波的觀測(cè)模型。該方式不僅能夠獲得更加豐富的數(shù)據(jù)量，而且具有更好的模型靈敏度分布型式，在地質(zhì)異常的形態(tài)成像和定位方面具有更好的成像效果。
　　(3)基于最小二乘反演的卡爾曼濾波初始模型修正方法。對(duì)于地下介質(zhì)短時(shí)間內(nèi)發(fā)生快速變化的情況，由前一時(shí)刻的預(yù)測(cè)模型得到的先驗(yàn)估計(jì)狀態(tài)往往不包含這些變化信息，以之作為卡爾曼濾波的初始模型會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。

5、針對(duì)該問(wèn)題，本文提出了一種卡爾曼濾波初始模型的修正方法，以先驗(yàn)估計(jì)狀態(tài)作為初始模型，利用當(dāng)前時(shí)刻獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)首先進(jìn)行一次最小二乘反演，以此得到的反演結(jié)果作為卡爾曼濾波的初始模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行卡爾曼濾波最優(yōu)估計(jì)。由于納入了最新的數(shù)據(jù)信息，提高了初始模型的可靠性，可以有效地改善卡爾曼濾波的結(jié)果，降低反演的非唯一性。
　　(4)單時(shí)間步多次卡爾曼濾波的時(shí)序反演方法。傳統(tǒng)卡爾曼濾波方法求解最優(yōu)估計(jì)值的過(guò)程往往只進(jìn)行一次濾波，數(shù)值模擬試

6、驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于地下介質(zhì)快速變化過(guò)程的數(shù)據(jù)處理，一次濾波的結(jié)果與真實(shí)模型存在較大差異。針對(duì)該問(wèn)題，提出了在單時(shí)間步進(jìn)行多次濾波的方案，并以收斂容許誤差RMS作為控制濾波次數(shù)的條件。本文的數(shù)值模擬試驗(yàn)表明，多次濾波的方案對(duì)地下介質(zhì)快速變化過(guò)程的成像效果更接近真實(shí)模型。
　　(5)在上述研究的基礎(chǔ)上，自主開(kāi)發(fā)了基于卡爾曼濾波的跨孔電阻率CT監(jiān)測(cè)反演程序，開(kāi)展了多組低阻體漸變和突變地電模型的數(shù)值模擬研究，總結(jié)了低阻體不同運(yùn)動(dòng)過(guò)程的響應(yīng)特征和