基于擴展卡爾曼濾波的跨孔電阻率時序監(jiān)測反演成像方法.pdf

1、中國重大地下工程施工過程中經(jīng)常遭遇突涌水等地質(zhì)災害以及由此引發(fā)的地下水環(huán)境破壞等問題，因此，對地下水體的賦存狀態(tài)、運移路徑以及影響區(qū)域等狀態(tài)進行動態(tài)監(jiān)測與預測對于后續(xù)災害防治工作具有重要意義。直流電阻率法具有對水體敏感性較高的優(yōu)勢，近年來在地下水活動的監(jiān)測方面得到廣泛應用。然而對于地下水體快速運移過程的監(jiān)測，現(xiàn)有電阻率監(jiān)測與反演方法存在對快速變化過程響應不敏感、反演效果差以及無法有效預測等問題，亟待開展針對性的研究工作。
　　針對

2、上述問題，本文以基于擴展卡爾曼濾波的電阻率時序反演方法研究為核心，采用理論分析、數(shù)值反演、模型試驗和現(xiàn)場試驗等方法，重點開展了基于擴展卡爾曼濾波的跨孔電阻率CT監(jiān)測系統(tǒng)的預測模型、觀測模型研究以及時序反演方法等理論研究，利用數(shù)值模擬試驗檢驗了時序反演方法的性能，總結(jié)歸納了模擬地下水運移的低阻體漸變和突變過程的成像特征。在此基礎(chǔ)上，開展了水體擴散運移監(jiān)測模型試驗研究以及現(xiàn)場試驗研究，驗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)基于灰色預測理論的卡爾曼濾波電阻率預測模型優(yōu)化方法。針對傳統(tǒng)卡爾曼濾波電阻率預測模型采用簡單隨機游走模型或線性演化模型，本文引入灰色預測理論對電阻率預測模型進行了改進和優(yōu)化，從中揭示隱含的電阻率變化趨勢。同時，在連續(xù)監(jiān)測和預測的過程中，不斷將卡爾曼濾波方法得到的當前時刻的最優(yōu)估計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，以提高對下一時刻預測的準確性。
　　(2)基于跨孔電阻率CT全四極聯(lián)

4、合觀測方式的卡爾曼濾波觀測模型優(yōu)化方法。本文提出了一種全四極聯(lián)合的觀測方式，作為卡爾曼濾波的觀測模型。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。對于地下介質(zhì)短時間內(nèi)發(fā)生快速變化的情況，由前一時刻的預測模型得到的先驗估計狀態(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導致結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。

5、針對該問題，本文提出了一種卡爾曼濾波初始模型的修正方法，以先驗估計狀態(tài)作為初始模型，利用當前時刻獲得的觀測數(shù)據(jù)首先進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)上進行卡爾曼濾波最優(yōu)估計。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)單時間步多次卡爾曼濾波的時序反演方法。傳統(tǒng)卡爾曼濾波方法求解最優(yōu)估計值的過程往往只進行一次濾波，數(shù)值模擬試

6、驗發(fā)現(xiàn)，對于地下介質(zhì)快速變化過程的數(shù)據(jù)處理，一次濾波的結(jié)果與真實模型存在較大差異。針對該問題，提出了在單時間步進行多次濾波的方案，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)值模擬試驗表明，多次濾波的方案對地下介質(zhì)快速變化過程的成像效果更接近真實模型。
　　(5)在上述研究的基礎(chǔ)上，自主開發(fā)了基于卡爾曼濾波的跨孔電阻率CT監(jiān)測反演程序，開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)了低阻體不同運動過程的響應特征和