Yatay halka elektromanyetik (YHEM) verisinden farksal arama algoritması kullanarak parametre kestirimi
Parameter estimation by differential search algorithm from horizontal loop electromagnetic (HLEM) data
Yazar: HİLAL ALKAN
Danışman: DOÇ. DR. ÇAĞLAYAN BALKAYA
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Jeofizik Mühendisliği = Geophysics Engineering

Özet:
Doğadan esinlenilen ve sürü zekâsı yaklaşımını temel alan algoritmalar jeofizikte doğrusal olmayan optimizasyon (eniyileme) problemlerini çözmek için en yaygın kullanılan metasezgiseller arasındadır. Brown benzeri bir rastgele yürüyüş hareketini kullanarak süper organizmaların göçünden esinlenen Farksal Arama (FA) algoritması gerçel değerli sayısal eniyileme problemlerini çözmek için yakın zamanda önerilen metasezgisel yöntemlerden biridir. Bu çalışmada, ince eğimli iletkenler üzerinde elde edilen yatay halka elektromanyetik (YHEM) verisinden parametre kestirimi için FA algoritmasının bir uygulaması sunulmuştur. İletkenin derinliği, eğim açısı ve yüzeydeki izdüşümü genel olarak Slingram ismiyle bilinen bir YHEM belirtisinden kestirilen model parametreleridir. 
Algoritmanın uygulanabilirliği ve doğruluğu ilk olarak gürültüsüz ve gürültü içeren iki kuramsal veri kümesi üzerinde test edilmiştir. İletken bir yapının neden olduğu anomaliler için çözümün yakınsama karakteristiğini etkileyen algoritmanın iki kontrol parametresi ayrıca araştırılmıştır. Belirlenen kontrol parametreleri, FA'nın bilimsel uygulamalarında yaygın olarak kullanılan parametre çiftlerine kıyasla daha başarılı istatistiksel sonuçlar üretmiştir. Daha sonra, Kuzey Avustralya'da eğimli grafitik şeyller üzerinde ölçülen iki alan anomalisi değerlendirilmiş ve algoritma, önceki çalışmaların ve sondaj bilgilerininki ile oldukça uyumlu derinlik kestirimleri sağlamıştır. Kestirilen parametreler topluluk tabanlı bir metasezgisel olan parçacık sürü optimizasyonu uygulamasından elde edilenler ile de karşılaştırılmıştır. Hem kuramsal hem de alan çalışmalarından elde edilen sonuçlar, kestirilen parametrelerin doğruluğunu temsil eden güven aralıklarının belirlenmesi amacıyla normal dağılım için olasılık yoğunluk fonksiyonları hesaplanarak ayrıca istatistiksel olarak analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar FA algoritmasının uygulamalı jeofiziğin görece küçük boyutlu ters problemleri için de etkili ve umut verici bir metasezgisel olduğunu göstermiştir. 
Ayrıca bu tez çalışması kapsamında, bir YHEM anomalisinin değerlendirilmesi için etkili bir evirtim aracı sunulmuştur. MATLAB tabanlı yazılımın (hlem_global) algoritmik yapısının esnek ve kullanımının kolay olması nedeniyle, araştırmacılar, geliştirilen yazılımın içeriğine aşina olduktan sonra, çeşitli amaç fonksiyonları, düz çözüm bağıntıları ve metasezgisellerle kendi amaçları doğrultusunda yazılımı kolayca değiştirebilir ve genişletebilir. Hlem_global, üretilen öğretici grafiksel ve video çıktıları yoluyla bir metasezgiselin temel özelliklerini daha iyi açıklamak ve sunmak için etkili bir eğitim aracı olarak ta kullanılabilir.

Abstract:
Nature-inspired and swarm-intelligence-based algorithms are among the most widely used metaheuristics for solving nonlinear optimization problems in geophysics. Differential Search (DS) algorithm inspired by migration of super-organisms by using the concept of Brownian-like random-walk motion is one of the recently proposed metaheuristic optimization algorithms to solve real-valued numerical optimization problems. In this study, an implementation of DS algorithm is presented for parameter estimation from horizontal loop electromagnetic (HLEM) data obtained over thin dipping conductors. The depth, dip angle and the horizontal distance of the conductors are the estimated model parameters of an HLEM anomaly, which is commonly known as Slingram. 
Accuracy and applicability of the algorithm were firstly tested on a synthetic data with and without noise. Two control parameters of the algorithm affecting the convergence characteristic of the solution have been also investigated for the anomalies caused by a conductive body. Tuned control parameters yielded more successful statistical results compared to broadly used parameter couples in scientific applications of DSA. Two field anomalies measured over a dipping graphitic shale from Northern Australia have been then considered, and the algorithm provided the depth estimates being in good agreement with those of previous studies and drilling information. The estimated parameters were compared with those obtained from particle swarm optimization, which is a population-based metaheuristic. The results obtained from both synthetic and field studies have been also analyzed statistically by computing probability density function (PDF) for the normal distribution to obtain confidence intervals representing the accuracy of estimated parameters. Based on the results, we can conclude that DS algorithm is also an effective and promising metaheuristic for the other relatively low-dimensional inverse problems of applied geophysics. 
Within the scope of this thesis study, it was also presented an effective inversion tool for interpretation of HLEM anomaly. Since the algorithmic structure of MATLAB-based scheme developed (hlem_global) is easy to use and flexible, researchers after being familiar with its content can easily modify and expand it via using various objective functions, forward formulations, and metaheuristics for their own purposes. Furthermore, Hlem_global can be used as an effective educational tool to better explain and present the main characteristics of a metaheuristic via produced instructive graphical and movie outputs.