海底沉積物碎屑礦物數(shù)據(jù)整合技術(shù)研究

劉志杰，金秉福，張瑞端，余佳，王昆山，張歡

（1.國家海洋信息中心，天津 300171；2.魯東大學(xué)，山東 煙臺 264025；3.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島266061）

海底沉積物碎屑礦物是指粒徑大于2μm，為大陸剝蝕區(qū)母巖風(fēng)化后由各種營力（河流、波浪、海流和風(fēng)等）搬運(yùn)并沉積下來的礦物碎屑（陳麗蓉，2008），廣義也把海洋自生礦物認(rèn)作是其中的一部分，因為它們與碎屑礦物共生，呈碎屑顆粒狀，且不是生物碎屑。海底沉積物碎屑礦物的組成、標(biāo)型特征、礦物組合及分布規(guī)律研究為解釋沉積物物質(zhì)來源、搬運(yùn)堆積過程以及沉積環(huán)境等提供重要信息，在海洋沉積作用、環(huán)境演變研究以及海底砂礦資源勘探中具有突出的意義，被海洋地質(zhì)研究者廣泛應(yīng)用（朱而勤，1985；方建勇等，2012；鄢全樹等，2007；李學(xué)杰等，2008；王昆山等，2013；劉忠誠等，2014；王利波等，2014；Zhang etal，2013；Lietal，2012）。

自20世紀(jì)60年代以來，我國先后開展了系列海洋地質(zhì)調(diào)查工作，獲取并積累了豐富的海洋地質(zhì)基礎(chǔ)資料。這些基礎(chǔ)資料由于來自不同時期、不同調(diào)查機(jī)構(gòu)，采用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也不完全一致，因此，在數(shù)據(jù)處理方法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)計算等方面存在一定差異，不利于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的共享使用和成果資料價值的充分發(fā)揮。在“大數(shù)據(jù)”時代背景下，數(shù)據(jù)的價值正在發(fā)生革命性變化，數(shù)據(jù)有望成為不斷增值的潛在財富（戴勤奮等，2014）。海洋數(shù)據(jù)資源的整合已成為海洋信息化建設(shè)的必由之路，對實現(xiàn)科學(xué)數(shù)據(jù)共享與互操作具有重要的意義（白如江等，2014）。

1 問題的提出

1.1 礦物的鑒定與分類

沉積物碎屑礦物的鑒定方法主要是雙目實體鏡，透明礦物借助偏光顯微鏡（油浸法）觀察，其它方法如微量礦物化學(xué)、能譜、X射線，染色法等都是識別少量難辨認(rèn)礦物的輔助方法。粒級一般選擇細(xì)砂 （0.25～0.125mm）和極細(xì)砂 （0.125～0.063mm）（GB/T12763.8-2007，2008）。碎屑礦物數(shù)據(jù)由于來自不同實驗室，樣品制備和分離過程會存在一定的實驗誤差。因此，樣品的前期處理過程對數(shù)據(jù)的質(zhì)量起主導(dǎo)作用。一般而言，重液分離采用三溴甲烷比重為2.89，但在早期的資料中也存在大于或小于2.89的分離比重（陳麗蓉等，1986；王先蘭等，1985），如在中國淺海重礦物組合研究過程中發(fā)現(xiàn)選用2.8的三溴甲烷配置比重可以使方解石與其他碳酸鹽礦物（白云石、菱鎂礦、菱鐵礦、文石等）進(jìn)行分離（陳麗蓉，2008）。國標(biāo)規(guī)范（GB/T12763.8-2007，2008）中要求分離后輕礦物中基本不含重礦物，重礦物中輕礦物含量不超過10%。如果其它重礦物在輕礦物中出現(xiàn)，或石英、長石等輕礦物在重礦物中出現(xiàn)，則說明重液分離實驗不仔細(xì)、實驗精度不夠。但任何實驗都會有誤差，只要控制在調(diào)查規(guī)范允許范圍內(nèi)即可。此外，在礦物鑒定過程中，受礦物鑒定方法以及鑒定人員主觀認(rèn)知等多種因素的影響，礦物種類又在一定范圍內(nèi)變化，這樣就會影響整個礦物的含量比例，造成鑒定結(jié)果的不一致。

從目前收集資料分析，碎屑礦物鑒定種類和名稱尚缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，樣品種類的鑒定往往根據(jù)研究目的、任務(wù)和要求的不同而有很大的差別。碎屑礦物按晶體礦物分類（大類、類、亞類、族、亞族、種），一般定名到礦物種（如普通角閃石，而不是角閃石），少量無法準(zhǔn)確區(qū)分的按礦物族（或亞族）分類，如碳酸鹽礦物（準(zhǔn)確分類應(yīng)是方解石、白云石、菱鎂礦等），長石只能分到斜長石亞族和鉀長石亞族，石英其實通常包含石英族各個種，輕礦物鑒定中很少區(qū)別α-石英還是β-石英以及石髓等。然而礦物的鑒定究竟需要分到哪一級別，目前尚無參考規(guī)范，部分礦物名稱的叫法也不完全一致，這就造成目前礦物鑒定種類的混亂，不利于資料的整合使用。

1.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量

海底沉積物碎屑礦物數(shù)據(jù)質(zhì)量涉及樣品處理、鑒定、成果統(tǒng)計等各個環(huán)節(jié)，因此對海底沉積物數(shù)據(jù)質(zhì)量的判別實際上是一個非常復(fù)雜的過程。對于前期樣品處理和鑒定過程的質(zhì)量控制只能由各實驗室來掌控。資料收集人員獲取到的主要是碎屑礦物鑒定統(tǒng)計結(jié)果，數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式以礦物名稱和礦物顆粒數(shù)或礦物顆粒百分含量來表示。碎屑礦物統(tǒng)計數(shù)據(jù)特點是一個樣品鑒定出的所有礦物百分含量累計之和應(yīng)為100%，而實際資料中由于統(tǒng)計或轉(zhuǎn)錄錯誤往往存在大于或小于100%的情況。另外，分析總顆粒數(shù)也存在個別無法達(dá)到鑒定總數(shù)300顆的最低要求，這些都會影響到鑒定結(jié)果的質(zhì)量。

1.3 數(shù)據(jù)重復(fù)性

數(shù)據(jù)重復(fù)性是任何數(shù)據(jù)整合過程中都可能面對的一個問題。造成數(shù)據(jù)重復(fù)的原因有多種，大致分為以下三種情況：第一種是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或處理過程中誤操作或資料多次補(bǔ)交造成的完全重復(fù)；第二種是樣品重復(fù)分析（平行樣分析）造成的任務(wù)或區(qū)塊內(nèi)資料的重復(fù)；第三種情況是任務(wù)之間或單位之間資料的重復(fù)。這是由于資料的收集和整合來源廣泛，往往涉及不同的單位和部門，有些資料是任務(wù)承擔(dān)單位實際調(diào)查獲取的，而有一部分是通過合作調(diào)查方式或收集、購買等方式得到，通過不同任務(wù)資料的匯集就容易造成數(shù)據(jù)的重復(fù)，不利于成果的統(tǒng)一管理和集成。

2 數(shù)據(jù)整合技術(shù)路線

數(shù)據(jù)的整合并不是簡單的數(shù)據(jù)合并，而是將分散異構(gòu)的多源數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則進(jìn)行重新構(gòu)建的過程。通過數(shù)據(jù)整合可以進(jìn)一步對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢驗，格式進(jìn)行統(tǒng)一，減少不同時期、不同單位之間數(shù)據(jù)誤差，提高數(shù)據(jù)精度。從碎屑礦物整編數(shù)據(jù)特點出發(fā)，制定了碎屑礦物數(shù)據(jù)整合技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 碎屑礦物數(shù)據(jù)整合技術(shù)路線圖

2.1 整合標(biāo)準(zhǔn)格式制定

標(biāo)準(zhǔn)化的研究和制定對于數(shù)據(jù)資源整合有著十分重要的意義（夏日等，2015），反之，數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)才能更好地進(jìn)行共享，發(fā)揮其使用價值，也為下一步數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化整合奠定基礎(chǔ)。碎屑礦物標(biāo)準(zhǔn)格式制定的基本原則有兩個：一是數(shù)據(jù)格式具有完整性、通用性和規(guī)范性，二是數(shù)據(jù)格式中包含的字段要滿足資料管理者和使用者的需求。碎屑礦物標(biāo)準(zhǔn)格式包括站位綜合信息、樣品信息和礦物鑒定信息三部分，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示，第一行為表頭字段要素（含字段名稱和計量單位），第二行為說明實例，第三行是對數(shù)據(jù)字段的解釋說明或含義。站位綜合信息包括項目編碼、區(qū)塊編碼、航次編碼、站位名稱、經(jīng)度和緯度。樣品信息包括樣品編號、層次號、頂深、底深、縮分系數(shù)、樣品重量、粒級重量、鑒定樣品重量。礦物鑒定信息包括分析總顆粒數(shù)、最大粒徑、最小粒徑、重礦物重量含量、輕礦物重量含量、鑒定日期、鑒定方法、鑒定單位、礦物名稱、礦物顆粒數(shù)和顆粒百分含量。礦物種類的多少視鑒定結(jié)果而定。輕、重礦物格式相同，但由于礦物種類的差異需要分別進(jìn)行整合。

碎屑礦物數(shù)據(jù)整合文件格式采用Excel存儲，一方面由于Excel格式靈活，本身具有強(qiáng)大的計算和統(tǒng)計分析功能，便于數(shù)據(jù)查看和處理，另一方面，Excel格式文件可以被多種數(shù)據(jù)處理軟件、圖形處理軟件讀取和存儲，便于數(shù)據(jù)的管理和研究者后期的使用，例如數(shù)據(jù)分析和成圖。

2.2 數(shù)據(jù)規(guī)范化處理

由于海底碎屑礦物數(shù)據(jù)來源眾多，文件命名方式、數(shù)據(jù)格式以及礦物名稱的叫法和計量單位等很難統(tǒng)一。碎屑礦物數(shù)據(jù)規(guī)范化處理也是數(shù)據(jù)整合的一個重要環(huán)節(jié)，內(nèi)容主要包括文件命名規(guī)范化、礦物名稱規(guī)范化、格式統(tǒng)一和計量單位的統(tǒng)一。

（1）文件命名規(guī)范化

數(shù)據(jù)文件規(guī)范化命名采用統(tǒng)一的命名規(guī)則進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)文件名稱由“項目編碼”+“區(qū)塊編碼”+“資料類型”三部分構(gòu)成。當(dāng)一個區(qū)塊由多個執(zhí)行航次時，不同航次數(shù)據(jù)文件按照區(qū)塊進(jìn)行合并后再進(jìn)行規(guī)范化命名。文件命名示例如：908CJ01表層輕礦物.xls，其中“908”代表是項目編碼，“CJ01”為區(qū)塊編碼，“表層輕礦物”代表資料類型。

（2）礦物名稱規(guī)范化

由于碎屑礦物鑒定人員對礦物認(rèn)知程度的差異加之目前尚缺乏海洋碎屑礦物分類規(guī)范，以致目前不同單位或不同實驗室鑒定結(jié)果名稱不統(tǒng)一。礦物名稱的不規(guī)范表現(xiàn)在兩個方面：①礦物名稱書寫不規(guī)范，如將“藍(lán)晶石”寫作“蘭晶石”，“石榴子石”寫作“石榴石”等；②同一礦物不同叫法，如“銳鈦礦”也可以叫做“銳鐵礦”，“矽灰石”也可以叫做“硅灰石”等。為此，通過對碎屑礦物數(shù)據(jù)的整合，進(jìn)行礦物種類的匯總、排重和篩選。為確保礦物名稱和代碼的唯一，建立了碎屑礦物代碼庫（圖2），主要包括礦物類別、礦物名稱以及別名或又名、英文名稱和數(shù)據(jù)庫代碼。碎屑礦物數(shù)據(jù)的整合處理均按照數(shù)據(jù)庫中礦物名稱進(jìn)行了匹配，實現(xiàn)了礦物名稱的規(guī)范和統(tǒng)一。

（3）數(shù)據(jù)格式和計量單位統(tǒng)一

依據(jù)制定的碎屑礦物數(shù)據(jù)整合標(biāo)準(zhǔn)格式（表1），將多源異構(gòu)的碎屑礦物數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、補(bǔ)充和重組，保證資料的準(zhǔn)確、完整和一致。數(shù)據(jù)文件中數(shù)據(jù)項的計量單位均按照表1中規(guī)定的計量單位進(jìn)行轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一，如經(jīng)緯度信息按照標(biāo)準(zhǔn)格式要將度分秒或度分的形式全部統(tǒng)一為度的形式。數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換主要通過C#語言編程實現(xiàn)，將不同結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件通過文件解讀、字段名稱規(guī)范化、單位換算、字段信息提取以及相應(yīng)的配置規(guī)則統(tǒng)一到標(biāo)準(zhǔn)文件結(jié)構(gòu)。

2.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

前述已提到碎屑礦物數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞涉及礦物鑒定的整個過程，影響因素也很多，數(shù)據(jù)處理人員主要側(cè)重于對鑒定結(jié)果的質(zhì)量控制，包括數(shù)據(jù)完整性檢查、定位準(zhǔn)確性檢查、數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系檢查和數(shù)據(jù)統(tǒng)計檢查。

數(shù)據(jù)信息的完整度通常被作為數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷的首要指標(biāo)。數(shù)據(jù)完整性檢查是指數(shù)據(jù)的屬性字段是否存在缺失，這主要通過人工審查的方式進(jìn)行判斷。根據(jù)數(shù)據(jù)整合標(biāo)準(zhǔn)格式（表1），數(shù)據(jù)字段完整度越高，對下一步數(shù)據(jù)質(zhì)量的判別越有利。對于關(guān)鍵字段（帶*號字段）如站位的經(jīng)緯度信息以及柱狀樣的頂、底深度，是不可缺少的，否則數(shù)據(jù)無效。

定位的準(zhǔn)確性是指該樣品的站位信息是否在調(diào)查區(qū)塊范圍內(nèi)。碎屑礦物數(shù)據(jù)中的站位信息都是后期處理過程中添加的，很容易造成筆誤，因此，需要進(jìn)一步對經(jīng)緯度信息進(jìn)行判別核實。這主要通過站位分布圖和區(qū)塊分布圖的顯示進(jìn)行檢查。

數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系檢查是碎屑礦物數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)數(shù)據(jù)項之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行質(zhì)量控制。樣品的總顆粒數(shù)等于各輕（重）礦物種類的顆粒數(shù)之和。重礦物重量含量與輕礦物重量含量之和應(yīng)為100%。粒級重量乘以縮分系數(shù)等于鑒定樣品重量。樣品各礦物顆粒百分含量之和應(yīng)為100%，但由于歷史數(shù)據(jù)多存在一定誤差，設(shè)定誤差范圍為±5%。

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計檢查主要根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計方法檢查值域是否合理，有無異常，礦物組合關(guān)系是否成立，這需要資料處理人員具備較強(qiáng)的專業(yè)知識才行很好地進(jìn)行判別。

2.4 數(shù)據(jù)排重

碎屑礦物數(shù)據(jù)排重是將數(shù)據(jù)集中重復(fù)數(shù)據(jù)剔除，保留唯一。數(shù)據(jù)重復(fù)的原因在1.3節(jié)中已述及。數(shù)據(jù)排重模型的設(shè)計主要考慮數(shù)據(jù)來源、站位信息和樣品鑒定信息，采用分級排重方式進(jìn)行。據(jù)此，建立了三級排重模式，排重條件由簡入繁，分別對應(yīng)于三種不同原因造成的數(shù)據(jù)重復(fù)。一級排重主要是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或處理過程中誤操作造成的完全重復(fù)數(shù)據(jù)刪除，這種情況下兩條或多條數(shù)據(jù)屬于完全重復(fù)，因此，排重條件的組合可以是數(shù)據(jù)中任意字段，一般情況下，從數(shù)據(jù)來源、站位信息和樣品鑒定信息中各選一個字段進(jìn)行組合排重，如“項目編碼”+“站位名稱”+“礦物名稱”。二級排重是由于樣品的重復(fù)分析（平行樣分析）造成的數(shù)據(jù)重復(fù)，這種數(shù)據(jù)重復(fù)的特點是同一數(shù)據(jù)文件中數(shù)據(jù)站位名稱相同，但樣品鑒定的礦物顆粒數(shù)或顆粒百分含量會有所不同，這一步排重需要在數(shù)據(jù)整合之前進(jìn)行判別，查重方式以站位名稱為關(guān)鍵字段對文件進(jìn)行分析，必要時需要查驗樣品原始鑒定記錄和數(shù)據(jù)處理報告以進(jìn)行驗證。如果兩個樣品相對誤差在測試規(guī)范允許范圍內(nèi)，則保留其一，如果誤差較大，則需與鄰近站位比對取其一或取二者均值。三級排重在數(shù)據(jù)整合后進(jìn)行，將不同匯交單位相同來源數(shù)據(jù)進(jìn)行排重分析。這種情況造成的數(shù)據(jù)重復(fù)較為復(fù)雜和隱蔽，組合條件字段一般包括項目編碼、區(qū)塊編碼、航次編碼、站位名稱。當(dāng)然，排重組合條件的選擇可以根據(jù)資料具體情況重新組合，將不同任務(wù)間重復(fù)數(shù)據(jù)剔除。值得注意的是，數(shù)據(jù)排重除計算機(jī)程序處理外，還需采用人機(jī)交互方式，根據(jù)已知信息進(jìn)行綜合分析、審核和判斷，最終形成無重復(fù)的整合數(shù)據(jù)集（圖3）。

表1 碎屑礦物數(shù)據(jù)整合格式

續(xù)表1 碎屑礦物數(shù)據(jù)整合格式

圖3 碎屑礦物數(shù)據(jù)排重流程圖

3 資料整合工作的幾點思考

3.1 加快數(shù)據(jù)整合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定

目前，海洋信息資源整合標(biāo)準(zhǔn)研究較少，不利于海洋資料的共享和使用。隨著海洋調(diào)查數(shù)據(jù)量的快速增長，海洋信息資源的整合急需一系列配套的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范作為支撐，同樣，海底碎屑礦物數(shù)據(jù)也不例外。盡管國標(biāo)委已發(fā)布了《地質(zhì)礦產(chǎn)術(shù)語分類代碼第9部分：結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)》 （GB/T9649.9-2009，2009），但由于陸地礦物種類繁多，達(dá)3000余種，而海洋礦物種類相對則少得多，僅上百種，另一方面一些海洋自生礦物種類尚缺乏，因此制定滿足海洋地質(zhì)研究和使用需求碎屑礦物分類與編碼規(guī)范也尤為必要。在海洋信息資源整合的大背景下，進(jìn)一步建立和完善海底碎屑礦物數(shù)據(jù)整合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式以及碎屑礦物分類與編碼，將有效地指導(dǎo)和規(guī)范數(shù)據(jù)整合工作的開展，實現(xiàn)分散、多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)的有效整合，提高數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值。

3.2 加強(qiáng)專業(yè)技術(shù)人員的培訓(xùn)與交流

碎屑礦物數(shù)據(jù)主要由人工鑒定獲得，換言之，碎屑礦物鑒定結(jié)果的好壞很大程度上取決于專業(yè)技術(shù)人員自身的專業(yè)素質(zhì)和技能。因此，加強(qiáng)對鑒定人員從業(yè)能力的考核和培訓(xùn)尤為重要。培訓(xùn)應(yīng)當(dāng)是強(qiáng)制性的，獲得培訓(xùn)結(jié)業(yè)證才能上崗。此外，還要加強(qiáng)鑒定人員與數(shù)據(jù)處理人員之間的交流，以便在數(shù)據(jù)處理過程中能夠辨別數(shù)據(jù)潛在的問題和誤差，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量判別標(biāo)準(zhǔn)。只有通過培訓(xùn)和交流，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，才不會出現(xiàn)同一海區(qū)數(shù)據(jù)差別巨大的局面。

3.3 加快信息資源整合平臺構(gòu)建

信息資源的整合不僅是技術(shù)或物理層面的整合，更是信息資源管理和服務(wù)的整合，可以為用戶提供更高效的信息服務(wù)（夏日，2015）。根據(jù)海洋地質(zhì)數(shù)據(jù)特點，運(yùn)用先進(jìn)的信息處理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和其他整合技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)整合模型和信息資源整合平臺，可有效地提高數(shù)據(jù)處理、整合和使用效率，最大限度發(fā)揮海洋地質(zhì)數(shù)據(jù)在社會發(fā)展過程中的基礎(chǔ)性作用，這也是未來海洋信息化發(fā)展的必然趨勢。

4 結(jié)語

在海洋地質(zhì)數(shù)據(jù)整合工作開展的基礎(chǔ)上，筆者分析了海底碎屑礦物數(shù)據(jù)現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)規(guī)范性、數(shù)據(jù)質(zhì)量和重復(fù)性是制約和影響資料整合的主要因素。藉此，根據(jù)海底碎屑礦物數(shù)據(jù)特點，制定了數(shù)據(jù)整合標(biāo)準(zhǔn)記錄格式和數(shù)據(jù)整合技術(shù)路線，解決了格式不一致、數(shù)據(jù)不規(guī)范以及數(shù)據(jù)重復(fù)等問題，為海洋地質(zhì)數(shù)據(jù)整合做了有益的嘗試，也為其他類型資料的整合提供思路和借鑒。但海洋地質(zhì)數(shù)據(jù)整合工作起步較晚，在整合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定、人員培訓(xùn)以及信息資源整合平臺構(gòu)建等方面有待進(jìn)一步深入。

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