大數(shù)據(jù)時代基于多元素數(shù)據(jù)融合的一張圖化探異常評判

婁雪家，張大偉*，王 淼，史長浩，崔軍軍，劉 周

（1.吉林省有色金屬地質(zhì)勘查院，吉林 長春 130021；2.吉林省有色金屬地質(zhì)勘查局，吉林 長春 130021；3.吉林省有色金屬地質(zhì)勘查局六0二隊，吉林 白山 130021）

國際數(shù)據(jù)公司（IDC）將大數(shù)據(jù)定義為“為更經(jīng)濟地從高頻率的“大容量的”不同結(jié)構(gòu)和類型的數(shù)據(jù)中獲取價值而設(shè)計的新一代架構(gòu)和技術(shù)”。基于多元素數(shù)據(jù)融合的一張圖化探異常評判是在大數(shù)據(jù)的背景下，根據(jù)不同的元素之間的相關(guān)性，把各種分散的元素信息集成到一起而去除冗余信息、增強信號強度，真正達到為找礦服務(wù)的目的。

1 緒論

1.1 研究現(xiàn)狀

化探找礦是一種效率高、效果顯著的找礦方法，上世紀淺地表富礦的發(fā)現(xiàn)80%以上都與地球化學勘查有關(guān)?？辈榈厍蚧瘜W（簡稱化探）是系統(tǒng)地測量各種天然物質(zhì)（如巖石、疏松覆蓋物、水系沉積物、水、空氣或生物）地球化學性質(zhì)（如成礦元素及伴生元素的含量等）的一門地球科學。測量目的是發(fā)現(xiàn)與礦化有關(guān)的地球化學異常，并通過異常的線索來圈定成礦遠景地段、縮小找礦靶區(qū)，以尋找具有經(jīng)濟價值的礦床。其關(guān)鍵在于“異常評判”，評判的準確性和效率直接影響了找礦效果和找礦周期。

異常是一個相對概念，所以不能將其看作一個定值。傳統(tǒng)的異常評判，通常都是對單一元素采用簡單數(shù)理統(tǒng)計方法進行分析，或者依賴于人為經(jīng)驗判斷。這種背景值的確定，一般是以特定區(qū)域范圍內(nèi)的元素樣品平均值來度量，異常的下限基本以元素均值與其方差的加減倍數(shù)來劃定的（單元素計算法），或者僅僅將不同元素等值線疊加到一張圖上來了解不同元素的套合性，很少對多元素進行綜合考慮。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，尤其是地理信息系統(tǒng)（GIS）等軟件的廣泛應用，提高了化探的數(shù)據(jù)處理的效率，將數(shù)據(jù)輸入電腦可以直接制成化探的成果圖件—單元素異常等值線圖。而在實際工作中這種高效的電腦圈定的異常，要么大片出現(xiàn)失去了指示性，要么漫天撒豆毫無規(guī)律可循，難以達到指導地質(zhì)工作的目的，也給異常的檢查驗證提出了難題。所以綜合分析各元素的區(qū)別與聯(lián)系，將它們?nèi)诤系揭黄穑軌蜻_到信息的互補，去除冗余信息和干擾因素，彌補單一元素反映信息的不足。

1.2 研究目的與意義

20世紀以來，隨著地質(zhì)工作的深入，淺部富礦產(chǎn)資源開采殆盡，現(xiàn)階段易識別礦和地表露頭礦越來越少，地質(zhì)找礦難度急劇增大，以往篩選“高、大、全”化探異常的找礦模式概率很小，單元素化探信息已經(jīng)滿足不了地質(zhì)找礦工作的需要，異常篩選思路和準則也需要改變。21世紀以來多元數(shù)據(jù)融合技術(shù)（物探、化探、地質(zhì)、遙感等）在地質(zhì)找礦方面的使用也越來越廣泛，化探作為多元中的一部分發(fā)展緩慢，基于多元素數(shù)據(jù)融合的化探異常評判符合多元信息集成的發(fā)展需求，也順應“一張圖”管理和“大地質(zhì)、大數(shù)據(jù)”時代的發(fā)展。

2 多元素化探數(shù)據(jù)融合

2.1 數(shù)據(jù)處理及正態(tài)分布檢驗

2.1.1 數(shù)理統(tǒng)計

對全部數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計：

（1）計算全區(qū)各元素測試數(shù)據(jù)的均值（X1）和標準離差（S1）。

（2）按大于X+3S的條件剔除一批高值后獲得一個新數(shù)據(jù)集，再計算此數(shù)據(jù)集的均值（X2）和標準離差（S2）。

（3）重復第二步，直至無特高值點存在，求出最終數(shù)據(jù)集的均值（X）和標準離差（S）。

（4）用原始數(shù)據(jù)或取對數(shù)后數(shù)據(jù)繪制頻率直方圖，檢驗樣品元素是否符合正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布。均滿足正態(tài)分布檢驗要求。

2.1.2 化探參數(shù)統(tǒng)計

對研究區(qū)化探次生暈數(shù)據(jù)參數(shù)進行統(tǒng)計：算術(shù)全區(qū)、對數(shù)全區(qū)、算術(shù)剔除高值全區(qū)、對數(shù)剔除高值全區(qū)中的樣品數(shù)、平均值、標準離差、變化系數(shù)、偏度、最大值、最小值、濃集克拉克值及致礦系數(shù)進行統(tǒng)計，為估計評價各元素找礦潛力和各地質(zhì)單元地球化學富集特征提供必要的依據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)均勻化

由于不同元素在地質(zhì)體中的含量存在數(shù)量級上的差別（10-6，10-9），將各種元素進行均勻化處理，將大小懸殊的數(shù)據(jù)變化到同一度量的水平，計算公式為：

2.3 元素相關(guān)性分析

為了研究各種元素的相關(guān)密切程度，將區(qū)內(nèi)化探數(shù)據(jù)進行R-型模糊聚類分析。

（1）根據(jù)相關(guān)性檢驗，服從正態(tài)分布的元素直接用原始數(shù)據(jù)；過于離散，服從對數(shù)正態(tài)分布的微量元素，先將實測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對數(shù)再進行相關(guān)性分析。

（2）由于不同元素在地質(zhì)體中的含量存在數(shù)量級上的差別（10-6，10-9），將各種元素進行標準化處理，將大小懸殊的數(shù)據(jù)變化到同一度量的水平，計算公式為：

j —樣品數(shù)（j =1，2，3，……，n）。

（3）相關(guān)系數(shù)計算。采用R-型模糊聚類分析，得到相關(guān)系數(shù)矩陣，并制作譜系圖。

2.4 多元素數(shù)據(jù)融合模型

2.4.1 主元素、輔助元素確定

根據(jù)區(qū)域找礦方向、元素富集系數(shù)和地球化學特征選擇主元素，結(jié)合元素相關(guān)性和數(shù)據(jù)融合的可操作性選擇輔助元素。元素組合的原則初步設(shè)定為：

（1）元素組合個數(shù)為3個～7個。

（2）相關(guān)系數(shù)大于0.30。

2.4.2 影響系數(shù)及閥值設(shè)定

主元素本身影響系數(shù)為1，為了避免輔助元素喧賓奪主，設(shè)定輔助元素的影響系數(shù)γ和閥值L防止其對主元素影響過大。

2.4.3 融合模型的建立

以均勻化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)根據(jù)證據(jù)加權(quán)理論將多個元素進行數(shù)據(jù)融合，主元素變量影響系數(shù)為1，其它元素影響系數(shù)為γ，以此進行加權(quán)融合，融合后乘以主元素的平均值（剔除異點后）得到融合后主元素數(shù)據(jù)，融合模型：

式中：S1j—主元素融合后的第j個數(shù)據(jù)；

x1j—主元素第j 件樣品的原始數(shù)據(jù)；

L —輔助元素影響系數(shù)閥值；

γi—第i 個輔助元素的影響系數(shù)；

Jij—第i 個變量第j 個數(shù)據(jù)均一化后的數(shù)據(jù)。

2.4.4 多元素數(shù)據(jù)融合步驟

（1）通過正態(tài)分布檢驗，數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布。

（2）通過均勻化處理，將大小懸殊的數(shù)據(jù)變化到同一度量的水平。

（3）進行R-型模糊聚類分析，分析元素之間的相關(guān)性。

（4）根據(jù)元素組合和勘查礦種確定主元素和輔助元素。

2.5 異常圈定

背景值和異常下限的確定與化探找礦的效果有很大關(guān)系，高了容易漏掉異常，造成漫天撒豆現(xiàn)象毫無規(guī)律可循；低了造成假異?；蛘呤巩惓４笃霈F(xiàn)而失去了指示性。因此背景值和異常下限的確定采用數(shù)理統(tǒng)計方法，如2.1節(jié)中處理方法將原始數(shù)據(jù)的異點多次剔除后進行正態(tài)分布檢驗和計均值、標準離差統(tǒng)，并以此確定背景值及異常下限值。即異常下限=背景值+n倍的標準離差。

3 結(jié)論

通過試驗融合后數(shù)據(jù)重新進圈定的異常與融合前的成果具有很好的再現(xiàn)性，吻合度較好，尤其是在對弱異常的處理上效果比較理想，在研究礦化富集規(guī)律上具有明顯的優(yōu)勢，實現(xiàn)了對異?？焖佟蚀_、經(jīng)濟、高效定位的目的。通過結(jié)果驗證與對比分析得到以下結(jié)論：

（1）異常再現(xiàn)性好。通過融合前、后異常對比，95%的異常具有重現(xiàn)性，說明融合數(shù)據(jù)異常信息的提取方面與傳統(tǒng)經(jīng)典方法一樣具有很高的可信度。

（2）增強信號強度，降低噪聲干擾。在低異常區(qū)具有較好的效果，主要表現(xiàn)在單元素較低，而其它具有成礦指示作用的元素有一定顯示時，通過數(shù)據(jù)融合增強了信號強度，而使異常得到凸顯；另一方面，對于單元素較低，其它元素指示也不好的異常區(qū)，通過融合提高了異常下限，從而降低單元素低值異常的干擾。

（3）精確定位與定向。對于規(guī)模較大的異常，往往成片出現(xiàn)，雖然面積較大，具有較好的找礦前景，但是幾平方千米甚至幾十平方千米的面狀異常往往讓工作無從做起，通過多元素融合不僅提高異常強度，也通過提高異常下限而使范圍更加精確，同時使異常具有方向性和成帶性，圈定的融合異常更接近真實情況，并且能夠更加精確地指導找礦。

4 存在問題與工作展望

4.1 存在問題

（1）基于多元素數(shù)據(jù)融合的化探異常雖然通過對比實驗取得了較好的效果，但是多元素數(shù)據(jù)融合模型還不成熟，輔助元素影響程度和閥值的設(shè)定是一個復雜的過程。由于時間問題和本人水平有限，筆者是基于經(jīng)驗和初步實驗對比選定影響程度為0.6倍的相關(guān)系數(shù)，閥值確定為0.6，要想達到最佳效果，影響程度和閥值的設(shè)定還有待于進一步研究。

（2）土壤地球化學異常存在次生遷移現(xiàn)象，不同元素的遷移能力也不盡相同，與外界環(huán)境、地形、元素自身活性等密切相關(guān)，如果將以上因素參與多元素數(shù)據(jù)融合的定量和定向，將會取得更加準確的效果。

4.2 工作展望

21世紀以來“深穿透地球化學（Deep-penetrating Geochemistry）”技術(shù)在隱伏區(qū)找礦取得了突破性進展，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應用于地質(zhì)找礦與預測工作中也取得了相當好的成果，如果將深穿透物質(zhì)納入多元素數(shù)據(jù)融合之中，多元素數(shù)據(jù)融合的項目增加，會提高異常評判的準確性；而結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬人腦的自適應性、自學習性、自組織性、容錯性等進行模式識別和數(shù)據(jù)處理，是化探信息技術(shù)“大數(shù)據(jù)”的發(fā)展方向，隨著多元素數(shù)據(jù)融合模型的發(fā)展和完善，也必將在多元地學集成找礦預測中得到更好的應用。