多目標區(qū)域地球化學編圖數(shù)據(jù)整理方法—以海河流域編圖為例

張素榮，趙更新，賀福清，滕菲，高學生

（天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所 天津 300170）

多目標區(qū)域地球化學編圖數(shù)據(jù)整理方法—以海河流域編圖為例

張素榮，趙更新，賀福清，滕菲，高學生

（天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所 天津 300170）

多目標區(qū)域地球化學編圖是科學表達區(qū)域土壤地球化學分布和特征的圖示方法，大區(qū)域的編圖一般可能涉及到對不同的工作區(qū)、不同實驗室和不同時間的測試數(shù)據(jù)，以及不同景觀條件和網(wǎng)度的表層、深層土壤元素數(shù)據(jù)或不同分度帶的網(wǎng)格數(shù)據(jù)分別進行拼接合并，因此區(qū)域編圖對原始數(shù)據(jù)的整理和網(wǎng)格化處理不可避免。而不同的數(shù)據(jù)整理方法及其計算參數(shù)所形成的結(jié)果是非常不同的，數(shù)據(jù)本身的特點也對編圖具有很大的影響。為了真實客觀地反映區(qū)域內(nèi)元素的地球化學分布特征，數(shù)據(jù)整理和處理的方法及技術參數(shù)的選擇是關鍵技術問題。作者就化探數(shù)據(jù)處理中常用的幾種插值方法進行了對比評價，并分別從網(wǎng)格間距及搜索半徑大小等方面做比較，提出了自己在編圖中采用的數(shù)據(jù)處理方法及選用的技術參數(shù)。

多目標區(qū)域地球化學;網(wǎng)格化;插值方法;網(wǎng)格間距;搜索半徑

多目標區(qū)域地球化學調(diào)查是針對第四系蓋層或土壤發(fā)育的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟區(qū)開展的基礎性調(diào)查工作，主要目標包括基礎地質(zhì)、資源潛力與生態(tài)環(huán)境等三大方面。調(diào)查工作按照1/25萬采樣網(wǎng)度和采樣密度，以系統(tǒng)開展土壤地球化學測量（近岸海域沉積物地球化學測量和湖泊沉積物地球化學測量）為主，水地球化學測量為輔[1]，測定54項元素指標，編制地球化學圖件及調(diào)查報告。

多目標區(qū)域地球化學編圖一般需要對不同工作區(qū)、不同景觀條件和網(wǎng)度的表層、深層土壤元素數(shù)據(jù)或不同網(wǎng)格系統(tǒng)的網(wǎng)格數(shù)據(jù)分別進行拼接合并，對原始數(shù)據(jù)的整理和網(wǎng)格化處理是不可避免的。而不同的網(wǎng)格化方法及其計算參數(shù)所形成的結(jié)果是非常不同的。因而，為了客觀的反映區(qū)域內(nèi)元素的地球化學分布特征，數(shù)據(jù)整理和處理的方法及技術參數(shù)的選擇是其關鍵技術問題。

作者等在近年的海河流域多目標區(qū)域地球化學編圖過程中，就化探數(shù)據(jù)處理中常用的幾種插值方法進行了對比評價，并分別從網(wǎng)格間距及搜索半徑大小等方面做比較，提出了自己在編圖中采用的數(shù)據(jù)處理方法及選用的技術參數(shù)。

1 研究背景

海河流域多目標區(qū)域地球化學調(diào)查數(shù)據(jù)是以高斯千米網(wǎng)為基礎的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，它涉及到多種不同的網(wǎng)格數(shù)據(jù):在陸域表層土壤為2 km×2 km的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，深層土壤的元素數(shù)據(jù)為4 km×4 km的網(wǎng)格數(shù)據(jù)；湖泊地區(qū)表層底泥土壤元素為4 km×4 km的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，深層底泥土壤的元素數(shù)據(jù)為4 km×8 km網(wǎng)格數(shù)據(jù)；近岸淺海則為表層底泥元素為4 km×4 km的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，深層土壤的元素數(shù)據(jù)為4 km×8 km網(wǎng)格數(shù)據(jù)。編圖采用中地軟件公司的MAPGIS和中國地調(diào)局發(fā)展研究中心開發(fā)的GeoExpl。

2008年以來，海河流域多目標區(qū)域地球化學數(shù)據(jù)形成以后，在該區(qū)域不同層面的多目標區(qū)域地球化學編圖工作的實際結(jié)果卻表現(xiàn)出圖面信息有明顯差異。這些按相同目標和要求，利用同樣數(shù)據(jù)編出的圖件為什么會有著明顯的差異，這些差異意味著什么，他們主要受什么因素制約以及怎么認識和把握，以使編圖工作能夠充分科學地體現(xiàn)出與目標任務相適應的信息表達。為此，在海河流域多目標區(qū)域地球化學編圖工作中，筆者對數(shù)據(jù)成圖的可能影響因素進行了專題研究，包括數(shù)據(jù)網(wǎng)格化（插值）的數(shù)學方法、網(wǎng)格間距、計算半徑等關鍵問題以及等值線最小間距的確定等，從而為多目標區(qū)域地球化學的計算機編圖提供了約束條件。

2 主要試驗

2.1 關于數(shù)據(jù)網(wǎng)格化方法的試驗

MAPGIS軟件和GeoExpl軟件在離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化模塊中提供了十余種網(wǎng)格化方法，其中，化探數(shù)據(jù)處理常用的六種網(wǎng)格化方法為：平均值、最近點、距離倒數(shù)加權、指數(shù)加權、普通克立格和泛克立格法。

1）平均值法，就是搜索域內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值。2）最近點插值法又稱泰森多邊形方法,該方法的一個隱含的假設條件是任一網(wǎng)格點的屬性值都使用距它最近的位置點的屬性值,用每一個網(wǎng)格節(jié)點的最鄰點值作為待的節(jié)點值，及搜索離插值點最近的數(shù)據(jù)點；最近鄰點插值網(wǎng)格化法沒有選項,它是均質(zhì)且無變化的,對均勻間隔的數(shù)據(jù)進行插值很有用,同時,它對填充無值數(shù)據(jù)的區(qū)域很有效。3）距離倒數(shù)加權是用距離的N次冪倒數(shù)加權計算，方次參數(shù)控制著權系數(shù)如何隨著離開一個格網(wǎng)結(jié)點距離的增加而下降。對于一個較大的方次，較近的數(shù)據(jù)點被給定一個較高的權重份額，對于一個較小的方次，權重比較均勻地分配給各數(shù)據(jù)點[2]。4）指數(shù)加權，是以距離為冪，自然數(shù)為底倒數(shù)加權計算指數(shù)因子：當選擇距離加權或指數(shù)加權時該項表示冪，指數(shù)因子越大，代表距離網(wǎng)格點距離越遠的數(shù)據(jù)點參與計算的權重越小[2]。5）普通克立格法，要求區(qū)域化變量Z(x)是二階平穩(wěn)的，至少是準平穩(wěn)或準內(nèi)蘊的，這時，至少在估計鄰域內(nèi)有取E[Z(x)]＝m(常數(shù))成立。然而，在生產(chǎn)實踐中，許多區(qū)域化變量Z(x)在研究區(qū)是非平穩(wěn)的，即E[Z(x)]＝m(x)，這時，就不能用普通克立格法進行估計了[3-4]。6）泛克立格（Kring）法，是在漂移的形式E [Z(x)]＝m(x)和非平穩(wěn)隨機函數(shù)Z(x)的協(xié)方差(C(h))或變異函數(shù)(r(h))為已知的條件下，—種考慮到有漂移的無偏線性估計量的地質(zhì)統(tǒng)計學方法[3-4]。

作者在海河流域多目標地球化學編圖中以表層土壤中Au元素，深層土壤中Hg元素為例分別采用以上六種方法進行網(wǎng)格化生成等值線圖(圖1～12)。成圖過程中通過以下四項指標，即擬合度、唯一性、外推能力和運算速度［4］，來對比評價?，F(xiàn)將比對結(jié)果列于表1。

圖1 表層土壤Au地球化學圖（泛克立格法）Fig.1 Au geochem ica lmap in suroface soil(universa l Kriging)

圖2 表層土壤Au地球化學圖（普通克立格法）Fig.2 Au geochem ica lm ap in suroface soil(Kriging m ethod)

圖3 表層土壤Au地球化學圖（平均值法）Fig.3 Au geochem ica lmap in suroface soil(mean va lue)

圖4 表層土壤Au地球化學圖（距離倒數(shù)加權法）Fig.4 Au geochem ica lm ap in suroface soil(Distance-reverse w eighting)

圖5 表層土壤Au地球化學圖（指數(shù)加權法）Fig.5 Au geochem ica lmap in suroface soil(exponentia lweighting)

圖6 表層土壤Au地球化學圖（最近點法）Fig.6 Au geochem ica lm ap in suroface soil(periapsis)

圖7 深層土壤Hg地球化學圖（泛克立格法）Fig.7 Hg geochem ica lm ap in deep soil(universa l Kriging)

圖8 深層土壤Hg地球化學圖（平均值法）Fig.8 Hg geochem ica lm ap in deep soil(m ean va lue)

圖9 深層土壤Hg地球化學圖（距離倒數(shù)加權法）Fig.9 Hg geochem ica lm ap in deep soil(Distance-reverse weighting)

圖10 深層土壤Hg地球化學圖（最近點法）Fig.10 Hg geochem ica lmap in deep soil(periapsis)

圖11 深層土壤Hg地球化學圖（指數(shù)加權法,因子為5）Fig.11 Hg geochem ica lm ap in deep soil(exponentia lweighting,ofactor 5)

圖12 深層土壤Hg地球化學圖（指數(shù)加權法,因子為10）Fig.12 Hg geochem ica lm ap in deep soil(exponentia lweighting,ofactor 10)

表1 不同插值方法特點比較Table 1 Com parison o of the diofoferentinterpolationmethods

從表中可以看出，泛克立格（Kring）插值法與最近點法是兩種較優(yōu)的內(nèi)插法，圖面信息豐富，能較好的刻畫元素的空間分布特征；最近點法對按規(guī)則格網(wǎng)采樣的數(shù)據(jù)插值效果更優(yōu)，基本沒有改變原始數(shù)據(jù)分布；泛克立格（Kring）插值法對特異值存在較少的數(shù)據(jù)插值效果較好，海河流域多目標區(qū)域地球化學調(diào)查數(shù)據(jù)分布較均勻，空間變異性小。但以上兩種方法在對大面積區(qū)域內(nèi)的海量數(shù)據(jù)插值時運行速度很慢，對硬件設備要求較高。指數(shù)加權法也是不錯的數(shù)據(jù)內(nèi)插方法，運行速度較快，外推能力也很強，是GeoExpl推薦使用的化探數(shù)據(jù)處理方法，可以客觀的反映研究區(qū)內(nèi)元素的空間分布特征。綜合上述分析，以上幾種插值方法各有優(yōu)缺點，在選擇插值方法的時候應該綜合考慮數(shù)據(jù)的原始分布和研究目的。海河流域多目標區(qū)域地球化學編圖旨在以原始數(shù)據(jù)為基礎真實地刻畫其中所蘊含的豐富的地球化學信息，采用泛克立格插值方法或最近點法生成格網(wǎng)文件是對規(guī)則網(wǎng)或離散數(shù)據(jù)進行計算機成圖比較可行的方法。

2.2 關于網(wǎng)格間距的試驗

規(guī)則網(wǎng)采樣的數(shù)據(jù)可按原始采樣網(wǎng)度恢復，也可根據(jù)數(shù)據(jù)插值類型和網(wǎng)格度對原始數(shù)據(jù)進行加密或抽稀。下面以表層土壤中Au元素，深層土壤中的Hg元素為例，采用指數(shù)加權方法（指數(shù)因子為5），分別選取網(wǎng)格間距2 km×2 km、4 km×4 km、6 km×6 km、8 km×8 km，搜索半徑為網(wǎng)格間距的2.5倍，截取元素地球化學圖中的典型代表區(qū)來說明網(wǎng)格間距不同對元素異常的強度、面積、展布情況的影響。

綜合分析圖13～20可以發(fā)現(xiàn)，插值時選擇的網(wǎng)格間距越小，圖面反映的地球化學信息越豐富。網(wǎng)格間距為2 km×2 km時，正異常呈零星點狀分布于圖面上，異常點數(shù)量多，規(guī)模較小，強度較高；隨著網(wǎng)格間距的逐漸增大，正異常的數(shù)量逐漸減少，規(guī)模變大，強度也較高；當網(wǎng)格間距為表層土壤樣采樣間距的4倍，深層土壤樣采樣間距的2倍，即網(wǎng)格間距為8 km×8 km時研究區(qū)內(nèi)異常點數(shù)量減至1～2個，異常的面積大，規(guī)模大，強度也較高，有意義的地球化學異常點信息隨著網(wǎng)格間距的增大消失，代之以高背景區(qū)或背景區(qū)。

從上面的分析可以看出，網(wǎng)格間距選擇恰當與否直接關系到研究區(qū)內(nèi)元素地球化學信息的分布情況。海河流域多目標區(qū)域地球化學系列圖編制網(wǎng)格間距的選擇主要考慮了數(shù)據(jù)的原始采樣網(wǎng)度、成圖后反映的地球化學信息豐富度，以及項目現(xiàn)有硬件設備的可行性。綜合考慮上面幾項因素，本次編圖采用以下網(wǎng)格間距：表層土壤地球化學數(shù)據(jù)插值網(wǎng)格間距為2 km，深層土壤地球化學數(shù)據(jù)插值網(wǎng)格間距為4 km。

2.3 關于搜索半徑與搜索范圍的試驗

搜索半徑控制等值線插值數(shù)據(jù)的搜索范圍。數(shù)據(jù)的搜索方式有矩形域、圓域和方位搜索。搜索范圍通過矩形的半寬和半高，圓的半徑及方位數(shù)來決定。下面以表層土壤中Au元素，深層土壤中的Hg元素為例，采用指數(shù)加權方法（指數(shù)因子為5），表層土壤中Au的插值網(wǎng)格間距為2 km×2 km，深層土壤中Hg的插值網(wǎng)格間距為4 km×4 km，采用不同圓域搜索半徑（2 km、5 km、8 km、10 km）來說明搜索半徑的大小對搜索范圍及元素空間分布特征的影響。

綜合分析圖21～28可以發(fā)現(xiàn)，當搜索半徑為2 km時表層土壤Au元素地球化學圖中出現(xiàn)了小面積空值分布區(qū)(圖21中綠線框內(nèi)所示)，深層土壤Hg元素地球化學圖(圖25)中大面積為空值區(qū)，不能生成等值線；當搜索半徑為5 km時，Au元素地球化學圖中（圖22）數(shù)據(jù)插值完整，正異常點規(guī)模較小，強度較強，異常點鑲嵌于高背景區(qū)內(nèi)，而Hg元素地球化學圖（圖26）中尚有小面積的空值區(qū)（綠線框中所示）；當搜索半徑為8 km時，Au元素地球化學圖中正異常點數(shù)量減少，異常區(qū)面積增大，規(guī)模較強，地球化學信息量較前者減少，Hg元素地球化學圖中數(shù)據(jù)插值完整，無空值區(qū)出現(xiàn)；搜索半徑為10 km時，與搜索半徑為8 km時元素地球化學分布特征沒有明顯的變化。

由上述分析可見，搜索半徑的大小直接決定數(shù)據(jù)插值的效果，搜索半徑應該選擇大于或等于采樣距離的2.5倍，或根據(jù)數(shù)據(jù)的分布情況來確定，搜索半徑小于數(shù)據(jù)原始采樣間距時，圖面會出現(xiàn)空值分布圖，不能生成等值線。海河流域多目標區(qū)域地球化學編圖搜索半徑選取大于原始采樣間距的2.5倍，根據(jù)各元素的數(shù)據(jù)分布情況一一確定。

圖13 表層土壤Au地球化學圖（網(wǎng)格間距2 km×2 km）Fig.13 Au geochem ica lmap in suroface soil(grid space 2 km×2 km)

圖14 表層土壤Au地球化學圖（網(wǎng)格間距4 km×4 km）Fig.14 Au geochem ica lmap in suroface soil(grid space 4 km×4 km)

圖15 表層土壤Au地球化學圖（網(wǎng)格間距6 km×6 km）Fig.15 Au geochem ica lm ap in suroface soil（grid space 6 km×6 km)

圖16 表層土壤Au地球化學圖（網(wǎng)格間距8 km×8 km）Fig.16 Au geochem ica lm ap in suroface soil（grid space 8 km×8 km)

圖17 深層土壤Hg地球化學圖（網(wǎng)格間距2 km×2 km）Fig.17 Hg geochem ica lmap in deep soil(grid space 2 km×2 km)

圖18 深層土壤Hg地球化學圖（網(wǎng)格間距4 km×4 km）Fig.18 Hg geochem icalm ap in deep soil(grid space 4 km×4 km)

圖19 深層土壤Hg地球化學圖（網(wǎng)格間距6 km×6 km）Fig.19 Hg geochem ica lm ap in deep soil(grid space 6 km×6 km)

圖20 深層土壤Hg地球化學圖（網(wǎng)格間距8 km×8 km）Fig.20 Hg geochem icalm ap in deep soil(grid space 8 km×8 km)

圖21 表層土壤Au地球化學圖（搜索半徑2 km）Fig.21 Au geochem ica lm ap in suroface soil(search radius 2 km)

圖22 表層土壤Au地球化學圖（搜索半徑5 km）Fig.22 Au geochem ica lm ap in suroface soil(search radius 5 km)

圖23 表層土壤Au地球化學圖（搜索半徑8 km）Fig.23 Au geochem ica lmap in suroface soil(search radius 8 km)

圖24 表層土壤Au地球化學圖（搜索半徑10 km）Fig.24 Au geochem ica lm ap in suroface soil(search radius 10 km)

圖25 深層土壤Hg地球化學圖（搜索半徑2 km）Fig.25 Hg geochem ica lmap in deep soil(search radius 2 km)

圖26 深層土壤Hg地球化學圖（搜索半徑5 km）Fig.26 Hg geochem ica lm ap in deep soil(search radius 5 km)

圖27 深層土壤Hg地球化學圖（搜索半徑8 km）Fig.27 Hg geochem ica lm ap in deep soil(search radius 8 km)

圖28 深層土壤Hg地球化學圖（搜索半徑10 km）Fig.28 Hg geochem ica lm ap in deep soil(search radius 10 km)

3 結(jié)論

（1）試驗表明在相同的計算參數(shù)下，各種不同的網(wǎng)格化方法的插值效果和效率是好的，所形成的等值線圖總體特征基本一致，但在微觀細節(jié)上有比較明顯的不同，有的會造成局部異常的畸變。經(jīng)對比研究,作者推薦在多目標地球化學調(diào)查數(shù)據(jù)整理時采用泛克立格插值方法。

（2）為了保留多目標區(qū)域地球化學調(diào)查的原始數(shù)據(jù)中的全部信息，網(wǎng)格距的選擇不宜大于原始數(shù)據(jù)的網(wǎng)度規(guī)格。作者在海河流域多目標編圖中采用以下網(wǎng)格間距：表層土壤地球化學數(shù)據(jù)插值網(wǎng)格間距為2 km，深層土壤地球化學數(shù)據(jù)插值網(wǎng)格間距為4 km。

（3）搜索半徑小于數(shù)據(jù)原始采樣間距時，圖面會出現(xiàn)空值分布，不能生成等值線。為保留全部原始數(shù)據(jù)中的信息，搜索半徑不應過大，選擇在2～3倍網(wǎng)距之間為好。作者在編圖中選取的搜索半徑采用原始采樣間距的2.5倍為準則，初步確定表層土壤地球化學數(shù)據(jù)插值搜索半徑為5 km，深層土壤地球化學數(shù)據(jù)插值搜索半徑為10 km。

（4）采用等值線（區(qū)）表達變化時最小等值間距宜以數(shù)據(jù)精密度的大小為基礎，除非采用了比原始數(shù)據(jù)更大的網(wǎng)格距和較大的計算半徑，即等效于采用降噪和濾波方法。

致謝：在論文的撰寫過程中，天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所楊俊泉助理研究員在本文寫作過程中提供了寶貴意見，在此致以誠摯的感謝。

[1]中國地質(zhì)調(diào)查局.DD2005-01，多目標區(qū)域地球化學調(diào)查規(guī)范(1/250000)[S].

[2]中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心.區(qū)域地球化學數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)用戶使用手冊[M].2001.6.

[3]張素榮.地球化學元素空間定量組合及可視化方法研究[D].長春：吉林大學，2007:28-30.

[4]侯景儒，尹鎮(zhèn)南，等.實用地質(zhì)統(tǒng)計學[M].北京：地質(zhì)出版社，1998，55-90.

[5]安琪.幾種離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化方法的對比分析[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2001(1):87-89.

Abstract:Themulti-purpose regional geochem icalmapping is a scientiofic expression oof the regional soil geochem ical distribution and characteristics bymeans oof graphical representation,in the case oof large areamapping, the data speciofication ooften variesgreatly,theymay come ofrom diofoferentsurvey areas,or tested in diofoferent laboratories at diofoferent times,the gridding datamay be based on element data ofrom both suroface and deep soil under diofoferent landscape conditions or grid spacing,sometimesw ith diofoferent zonemethods.Data bridging andmerging is inevitable in the regionalgeochem icalmapping,the original data needs to be processed and gridding is prerequisite.Diofoferentdatum processingmethods and their arithmetic parametersw ill produce very diofoferent results, the characteristicsoof the data itselof also have a certain eofofecton themap compilation.Thereofore,in order to objectively reoflectgeochem ical distribution characteristics oof elements in a region,data collation and processingmethods,aswellas technical parametersmustbe careofully studied and selected ofrom the technical pointoof view.The authors have tentatively compared several interpolationmethods commonly used in geochem ical data processing, in terms oof grid spacing and search radius,and proposed data processingmethods and relevant technical parametersused by the authors in themap compilation.

Keywords:multi-purposeregionalgeochem icalsurvey；gridding；interpolationmethod；gridspace；searching radius

Compilation oofM ulti-Purpose RegionalGeochem icalM aps: Illustrated by Com p lication oof Haihe River Basin Geochem icalM aps

ZHANG Su-rong,ZHAOGeng-xin,HEFu-qing,TENG Fei,GAO Xue-sheng
（Tianjin instituteoof geology andm ineral resources,Tianjin 300170,China）

P596

A

1672－4135（2012）03－0214-07

2012-04-28

國家地質(zhì)調(diào)查項目：海河流域多目標區(qū)域地球化學系列圖編制與出版（1212010911010）

張素榮（1981-），女，工程師，吉林大學碩士，現(xiàn)從事地球化學研究，Email：zhangsurong@126.com。