希尔伯特-黄变换在深层次找矿信息提取中的应用与软件实现

来源 :中国地质大学(武汉) | 被引量 : 0次 | 上传用户:njcxm
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由于地质过程的复杂性及成矿过程的多期次叠加性,使得我们得到的原始物化探异常往往是多种地质因素的混合信息,既包含有区域背景异常信息,也包含有与矿床(体)、矿化蚀变带以及隐伏岩体等与找矿密切相关的地质要素所引起的局部异常。如何从复杂的叠加异常中分离出具有找矿意义的局部异常,是当前矿产勘查和资源潜力评价工作中面临的困难问题之一。这不仅需要大力发展探测技术,而且还需要开展信息处理相关新技术和新方法的研究,从而开发出相应的信息提取与集成软件系统,有效的从多源地学信息中提取出与成矿有关的深层次信息。   希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transformation,HHT)是由美国NASA的黄锷博士提出的一种分析非线性、非平稳信号的新方法,主要由经验模态分解(Empirical ModeDecomposition,EMD)和Hilbert谱分析组成。HHT变换首先对信号进行经验模态分解,能够将任何复杂的空间(时间)信号(数据)分解为有限个具有一定物理意义的固有模态函数(Intrinsic Mode Function,IMF)之和,然后再分别对各个固有模态函数作Hilbert变换,最后得到能够清晰地标度数据镶嵌结构,且能被视为时间函数的瞬时频率。对于复杂数据集来说,瞬时频率的引进能够消除对错误表达非线性和非平稳信号的伪谐和分量的需求,该方法构建的原理是基于特征震动现象的时间标度,而通过Hilbert变换从固有模态函数中获取的局域能量和瞬时频率能够给出数据的Hilbert谱,即完整能量-频率-时间分布。   鉴于希尔伯特-黄变换能有效地分离叠加信号,本文将其由时域向空间域,一维向二维拓展,着重研究二维经验模态分解的基本理论与实现方法,将其应用于对物化探数据进行非线性的多尺度分解与重构,实现对物化探叠加异常的分离,并编程开发出相应信息提取软件模块,整合到金属矿产资源评价分析系统MORPAS3.0中,用于提取深层次的找矿信息,为实现某一区域综合信息矿产资源潜力评价服务。   具体在理论上,本文系统的研究了二维经验模态分解(Bidimensional Empirical ModeDecomposition,BEMD)的原理和实现方法。经验模态分解就是筛选有限个固有模态函数的过程,其中包括两个循环:固有模态函数筛选过程;EMD分解终止过程。其中在筛选固有模态函数过程中求取包络面进行插值时,鉴于径向基函数插值需求解大型的线性方程组,计算量大,效率低,而三次样条插值虽然速度快、效率高,但是误差大、稳定性差等情况,本文选择了双调和样条插值(Biharmonic Spline Interpolation,BSI)的方法,该方法尤其适合对地球物理数据的插值,具有稳定性好、灵活性强、效率高等优点;在BEMD分解的过程中,需要一个终止条件来判断是否已经筛分出一个二维固有模态函数(Bidimentinal IntrinsicMode Function,BIMF),本文采用2003年Nunes和Niang等在实现BEMD分解时所提出的终止准则,并将阀值ε设为0.3。   具体在应用上,本文以Microsoft Visual C++6.0为开发工具,通过面向对象编程,开发出相应信息提取模块,并运用动态链接库技术生成二维经验模态分解DLL文件,可较方便地加载到金属矿产资源评价分析系统MORPAS3.0中,增加原MORPAS系统的功能;在文件输入输出上与原MORPAS系统的物化探资料处理子系统保持一致,支持读取和存储MORPAS规则网格数据文件格式(*.hd)、ASCII GRD格式文件(*.grd),另外本软件设计支持将待处理数据和二维经验模态分解处理后的结果数据输出为Excel表,方便在其他软件中处理,进行对比分析研究;可视化方面本软件提供了四种基本图形显示形式:等值线图,色阶图,灰度图和三维立体图。   为验证本软件模块处理物化探数据的可行性,本文将其运用到云南个旧地区物化探数据处理中,较有效地分离了区域背景异常和具有找矿意义的局部异常,通过分析BEMD方法对物化探数据的处理效果,进一步说明了BEMD方法处理物化探数据的自身独特性。   通过以上工作,证明了运用希尔伯特-黄变换处理物化探数据是可行的,它可以实现对区域背景异常与局部异常的分离,揭示深层次找矿信息,可以成为一种新的物化探数据处理方法,本软件模块经过优化后亦可成为地质工作人员对物化探数据进行二维经验模态分解的工具。
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