一种基于微动勘探地下河走向的数据增强方法与流程

本发明涉及数据处理，具体涉及一种基于微动勘探地下河走向的数据增强方法。

背景技术：

1、微动勘探是一项关键的地下水文地质勘探技术，其在探测地下水文地质信息方面具有独特优势。通过监测地下水流动引起的微小振动信号，微动勘探技术能够准确地推断地下河流的走向和流动方向。这种技术的原理是利用微动传感器布设在地表或井下，捕捉地下水流动所引起的微小振动信号。这些信号经过数据采集和处理后，通过分析信号的时空特征，可以推断出地下河流的走向和流动方向。这项技术的应用广泛，涉及地下水资源勘探、环境地质调查等领域。通过微动勘探技术，可以非破坏性地获取地下水文地质信息，为地下水资源的开发和管理提供重要的数据支持，有助于提高勘探的效率和准确性，进而推动地下水资源的合理利用和保护。

2、微动勘探是一种地下水文地质勘探技术，旨在通过监测地下水流动或地下构造物体产生的微小振动，来获取地下水文地质信息，地下水流动或地下构造物体产生的微小振动就是微动信号。在微动勘探中，地下河走向的数据是指通过监测地下水流动所引起的微动信号，并分析这些信号以推断地下河流的方向和走向。但在监测过程中受到地面的机械振动会通过传递动力至地基中的土层，引发土粒之间的相互摩擦和位移。这种过程导致地基土体的紧密度变化和土层颗粒排列的重新调整，导致微动勘测获得的勘测数据呈现细小波动，这些波动在分析地下河走向时会产生干扰。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于微动勘探地下河走向的数据增强方法，以解决地面的机械振动会通过传递动力至地基中的土层，引发土粒之间的相互摩擦和位移进而导致勘测数据呈现细小波动，进而干扰分析地下河走向的问题。

2、本发明的一种基于微动勘探地下河走向的数据增强方法采用如下技术方案：

3、本发明一个实施例提供了一种基于微动勘探地下河走向的数据增强方法，该方法包括以下步骤：

4、采集微动勘探的振动数据，振动数据为三维数据，包括采集振动数据的横坐标、纵坐标以及振动数值；

5、根据每个振动数据与其他振动数据的坐标位置关系，获得每个振动数据的走向特征维度；

6、对所有振动数据和振动数据的走向特征维度进行降维，获得振动数据的主成分方向；以所有振动数据的走向特征与横纵坐标为坐标轴构建第一空间，以所有振动数据的振动数值与横纵坐标为坐标轴构建第二空间，根据主成分方向在第一空间和第二空间中的投影与每个振动数据的欧式距离，获得每个振动数据的偏向距离；

7、根据每个振动数据的偏向距离进行聚类，获得需要平滑增强的振动数据；将主成分方向投影到横纵坐标平面，得到地下河走向，将需要平滑增强的振动数据沿地下河走向方向进行平滑增强获得平滑振动数据；

8、利用平滑振动数据进行地下河走向分析获得地下河走向图。

9、进一步地，所述根据每个振动数据与其他振动数据的坐标位置关系，获得每个振动数据的走向特征维度包括：

10、对振动数据的切向序列构建q-q图，q-q图的横坐标为理论的正态分布分位数，纵坐标为切向序列中从小到大排序的振动数据；

11、根据振动数据的切向序列中每个振动数据在q-q图中与函数的欧式距离的均值以及振动数据的走向夹角，得到振动数据走向特征的模；

12、以振动数据为中心构建邻域，在振动数据的邻域范围内获取数值最大的一个振动数据，将获取的数值最大的一个振动数据记为振动数据的第一极大值振动数据；以振动数据的第一极大值振动数据为0度角，方向为逆时针方向，在振动数据的90-270度范围内选取另一个数值最大的振动数据，将获取的另一个数值最大的振动数据记为振动数据的第二极大值振动数据；

13、将从振动数据的第二极大值振动数据到振动数据的第一极大值振动数据的方向记为振动数据的走向特征的向量方向，振动数据的走向特征的向量方向和振动数据走向特征的模构成的向量是振动数据的走向特征维度下的向量数据，其中，走向特征维度指基于地下河产生的振动数据在空间坐标下呈现带状走向的特征而构建的新的向量数据维度。

14、进一步地，所述振动数据的切向序列、振动数据的走向夹角包括：

15、获取振动数据的第一极大值振动数据与第二极大值振动数据构成的直线，过振动数据作直线的法线方向，在所有振动数据中，所述法线方向过振动数据经过的所有振动数据构成振动数据的切向序列；

16、获取振动数据与振动数据的第一极大值振动数据所构成的直线，以及振动数据与振动数据的第二极大值振动数据所构成的直线，将两个直线的最小夹角记为振动数据的走向夹角。

17、进一步地，所述振动数值走向特征的模包括：

18、将振动数据的切向序列中每个振动数据在q-q图中与函数的欧式距离，记作振动数据的直线距离；

19、

20、其中，为振动数据的走向特征的模；为振动数据的直线距离的均值；为余弦函数；为振动数据的走向夹角；表示以自然常数为底的指数函数。

21、进一步地，所述对所有振动数据和振动数据的走向特征维度进行降维，获得振动数据的主成分方向包括：

22、构建降维空间使用主成分分析算法进行降维，获得所有降维结果，对于每个降维结果按照降维结果的特征值大小进行降序排列获得特征值降序序列，计算特征值降序序列中所有相邻的两个特征值的差值，将差值最大的两个特征值中第一个特征值记为分割特征值，将特征值降序序列包括的第一个特征值和分割特征值，以及从特征值降序序列中第一个特征值到分割特征值之间的所有特征值对应的降维结果的拟合直线的直线方向，记为振动数据的主成分方向。

23、进一步地，所述根据主成分方向在第一空间和第二空间中的投影与每个振动数据的欧式距离，获得每个振动数据的偏向距离包括：

24、将所有主成分方向投影到第一空间中，将与每个振动数据的走向特征的欧式距离最近的一个主成分方向的投影，记为每个振动数据的第一最邻近主成分方向；

25、将所有主成分方向投影到第二空间中，将与每个振动数据的振动数值的欧式距离最近的一个主成分方向，记为每个振动数据的第二最近邻主成分方向；

26、根据振动数据的走向特征向量投影到振动数据的第一最近邻主成分方向上的向量模值，以及振动数据与第二最近邻主成分方向的欧式距离和最近邻主成分方向的方向向量，得到振动数据的偏向距离。

27、进一步地，所述根据振动数据的走向特征向量投影到振动数据的第一最近邻主成分方向上的向量模值，以及振动数据与第二最近邻主成分方向的欧式距离和最近邻主成分方向的方向向量，得到振动数据的偏向距离包括：

28、振动数据的偏向距离为：

29、

30、其中，表示振动数据的偏向距离；表示将振动数据的走向特征向量投影到振动数据的第一最近邻主成分方向上的向量模值；表示振动数据与第二最近邻主成分方向的欧式距离；表示振动数据的第一最近邻主成分方向的方向向量；表示采集振动数据的横坐标的最大值；表示采集振动数据的纵坐标的最大值；为以自然常数为底的指数函数；为取向量模的函数。

31、进一步地，所述根据每个振动数据的偏向距离进行聚类，获得需要平滑增强的振动数据包括：

32、将每个振动数据的偏向距离作为聚类元素构建聚类模型，获得若干聚类簇；

33、选取其中最大的一个聚类簇作为在地下河走向范围内的振动数据标准簇，将其他振动数据记为需要平滑增强的振动数据。

34、进一步地，所述将主成分方向投影到横纵坐标平面，得到地下河走向，将需要平滑增强的振动数据沿地下河走向方向进行平滑增强获得平滑振动数据包括：

35、将特征值最大的一个主成分方向投影到横纵坐标所在平面，在该平面的主成分方向投影向量的向量方向即为地下河的整体走向，进而以该地下河的整体走向下获得所有振动数据序列；

36、使用道格拉斯普克算法对每个振动数据序列进行平滑，平滑后得到每个坐标的平滑振动数据。

37、本发明的技术方案的有益效果是：采集微动勘探的振动数据，振动数据为三维数据，包括采集振动数据的横坐标、纵坐标以及振动数值，根据每个振动数据与其他振动数据的坐标位置关系，获得每个振动数据的走向特征维度，有助于识别地下河的走向趋势，从而为后续的分析提供基础；对所有振动数据和振动数据的走向特征维度进行降维，获得振动数据的主成分方向，有助于减少振动数据的复杂度和维度，同时保留振动数据中的主要信息；以所有振动数据的走向特征与横纵坐标为坐标轴构建第一空间，以所有振动数据的振动数值与横纵坐标为坐标轴构建第二空间，根据主成分方向在第一空间和第二空间中的投影与每个振动数据的欧式距离，获得每个振动数据的偏向距离，根据每个振动数据的偏向距离进行聚类，获得需要平滑增强的振动数据，识别出需要平滑增强的振动数据，从而减小细小波动对地下河走向分析的干扰；将主成分方向投影到横纵坐标平面，得到地下河走向，将需要平滑增强的振动数据沿地下河走向方向进行平滑增强获得平滑振动数据，有助于减少振动数据中的噪音和干扰，使得地下河走向更加清晰和准确；利用平滑振动数据进行地下河走向分析获得地下河走向图，本发明旨在减小微动勘测获得的勘测数据呈现的细小波动对地下河走向产生的干扰，提高勘探的效率和准确性。