本文關(guān)鍵詞：BEMD方法和PM模型研究及其在地球化學(xué)異常識(shí)別中的應(yīng)用

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【摘要】：如何從非線性和非平穩(wěn)性的原始地球化學(xué)數(shù)據(jù)中分離出地球化學(xué)噪聲、區(qū)域地質(zhì)背景信息,提取與找礦密切相關(guān)的礦體和礦化蝕變帶以及隱伏巖體等地質(zhì)要素所引起的局部地球化學(xué)異常信息是勘查地球化學(xué)家最重要的工作之一。但由于地質(zhì)過(guò)程的復(fù)雜性及成礦過(guò)程的多期次疊加性,地質(zhì)體中地球化學(xué)元素的含量分布在一定程度上呈現(xiàn)隨機(jī)性、非線性和非平穩(wěn)性特征,這使得地球化學(xué)信息的提取分解非常困難。傳統(tǒng)的地球化學(xué)信息分解方法(如趨勢(shì)面法、特征值分解法等)多不能兼顧地球化學(xué)數(shù)據(jù)的空間異質(zhì)性特征,其分解結(jié)果不能反映地球化學(xué)元素的真實(shí)分布,因此很難解釋。尤其針對(duì)目前覆蓋區(qū)找礦過(guò)程中遇到的問(wèn)題,由于受到覆蓋層屏蔽效應(yīng),使得收集到的地球化學(xué)信息非常微弱,傳統(tǒng)信息提取方法的應(yīng)用明顯受到了限制。近年來(lái),不少學(xué)者將希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang Transform, HHT)及其擴(kuò)展理論引入地球科學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域,并通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition, EMD)得到的本征模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function, IMF)來(lái)提取有意義的地質(zhì)信息。相比于基于傅里葉變換的時(shí)頻分析方法(如短時(shí)傅里葉變換、維格納分布(Wigner-Ville)和小波變換等),HHT方法通過(guò)引入本征模態(tài)函數(shù)的概念,不需要預(yù)先設(shè)定分解的基函數(shù),可以通過(guò)EMD自適應(yīng)地將非線性、非平穩(wěn)信號(hào)在時(shí)間系列上分解為有限個(gè)IMF,然后再對(duì)每個(gè)IMF進(jìn)行Hilbert變換,得到瞬時(shí)頻率,從而可以在時(shí)間-頻率-幅度域中分析信號(hào)的特征。各向異性擴(kuò)散Perona-Malik模型(PM模型)可以在抑制噪聲的同時(shí)保留圖像的邊緣特征,這一優(yōu)勢(shì)使其在圖像處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但PM模型在處理強(qiáng)噪聲數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的“塊效應(yīng)”,嚴(yán)重將會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。而Catte模型是針對(duì)PM模型處理“強(qiáng)噪聲”數(shù)據(jù)“失效”的一個(gè)重大改進(jìn)：先對(duì)強(qiáng)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑預(yù)處理,使得數(shù)據(jù)中噪聲點(diǎn)的梯度值得到降低,然后再使用PM模型進(jìn)行各向異性擴(kuò)散求取數(shù)據(jù)的邊緣特征。本研究嘗試將二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法(Bi-dimensional empirical mode decomposition, BEMD)和PM模型及Catte模型應(yīng)用于覆蓋區(qū)地球化學(xué)信息分解中,提取弱異常信息。選取閩西南森林覆蓋區(qū)為研究區(qū),位于我國(guó)東部福建省陸相火山巖銅多金屬成礦帶的南端,該地區(qū)中生代火山活動(dòng)強(qiáng)烈,經(jīng)歷了多旋回構(gòu)造、多期次巖漿活動(dòng)及多次成礦作用,具有尋找斑巖型—淺成熱液型銅多金屬礦的潛力,目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了包括羅卜嶺、紫金山、碧田、溪坪等銅多金屬礦。本文使用研究區(qū)內(nèi)1:20萬(wàn)水系沉積物地球化學(xué)數(shù)據(jù),研究區(qū)域礦化分布特征。前人研究表明該研究區(qū)與銅多金屬礦相關(guān)的地球化學(xué)元素為Ag、As、Mo、Pb、Sb、Zn、Sn、Au、Cd和Cu,本文將BEMD及其改進(jìn)算法應(yīng)用于本研究區(qū)復(fù)雜疊加地球化學(xué)信息的分解,各向異性擴(kuò)散PM模型及其改進(jìn)算法對(duì)此十種礦化相關(guān)元素的空間分布特征與區(qū)域銅礦化異常進(jìn)行識(shí)別,描述了不同頻率域尺度下的礦產(chǎn)資源的空間分布規(guī)律,為定量模擬和識(shí)別化探異常提供了新方法,其認(rèn)識(shí)主要有：(1) BIMFs-PM模型分解組合地球化學(xué)異常信息信號(hào)經(jīng)BEMD分解后將代表不同頻率尺度、相同特定意義的二維本征模態(tài)函數(shù)(Bi-intrinsic mode functions, BIMFs)進(jìn)行融合,能集中反映被分解信號(hào)的某一特定意義,融合后的BIMFs帶入PM模型進(jìn)行二次抑制噪聲和邊緣特征提取更能突出信號(hào)的本質(zhì)特征。針對(duì)地球化學(xué)數(shù)據(jù)的特點(diǎn),基于克里金插值(Kriging)包絡(luò)面擬合方法的BEMD考慮了地球化學(xué)數(shù)據(jù)之間的空間結(jié)構(gòu)性,分解出的BIMFs數(shù)據(jù)滿足局部正交性而沒(méi)有模態(tài)混疊問(wèn)題,能較好地保證被分解數(shù)據(jù)的質(zhì)量。本研究將與閩西南銅多金屬礦礦化相關(guān)的十種地球化學(xué)元素的組合異常用基于Kriging插值的BEMD方法進(jìn)行分解,將代表不同頻率尺度特征的地球化學(xué)異常BIMF2、BIMF3、 BIMF4進(jìn)行組合得到融合異常圖BIMF234(強(qiáng)噪聲在BIMF1, BIMF234非強(qiáng)噪聲數(shù)據(jù)),然后用PM模型進(jìn)行各向異性擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)在二次抑制整個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的誤差的同時(shí)并強(qiáng)化異常信息。結(jié)果顯示：BIMFs-PM不但能夠提取礦化異常,還能夠提取與礦化有關(guān)的地層或者巖體信息(如BIMF3)。(2) BEEMD方法分解組合地球化學(xué)異常信息由于BEMD是基于經(jīng)驗(yàn)的分解,很多關(guān)鍵技術(shù)還有待探討(如在處理不同類型數(shù)據(jù)時(shí)插值曲面技術(shù)的選擇、模態(tài)混疊問(wèn)題的改善等)。本研究以分解得到質(zhì)量較好的二維本征模態(tài)函數(shù)BIMFs為目的,結(jié)合數(shù)據(jù)計(jì)算資源要求和算法速度的考慮,提出基于三次樣條插值的二維總體平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法(bi-dimensional ensemble empirical mode decomposition, BEEMD)來(lái)改善BEMD的二維模態(tài)混疊問(wèn)題。首先將BEEMD和BEMD方法應(yīng)用于Lena圖像的仿真分解識(shí)別,結(jié)果顯示BEMD分解的結(jié)果有很明顯的二維模態(tài)混疊現(xiàn)象,BEEMD將Lena圖像作為一個(gè)二維整體數(shù)據(jù)進(jìn)行分解,可以緩解BEMD的二維模態(tài)混疊問(wèn)題,其分解的二維模態(tài)函數(shù)成分視覺(jué)效果要更好一些,在圖像的一些部位如頭發(fā)、鼻子、胳膊和帽子的邊緣處要更清晰。然后將BEMD和BEEMD應(yīng)用于閩西南地球化學(xué)異常提取的對(duì)比研究,研究結(jié)果顯示：由于BEMD在分解地球化學(xué)數(shù)據(jù)時(shí)存在二維模態(tài)混疊問(wèn)題導(dǎo)致分解出的BIMF出現(xiàn)了假異常和假信息,而BEEMD的分解能改善分解過(guò)程中的二維模態(tài)混疊問(wèn)題,分解出來(lái)的結(jié)果更加穩(wěn)健和更可靠,也更容易解譯,由BEEMD分解出來(lái)的BIMFs和殘差剩余能夠重組成地球化學(xué)異常,地球化學(xué)噪聲、和區(qū)域背景等一些新的成分。(3)Catte模型在組合地球化學(xué)異常信息識(shí)別中的應(yīng)用本研究首先將PM模型和Catte模型應(yīng)用于Lena圖像的噪聲處理及特征識(shí)別上,結(jié)果證明隨著Lena圖像中噪聲強(qiáng)度的增大,PM模型漸漸失效,而Catte模型在去除噪聲的同時(shí)可以保留圖像的基本邊緣特征信息。然后Catte模型被用于閩西南地球化學(xué)異常的提取,并將結(jié)果和由PM模型得到的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示：由PM模型所提取的地球化學(xué)異常呈現(xiàn)明顯的“塊狀”,與元素實(shí)際空間分布趨勢(shì)不符。而Catte模型得到的地球化學(xué)異常圖與BIMFs-PM模型、S-A多重分形方法和BEEMD方法提取的地球化學(xué)異�？臻g分布趨勢(shì)是基本一致的,Catte模型提取的地球化學(xué)異常更接近于局部地球化學(xué)異常,說(shuō)明Catte模型用于提取組合元素的地球化學(xué)異常是有效的。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P632

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條

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本文編號(hào)：1292768