Strata-Diff：基于生成式和不确定性感知的稀疏钻孔地下信息表示

《Advanced Engineering Informatics》：Strata-Diff: generative and uncertainty-aware subsurface information representation from sparse boreholes

　　摘要
稀疏钻孔数据仅能提供地下表征的局部约束，使得在许多岩土工程和地下工程应用中，地层信息的表示成为一个欠定问题。本研究提出了Strata-Diff，一种条件扩散框架，用于从稀疏钻孔观测中生成具有不确定性感知的地下信息表示。Strata-Diff并非仅生成单一的最佳拟合地层剖面，而是通过整合钻孔条件约束、距离感知引导、辅助结构监督和多阶段先验学习，在相同观测约束下对多个合理的地下状态进行采样。该框架在三种代表性工程场景中进行了评估，包括局部夹层、尖灭几何和褶皱地层，并与克里金法、马尔可夫型随机空间模型以及BiLSTM进行了比较。结果表明，Strata-Diff提高了重建精度，并更好地保留了复杂的地层结构。更重要的是，其生成的集合和辅助结构响应有助于诊断弱约束区域，并评估补充钻孔的信息价值。所提出的框架为稀疏场地勘察数据提供了一种生成式地下信息建模方法，支持工程解释、针对性信息采集以及未来地下信息更新。

引言
地下信息表示是工程地质学和地下工程中的一项基础任务，需要可靠的地质模型来支持场地表征、设计评估以及在不确定地下条件下的风险解释[1]、[2]。基于钻孔的插值、多源地质建模和数据驱动方法已被广泛用于从有限的场地观测中构建地层信息[3]、[4]。然而，复杂的地层环境，如薄层、局部夹层、褶皱界面、尖灭边界或其他非均质结构，在钻孔数据稀疏且空间不连续的情况下仍难以表征[5]、[6]。在这种环境中，钻孔之间的地下结构可能仅受到弱约束，而确定性或基于插值的方法可能会对突变的界面、不连续的接触或局部非均质性产生过度平滑的表示[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。这种稀疏直接观测与对可靠地下信息需求之间的不匹配，凸显了对能够推断地质上合理的地层架构、保留局部结构非均质性，并指示当前地下表示仍处于弱约束状态的方法的需求。

传统地层建模长期以来为工程地质学中的地下结构表示提供了主要技术基础，包括钻孔解释、剖面相关性分析、空间插值以及显式或隐式三维地质建模[1]、[2]、[3]。当地下条件相对规则且场地勘察提供足够密集的观测时，这些方法在工程应用中仍然实用且可解释。然而，工程地质场地通常涉及非平稳的地质特征，如断层、尖灭边界、夹层或侵蚀截断，在这些情况下，稀疏钻孔数据不足以约束地下结构的几何形态[4]、[5]、[6]。基于插值和确定性的建模方法通常依赖于空间连续性假设、预定义的结构规则或先前的地质解释。因此，在有限观测下，它们可能对突变的界面、不连续的接触和局部非均质性产生过度平滑的表示[7]、[8]、[9]。保留这些复杂结构通常需要大量的人工干预、辅助剖面或专家引导的结构约束[10]、[11]、[12]。因此，尽管传统建模框架在许多实际场景中仍然有价值，但当它们被期望为稀疏钻孔地下表征提供可靠且可更新的地下信息层时，其局限性变得越来越明显。

近期研究试图通过三条主要途径改进有限场地数据的地下信息表示：引入数据驱动或概率建模策略[13]、[14]、[15]，将地质、拓扑、物理或多源信息纳入建模过程[16]、[17]、[18]，以及知识驱动的改进方法，以提高稀疏岩土观测的有效利用，包括在有限场地数据下的土壤相关建模和空间变异性表征[19]、[20]。在概率地层建模中，最近的连续变量方法将分类钻孔观测转化为连续的隐式或基于特征的表示，以支持复杂地层结构的空间推断[21]、[22]。这些进展在许多情况下提高了地下信息层的合理性和准确性，特别是当额外信息可用、可靠且能以可用形式表示时。然而，它们并未消除一个更根本的困难。在稀疏钻孔约束下，地下信息层并非完全由可用观测决定[23]。多种地层架构可能符合相同的钻孔数据，同时在地质上仍可接受。因此，主要旨在提供一种优选地下表示的方法，可能仍无法完整描述地下状态。对于工程地下信息建模，这一限制尤为重要，因为替代的地下状态可能导致对施工可行性、力学响应、地下水控制和地质风险的不同解释[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。因此，更合适的表述应超越单一精细表示，描述在可用数据约束下的一组合理地下状态[29]。

一旦认识到地下信息层仅受稀疏钻孔观测的部分约束，生成建模便提供了一种超越传统确定性预测的自然途径[30]、[31]。近期研究已开始探索用于地下建模的概率和生成框架，表明复杂地质结构可以以条件或分布方式表示，而非仅作为固定输出[32]、[33]。在此背景下，扩散模型尤为合适，因为它们通过迭代去噪学习数据分布，并能在不完整观测下支持条件生成[34]、[35]、[36]、[37]。近期在地下生成、地震重建和反问题中的应用进一步表明了它们在地质和工程建模中的潜力[38]、[39]、[40]。对于基于稀疏钻孔的地下表示，这提供了一种平衡两个实际需求的有用方法：尊重观测到的钻孔数据，同时保留未观测区域的结构变异性。在此基础上，基于扩散的条件生成可被视为在有限场地观测下构建生成式地下信息表示的合适框架[32]、[41]。

同时，生成视角为支持稀疏观测下地下信息模型的诊断和更新提供了一条实用途径[42]、[43]。从工程信息学的角度来看，这种更新不仅仅是额外地质数据的积累，而是随着场地勘察或施工过程中新观测的获得而对地下表示进行的修正[44]。因此，与不确定性相关的信息应有助于确定当前地下表示是否足以满足预期的工程用途，或者是否需要额外的观测来完善解释[45]。

如果稀疏钻孔观测可能支持多个合理的地下状态，那么生成实现之间的差异不应仅仅被解释为随机的模型变异性。相反，它们可以指示当前地下表示在可用观测下仍处于弱约束的区域[46]、[47]。这种解释对于工程地下信息建模非常重要，因为额外场地信息价值不仅仅是产生视觉上更完整的地质剖面。更重要的是，新观测应有助于更新地下信息模型，并减少与设计评估、施工规划、地下水控制和地质风险相关的模糊性[26]、[45]。近期研究表明，概率地层建模和边界不确定性分析有助于识别弱约束区域，并评估有限的钻孔布局如何影响下游工程评估[15]、[46]、[48]。因此，对于稀疏观测的地下表示，仅提供一种确定性表示是不够的[23]。一个更具信息量的框架应揭示推断的地下状态在何处相对稳定、何处仍存在大量模糊性，以及何处额外观测对于更新地下信息模型可能更有价值。更重要的是，这种不确定性应与生成的几何形态、局部观测布局和预期的工程用途一起解释，而非被视为独立的置信度图。在这个意义上，不确定性表征不仅仅是辅助输出，而是地下信息表示的诊断和更新导向组成部分[15]。

在本研究中，提出了Strata-Diff，一种用于从稀疏钻孔观测中生成具有不确定性感知的地下信息表示的条件扩散框架。核心贡献在于将稀疏钻孔地下表示重新表述为一个条件生成问题，在相同观测约束下生成多个地质上合理的地下状态，并进一步用于弱约束区域诊断和针对性信息采集。混合扩散公式、距离感知钻孔条件、辅助结构监督、连续性正则化和多阶段先验学习作为支撑的方法组成部分，使这种生成表示在严重观测稀疏和复杂地层条件下成为可能。总体而言，本研究为稀疏场地勘察数据提供了一种生成式地下信息建模方法，对工程解释、不确定性感知场地表征以及未来地下信息更新具有潜在价值。

方法
Strata-Diff的作用是从稀疏钻孔观测中构建生成式地下信息表示。由于钻孔数据仅提供局部约束，钻孔之间的地下状态并非唯一确定。多种地层配置可能与相同观测保持一致，同时在地质上仍属合理。因此，本研究将稀疏钻孔地下表示表述为条件生成任务，而非
数据集
为评估所提出的用于稀疏钻孔地下表示的框架，我们构建了一个三部分数据集，包括用于预训练的合成二维剖面、用于微调的文献派生剖面（详见补充材料），以及用于最终评估的真实工程案例。真实案例数据集来源于中国数字岩心平台，其地理分布如图5所示。该平台还支持了近期的数据
代表性地层场景的定量比较
表1总结了在三个结构上不同的地层场景中的定量地下表示结果，即局部夹层、尖灭几何和褶皱地层。这些场景被选择以反映稀疏钻孔约束下不同的结构挑战。
在所研究的三个地层场景中，Strata-Diff在评估方法中实现了最高的平均OA和mIoU。这一结果表明，所提出的条件
讨论
上述结果表明，Strata-Diff在不同地层场景下改善了稀疏钻孔条件约束的地下表示，同时为弱约束区域和信息层更新提供了诊断信息。这些发现促使从两个角度进行进一步讨论。第一个涉及在稀疏观测约束下确定性补全与生成采样之间的方法差异。第二个涉及如何
结论
本研究提出了Strata-Diff，一种用于从稀疏钻孔观测中生成地下表示的条件扩散框架。通过将基于稀疏钻孔的地下表示表述为一个欠定的条件生成问题，Strata-Diff将任务从确定性补全转向对合理地下状态的生成采样。这样，所提出的框架不仅提供了一种重建方法，还提供了一种生成式且具有不确定性感知的
CRediT作者贡献声明
Zhitao Chen：写作——初稿，可视化，软件，方法论，调查，数据管理，概念化。Hongchuan Yu：监督，资源，方法论，调查。Longlong Meng：验证，监督，调查，数据管理。Wenyuan Wang：监督，调查，数据管理。Bate Bate：写作——审阅与编辑，资源，项目管理，资金获取。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本论文所报告的工作。
致谢
我们感谢国家自然科学基金“超重力多相演化”优秀研究群体科学基金的资金支持（项目编号：52588202）。作者还感谢软土与地质环境工程教育部重点实验室。
Zhitao Chen|Hongchuan Yu|Longlong Meng|Wenyuan Wang|Bate Bate