Project

Efficient and Accurate Full-Waveform Inversion with Total Variation Constraint

Yudai Inada, Shingo Takemoto, and Shunsuke Ono

Key Points of This Study

Advantages of the Proposed Method

Abstract

This paper proposes a computationally efficient algorithm to address the Full-Waveform Inversion (FWI) problem with a Total Variation (TV) constraint, designed to accurately reconstruct subsurface properties from seismic data. FWI, as an ill-posed inverse problem, requires effective regularizations or constraints to ensure accurate and stable solutions. Among these, the TV constraint is widely known as a powerful prior for modeling the piecewise smooth structure of subsurface properties. However, solving the optimization problem is challenging because of the nonlinear observation process combined with the non-smoothness of the TV constraint. Conventional methods rely on inner loops and/or approximations, which lead to high computational cost and/or inappropriate solutions. To address these limitations, we develop a novel algorithm based on a primal-dual splitting method, achieving computational efficiency by eliminating inner loops and ensuring high accuracy by avoiding approximations. We also demonstrate the effectiveness of the proposed method through experiments using the SEG/EAGE Salt and Overthrust Models. 

本論文では、地震データから地下特性を正確に再構成するために設計された、Total Variation (TV)制約を持つFull-Waveform Inversion (FWI)問題に対処するための計算効率の良いアルゴリズムを提案する。FWIは不良設定逆問題であるため、正確で安定した解を得るためには効果的な正則化や制約が必要となる。その中でも、TV制約は地下特性の区分的に滑らかな構造をモデル化するための強力な事前知識として広く知られている。しかし、非線形な観測過程とTV制約の非平滑性とが組み合わさり、TV制約が組み込まれたFWIの最適化問題を解くことは困難である。そのため、従来方法では内部ループや近似に依存しており、高い計算コストや不適切な解を導いていた。これらに対処するため、主-双対近接分離法に基づく新しいアルゴリズムを開発した。このアルゴリズムは、内部ループを排除することで計算効率を達成し、近似を避けることで高い精度を確保する。また、 SEG/EAGE Salt and Overthrust Models を用いた実験により、提案手法の有効性を実証した。

Results

Reference

Inada Yudai, Shingo Takemoto and Shunsuke Ono, "Efficient and Accurate Full-Waveform Inversion with Total Variation Constraint," arXiv:2501.08210, 2025.