短偏移距瞬变电磁法（SOTEM）是由中国科学院地质与地球物理研究所研究人员发明的电磁探测新方法，以其精度高、深度大、效率高等优势，已成为2 km深度以浅矿产资源、工程环境、清洁能源勘查的重要方法之一。该方法在近源情况下进行观测，具有数据量大、信息多、处理难的特点。

模型驱动反演算法严重依赖于初始模型，主观性强，很容易陷入局部最优解，精度受限；数据驱动反演算法虽不依赖于初始模型，但物理机制不清晰，计算成本高，速度受限。薛国强研究员团队提出了一种基于模型驱动和数据驱动的混合算法，通过参数优化、驱动升级和混合加速三个步骤，实现速度与精度兼顾的反演。相较于传统算法，他们提出的混合算法计算效率可提升75%，且目标体的边界刻画更为清晰准确。

首先采用等级状拓扑结构和概率密度函数重新定义精英粒子（公式1），提升粒子寻优能力，实现驱动升级；然后将三维反演中常用的拟牛顿算法作为粒子群算法的加速器，实现反演效率加速。

                （1）

引入加权策略（公式2）和飞行策略（公式3）作为混合策略。加权策略定义了新的混合算法的模型更新公式，实现两种算法间的融合可以更好地兼顾速度和精度；飞行策略提升了混合算法中个体粒子的跃迁能力，同时反演计算时间成本大幅压缩。

              （2）

        （3）

大量数值模拟结果表明，相较于传统粒子群算法和拟牛顿算法，他们提出的混合算法对数据量的依赖性下降到三分之二，计算时间压缩到原来的三分之一（图1），且具有抗噪能力强（图2）、稳定性好和分辨率高（图3）等优点。

图1 不同算法寻优路径对比。(a) 拟牛顿算法； (b) 粒子群算法；(c) 未优化混合算；(d) 本文提出的混合算法。图中虚线代表寻优路径

图2 不同噪声水平下的反演结果

图3 拟牛顿反演算法(a)与粒子群-拟牛顿混合算法(b)反演结果对比

他们将该混合算法应用于内蒙古某煤矿采空区SOTEM探测数据的反演。利用自研装备系统（图4a）共完成11条SOTEM测线，线距为20 m，点距为10 m，发射源长度为500 m，最小偏移距为310 m（图4b）。利用混合算法对整个数据体进行反演，获得了测区500 m深度范围内的三维电性结构（图5a），并发现了区内存在的含水采空区（图5b）。三维反演结果揭示的地层分布与钻孔结果基本吻合，验证了混合算法的准确性和实用性。

图4 内蒙古某煤矿SOTEM数据采集。（a）自研探测装备；（b）收发布置图

图5 混合算法三维反演结果（a）三维电性结构（b）典型剖面钻孔对比情况

该研究提出的混合算法，不需要计算灵敏度矩阵，保证了反演进程的稳定性。其中数据驱动算法（粒子群算法）的全局寻优能力能够保证反演精度，模型驱动算法（拟牛顿算法）的超线性收敛特征能够保证反演速度。这一成果可为SOTEM数据的高精度反演解释提供有力的技术手段。

研究成果发表于国际学术期刊IEEE TGRS（薛国强,何一鸣,陈卫营,武欣,宋婉婷. 3-D inversion based on the particle swarm optimization-quasi-newton hybrid algorithm for SOTEM[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2023, 61, 5905811. DOI: 10.1109/TGRS.2023.3259146）。研究得到了国家自然科学基金项目(42030106, 42274192)、第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK0804)、中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目(IGGCAS-201901)和中国科学院科研仪器设备研制项目 (YJKYYQ20190004)的共同资助。