本發(fā)明涉及地球科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于GIS(Geographic Information System,地理信息系統(tǒng))空間分析選擇地球化學(xué)元素組合的方法。

背景技術(shù)：

礦產(chǎn)勘查面臨新形勢(shì)，找礦環(huán)境由簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)向復(fù)雜，找礦方法由定性轉(zhuǎn)向定量，找礦重點(diǎn)由淺表礦轉(zhuǎn)向復(fù)雜地質(zhì)條件下覆蓋區(qū)和深部礦。復(fù)雜地質(zhì)條件下礦產(chǎn)勘查尤其是地球化學(xué)勘查面臨諸多挑戰(zhàn)，如由于埋深以及覆蓋層屏蔽的影響，導(dǎo)致找礦信息微弱；地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，造成找礦信息混雜，難分解；覆蓋層的存在往往導(dǎo)致找礦信息不清晰、不完備、難判斷。如何有效識(shí)別和提取復(fù)雜地質(zhì)條件下弱緩地球化學(xué)異常是當(dāng)前礦產(chǎn)勘查的關(guān)鍵。此外，我國(guó)自1978年以來，已經(jīng)積累了大量高質(zhì)量的、多元素的、多尺度的地球化學(xué)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不僅為我國(guó)的找礦勘查與環(huán)境評(píng)價(jià)做出了重要貢獻(xiàn)，還為全球地球化學(xué)填圖，全球地球化學(xué)參考網(wǎng)的建立和地球化學(xué)基準(zhǔn)值的確定等奠定了重要基礎(chǔ)。在此背景下，研發(fā)復(fù)雜地質(zhì)條件下地球化學(xué)異常識(shí)別和提取技術(shù)，對(duì)勘查地球化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分利用和再開發(fā)，進(jìn)而提取成礦作用導(dǎo)致的地球化學(xué)異常并帶動(dòng)找礦突破，顯得尤為重要。

目前主要從多空間、多尺度和多元素等開展復(fù)雜地質(zhì)條件下弱緩地球化學(xué)異常識(shí)別和提取，如經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥?、多重分形濾波技術(shù)、局部奇異性方法、局部穩(wěn)健富集系數(shù)法和局部Gap空間統(tǒng)計(jì)量方法。這些方法通常需要利用主成分分析(或因子分析)進(jìn)行預(yù)處理進(jìn)行降維，并尋求能代表研究區(qū)典型成礦作用導(dǎo)致的地球化學(xué)元素組合，再利用如經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥ā⒕植科娈愋缘确椒ㄟM(jìn)行弱緩地球化學(xué)異常識(shí)別和提取。然而選擇哪些元素進(jìn)行主成分或因子分析，以及如何選擇成礦作用導(dǎo)致的地球化學(xué)異常元素組合常常因人而異，目前沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于GIS空間分析選擇地球化學(xué)元素組合的方法，該方法能夠有效提取成礦作用導(dǎo)致的地球化學(xué)異常，為進(jìn)一步的礦產(chǎn)勘查提供更有指示意義的地球化學(xué)參考依據(jù)。

本發(fā)明提供一種基于GIS空間分析選擇地球化學(xué)元素組合的方法，包括以下步驟：

基于GIS，對(duì)收集到的地球化學(xué)元素進(jìn)行預(yù)處理；

對(duì)經(jīng)過預(yù)處理的每一個(gè)地球化學(xué)元素進(jìn)行多重分形譜分析，并計(jì)算每一個(gè)地球化學(xué)元素的不對(duì)稱指數(shù)，所述不對(duì)稱指數(shù)的數(shù)值大小反映多重分形譜的不對(duì)稱性，所述多重分形譜的不對(duì)稱性包括多重分形譜左偏、多重分形譜右偏和多重分形譜對(duì)稱分布，所述多重分形譜左偏表示地球化學(xué)元素在研究區(qū)域明顯富集利于成礦；

對(duì)多重分形譜左偏的地球化學(xué)元素進(jìn)行ROC(receiver operating characteristic，受試者工作特征)曲線分析，根據(jù)ROC曲線分析計(jì)算每個(gè)地球化學(xué)元素的ROC曲線下的面積AUC的值和用以檢驗(yàn)AUC的值在不同置信水平下與AUC＝0.5的差異的Z_AUC的值，所述AUC和Z_AUC的值的大小反映地球化學(xué)元素與已知礦床的空間關(guān)系；

對(duì)成礦地質(zhì)特征進(jìn)行分析，通過參考研究區(qū)的成礦模式以及研究富集礦物，可以初步判斷成礦作用導(dǎo)致的地球化學(xué)異常；

根據(jù)成礦地質(zhì)特征、不對(duì)稱指數(shù)、AUC和Z_AUC綜合選擇成礦作用導(dǎo)致的地球化學(xué)元素組合。

進(jìn)一步地，所述計(jì)算每一個(gè)地球化學(xué)元素的不對(duì)稱指數(shù)具體包括以下步驟：

(2.1)將研究區(qū)域劃分為一系列邊長(zhǎng)為ε的正方形網(wǎng)格，設(shè)μ_i為第i個(gè)正方形網(wǎng)格內(nèi)的金屬量，依據(jù)多重分形理論，建立金屬量μ_i與ε的表達(dá)式：

式中，α_i為局部奇異性指數(shù)，局部奇異性指數(shù)α_i可反映局部的成礦奇異性程度和礦化富集程度，局部奇異性指數(shù)α_i被限制在一個(gè)有限區(qū)間[α_min,α_max],其中-∞≤α_min≤α_max≤+∞,α_min是最小的局部奇異性指數(shù)，α_max是最大的局部奇異性指數(shù)；

(2.2)求取研究區(qū)域內(nèi)所有局部位置的局部奇異性指數(shù)α_i，按照局部奇異性指數(shù)α_i的大小對(duì)正方形網(wǎng)格進(jìn)行分組，每組包含有限個(gè)局部奇異性指數(shù)α_i，設(shè)N_ε(α)為各分組內(nèi)正方形網(wǎng)格的數(shù)目，根據(jù)地球化學(xué)元素分布的多重分形特征，建立N_ε(α)與ε的表達(dá)式：

N_ε(α)∝ε^-f(α)

式中，f(α)表示該地球化學(xué)分布模式的多重分形譜；

(2.3)利用局部奇異性指數(shù)α_i求解不對(duì)稱指數(shù)R，不對(duì)稱指數(shù)R的計(jì)算公式為：

式中：α(0)為f(α)的切線斜率為0時(shí)對(duì)應(yīng)的局部奇異性指數(shù)；R>1,表示多重分形譜左偏；R<1，表示多重分形譜右偏；R＝1，表示多重分形譜對(duì)稱分布。

進(jìn)一步地，所述ROC曲線分析具體包括以下步驟：

(3.1)以敏感性為縱坐標(biāo)代表真陽性率，以特異性為橫坐標(biāo)代表假陽性率，繪制接受者操作特征曲線，設(shè)正樣本i^th的預(yù)測(cè)值為{x_i,i＝1,2,…P}，負(fù)樣本j^th的預(yù)測(cè)值為{y_j,j＝1,2,…n}，對(duì)每個(gè)地球化學(xué)元素的ROC曲線下的面積AUC的值進(jìn)行求解，AUC的值的計(jì)算公式為：

式中，

(3.2)對(duì)AUC的方差S_AUC進(jìn)行求解，S_AUC的計(jì)算公式為：

式中，

(3.3)對(duì)用以檢驗(yàn)AUC的值在不同置信水平下與AUC＝0.5的差異的Z_AUC的值進(jìn)行求解，Z_AUC的計(jì)算公式為：

式中，Z_AUC服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，AUC的值在0到1的范圍內(nèi)，AUC>0.5,表示地球化學(xué)模式與已發(fā)現(xiàn)礦床具有顯著地空間相關(guān)關(guān)系；AUC的值越大，表示地球化學(xué)模式與已發(fā)現(xiàn)礦床的空間相關(guān)關(guān)系越強(qiáng)。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是：本發(fā)明采用多重分形譜分析確定地球化學(xué)元素的空間分布與富集特征，利用ROC曲線分析多重分形譜左偏的地球化學(xué)元素與已發(fā)現(xiàn)礦床的空間耦合關(guān)系，并結(jié)合成礦地質(zhì)特征確定地球化學(xué)元素組合，這些地球化學(xué)元素組合對(duì)成礦作用導(dǎo)致的地球化學(xué)異常具有更高的識(shí)別能力，并且能夠有效地排除噪聲的干擾，可以為進(jìn)一步的礦產(chǎn)勘查提供更有指示意義的地球化學(xué)參考依據(jù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種基于GIS空間分析選擇地球化學(xué)元素組合的方法的流程示意圖。

圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的多重分形譜圖。

圖3是本發(fā)明一實(shí)施例的ROC曲線分析圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地描述。

請(qǐng)參考圖1，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種基于GIS空間分析選擇地球化學(xué)元素組合的方法，包括以下步驟：

S101，基于GIS，對(duì)收集到的地球化學(xué)元素進(jìn)行預(yù)處理。

S102，對(duì)經(jīng)過預(yù)處理的每一個(gè)地球化學(xué)元素進(jìn)行多重分形譜分析，并計(jì)算每一個(gè)地球化學(xué)元素的不對(duì)稱指數(shù)R，不對(duì)稱指數(shù)R的數(shù)值大小反映多重分形譜的不對(duì)稱性，多重分形譜的不對(duì)稱性包括多重分形譜左偏、多重分形譜右偏和多重分形譜對(duì)稱分布，多重分形譜左偏表示地球化學(xué)元素在研究區(qū)域明顯富集利于成礦。

計(jì)算每一個(gè)地球化學(xué)元素的不對(duì)稱指數(shù)R具體包括以下步驟：

(2.1)將研究區(qū)域劃分為一系列邊長(zhǎng)為ε的正方形網(wǎng)格，設(shè)μ_i為第i個(gè)正方形網(wǎng)格內(nèi)的金屬量，依據(jù)多重分形理論，建立金屬量μ_i與ε的表達(dá)式：

式中，α_i為局部奇異性指數(shù)，局部奇異性指數(shù)α_i可反映局部的成礦奇異性程度和礦化富集程度，局部奇異性指數(shù)α_i被限制在一個(gè)有限區(qū)間[α_min,α_max],其中-∞≤α_min≤α_max≤+∞,α_min是最小的局部奇異性指數(shù)，α_max是最大的局部奇異性指數(shù)；

(2.2)求取研究區(qū)域內(nèi)所有局部位置的局部奇異性指數(shù)α_i，按照局部奇異性指數(shù)α_i的大小對(duì)正方形網(wǎng)格進(jìn)行分組，每組包含有限個(gè)局部奇異性指數(shù)α_i，每組內(nèi)的局部奇異性指數(shù)α_i十分接近，設(shè)N_ε(α)為各分組內(nèi)正方形網(wǎng)格的數(shù)目，根據(jù)地球化學(xué)元素分布的多重分形特征，建立N_ε(α)與ε的表達(dá)式：

N_ε(α)∝ε^-f(α)

式中，f(α)表示該地球化學(xué)分布模式的多重分形譜，參考圖2，一實(shí)施例中，f(α)是一條曲線；

(2.3)利用局部奇異性指數(shù)α_i求解不對(duì)稱指數(shù)R，不對(duì)稱指數(shù)R的計(jì)算公式為：

式中：α(0)為f(α)的切線斜率為0時(shí)對(duì)應(yīng)的局部奇異性指數(shù)；R>1,表示多重分形譜左偏；R<1，表示多重分形譜右偏；R＝1，表示多重分形譜對(duì)稱分布。

S103，對(duì)多重分形譜左偏的地球化學(xué)元素進(jìn)行ROC曲線分析，根據(jù)ROC曲線分析計(jì)算每個(gè)地球化學(xué)元素的ROC曲線下的面積AUC的值和用以檢驗(yàn)AUC的值在不同置信水平下與AUC＝0.5的差異的Z_AUC的值,AUC和Z_AUC的值的大小反映地球化學(xué)元素與已知礦床的空間關(guān)系。

ROC曲線分析具體包括以下步驟：

(3.1)以敏感性為縱坐標(biāo)代表真陽性率，以特異性為橫坐標(biāo)代表假陽性率，繪制接受者操作特征曲線，圖3為一實(shí)施例中ROC曲線的示意圖，設(shè)正樣本i^th的預(yù)測(cè)值為{x_i,i＝1,2,…P}，負(fù)樣本j^th的預(yù)測(cè)值為{y_j,j＝1,2,…n}，對(duì)每個(gè)地球化學(xué)元素的曲線下的面積AUC的值進(jìn)行求解，AUC的值的計(jì)算公式為：

式中，

(3.2)對(duì)AUC的方差S_AUC進(jìn)行求解，S_AUC的計(jì)算公式為：

式中，

(3.3)對(duì)用以檢驗(yàn)AUC的值在不同置信水平下與AUC＝0.5的差異的Z_AUC的值進(jìn)行求解，Z_AUC的計(jì)算公式為：

式中，Z_AUC服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，一實(shí)施例中，Z_AUC的值在-1.96到1.96的范圍內(nèi)；AUC的值在0到1的范圍內(nèi)，AUC>0.5,表示地球化學(xué)模式與已發(fā)現(xiàn)礦床具有顯著地空間相關(guān)關(guān)系；AUC的值越大，表示地球化學(xué)模式與已發(fā)現(xiàn)礦床的空間相關(guān)關(guān)系越強(qiáng)。

S104,分析成礦地質(zhì)特征，通過參考研究區(qū)的成礦模式以及對(duì)富集礦物的研究，可以初步判斷成礦作用導(dǎo)致的地球化學(xué)異常。

S105,根據(jù)成礦地質(zhì)特征、不對(duì)稱指數(shù)、AUC和Z_AUC綜合選擇成礦作用導(dǎo)致的地球化學(xué)元素組合。

一實(shí)施例中，對(duì)典型礦床進(jìn)行分析，根據(jù)礦床的成礦地質(zhì)特征，R>1、AUC>0.5和Z_AUC>1.96，遴選成礦作用導(dǎo)致的地球化學(xué)元素組合。

本發(fā)明采用多重分形譜分析確定地球化學(xué)元素的空間分布與富集特征，利用ROC曲線分析多重分形譜左偏的地球化學(xué)元素與已發(fā)現(xiàn)礦床的空間耦合關(guān)系，并結(jié)合成礦地質(zhì)特征確定地球化學(xué)元素組合，這些地球化學(xué)元素組合對(duì)成礦作用導(dǎo)致的地球化學(xué)異常具有更高的識(shí)別能力，并且能夠有效地排除噪聲的干擾，可以為進(jìn)一步的礦產(chǎn)勘查提供更有指示意義的地球化學(xué)參考依據(jù)。

在不沖突的情況下，本文中上述實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互結(jié)合。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。