Введение к работе
Актуальность темы, обозначенной в названии диссертации, определяется следующими объективными факторами:
1 .Создание компьютерной технологии для обработки трехмерной геофизической информации методами вероятностно-статистического подхода является естественным и исторически сложившимся направлением его дальнейшего развития. Представление о наблюдаемых геофизических полях, как реализациях случайных функций, позволило первоначально внедрить в процесс интерпретации геофизических наблюдений одномерные (профильные) методы обработки. Затем появились алгоритмически более сложные и эффективные двумерные (площадные) варианты этих методов и соответствующие им компьютерные технологии. Наконец, пространственный характер геофизических полей и возможности современной вычислительной техники не вызывают сомнений в
атуальности создания высокоэффективных компьютерных систем обработки трехмерной геофизической информации методами вероятностно-статистического подхода.
2.Ряд жестких требований относительно свойств полезных сигналов и помех, которые принимаются в теории линейной оптимальной фильтрации и практически не выполняются в реально наблюдаемых геофизических полях, а также трудности, возникающие при переходе от теоретических построений относительно непрерывных сигналов к их практической реализации с дискретными наблюдениями, предопределяет актуальность исследований в области построения адаптивных цифровых фильтров, позволяющих эффективно обрабатывать нестационарные по спектрально-корреляционным характеристикам, реально наблюдаемые геофизические поля.
З.Комплексный характер геофизических исследований, объективная необходимость анализа корреляционных связей между различными геофизическими признаками и трансформантами отдельных признаков, делает актуальным создание теории построения алгоритмов, базирующихся на достижениях современного многомерного статистического анализа, учитывающих корреляционные связи всего признакового пространства.
Целью исследований является:
разработка адаптивных методов линейной и нелинейной фильтрации нестационарных по спектрально-корреляционным характеристикам геофизических полей.
построение целостного подхода к обработке многопризнаковой геофизической информации, основанного на единых теоретических предпосылках и базирующегося на проверке многомерных статистических гипотез.
создание компьютерной технологии обработки и интерпретации пространственной геофизической информации методами статистического и спектрально-корреляционного анализа, адаптивной фильтрации, обнаружения слабых аномалий и многомерного статистического анализа.
Основные задачи исследований. Для реализации поставленной цели в работе определены следующие задачи:
1 .Разработать методы линейной адаптивной оптимальной и неоптимальной фильтрации для обработки нестационарных геофизических полей, базирующихся на оценке особенностей поля в окрестностях каждой анализируемой точки непосредственно в процессе фильтрации, включающих алгоритмы:
адаптивной оптимальной и неоптимальной фильтрации.
адаптивной полиномиальной фильтрации.
трехмерной адаптивной фильтрации.
адаптивного способа обратных вероятностей.
адаптивного способа самонастраивающейся фильтрации.
2. Получить окончательные выражения для многомерных критериальных статистик и на их основе разработать алгоритмы обработки многопризнакой геофизической информации для решения задач:
обнаружения слабых геофизических аномалий по нескольким геофизическим признакам или трансформантам отдельных признаков, основанного на анализе статистики следа ковариационной матрицы.
распознавания многопризнаковых и многоуровневых геофизических аномалий на основе проверки многомерной статистической гипотезы.
классификации комплексных геофизических наблюдений, основанной на проверке многомерной статистической гипотезы о равенстве векторов среднего любых двух совокупностей наблюдений из нескольких.
оценки информационного содержания различных комбинаций геофизических признаков и их трансформант в задачах обнаружения, распознавания и классификации.
оптимального шкалирования номинальных геолого-геофизических признаков, с целью их эффективного использования в алгоритмах анализа многопризнаковой геоинформации, наряду с цифровыми признаками.
3.Создать компьютерную технологию для обработки пространственной геофизической информации методами статистического и спектрально-корреляционного анализа, включающую, наряду с известными статистическими методами, уникальные алгоритмы адаптивной фильтрации нестационарных геофизических полей и многомерного дисперсионного анализа многопризнаковой геолого-геофизической информации.
Научная новизна предлагаемой работы заключается в следующем:
1.Создано математическое и программно-алгоритмическое обеспечение для разделения нестационарных геофизических полей на составляющие методами линейной и нелинейной адаптивной фильтрации.
2Разработаны методы адаптивного обнаружения слабых аномалий, которые, за счет учета изменений спектрально-корреляционных свойств
полезного сигнала и помехи по площади, обладают большей надежностью по сравнению с существующими.
З.Предложены многопризнаковые способы обратных вероятностей и самонастраивающейся фильтрации, расширяющие возможности выделения слабых геофизических сигналов по нескольким геофизическим признакам и их трансформантам за счет накопления энергетического отношения сигнал/помеха и повышения надежности обнаружения аномальных эффектов.
4.Разработан метод распознавания многопризнаковых геофизических аномалий, базирующийся на статистике следа ковариационной матрицы, позволяющий учитывать корреляционные связи всей совокупности геофизических признаков, тем самым более полно использовать информацию, заложенную в многопризнаковых геофизических наблюдениях. Оценка искажающих многопризнаковый сигнал факторов и их исключение непосредственно в процессе распознавания делает алгоритм мобильным по сравнению с существующими способами, основанными на предварительном изучении и оценке статистических свойств помех.
5.Предложен способ классификации многопризнаковых геофизических наблюдений в условиях отсутствия априорной информации о конечном числе классов, позволяющий провести разбиение исследуемых площадей на однородные, в смысле вектора среднего, области. Способ построен с учетом корреляционных связей всего признакового пространства, что отличает его от метода К-средних и других классификаций, основанных лишь на изучении пространственных связей между отдельными признаками.
6.Разработана теоретическая основа для дальнейшего развития многомерных статистических методов в области обработки многопризнаковой геофизической информации, позволяющая учитывать все корреляционные связи, скрытые в многомерном числовом материале и их изменения в признаковом пространстве.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается их проверкой на математических и геологических моделях, достаточным объемом экспериментальных исследований и положительным опытом внедрения научных положений работы при решении производственных задач.
Практическую ценность представляет программная реализация методов адаптивной фильтрации, алгоритмов обработки многопризнаковой и многомерной геофизической информации, а также более 60 других вычислительных процедур анализа геолого-
геофизической информации, входящих в состав программного комплекса спектрально-корреляционного анализа данных "КОСКАД 3D". Многие из процедур оригинальны, то есть основаны на теоретических разработках автора, часть - уникальна в смысле программной реализации. Среди них можно выделить процедуру адаптивной двумерной оптимальной и полиномиальной фильтрации, программу оценки статистических характеристик геофизических полей в динамическом скользящем окне, модули для расчета двумерной взаимнокорреляционной функции и трехмерной автокорреляционой функции, процедуры обработки трехмерной геофизической информации.
Реализация работы. Программный комплекс
спектрально-корреляционного анализа геоданных "КОСКАД 3D" использовался в научных и производственных организациях, начиная с 1979 года, на всех базовых моделях ЭВМ (ЕС ЭВМ 1020-1061, СМ-2, СМ-4).
Наибольшее распространение получили версии для IBM совместимых персональных компьютеров (под управлением MS DOS и WINDOWS), а также рабочих станций и ЭВМ, работающих под управлением OS UNIX в среде XWINDOW. В период с 1980 по 1997 год комплекс эксплуатировался в более чем 30 научных и производственных организациях. Среди них "ПромНииПроект" (Москва), ВНИИХТ (Москва), ВНИИЗарубежГеология (Москва), МГГА (Москва), С.ПГГИ (С.Петербург), ВГУ (Воронеж), СГУ (Саратов), "СамаркандЗолото" (Самарканд), "ДнепроГеофизика" (Днепропетровск), "Якутск Алмаз Саха" (п.Чернышевский), КазВирг (Алма-Ата), ВИРГ (С.Петербург), КазПТИ(Алма-Ата), ВНИИГеофизика(Москва), ЦентрГеофизика(Москва), ЦГЭ(Москва), в геофизических организациях и фирмах других стран (Вьетнам, Венгрия, Германия, Италия, Испания, Израиль).
С целью увеличения числа специалистов в области анализа геофизических наблюдений вероятностно-статистическими методами создана компьютерная обучающая система по обработке геофизических данных "ГЕОСТАТ', которая успешно применяется в процессе подготовки инженеров-геофизиков в МГГА, С.ПГУ, С.ПГГИ, КазПТИ, Пермском ГУ, Потсдамском Университете (Германия).
Личный вклад автора. Работа является итогом исследований, проводимых автором с 1979-1985 год в научно-исследовательском институте "ПромНииПроект", с 1985 по 1993 год на кафедре ядерно-радиометрических методов и геофизической информатики Московской Государственной геологоразведочной Академии и с 1993 по 1997 год в очной докторантуре той же Академии. Все теоретические
результаты и их программная реализация выполнены автором лично.
Апробация работы. Основные теоретические и методические результаты выполненных исследований докладывались на всесоюзном семинаре "Проблемы проектирования компьютеризированных систем" в ноябре 1989 года в Министерстве геологии СССР и ВНИИгеоинформсистем МНТК "ГЕОС", общемосковском семинаре "Комплексирование методов разведочной геофизики" проводимого по линии Научного Совета АН СССР по проблемам физики Земли и геофизическим методам разведки в январе 1990 года, на международном семинаре "Автоматизация научных исследований в геологии, горном деле, экологии" в апреле 1991 года, на международной конференции "Геофизика и современный мир" в МГУ в августе 1993 года, на Всесоюзном семинаре им. Д. Г.Успенского "Теория и практика геологической интерпретации гравитационных и магнитных аномалий" в 1990-97 годах, а также на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов в Московской Государственной геологоразведочной Академии в 1985-97 годах.
Публикации. Основные положения диссертации изложены более чем в тридцати опубликованных печатных работах и тезисах научных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 120 наименований. Она изложена на 192 листах, содержит 112 рисунков и 2 таблицы. Библиографический список включает 33 наименования.
Работа выполнена в Московской Государственной геологоразведочной Академии под руководством академика РАЕН, доктора физико-математических наук, профессора А.А.Никитина, под влиянием которого сформировались научные взгляды автора.
Большое значение на конечные результаты оказали работы в данной области В.Н.Страхова, В.ИАронова, В.М.Бондаренко, Г.С.Вахромееева, Ф.М.Гольцмана, Ш.А.Губермана, Г.Я.Голиздры, О.А.Демидовича, Г.В.Демуры, В.В.Ломтадзе, С.А.Серкерова, И.ДСавинского.
Автор искренне признателен за поддержку и помощь коллегам по работе О.А.Кучмину, А.С.Алексашину, Ф.М.Персицу, И.И.Приезжеву, А.А.Лыхину, В.В.Никанорову, В.В.Борисову.