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基于水平集方法和U-Net网络的地震初至拾取技术

李阳 何登科

李阳, 何登科. 基于水平集方法和U-Net网络的地震初至拾取技术[J]. 矿业科学学报, 2022, 7(4): 437-445. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.04.005
引用本文: 李阳, 何登科. 基于水平集方法和U-Net网络的地震初至拾取技术[J]. 矿业科学学报, 2022, 7(4): 437-445. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.04.005
Li Yang, He Dengke. First-break picking technology based on level set method and U-Net[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2022, 7(4): 437-445. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.04.005
Citation: Li Yang, He Dengke. First-break picking technology based on level set method and U-Net[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2022, 7(4): 437-445. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.04.005

基于水平集方法和U-Net网络的地震初至拾取技术

doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.04.005
基金项目: 

高等学校学科创新引智计划 B18052

中国矿业大学(北京)越崎学者 2019JCA01

详细信息
    作者简介:

    李阳(1986—),男,河南平顶山人,硕士研究生,主要从事应用地球物理、地学应用软件开发等方面的研究工作。Tel:13937523623,E-mail:loftycamel@163.com

    通讯作者:

    何登科(1975—),男,贵州纳雍人,博士,副教授,主要从事应用地球物理、计算机地学应用等方面的研究工作。Tel:13691399157,E-mail:he_dengke@126.com

  • 中图分类号: P631

First-break picking technology based on level set method and U-Net

  • 摘要: 针对使用U-Net网络拾取地震初至存在的拾取结果不连续等问题,提出了一种融合水平集方法的U-Net网络结构模型。首先基于U-Net网络提取地震图像特征图,逐像素计算损失,然后应用水平集方法对特征图计算水平集损失,最后将两者的加权和作为最终的损失函数。改进后的网络模型采用水平集方法保证了地震道之间初至的连续性,同时保留了U-Net网络“端到端”精细化分类的能力;采用Focal Loss损失函数缓解地震数据样本类别不均衡问题;在训练过程采用混合模拟数据和实际数据的方法克服训练集数据不足问题。经正演模拟和实际地震资料测试结果表明,该网络模型不仅精确度较高,而且较好地适应在低信噪比环境下地震信号的初至拾取。
  • 图  1  网络结构

    Figure  1.  Network structure diagram

    图  2  注意力机制模块结构[19]

    Figure  2.  Attention model structure[19]

    图  3  合成地震数据

    Figure  3.  Synthetic data

    图  4  初始模型拾取结果

    Figure  4.  The results picked by the initial model

    图  5  地震数据及对应标签数据

    Figure  5.  Seismic data and labeled data

    图  6  地层模型与模拟数据

    Figure  6.  Stratigraphic model and simulated data

    图  7  不同信噪比下模拟数据拾取结果

    Figure  7.  First break picking results of simulated data with different SNR noise

    图  8  实际数据拾取结果

    Figure  8.  The picking result using actual data

    图  9  拾取结果与相对高程

    Figure  9.  The picking result and relative elevation

    表  1  超参数优化参数

    Table  1.   Hyperparametric values

    超参数 方法/值
    激活函数 ReLU、Randomized Leaky ReLU、ELU
    优化器 Adamx、Adamw、Adadelta
    学习率 0.01~0.001
    下载: 导出CSV

    表  2  实际数据拾取结果统计

    Table  2.   The statistical result picked using actual data

    模型 拾取准确率/% 拾取误差方差
    U-Net 71.8 98.1
    改进后U-Net 96.8 17.2
    下载: 导出CSV
  • [1] 刘晗, 张建中. 微震信号自动检测的STA/LTA算法及其改进分析[J]. 地球物理学进展, 2014, 29(4): 1708-1714. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWJ201404029.htm

    Liu Han, Zhang Jianzhong. STA/LTA algorithm analysis and improvement of microseismic signal automatic detection[J]. Progress in Geophysics, 2014, 29(4): 1708-1714. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWJ201404029.htm
    [2] He D K, Chen C. A new method based on the surface consistence for picking the first arrival time of the seismic data[C]//2012 IEEE 11th International Conference on Signal Processing. October 21-25, 2012, Beijing, China. IEEE, 2012: 2292-2294.
    [3] 郑晶, 曹子原, 姜天琪, 等. 基于深度信念神经网络的微震波到时拾取方法[J]. 矿业科学学报, 2018, 3(6): 521-526. http://kykxxb.cumtb.edu.cn/article/id/180

    Zheng Jing, Cao Ziyuan, Jiang Tianqi, et al. Deep belief neural network-based arrival picking for microseismic data[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2018, 3(6): 521-526. http://kykxxb.cumtb.edu.cn/article/id/180
    [4] 朱盼盼, 李帅朋, 张立强, 等. 基于多任务学习的高分辨率遥感影像建筑提取[J]. 地球信息科学学报, 2021, 23(3): 514-523. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQXX202103015.htm

    Zhu Panpan, Li Shuaipeng, Zhang Liqiang, et al. Multitask learning-based building extraction from high-resolution remote sensing images[J]. Journal of Geo-Information Science, 2021, 23(3): 514-523. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQXX202103015.htm
    [5] Papadomanolaki M, Vakalopoulou M, Karantzalos K. A deep multi-task learning framework coupling semantic segmentation and fully convolutional LSTM networks for urban change detection[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2021, 59(9): 7651-7668. doi: 10.1109/TGRS.2021.3055584
    [6] Ma Y Y, Cao S Y, Rector J W, et al. Automated arrival-time picking using a pixel-level network[J]. GEOPHYSICS, 2020, 85(5): 415-423. doi: 10.1190/geo2019-0792.1
    [7] Shelhamer E, Long J, Darrell T. Fully convolutional networks for semantic segmentation[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 2017, 39(4): 640-651. doi: 10.1109/TPAMI.2016.2572683
    [8] Badrinarayanan V, Kendall A, Cipolla R. SegNet: A deep convolutional encoder-decoder architecture for image segmentation[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 2017, 39(12): 2481-2495. doi: 10.1109/TPAMI.2016.2644615
    [9] Ronneberger O, Fischer P, Brox T. U-Net: convolutional networks for biomedical image segmentation[C]//Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention-MICCAI 2015, 2015: 234-241.
    [10] 刘佳楠, 武杰. 基于全卷积神经网络的地震初至波拾取[J]. 信息技术与网络安全, 2018, 37(11): 58-63. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WXJY201811014.htm

    Liu Jianan, Wu Jie. Seismic first arrival picking based on fully convolutional networks[J]. Information Technology and Network Security, 2018, 37(11): 58-63. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WXJY201811014.htm
    [11] 丁建群, 何永清, 李伟波, 等. 基于U-Net网络交错网格改进的地震数据初至自动拾取方法[C]//SPG/SEG南京2020年国际地球物理会议论文集(中文). 石油地球物理勘探, 2020: 955-958.
    [12] 杨双瑜, 郭小龙, 盛冠群. 基于U-Net和DenseNet的微地震初至拾取[C]//SPG/SEG南京2020年国际地球物理会议论文集(中文). 石油地球物理勘探, 2020: 1162-1165.
    [13] 陈德武, 杨午阳, 魏新建, 等. 一种基于改进的U-Net网络的初至自动拾取研究[J]. 地球物理学进展, 2021, 36(4): 1493-1503. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWJ202104017.htm

    Chen Dewu, Yang Wuyang, Wei Xinjian, et al. Research on first-break automatic picking based on an improved U-Net network[J]. Progress in Geophysics, 2021, 36(4): 1493-1503. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWJ202104017.htm
    [14] David Cova, 刘洋, 丁成震, 等. 人工智能和视速度约束的地震波初至拾取方法[J]. 石油地球物理勘探, 2021, 56(3): 419-435, 409. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYDQ202103001.htm

    David Cova, Liu Yang, Ding Chengzhen, et al. First break picking method based on artificial intelligence and apparent velocity constraint[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2021, 56(3): 419-435, 409. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYDQ202103001.htm
    [15] Osher S, Sethian J A. Fronts propagating with curvature-dependent speed: Algorithms based on Hamilton-Jacobi formulations[J]. Journal of Computational Physics, 1988, 79(1): 12-49. doi: 10.1016/0021-9991(88)90002-2
    [16] Chan T F, Vese L A. Active contours without edges[J]. IEEE Transactions on Image Processing, 2001, 10(2): 266-277. doi: 10.1109/83.902291
    [17] Kim Y, Kim S, Kim T, et al. CNN-based semantic segmentation using level set loss[C]//2019 IEEE Winter Conference on Applications of Computer Vision. January 7-11, 2019, Waikoloa, HI, USA. IEEE, 2019: 1752-1760.
    [18] 张宇豪, 徐磊, 白一清. 基于融合U-Net和水平集的肝脏CT图像分割[J]. 电子测量技术, 2021, 44(9): 116-121. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZCL202109019.htm

    Zhang Yuhao, Xu Lei, Bai Yiqing. Liver CT image segmentation based on fusion of U-Net and level set[J]. Electronic Measurement Technology, 2021, 44(9): 116-121. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DZCL202109019.htm
    [19] Oktay O, Schlemper J, Folgoc L L, et al. Attention U-net: learning where to look for the pancreas[EB/OL]. arXiv: 1804.03999, 2018. https://arxiv.org/abs/1804.03999.
    [20] Lin T Y, Goyal P, Girshick R, et al. Focal loss for dense object detection[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 2020, 42(2): 318-327. doi: 10.1109/TPAMI.2018.2858826
    [21] 刘强. 基于时频变换的低信噪比地震信号初至拾取[J]. 地球物理学进展, 2020, 35(3): 995-999. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWJ202003024.htm

    Liu Qiang. First brick pick of low SNR seismic signal based on time-frequency transformation[J]. Progress in Geophysics, 2020, 35(3): 995-999. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWJ202003024.htm
    [22] 董烈乾, 王岩, 霍禹, 等. 基于中值滤波和seislet阈值法联合压制混叠噪声方法[J]. 物探化探计算技术, 2019, 41(6): 705-711. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WTHT201906001.htm

    Dong Lieqian, Wang Yan, Huo Yu, et al. Blending noise suppression based on Median filter and seislet domain threshold denoising approach[J]. Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration, 2019, 41(6): 705-711. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WTHT201906001.htm
    [23] Louboutin M, Lange M, Luporini F, et al. Devito (v3.1.0): an embedded domain-specific language for finite differences and geophysical exploration[J]. Geoscientific Model Development, 2019, 12(3): 1165-1187.
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-10-30
  • 修回日期:  2021-12-15
  • 刊出日期:  2022-08-30

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