Pamukkale Univ Muh Bilim Derg. 2016; 22(6): 563-580 | DOI: 10.5505/pajes.2015.81904

Metaheuristics in applied geophysics

Gökhan Göktürkler¹, Çaðlayan Balkaya², Yunus Levent Ekinci³, Seçil Turan^1
1Department Of Geophysical Engineering, Dokuz Eylul University, Izmir, Turkey
²Department Of Geophysical Engineering, Suleyman Demirel University, Isparta, Turkey
³Department Of Archaeology, Bitlis Eren University, Bitlis, Turkey

In this study, four metaheuristic algorithms including particle swarm optimization (PSO), genetic algorithm (GA), differential evolution (DE) and simulated annealing (SA) were used for one-, two- and three-dimensional (1D, 2D and 3D) geophysical inverse problems. Theoretical and/or field data sets obtained by self-potential (SP), direct current resistivity (DCR), magnetic and crosshole radar applications were interpreted by one of the above-mentioned metaheuristics. PSO was used to determine model parameters (i.e., the electric dipole moment, polarization angle, depth, shape factor and origin of the anomaly) of SP anomalies which are both synthetically generated and measured over a graphite deposit in the southern Bavarian woods, Germany. A real-valued GA was used for estimating the parameters of a horizontally-layered earth model (i.e., resistivity and thickness of each layer) from vertical electrical sounding curves via the data sets based on both theoretical and a field experiment in a karstic environment in Bozdað, Ýzmir (Turkey). A synthetic crosshole radar data set was considered for 2D imaging of the subsurface radar velocity distribution by a hybrid approach based on sequential use of SA and a linearized smoothness-constrained least-squares scheme, and DE algorithm was applied for a 3D inversion of a synthetically produced total field magnetic anomaly map. User-defined parameters required by each metaheuristic algorithm were determined by test studies considering the problems studied. Confidences in the results obtained by the metaheuristics were also examined by various uncertainty and statistical analyses. Since the metaheuristics used here produced satisfactory results for estimating the model parameters of a variety of the geophysical problems, it can be concluded that these algorithms can be applied to low- and relatively high-dimensional geophysical data.

Keywords: Metaheuristic, Particle swarm optimization, Genetic algorithm, Differential evolution, Simulated annealing, Applied geophysics

---

Uygulamalý jeofizikte metasezgiseller

Gökhan Göktürkler¹, Çaðlayan Balkaya², Yunus Levent Ekinci³, Seçil Turan^1
1Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Jeofizik Mühendisliði Bölümü, Ýzmir
²Süleyman Demirel Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Jeofizik Mühendisliði Bölümü, Isparta
³Bitlis Eren Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi, Arkeoloji Bölümü, Bitlis

Bu çalýþmada, parçacýk sürü optimizasyonu (PSO), genetik algoritma (GA), farksal evrim (FE) ve yapay ýsýl iþlem (YIÝ) algoritmalarýný kapsayan dört metasezgisel algoritma jeofiziðin bir, iki ve üç boyutlu (1B, 2B ve 3B) ters çözüm problemlerinde kullanýlmýþtýr. Doðal uçlaþma (DU), doðru akým özdirenç (DAÖ), manyetik ve karþýlýklý kuyu yer radarý uygulamalarýndan elde edilen kuramsal ve/veya alan veri kümeleri yukarýda deðinilen metasezgisellerden biriyle deðerlendirilmiþtir. PSO, hem sentetik olarak üretilen hem de Güney Bavyera’da (Almanya) bir grafit yataðýnda ölçülen DU anomalilerinin model parametrelerinin (elektrik dipol moment, uçlaþma açýsý, derinlik, biçim faktörü ve anomali orijini) belirlenmesinde kullanýlmýþtýr. Gerçel deðer kodlamalý GA, hem kuramsal hem de Bozdað, Ýzmir’de (Türkiye) karstik bir ortamda toplanan düþey elektrik sondajý veri kümelerinden yatay tabakalý yer modelinin parametrelerini (tabaka özdirenç ve kalýnlýklarýný) kestirmek için kullanýlmýþtýr. Sentetik bir karþýlýklý kuyu yer radarý verisinden 2B’lu yeraltý radar hýz daðýlýmýnýn görüntülenmesi amacýyla YIÝ ve yuvarlatma kýsýtlý doðrusallaþtýrýlmýþ en küçük kareler yönteminin ardýþýk kullanýlmasýna dayanan melez bir yaklaþým uygulanýrken; FE algoritmasý kuramsal olarak üretilen bir toplam alan manyetik anomali haritasýnýn 3B’lu ters çözümünde kullanýlmýþtýr. Her bir metasezgisel algoritmanýn gerek duyduðu kullanýcý tanýmlý parametreler incelenen problemler dikkate alýnarak test çalýþmalarýyla belirlenmiþtir. Ayrýca, metasezgiseller tarafýndan elde edilen sonuçlarýn güvenilirlikleri çeþitli istatistiksel ve belirsizlik analizleriyle araþtýrýlmýþtýr. Burada kullanýlan metasezgisellerin çeþitli jeofizik problemlerin model parametrelerinin kestiriminde baþarýlý sonuçlar üretmesi bu algoritmalarýn, jeofiziðin küçük ve görece büyük boyutlu veri kümelerine uygulanabilirliðini göstermiþtir.

Anahtar Kelimeler: Metasezgisel, Parçacýk sürü optimizasyonu, Genetik algoritma, Farksal evrim, Yapay ýsýl iþlem, Uygulamalý jeofizik

---