RES2DINV高密度电阻率资料二维反演程序的使用

Dante.W · 发表于 2012-9-9 11:09

RES2DINV高密度电阻率资料二维反演程序的使用

1、程序简介

RES2DINV是一种能自动确定电子成象测量资料的地下二维电阻率模型的最小二乘法计算机反演计算程序，适用于二维电阻率&激发极化资料快速反演，可用于约25～650个电极采集的大型数据（约100～5000个数据点）资料反演。本反演计算程序除适用于电极布设于地面的正常勘查外，还可用于水下及跨孔高密度电阻率法勘查。由于它是基于WINDOWS的程序，能支持任何与WINDOWS兼容的图形卡或打印机。程序在1600X1200象素、256色的显示器上测试通过。

2、计算机系统需求

由于反演计算需要运行二维逼近模拟和最小二乘子程序，本程序设计运行于80386及其以上的IBM PC兼容微机、操作系统为Windows 3.1、Windows 95或Windows NT。在奔腾机上，进行50个电极的数据资料反演，仅需几分钟。

最低配置：48MB硬盘自由空间、16MB RAM、640×480 SVGA彩色图形系统、Windows3.1 或95操作系统、80386/387 80486DX Pentium, Pentium Pro or Pentium II CPU（或兼容CPU）。建议使用800×600分辨率（对于14英寸或15英寸监视器）或1024×768分辨率（对于17英寸或21英寸监视器）、256色彩色SVGA图形模式。

如果需要处理多于300根电极、2000个数据点的资料，建议使用32MB以上内存的系统。

3、程序的安装使用

在Windows环境下先运行安装盘上的SETUP.EXE安装程序，然后再运行硬盘res2dinv子目录下的JACOBWIN.EXE程序，完成系统安装。此时，主程序RES2DINV.EXE以及支持文件（GRADWEN, GRADTWO and GRADDIP）、示例文件将被安装在硬盘的res2dinv子目录下。

双击RES2DINV图标，便可运行电阻率反演程序。程序首先检查计算机系统资源，它将检查可用内存及可用硬盘空间。如果程序示警，则必须退出程序并对计算机配置作相应调整。检查计算机配置之后，程序在屏幕上方显示下列主菜单。

图6 LANDFILL.DAT 的实测及计算出的视电阻率拟断面与反演程序所获得的模型

用鼠标双击可选择所选项目。如果是首次使用本程序，可尝试调入程序提供的LANDFILL.DAT数据文件，然后选择反演选项进行该数据的反演计算。图6为该数据的反演成果图示例。下面将对这些菜单项作更详细的描述。

在读入数据以后，通常需要使用“edit data”选项来删除坏数据点。如果数据中含有地形数据，在进行资料反演之前，选择“Topography”选项计算地形改正。

File――文件操作

当你选择“File”选项时，将显示下列菜单：

Read data file：读入当前子目录下扩展名为.DAT的数据文件。

.DAT数据文件为文本格式，可用用任何文本编辑程序（如Windows的NOTEPAD程等）进行编辑。数据项之间可用逗号、空格、或换行/回车符分隔。程序要求数据按一定的格式排列，如果程序在运行中出现问题，一个可能的原因就是输入数据格式错误所致，首先应检查数据文件的格式。程序将试图检测一些共性错误，例如零或负视电阻率值等。.DAT数据文件格式见附录一。

作为缺省选项，程序读入地形数据之后，将试图精简地形数据点。如果你改变了此缺省选项，程序将询问是否要精简地形数据点。如果有某些地形点处在相同斜度的地面上，则地形点的数量就可以被精简。缩减地形点的数量，将会大大缩短计算地形改正所需的时间。

Import data in ..... format：本选项允许你读入其他程序的数据格式。那些程序通常是由你所使用的高密度电阻率仪系统制造商所提供。

Run JACOBWIN program：这个选项产生一些RES2DINV程序所需的支持文件。该选项必须在安装RES2DINV程序后首先运行，JACOBWIN程序仅需运行一次。

Change buffer drive：程序自动使用硬盘的最大自由空间作为缓冲驱动器以存储反演计算时所需的临时文件。该选项允许你改变程序所使用的缓冲区驱动器。

Set program priority：在反演超过3000个数据点的大型资料时，反演子程序不被其他程序所中断是很重要的。设置该程序的优先权为“high”时，可保证在资料正常反演过程中，程序不被其他的程序所打断。设置程序优先权为“highest”时，将给予程序以最高优先权，但是，它可能会在资料反演过程中使某些操作系统功能失效。仅仅在数据量非常庞大，并且在能保证反演数据格式正确时，才选择此选项。在大多数情况下，选择“hogh”选项已足够了。

Edit Data――数据编辑

该选项使你能对前述选项中已经读入的数据作某些修改。它将使你能够删除坏数据点和在非常庞大的资料中选取部分数据进行反演。当你选择该选项后，会显示出下述子菜单。

Exterminate bad datum points：消除坏数据点。在这个选项中，视电阻率数据值以剖面图的形式显示，可以使用鼠标删除任何坏数据点。本选项的主要目的是删除那些电阻率值明显错误的数据点。这些坏数据点可能源于某个电极的连接失败，干燥土壤中电极接触不良或由于非常潮湿的环境条件导致的电缆短路等。这些坏数据点通常有比相邻点奇高或奇低的视电阻率值。处理这些坏数据点的最好方法是剔除它们，使之不影响反演获得的模型。图7为有坏数据点的资料示例，移动鼠标的十字光标到数据点，点击鼠标左键，便可删除该点数据。数据点的颜色应该从黑色变为紫色。如果再次点击同一数据点，数据则被恢复。用Q键退出该选项。

Splice large data set ：拼接大型数据：如果资料数据量太大，无法一次作反演处理，该选项可选择资料中的一段进行反演。选择该选项后，将以拟断面图的形式显示出数据点，用左右箭头键或Home、PgUp键移动数据段左电极边界，用End、PgDn或 [ 、键移动数据段右电极边界，用－键或＝键同时移动数据段左右电极边界，用上下箭头键选择数据层，用D键间隔删除所选择层的数据点，用E键删除所选择层的所有数据点，按键的全部说明均显示在屏幕上。已被选择了的数据点以紫色十字或点标记，而余下的数据点为黑色。段的左右边界在拟断面图上部用黄色垂直线表示。程序可以读入包括1200个电极的数据文件，使用本选项可以选择进行反演的数据段（64MB RAM的计算机最多允许650个电极、6500个数据点），整个资料便可以分段完成反演。选取了欲反演的子数据段后，应该选取"Exterminate bad datum points"选项检查坏数据点。通常，我们建议你一次反演整个资料，在大多数情况下，这可以很容易地用增加RAM和硬盘自由空间的方法解决。

图7：含有坏数据点的资料示例

Reverse pseudosection ：倒转拟断面图。本选项可左右倒转拟断面图。

Change location of first electrode：变更首电极的编号。本选项允许变更测线上首电极的编号。

Edit data file ：编辑数据文件。选择本选项后，将调用文字编辑器（默认为NOTEPAD），欲返回RES2DINV程序，必须先退出文字编辑程序。

Run another program ：运行其他程序。本选项使你能够在Windows 3.1中运行其他程序，你也可用同时按下Ctrl 和Esc键，然后点击程序管理器来运行其他程序。

Choose font ：选择字体。系统默认字体是Arial字体，可选择字体有Courier New、Times New Roman和System 字体。

Change program settings――改变程序设置

程序内部预置了一套适用于多数资料的阻尼系数和其它变量，但是，在某些情况下，对控制反演过程的参数进行修改可能会得到更好的结果。选择“Changing Setting”选项后，将显示下列菜单

Damping factors ：阻尼系数。在本选项中，可以设置方程（1）中阻尼系数的初始值以及最小阻尼系数。如果资料噪音很大，宜选择相对大一些的阻尼系数（例如0.3）。如果资料噪音很小，宜选择较小的阻尼系数（例如0.1）。反演子程序将在每一次迭代之后逐渐减小阻尼系数。必须设置最小阻尼系数你稳定反演过程。最小阻尼系数通常设置为初始阻尼系数的1/15。

Change of damping factor with depth ：改变阻尼系数的深度变化系数。因为电阻率法的分辨率随着深度增加而呈指数下降，为了稳定反演过程，在最小二乘法反演中使用的阻尼系数通常逐层增加，一般每层的增加系数为1.2。如果模型底层的电阻率出现不自然的振荡，改用较大的系数值可以抑制振荡。

Line search ：线性搜索。反演程序借助于解方程（1）来修改模型参数，通常，参数修改矢量d将减小模型的均方误差。在均方误差增加的情况下，面临三种选择，一种是使用四次插值（Fletcher 1987）执行线性搜索去寻找改变模型块电阻率的最佳步长以降低均方误差，但是可能会被陷在局部极小值中；另一种是不理会这次的误差增大，而寄希望于下一次迭代会产生较小的均方误差。这可能会跳过局部极小，但是也可能会导致误差的进一步增大；第三种选择是在每一次迭代执行线性搜索。这通常会得到最佳步长，但是在每一次迭代中需要至少进行一次提前计算。如果能减少用于使均方误差降低到可接受水平所需的迭代次数，在某些情况下，这些额外的提前计算是值得的。本设置仅仅从第三次迭代开始起作用，这是由于头两次迭代的均方误差变化一般都很大，程序在试图寻找最佳步长以进一步降低均方误差时，总是执行线性搜索。

Percentage change for line search ：线性搜索误差变化最低百分比。线性搜索法通常能估算出下次迭代后视电阻率均方误差的变化量，如果这个变化量太小，则计算模型参数变化矢量最佳步长的线性搜索就不值得再进行下去。通常该值为0.1～1.0％。

Number of iterations ：迭代次数。本选项允许用户设置反演程序的最高迭代次数。默认设置次数为5次，对于大多数资料而言，这是足够的了。当反演达到最高限制次数时，程序会询问用户是否再增加迭代次数。通常不需要进行10次以上的迭代。演示版的最高迭代次数为3。

Vertical to horizontal flatness filter ratio ：垂向与水平平滑滤波比。本选项可以选择垂向平滑滤波(fz)与水平平滑滤波(fx)的阻尼系数比。默认二者的阻尼系数相等。但是，如果拟断面图上的异常沿垂向延长，可以选取较高的垂向/水平平滑滤波比值（例如2.0），以迫使程序反演出的模型沿垂向拉长；反之，对于水平方向延伸的异常，宜选取较小的值（例如0.5）。

Convergence limit ：收敛极限。设置两次迭代均方误差相对变化率的最低限，默认值为5％。当两次迭代的均方误差变化小于收敛极限时，便可认为迭代已经收敛。程序使用均方误差的相对变化而不是绝对均方误差值来适应具有不同噪音水平的资料。

Thickness of model layers ：模型的层厚度。在本选项中，可以选择模型中下层比相邻上层的层厚增加率为10％或25％。如果数据层数很少（8层或8层以下），宜选择10％选项；如果有很多稀疏数据层，选择25％选项可能会较好一些。也可以选择用户定义模型，指定第一层厚度和相邻下一层的厚度增加系数。第一层的厚度以第一层的实际厚度与单位电极距的比值给出。例如，值0.5表示第一层的实际厚度是测线上相邻电极距的一半。第一层厚度的可接受值为0.3～0.9。从第二层往下，每一层的厚度都比上一层大，增大的厚度由厚度增加系数决定。例如，值1.05表示层厚比上一层增加5％。厚度增加系数的可接受值为1.00～1.35。如果厚度增加系数值选用1.00，则所有各层的层厚都相同，也使得各模型块有相同的宽度。在这种情况下，你可能也会设置允许模型块数超过数据点数（参见Inversion of data 节）。

Type of Cross-borehole Model ：跨孔反演模型选择。有两种模型：标准模型和小块模型。标准模型的模型子块尺寸与地面及钻孔中的电极距相同，小块模型的模型子块尺寸则为电极距的一半。

Finite-difference grid size ：有限差分网格尺寸。可以选择相邻电极之间的网格为2或4个节点，该网格由正演程序所使用。每个电极距有4个节点时，计算出的视电阻率值将要精确得多（特别是电阻率差异很大时），但是，所需的机时和内存也相应增大。当数据涉及到的电极数大于90时，程序默认使用2节点选项。

Model resistivity values check ：模型电阻率值检查。反演迭代过程中，如果模型电阻率值变得过高（大于视电阻率最大值20倍）或过低（低于视电阻率值最小值1/20），程序将示警。本选项允许关闭示警。

Include smoothing of model resistivity values ：圆滑模型电阻率值。可选圆滑或不圆滑。

Option for contour intervals ：拟断面图坐标选项。默认对数坐标，可选线性坐标或自定义坐标。

Reduce number of topographical datum points ：缩减地形数据点。默认缩减，可选不缩减。

Inversion of data 资料反演

本选项可完成在“File”选项读入数据资料的反演计算。还可以显示反演模型子块的分布以及改变层厚和计算偏导数雅克比矩阵的方法。选择本选项后，显示下列菜单：

Least-squares inversion ：最小二乘反演。本选项将启动最小二乘反演例程，用Q键可中断反演。

Change thickness of layers ：改变层厚。在本选项中，可以选择模型中下层比相邻上层的层厚增加率为10％或25％。如果数据层数很少（8层或8层以下），宜选择10％选项；如果有很多稀疏数据层，选择25％选项可能会较好一些。也可以选择用户定义模型，指定第一层厚度和相邻下一层的厚度增加系数。第一层的厚度以第一层的实际厚度与单位电极距的比值给出。例如，值0.5表示第一层的实际厚度是测线上相邻电极距的一半。第一层厚度的可接受值为0.3～0.9。从第二层往下，每一层的厚度都比上一层大，增大的厚度由厚度增加系数决定。例如，值1.05表示层厚比上一层增加5％。厚度增加系数的可接受值为1.00～1.35。如果厚度增加系数值选用1.00，则所有各层的层厚都相同，也使得各模型块有相同的宽度。在这种情况下，你可能也会设置允许模型块数超过数据点数。

Allow number of model blocks to exceed datum points ：允许模型子块数大于数据点数。在默认情况下，程序按模型子块的数目不超过数据点数目的原则安排模型子块的位置和尺寸。这对于40根电极以上的大中型资料而言，特别是在较大电极距、数据点分布比较稀疏的时，大概是最好的选项。这时，下层模型子块的宽度可能大于上层模型子块的宽度。但是，对于小型数据，允许模型子块数超过数据点数可能是有益的。该选项使各层的所有模型子块有相同的宽度，并等于最小电极距。

Use extended model ：使用延长模型。在默认情况下，程序安排的模型子块仅排满在含有数据点的区域。本选项可以使模型子块排满至测线的边缘。本选项仅可用于在近测线边缘具有相对较高模型灵敏度的偶极－偶极、单极－偶极、和单极－单极排列，不可用于温纳及温纳－施伦贝谢尔排列。

Reduce effect of side blocks ：降低边缘子块效应。在反演模型中，两边和底部的模型子块延伸至有限差分或有限元网格的边缘，由此，在反演过程中，这些子块比相邻的内部子块具有相对较大的效应。特别对于那些有较高噪音的数据，可能会在模型底部左右角出现不正常的高或低电阻率值。选择本选项可以降低这种效应。本选项常用于温纳和温纳－施伦贝谢尔排列，建议不要用于偶极－偶极和单极－偶极排列。

Display model blocks ：显示模型子块。

Display blocks sensitivity ：显示模型子块灵敏度。本选项将显示反演模型子块灵敏度的图示。灵敏度值是模型子块电阻率信息量在实测电阻率资料中的度量值。灵敏度值愈高，模型电阻率值愈可靠。通常，由于电极附近的灵敏度函数值非常大，邻近地表的模型子块往往具有较高的灵敏度值。模型两边及底部的模型子块，由于被延伸到有限差分或有限元网格的边缘而具有大的多的尺寸，也有很高的灵敏度值。如果调用本选项之前已经对资料作了反演计算，程序将使用最末次雅克比矩阵。否则，程序将计算均匀大地模型的雅克比矩阵计算模型子块灵敏度。

Jacobian matrix calculation ：雅克比矩阵计算。在本程序中，有三种计算方程（1）中雅克比矩阵J的方法。最快的方法是使用准牛顿法估算雅克比矩阵（Loke and Barker 1996a ），常用于在低配置膝上机野外快速计算。最准确但最慢的方法是在每一次迭代时计算雅克比矩阵。对于大型数据，这需要至少16MB内存、大约64MB自由硬盘空间。在介质电阻率差异很大（视电阻率最大值为最小值10倍以上）时，此法反演出的模型边界要清晰得多；第三种方法基于雅克比矩阵通常仅在头几次迭代中变化最大的现实，仅仅在前两次迭代中重新计算雅克比矩阵。而在后续的迭代则使用准牛顿更新法。在多数情况下，第三种方法给出了在速度和精度之间的最佳折衷。程序默认选择第三种方法。

Modify depths to layers ：更改模型层深度。这个选项允许改变反演模型层的深度，使模型的某些边界与钻孔或其它资料的已知深度相一致。

Use finite-element method ：使用有限元法。程序允许使用有限差分或有限元法计算视电阻率值。如果资料不包含地形，程序默认使用有限差分法，它速度较快。如果资料包含地形，默认使用有限元法。

Mesh refinement ：细化网格。本选项允许在有限差分或有限元法中使用较细的网格（垂向）划分。这两种方法在细网格划分下计算出的视电阻率值精确度更高，但是对机时和内存的需要也更大。在介质电阻率差异大于20:1时，使用细网格能得到较好的效果，在低阻层位于高阻层之下时，本选项特别适用。

Optimise damping factor ：优选阻尼系数。如果选择本选项，程序将试图找出方程（1）中的最佳阻尼系数u，借助于优化阻尼系数，能明显减少程序收敛所需要的迭代次数，但是每一次迭代所需要的时间将要增加。对于中小型数据，本选项将使反演所需的总体时间明显减少。由于每次迭代都需要多次求解最小二乘方程，对于超过1000个数据点的大型数据，每次迭代所需的时间明显增加。尤其当资料噪音很大时，应用本选项需注意：具有最小均方误差的模型并不总是最佳模型（参见“原理”一节）。实际上，对于大多数资料，由于优化阻尼系数所带来的结果改善是相当小的。

Use combined inversion method ：使用组合反演法。本选项可选择单独使用马奎特反演或使用马奎特(Marquardt) (or ridge regression)与Occam（约束圆滑）(or smoothness-constrained)组合反演。

Batch mode ：批模式。本选项可以自动反演多个数据文件。

Show pseudosections during inversion ：反演过程中显示拟断面图。

Display 显示

Display inversion results ：显示反演结果

本选项可以读入数据文件或反演子例程的输出文件，并且显示实测、拟合视电阻率拟断面图和模型断面。在本选项中，可以改变用于绘制拟断面图和模型断面的等值线间隔和纵比例尺，可以选择在模型断面中是否显示地形，也可以改变所使用的颜色配置。

Topographical corrections 地形改正

:当程序从数据文件读入地形数据后，自动选择使用有限元法。地形改正在反演时自动完成。但是，如果你愿意，可以选择Schwarz-Christoffel转换法作地形校正。选择本选项后，出现如下菜单：

Display topography ：显示地形。本选项可显示地形剖面图。

Select type of trend removal ：选择背景趋势面切除类型。可以选择切除平均高程、最小二乘线性趋势面背景或连接两个端点的直线背景。如果除个别点外，沿测线的地面基本平坦，使用将测点高程减去常数的选项。如果测线位于斜坡上，选择最小二乘或两端点直线为线性趋势面。图9为两端点直线趋势面地形切除的示例。

图9：地形线性趋势面切除示例

Calculate topographic corrections with SC transformation ：计算SC（Schwarz-Christoffel）变换地形改正。线性本选项将使用Schwarz-Christoffel变换法作地形改正计算。有限差分反演子例程使用这种地形改正方法计算速度较快是本方法的主要优点。

Finite-element topographic corrections ：有限元地形改正。这是程序的默认选项。本方法使用变形的有限元栅格，使网格表面能与实际地形表面相匹配。如果选择了有限差分法反演，程序将使用Schwarz-Christoffel变换法(Spiegel et al, 1980)作地形改正。

Print 打印

“Print”选项允许把屏幕图像保存为BMP或PCX图形文件，或借助于Windows的画笔程序直接从打印口输出至打印机。

4. 进入Display 显示子菜单

附录一：.DAT数据文件格式

第一行 ―― 测线名

第二行 ―― 最小电极距

第三行 ―― 排列类型（温纳＝1，单极－单极＝2，偶极－偶极＝3，单极－偶极＝6，施伦贝谢尔＝7）

第四行 ―― 数据点的总点数

第五行 ―― 数据点的记录位置类型。

0 ＝记录点位于排列的第一个电极处

1 ＝记录点位于排列的中点

第六行 ―― 激发极化资料标志（0＝仅有电阻率资料）

第七行 ―― 点位，电极距，（使用偶极－偶极、单极－偶极和温纳－施伦谢贝尔排列时，为电极间隔系数n），第一点的实测视电阻率值。

第八行 ―― 点位，电极距和第二点的视电阻率值。

…… ……

最后一行 ―― 0 0 0 0 程序用四个0结束数据

对于偶极－偶极、单极－偶极和施伦谢贝尔排列，由于需要使用额外的参数－电极间隔系数n，数据格式稍有变化，为：点位，最小电极距，间隔系数，视电阻率值。请参见附录A、附录B。注意：程序设定拟断面图上的数据点号从左到右为增大方向。

文件GLADOE2.DAT为地形数据示例。文件的末段描述了地形数据格式如下：

----------------------------------------------------------------------------------------

GLADOE2.DAT | 说明

文件中的数据 |

----------------------------------------------------------------------------------------

237 2 39.207 | 倒数第四个数据点（点位，电极距、视电阻率值）

203 2 14.546 | 倒数第三个数据点（点位，电极距、视电阻率值）

227 2 31.793 | 倒数第二个数据点（点位，电极距、视电阻率值）

233 2 30.285 | 倒数第一个数据点（点位，电极距、视电阻率值）

2 | 地形数据标志，0＝无地形数据

26 | 地形点个数

-100 33 | 第一点水平和垂直坐标

-40 34.5 | 第二个地形数据点

-20 35.0 | 以下是其他地形点的数据

0 35.209 |

10 34.904 |

20 33.678 |

30 32.264 |

40 31.191 |

50 30.560 |

60 29.905 |

70 29.200 |

80 28.774 |

90 28.569 |

100 28.473 |

110 28.553 |

120 28.462 |

130 28.486 |

140 28.601 |

150 28.652 |

160 28.825 |

170 28.996 |

180 29.284 |

190 29.643 |

200 29.563 |

270 30.0 |

300 33 | 最后一个地形数据点

2 | 第一个电极所在位置的地形数据点号

0 | 在文件末尾输入四个0

0 |

.注意，地形数据是紧接在视电阻率数据之后的，第一项是表示文件是否含有地形数据的标志，0＝没有地形数据；1＝有地形数据，地形点和物探点都有水平和垂直坐标；2＝有地形数据，地形点有水平和垂直坐标，但是物探点在测线方向的距离是沿地表的斜距。在大多数情况下，测点之间沿地表的距离不是真正的水平距离，而是用带子丈量的实际距离。在这种情况下，输入2作为地形数据标志。后面接着是一系列地形数据点。不必测量每一个电极的高程，例如在GLADOE2.DAT文件中，共有161个电极，但是仅有26个高程点。地形点最多允许500个。在最末一个地形点数据之后，给出第一个电极位置的地形点号，在上述例子中，第一个电极位于40m处，相对应的是第二个地形点。注意，第一个电极的高程是必需有的，如果没有实测值，可以从相邻的地形点数据估算。