課件：計算機在地學中的應用

計算機在地學中的應用

吉林大學地球科學學院

數(shù)字地學研究中心

賀金鑫

■地球科學與計算機科學的聯(lián)系

■數(shù)字地質(zhì)科學

■計算機在地學中的應用現(xiàn)狀

■計算機在地學中的應用領域

地球科學與計算機科學的聯(lián)系

研究人員

或儀器繪圖系統(tǒng)

〉或可視化

系統(tǒng)

j數(shù)字地質(zhì)科學

■學科屬性

■什么是數(shù)字地質(zhì)科學

■數(shù)字地質(zhì)科學的主要研究方向

學科屬性

■計算機在地學中的應用是地學中的一個

活躍的前沿研究領域。是信息技術與地

學的融合，目前正處于探索、發(fā)展階段。

■數(shù)字地質(zhì)科學

■目前我校已建立了“數(shù)字地質(zhì)科學”

這一新的學科，它將逐步完善其理論

體系，研究方法和技術，形成一門地

球科學領域中以信息技術為支撐的重

要學科。

什么是“數(shù)字地質(zhì)科學”

■數(shù)字地質(zhì)科學是以現(xiàn)代地球科學的理論

和方法為基礎，充分利用信息科學的理

論和技術，研究地學信息提取、轉(zhuǎn)換、

表示、存儲、管理、分析和可視化，以

及建立地球科學定量模型和對地質(zhì)過程

進行數(shù)值模擬的綜合性學科。本學科是

地球科學、信息科學和技術、數(shù)學、物

理學等多個學科的交叉與融合。

什么是“數(shù)字地質(zhì)科學”

■數(shù)字地質(zhì)科學是地質(zhì)學的未來發(fā)展方向,

是使地質(zhì)學由定性走向定量，由二維走

向三維，由靜態(tài)走向動態(tài)的關鍵。其理

論基礎是定量地質(zhì)模型和地質(zhì)信息分析

理論。數(shù)字地質(zhì)科學的研究目標是實現(xiàn)

地質(zhì)數(shù)據(jù)的信息化、地質(zhì)信息分析的智

能化、地質(zhì)研究的定量化和可視化。數(shù)

字地球科學研究對加深地球的形成演化、

生命起源、物質(zhì)組成、礦產(chǎn)資源形成分

布的認識有著極其重要的意義。

什么是“數(shù)字地質(zhì)科學”

■地質(zhì)資料的信息化和地質(zhì)信息分析的智

能化可以使地質(zhì)學家容易處理和分析數(shù)

據(jù)，發(fā)現(xiàn)新的地質(zhì)事實和地質(zhì)規(guī)律。地

質(zhì)研究的定量化和可視化能夠使地質(zhì)研

究更加深入，是創(chuàng)造新的地質(zhì)理論的重

要基礎。

■數(shù)字地質(zhì)科學=定量化的+智能化的+可

視化的+信息化的地質(zhì)學。

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心

*

數(shù)字地質(zhì)科學的研究方向

■定量地質(zhì)研究

■定量地質(zhì)研究是指利用地質(zhì)數(shù)據(jù)定量

分析地質(zhì)特征之間和地質(zhì)特征及其成

因之間內(nèi)在聯(lián)系，探索地質(zhì)演化規(guī)律

的過程。如變質(zhì)作用的P-T-t軌跡研究、

巖石圈熱結(jié)構分析、盆地構造定量分

析、構造應力場分析、沉積相和高分

辨率層序地層學自動分析等。

■地質(zhì)建模

■地質(zhì)建模是在綜合地質(zhì)研究的基礎上，利用

■計算機圖形圖像技術,通過地質(zhì)模式量化，

?建豆苗質(zhì)體的空間參數(shù)、屬性參數(shù)和構造框

架等之間關系的過程。

■沉積盆地綜合模型：通過綜合巖石、地層、

構造和深部地質(zhì)特征建立綜合盆地地質(zhì)模型O

■構造模型：在深入細致的構造分析基礎上，

建立構造模型并在此基礎上利用計算機技術

恢復構造演化歷史，推斷構造成因。

■礦體三維模型：利用描述礦體空間產(chǎn)狀的參

數(shù)及礦體的其他屬性參數(shù)，建立礦體的三維

可視化模型，并通過該模型剖析控制礦體的

地質(zhì)因素、礦體的成因等。

■地質(zhì)過程模擬

I■地質(zhì)過程模擬是根據(jù)地質(zhì)過程發(fā)生的物理化

:學原理，建立數(shù)學模型,用計算機模擬地質(zhì)

?過程的演化過程,并以圖形方式動態(tài)顯示這

種演化過程。

■沉積過程模擬：在流體運動的連續(xù)方程和動量方

程基礎上模擬各種沉積環(huán)境的沉積物的搬運、沉

積和侵蝕過程，預測沉積相分布和盆地沉積構型。

?盆地構造-充填過程模擬：綜合模擬控盆構造的

演化、地殼沉降和沉積充填過程，建立沉積與構

造作用之間的關系。

■盆地地球動力學模擬：在盆地形成的動力學模型

的基礎上，模擬在盆地形成過程中盆地形態(tài)、巖

石圈溫度場變化、深部構造作用和巖漿作用之間

的關系。

附：數(shù)學地質(zhì)

■數(shù)學地質(zhì)是20世紀60年代以來迅速形成

的一門邊緣學科。它是地質(zhì)學與數(shù)學及

計算機科學相結(jié)合的產(chǎn)物，目的是從量

的方面研究和解決地質(zhì)科學問題。它的

出現(xiàn)反映地質(zhì)學從定性的描述階段向定

量研究發(fā)展的新趨勢，為地質(zhì)學開辟了

新的發(fā)展途徑。數(shù)學地質(zhì)方法的應用范

圍是極其廣泛的，幾乎滲透到地質(zhì)學的

各個領域。目前數(shù)學地質(zhì)工作在國際上

已經(jīng)有了比較普遍的開展，對某些地質(zhì)

問題的研究取得了許多實際效果。

數(shù)學地質(zhì)的基本內(nèi)容或方法:

■①地質(zhì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，其中常用的有:

趨勢面分析、回歸分析、因子分析、判

別分析，聚類分析、典型相關分析、高

斯一克里格、時間序列分析、數(shù)字濾波

等；②地質(zhì)過程的計算機模擬：地下水

運動過程模擬，構造斷裂的模擬，礦物

地球化學的模擬等；概率性數(shù)學模擬：

地層剖面的馬爾科夫過程模擬等；③地

質(zhì)數(shù)據(jù)存儲、索取、自動處理和顯示:

野外地質(zhì)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，礦產(chǎn)資源、地

下水資源數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，各種專用地質(zhì)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，自動繪圖系統(tǒng)等。

I信息技術與地球科學研究

P地球科學研究中信息技術的應用現(xiàn)狀

■信息技術在地球科學中主要應用領域

■地理信息系統(tǒng)與數(shù)字地球

■人工智能與專家系統(tǒng)

■科學計算與可視化技術

■知識發(fā)現(xiàn)與數(shù)據(jù)挖掘

■地質(zhì)建模與模擬

■地球科學教育

地學中信息技術的應用現(xiàn)狀

世界正在經(jīng)歷由A到B的轉(zhuǎn)變,即由原子

(Atom)時代向比特(Bit)時代的轉(zhuǎn)

變，計算機科學與技術的進步在其中無

疑起著關鍵性作用。我們正在不斷地獲

得數(shù)據(jù)，也不斷地獲得知識?！霸鯓邮?/p>

集信息、管理和使用信息將決定您的輸

贏。從20世紀地球科學的發(fā)展歷程可

以看到科學中的每一個重大發(fā)明及在地

學中的應用，都推動了地球科學重大發(fā)

現(xiàn)和重大進步，信息技術在地球科學中

的廣泛應用無疑也會對地球科學的發(fā)展

產(chǎn)生巨大的推動作用。

外地學領域應用現(xiàn)狀

■有許多大型地質(zhì)、地球物理等地學軟件開發(fā)公

司或部門。在固體礦產(chǎn)勘探、石油勘探廣泛使

用計算機技術，有一些專門的職位與計算機在

地學中的應用有關，如數(shù)據(jù)分析員、專用軟件

操作人員、GIS,在一些研究機構招聘一些具

有計算機應用能力的研究人員。計算機在地學

中的應用已取得許多重大的研究成果，如關于

地球內(nèi)部對流的認識，是近年來地學研究中的

重大進展之一，這一成果是由計算機模擬技術

實現(xiàn)的。其他一些地學理論的進步也是計算機

在地學研究中應用的結(jié)果，如高分辨率地層學。

我國地學領域應用現(xiàn)狀

■信息技術在地球科學中的應用重要表現(xiàn)之一是

軟件開發(fā)。我國在石油勘探開發(fā)中所使用的軟

件主要是依靠花費大量的資金進口。我國所開

發(fā)的一些商品化軟件屈指可數(shù)：

■如MapGIS、SuperMap>GeoStar等。

■存在的主要問題：

■軟件商品化程度低、大型軟件缺乏。

■缺乏能夠從事“數(shù)字地質(zhì)科學”研究的人才。

地球科學的可視化

地學研究中的一項重要工作就是把所獲

得的信息以一種直觀的方式表示出來。

可視化是一種描述地表和地下地質(zhì)情況

的工具，利用該技術可以用三維方式顯

示構造、油氣儲層參數(shù)的空間變化等地

質(zhì)信息，利用一些特殊設備可以把觀察

者置入虛擬三維空間中?？茖W可視化已

受到許多地學領域研究者的高度重視。

構造分析

Fig.6.83Dvolumemodelrepresentationoffolded,faultedandtiltedgeologicalstructures,witha3Dcut-awaysectionapplied

不同巖相

在地下分

布的3D視

圖

孔隙度3D

分布的彩

色編碼圖

人工智能與專家系統(tǒng)

■人工智能

■人工神經(jīng)網(wǎng)絡

■遺傳算法

■模式識別

■專家系統(tǒng)

■知識發(fā)現(xiàn)

■數(shù)據(jù)挖掘

知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘

■數(shù)據(jù)庫中的知識發(fā)現(xiàn)(KDD,Knowledge

DiscoveryinDatabase)是數(shù)據(jù)庫技術和機

器學習兩個領域的交叉學科。KDD是利用機器

學習的方法,從數(shù)據(jù)庫中識別出有效的、新穎的、

潛在的、有用的以及最終可以理解為澳式的高

級處理過程。它是通過從數(shù)據(jù)集中識別出模式

來表示知識的。數(shù)據(jù)挖掘是KDD中的一個重要

處理階段，數(shù)據(jù)挖掘可以從大量數(shù)據(jù)中提取出

比數(shù)據(jù)本身更深層次的信息，因而可以用來對

數(shù)據(jù)進行分析。

知識發(fā)現(xiàn)的主要步驟

-1、數(shù)據(jù)準備：包括數(shù)據(jù)選擇、凈化、推測、轉(zhuǎn)換、縮減。

■2、數(shù)據(jù)挖掘：采用的技術有決策樹、分類、聚類、粗糙集、關

聯(lián)規(guī)則、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算子。數(shù)據(jù)挖掘根據(jù)KDD的目標，選取

相應算法的參數(shù)，得到可能形成知識的模式模型。

■3、評估、解釋模式模型：上面得到的模式模型，需要評估以確

定那些是有效的模式。

■4、鞏固知識：用戶理解的、并被認為是符合實際和有價值的模

式模型形成了知識。同時還要注意對知識做一致性檢查，解決與

以前得到的知識相互沖突、矛盾的地方，使知識得到鞏固。

■5、運用知識：有兩種方法，（1）只需看知識本身所描述的結(jié)果

就可以對決策提供支持；（2）要求對新的數(shù)據(jù)運用知識，由此

可能產(chǎn)生新的問題，還需要對知識做進一步的優(yōu)化。

模式

中

模

當

發(fā)

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根

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數(shù)

述

,。

&根據(jù)模式的作用可分六種

?■1、分類模式:是一種分類函數(shù)，能夠把數(shù)據(jù)

集中的數(shù)據(jù)項映射到某個給定的類上。分類模

式往往表現(xiàn)為一棵分類樹，根據(jù)數(shù)據(jù)的值從樹

根開始搜索，沿數(shù)據(jù)滿足的分支往上走。走到

樹葉就能確定類別。

■2、回歸模式：回歸模式與分類模式相似，差

別在于分類模式的預測值是離散的，回歸模式

的預測值是連續(xù)的。

■3、時間序列模式：根據(jù)數(shù)據(jù)隨時間變化的趨

勢預測將來的值。

根據(jù)模式的作用可分六種

■4、聚類模式：把數(shù)據(jù)分到不同的組中，組間

差別盡可能大，組內(nèi)差別盡可能小。

■5、關聯(lián)模式：關聯(lián)模式是數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)規(guī)

貝I」。如：在無力償還貸款的人當中，6。%的人

的月收入在3000元以下。

■6、序列模式：序列模式和回歸模式相仿，而

把數(shù)據(jù)之間的關系與時間聯(lián)系起來。

■在解決實際問題時，經(jīng)常要使用各種模式,

分類模式與回歸模式是最普遍的模式。

數(shù)據(jù)挖掘的應用

一、科學研究：科學研究可分為三類，

理論科學、實驗科學、計算科學。計算

科學是現(xiàn)代科學的一個標志，例如：數(shù)

據(jù)挖掘在天文學上的應用系統(tǒng)是：美國

的SKICAT(SkyImageCatalogand

Analysis)o數(shù)據(jù)挖掘在生物學上的應用

主要集中于分子生物學特別是基因工程

上。目前數(shù)據(jù)挖掘在地學領域的應用較

少，是具有很大潛力的科學研究前沿。

數(shù)據(jù)挖掘的應用

■二、市場行銷：通過數(shù)據(jù)分析了解客戶購物的

趨向和興趣，從而為商業(yè)決策提供了可靠的依

據(jù)。數(shù)據(jù)庫在行銷業(yè)上的應用分為兩類：數(shù)據(jù)

庫行銷和貨籃分析。數(shù)據(jù)庫行銷的任務是通過

交互式查詢、數(shù)據(jù)分割和模型預測來選擇潛在

的顧客來向他們推銷產(chǎn)品。貨籃分析是分析市

場銷售數(shù)據(jù)以識別顧客的購買行為模式。

■三、金融投資：典型的金融分析領域有投資評

估和股票交易市場預測，分析方法一般采用模

型分析方法。

數(shù)據(jù)挖掘的應用

■四、欺詐識別：通過總結(jié)正常行為與欺騙行為之間的

關系找到欺騙行為的特征，這樣當某項業(yè)務符合這些

特征時就可以向決策人員提出警告。

■五、產(chǎn)品制造：在產(chǎn)品制造的過程中，常伴隨有大量

的數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和

這些數(shù)據(jù)之間的關系，因此，通過對數(shù)據(jù)的分析可以

提出針對性很強的建議。

■六、通信網(wǎng)絡管理：在通信網(wǎng)絡過程中，會產(chǎn)生一系

列的警告，數(shù)據(jù)挖掘可以通過分析已有的警告信息的

正確處理的方法以及警告前后之間關系的記錄，得到

警告之間的關聯(lián)規(guī)則，根據(jù)當前的警告信息就可以得

到其后續(xù)發(fā)生各種情況的可能性，對危險事件起到預

防作用。

計算機在地學中的應用層次

丁簡單應用一利用一些基本的、通用的軟件進行基本的

數(shù)據(jù)分析：

-統(tǒng)計分析(SPSS,SAS等)

■圖像處理(Photoshop、Matlab等］

■圖形繪制(Sur/fer、CorelDraw、AutoCAD等)

■數(shù)據(jù)庫的建立(Oracle,SQLServer,MySQL等)。

■基本應用一利用專業(yè)軟件進行數(shù)據(jù)處理、分析，輔助

決策，如地理信息系統(tǒng)、礦床勘探專家系統(tǒng)、儲層分

析系統(tǒng)、地震、測井資料處理，解釋系統(tǒng)等。

■高級應用一針對特定問題的應用系統(tǒng)，解決方案的開

發(fā)，如盆地分析系統(tǒng)、礦產(chǎn)資源評價和決策支持系統(tǒng)、

三維可視化系統(tǒng)等。

大尺度盆地計算機分析

■大尺度盆地計算機分析系統(tǒng)是試圖根據(jù)

目前對盆地的認識，建立盆地模型，對

整個盆地進行構造、沉積、熱演化和油

氣形成過程進行模擬。

系統(tǒng)結(jié)構

構造沉降分構造沉降曲線圖

.4

—盆地背景分析析模塊—

*r>子系統(tǒng)——?巖石圈熱結(jié)構剖面

石石圈的熱圖

.