시간 영역 파동 전파 모델링을 이용한 라플라스-푸리에 영역 탄성파 완전 파형 역산

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 에너지시스템공학부, 2014. 2. 신창수.육상 탄성파 탐사 자료를 통해 음향파 완전 파형 역산을 이용하여 지하 구조에 대한 정보를 얻기 위해서는 그라운드 롤과 모드 변환 파들과 같은 탄성파의 영향을 억제 해야 한다. 많은 전 처리를 통해 탄성파의 영향을 억제 하는 과정 중에 음향파에 대한 변형 또한 피할 수 없다. 게다가 실체파와 표면파를 완전히 분리 해내는 것은 거의 불가능에 가깝다. 이러한 이유로 실제 파형과 더 유사한 파를 만들어 내기 위해 모델링 단계에서 두 종류의 파를 모두 만들어낼 필요가 있다. 따라서 정확한 완전 파형 역산을 위해서는 탄성파동방정식을 이용한 탄성파 완전 파형 역산이 필수적이다. 또한 탄성파 완전 파형 역산은 P파 속도뿐만 아니라 S파 속도와 밀도 정보도 함께 역산 할 수 있어서 음향파 완전 파형 역산보다 더 많은 지질학적인 정보를 제공해 줄 수 있다. 시간 영역 모델링을 이용한 라플라스-푸리에 영역 완전 파형 역산은 시간 영역 파동 전파 모델링과 라플라스-푸리에 영역 완전 파형 역산을 결합한 알고리즘이다. 정 전파 파동장과 역 전파 파동장을 시간 영역에서 얻기 위하여 엇격자 유한 차분법이 사용되었다. 탐사 자료와 모델링 자료간의 잔차, 가상 송신원, 헤시안 그리고 구배도는 라플라스-푸리에 영역에서 계산 되었다. 우리는 시간 영역 파동 전파 모델링으로 정 전파 및 역 전파 파동장을 구하였는데 이는 시간 영역의 파동장을 라플라스-푸리에 영역 파동장에 비해 더 직관적으로 다룰 수 있어서일 뿐 아니라 행렬 솔버를 이용하지 않고 효율적인 모델링을 할 수 있어서 이다. 최적화 과정은 라플라스-푸리에 영역에서 진행되었는데 왜냐하면 라플라스-푸리에 영역 완전 파형 역산은 저주파 성분이 부족한 실제 현장 자료에 적용이 가능하기 때문이다. 이 연구를 통해 제안된 알고리즘을 검증하기 위해서 인공 합성자료와 실제 탐사 자료에 대해 수치 실험을 진행하였다. 인공 합성자료로는 모델 94 육상 자료를 사용 하였고 실제 자료로는 벤자민 크릭 육상 탐사 자료를 사용 하였다.To obtain subsurface information from onshore seismic exploration data using full waveform inversion (FWI) based on the acoustic wave equation, elastic waves, such as ground rolls and mode-converted waves, should be suppressed through heavy preprocessing. However, the preprocessing deforms not only the elastic waves but also the acoustic waves. Moreover, it is not easy to separate body waves and surface waves in seismic traces. For these reasons, in the modeling step, we need to generate both types of waves to obtain more similar seismic waves to the real seismic waves. Therefore, elastic full waveform inversion using elastic wave equation is necessary for more accurate full waveform inversion. In addition, elastic full waveform inversion can give better geological information than acoustic full waveform inversion because it inverts P-wave velocity, S-wave velocity and density. Laplace-Fourier domain FWI using time-domain modeling combines time-domain wave propagation modeling and Laplace-Fourier-domain FWI. To obtain forward wavefield and adjoint wavefield in the time domain, we implemented staggered grid finite difference method. The residuals between the recorded and modeled data, virtual sources, hessian matrices and gradient directions were calculated in the Laplace-Fourier domain. We used time domain wave propagation modeling for the forward and adjoint wavefield because it is more intuitive to treat the wavefield in the time domain than in the Laplace-Fourier domain. Moreover, time domain wave propagation modeling using staggered grid finite difference method does not need matrix solver which is necessary for the conventional Laplace-Fourier domain FWI. The optimization procedure is conducted in the Laplace-Fourier domain because Laplace-Fourier-domain FWI can be applied to real seismic data, which lacks low-frequency components. To validate our proposed algorithm, we performed numerical tests with synthetic data and real exploration data. We applied the algorithm to Model 94 synthetic onshore data and Benjamin Creek real onshore data.Abstract..........................................................................................................1 Chapter 1 Introduction .............................................................................1 Chapter 2 Theory.......................................................................................7 2.1 Time domain wave propagation modeling....................................7 2.2 Wavefield in the Laplace-Fourier domain.....................................9 2.3 Full waveform inversion in the Laplace-Fourier domain............10 2.4 The construction of the virtual source vectors ............................13 2.5 Update model parameters with the pseudo-Hessian ...................15 2.6 Algorithm of the Laplace-Fourier domain FWI using time domain modeling...................................................................................17 Chapter 3 Numerical Examples .............................................................19 3.1 Comparison of the memory and time..........................................19 3.2 Synthetic data FWI Example ......................................................23 3.2.1 Model 94 synthetic onshore data.............................................23 3.2.2 Laplace-Fourier domain FWI ..................................................25 3.3 Field data FWI Example .............................................................36 3.3.1 Benjamin Creek field onshore data .........................................36 3.3.2 Laplace-Fourier domain FWI ..................................................38 Chapter 4 Conclusions ............................................................................48 Chapter 5 References ..............................................................................50Maste

source-independent frequency-domain acoustic full waveform inversion using time-domain modeling

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 에너지시스템공학부, 2017. 2. 신창수.완전 파형 역산은 지하 매질의 물성 값을 계산하는 방법으로 관측 파동장과 수치 파동장 사이의 차이를 줄여나가는 방향으로 지하 매질의 물성 값을 업데이트 한다. 관측 파동장은 탄성파 탐사를 통해 얻은 탄성파 탐사자료로 지하 매질의 임피던스와 탐사에 사용한 송신 파형간의 콘볼루션을 통해 획득된다. 수치 파동장은 파동 방정식에 기반을 둔 파동 전파 모델링을 통해 계산되는데 이 때 실제 탐사에 사용한 송신 파형과 동일한 크기와 형태의 송신 파형이 있어야 정확한 수치 파동장을 구할 수 있다. 실제 탐사에 사용한 송신 파형을 얻기 위해서 송신 파형 역산 기법이 널리 사용되었으나 몇 가지 한계점이 존재한다. 본 연구에서는 송신 파형의 정보 없이도 완전 파형 역산을 수행 할 수 있는 송신 파형 독립 완전 파형 역산 기법을 제안한다. 송신 파형 독립 완전 파형 역산은 크게 디콘볼루션 기반과 콘볼루션 기반으로 나눌 수 있으며 본 연구에서는 각 송신 파형 독립 완전 파형 역산의 특성을 비교하였다. 송신 파형 독립 완전 파형 역산에서 가장 중요한 것은 참조 트레이스의 선택 방법이므로 참조 트레이스 선택 방법을 변경시켜가며 어떠한 참조 트레이스 선택 방법이 가장 적절한 방법인지 제안하였다. 또한 기존의 송신 파형 독립 완전 파형 역산을 현장 자료에 적용할 때 발생하였던 문제점을 극복하기 위해서 시간 창을 적용한 송신 파형 독립 완전 파형 역산을 제안하였다. 기존 주파수 영역 완전 파형 역산에는 시간 창을 적용하기가 쉽지 않기 때문에 시간 영역 모델링을 이용한 주파수 영역 완전 파형 역산에 시간 창을 적용하여 현장 자료에 대한 적용성을 높이고자 하였다. 제안된 알고리즘을 검증하기 위해서 Marmousi 인공 합성 자료에 대해 잡음이 없는 환경과 있는 환경에서 음향파 완전 파형 역산을 이용하여 수치 실험을 진행하였다. 디콘볼루션 기반과 콘볼루션 기반의 송신 파형 독립 완전 파형 역산에 대해 각각 실험을 진행하였고 참조 트레이스의 선택 방법과 시간 창의 길이를 변경하면서 결과를 비교하였다. 현장 자료에 대한 적용성을 검증하기 위해서 멕시코만(Gulf of Mexico) 현장 자료에 송신 파형 독립 완전 파형 역산을 적용하였고 속도 모델을 성공적으로 도출하였다. 역산된 속도 모델은 구조보정, 공통 이미지 모음, 공통 송신원 모음의 비교를 통해 검증되었다. 수치 예제를 통해 송신원 주변 적은 수의 트레이스를 이용하여 참조 트레이스를 구성하고 직접파만 포함 하도록 시간 창을 적용한 콘볼루션 기반의 송신 파형 독립 완전 파형 역산이 실제 자료에 가장 적합한 방법임을 보였다.제 1 장 서 론 1 1.1 연구의 배경 1 1.2 연구의 목적 7 1.3 연구의 구성 9 제 2 장 주파수 영역 완전 파형 역산 10 2.1 주파수 영역 완전 파형 역산 알고리즘 10 2.2 시간 영역 모델링을 이용한 주파수 영역 완전 파형 역산 14 2.3 L-BFGS를 이용한 최적화 18 2.4 반복적 송신 파형 역산 23 2.4.1 반복적 송신 파형 역산 이론 23 2.4.2 반복적 송신 파형 역산의 문제점 26 제 3 장 송신 파형 독립 완전 파형 역산 35 3.1 디콘볼루션 방법 35 3.1.1 디콘볼루션 방법을 이용한 파동장 35 3.1.2 디콘볼루션 방법을 이용한 완전 파형 역산 41 3.2 콘볼루션 방법 44 3.2.1 콘볼루션 방법을 이용한 파동장 44 3.2.2 콘볼루션 방법을 이용한 완전 파형 역산 50 3.3 참조 트레이스 선택 53 3.4 시간 창을 이용한 참조 트레이스 67 제 4 장 인공 합성 자료 수치 예제 77 4.1 완전 파형 역산을 위한 준비 77 4.2 Marmoursi 인공 합성 자료 80 4.3 잡음을 포함한 Marmoursi 인공 합성 자료 95 4.3.1 가우스 무작위 잡음 97 4.3.2 가우스 무작위 잡음과 스파이크 잡음 108 4.4 해양 환경에서 스트리머를 이용한 Marmoursi 인공 합성 자료 121 제 5 장 현장 자료 수치 예제 131 5.1 완전 파형 역산을 위한 준비 131 5.2 멕시코만 현장 자료 136 제 6 장 결 론 165 참고문헌 169Docto

Application of transdimensional Markov chain Monte Carlo inversion to seismic oceanography study

The information of the sea water structure and physical properties is essential to analyze the oceanographic feature of the sea water. However, observing the detail feature of the complex water structure by using conventional physical oceanographic instruments is difficult because of the low horizontal resolution. The Seismic Oceanography (SO) is a method to obtain the location of the water layer boundaries and/or the physical properties of water by using seismic exploration. The SO can generate the information with high horizontal resolution because the horizontal resolution of the seismic data is usually below 10 m. However, it is difficult to calculate the properties of sea water by using the conventional seismic inversion methods. In this study, we apply transdimensional Markov chain Monte Carlo (McMC) inversion method to invert the location of water layer boundaries and sound speed of sea water simultaneously. The transdimensional McMC inversion assumes both the location of water layer boundary and the properties of sea water as inversion parameters and performs stochastic inversion, thus it can overcome the local minima problem. Moreover, it is less influenced by the problems from the insufficient low frequency information and the limitation of the offset range because it uses the post-stack data instead of the pre-stack data. We apply transdimensional McMC inversion to the field seismic data and invert the lay1

Evaluating Accuracy of Algorithms Providing Subsurface Properties Using Full-Reference Image Quality Assessment

탄성파 탐사는 속도와 밀도 같은 지하 매질 물성 정보를 파악하고 지하 지층 구조를 영상화 할 수 있으며, 이를 위한 다양한 알고리즘 개발이 이루어지고 있다. 이러한 알고리즘의 성능 검증을 위해 다양한 기준 모델이 사용되며, 정확도의 경우 참 물성 데이터와의 평균 제곱근 오차(Root Mean Squre Error, RMSE)를 통해 정량적으로 평가할 수 있다. RMSE는 수치적으로 단순하다는 장점이 있지만 구조적인 품질과의 상관도가 높지 않다는 한계가 있다. 이러한 한계를 보완하기 위해 인간지각시스템을 반영한 FR-IQA (Full Reference Image Quality Assessment) 기법이 연구되고 있으며, 지하 물성 정보 데이터를 다룰 수 있는 FR-IQA 기법들을 선정하였다. 본 연구는 물성 정보 도출 알고리즘으로 완전 파형 역산을 선정하여 세 가지 기준 모델에서 수치예제 실험을 진행하였으며, 선정 된 FR-IQA 기법들을 이용하여 물성정보 도출 알고리즘 정확성 평가를 수행하였다. 주요 구조 정확성 평가 시 암염모델 하부 구조의 경우 구조적으로 좋지 않음을 육안으로확인할 수 있었으나 RMSE 값은 감소하며 결과의 부정확성을 표출하지 못하였다. 반면, 몇몇 FR-IQA의 경우 결과의 부정확성을 수치적으로 표출하는 것을 확인하였다. Subsurface physical properties can be obtained and imaged by seismic exploration, and various algorithms have been developed for this purpose. In this regard, root mean square error (RMSE) has been widely used to quantitatively evaluate the accuracy of the developed algorithms. Although RMSE has the advantage of being numerically simple, it has limitations in assessing structural similarity. To supplement this, full-reference image quality assessment (FR-IQA) techniques, which reflect the human visual system, are being investigated. Therefore, we selected six FR-IQA techniques that could evaluate the obtained physical properties. In this paper, we used the full-waveform inversion, because the algorithm can provide the physical properties. The inversion results were applied to the six selected FR-IQA techniques using three benchmark models. Using salt models, it was confirmed that the inversion results were not satisfactory in some aspects, but the value of RMSE decreased. On the other hand, some FR-IQA techniques could definitely improve the evaluation.22Nkc

Development of an velocity inversion algorithm for imaging high-resolution velocity structure from marine seismic data

한국해양과학기술

Velocity model building using semi-supervised transfer learning

탄성파 자료 처리를 통해 정확한 지하 매질의 속도 정보를 얻는 것은 지하 구조를 파악하는데 있어서 가장 중요한 절차 중 하나이다. 따라서 지하 속도 구조 도출을 위해 많은 연구가 이루어지고 있으며 최근에는 머신러닝을 이용한 지하 속도 구조 도출 연구가 다양한 방법으로 수행되고 있다. 머신러닝은 크게 정답 있는 자료 (labeled data) 가 필요한 지도학습과 정답이 없는 자료 (unlabeled data) 를 활용하는 비 지도학습으로 나눌 수 있으며 속도 구조 도출을 위해서 현재까지는 주로 지도학습이 활용되었다. 지도학습에는 정답이 있는 학습 자료가 필수적이나 기존에 존재하는 탄성파 자료를 통해 정답이 있는 학습 자료를 생성하기 위해서는 많은 시간과 비용이 필요하므로 충분한 양의 정답이 있는 학습 자료를 확보하기 어려운 경우가 많다. 이러한 문제를 극복하기 위해서 정답이 있는 학습 자료와 정답이 없는 학습 자료를 동시에 활용하는 준 지도 학습이라는 방법이 제안되었으며 본 연구에서도 제한된 양의 정답 자료를 활용하여 효율적으로 속도 구조를 도출하기 위해 준 지도 학습중 가장 간단한 형태인 오토 라벨링 (auto labeling) 기법을 활용하였다. 오토 라벨링은 한정된 정답자료로부터 유사 정답 자료를 (pseudo-labeled data) 를 생산하여 학습 자료의 양을 늘리는 방법이다. 이는 적은 양의 정답 자료만으로 학습을 수행할 수 있다는 장점이 있으나 초기 라벨링 결과에 포함된 오류가 학습에 치명적인 영향을 줄 수 있다는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 준 지도 학습과 전이 학습을 함께 반복적으로 사용하여 유사 정답 자료로 인해 발생할 수 있는 결과의 편향을 보정하고자 하였다. 제안된 방법은 수치예제를 통해 검증되었으며 수치 예제 결과는 제안된 방법이 제한된 양의 정답 자료를 이용하여도 효율적으로 속도 구조를 도출할 수 있음을 보였다.2

A comparison of Convolutional neural networks for dividing seismic sequences

머신 러닝 기술은 탄성파탐사 분야로 그 적용 범위를 확장하고 있다. 탄성파 해석에서 중요한 탄성파 층서 구분에 머신 러닝의 적용 가능성을 알아보았다. 이미지 분야에 탁월한 결과를 보여온 합성곱 신경망 기법 중 4가지 모델을 네덜란드 F3 block에 적용시켰다. 4가지 모델은 ResNet34 모델, 인코더-디코더 형태를 가지는 U-Net, Residual U-Net, FD U-Net이다. 예측된 이미지의 정성적 분석 수행 후 정량적 분석을 위해 pixel accuracy, mean class accuracy, mean intersection over union, frequency weighted IU의 수식을 활용하였다. 본 연구의 분석 결과 ResNet34의 정확도 결과가 가장 낮았고, 인코더-디코더 형태를 가지는 모델들이 높은 정확도를 보여주었다. 그리고 계산에 필요한 파라미터수와 학습시간을 고려 할 때 U-Net이 가장 효율적임을 확인할 수 있었다.22Nkc

Styles of an isolated, latest Quaternary slope-failure system revealed from sedimentary features of downslope mass-transport deposits in the western margin of Ulleung Basin, East Sea (Japn Sea)

Submarine slope failures is one of the important geological elements for development of continental-margin sequences and generation of geohazards. Important information on slope failures such as their ages, triggering causes, processes, etc. can be revealed from features of both slope failures and downslope associated masstransport deposits (MTDs). In the western margin of the Ulleung Basin, an isolated, latest Quaternary slopefailure system (ca. 13 km x 9 km in area), consisting of arcuate failure scars with head scarps (up to ca. 50 m high), occurs on the present upper to middle slopes, and connects downslope to a gully. Within the slope-failure system, small-scale, elongated failure scars and scarps are present below the head scarps. Just downslope of the gully, fan-shaped bodies of MTDs have been deposited at the base-of-slope. The fan-shaped bodies of MTDs are acoustically transparent or chaotic, and separated by intervals of stratified reflectors on subbottom profiles. The uppermost body of MTDs is 101