地质信息基础

中 国 地 质 大 学 研究生课程论文

课程名称 地质信息技术基础 教师姓名 研究生姓名 研究生学号 研究生专业 所在院系 类别: A.博士 B.硕士 C.进修生 日期: 年 月 日 评 语 对课程论文的评语:

平时成绩： 课程论文成绩： 总 成 绩： 评阅人签名： 注：1、无评阅人签名成绩无效； 2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效； 3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。 地质信息技术基础 基础地质调查、矿产地质勘查与工程地质勘察的工作过程, 本质上都是信息的获取、整理、处理、解释和应用过程。从野外数据采集到室内数据综合整理、数据管理、数据处理、现象解释、图件编绘、成果分析、资源预测、勘查评价、过程模拟, 再到成果保存、管理、使用和出版, 甚至地矿工作的管理与决策等, 无一不与信息技术紧密相连。随着基础地质学、矿产地质学、资源勘查学、工程勘察学、地球物理学、地球化学、地球动力学和数学地质学, 地质学定量化和地矿勘查信息化的发展, 以及一般信息科学、地球信息科学、地球空间信息科学和地理信息科学的兴起, 一门崭新的边缘学科——地质信息科学已经初步形成为推动这一新兴学科的发展。

一、 地质信息科学的含义与学科地位

1．地质信息科学的含义 地质信息科学是关于地质信息本质特征及其运动规律和应用方法的综合性学科领域，主要研究在应用计算机和通讯网络技术对地质信息进行获取、加工、集成、存贮、管理、提取、分析、处理、模拟、显示、传播和应用过程中所提出的一系列理论、方法和技术问题。它既是地球信息科学的重要组成部分,也是地球信息科学与地质科学交叉的边缘学科。地质信息是对包含地壳在内的岩石圈运动状态和存在方式的表征, 既是自然过程和人类在地矿勘查、研究、开发、利用和管理过程中各种状态的客观显示, 也是人和地质资源在相互作用过程中所交换的内容。它们有时表现为物质形态, 有时表现为非物质形态, 既反映了地质运动中的各种差异及规律,又反映了地质体和地质现象之间的相互联系和相互作用。可以认为, 地质信息在把地质体和地质现象的性质、特征及其形成、分布、演化规律转化为人类意识的过程中, 甚至在人类社会与自然界的相互联系、相互作用和协调发展过程中, 始终起着中介作用。可靠而且健全的地质信息, 可以减少人类对自身与地质资源、环境的协调关系和社会可持续发展问题认识的不确定性, 导致由人类和自然界所组成的人-地系统的有序性增加, 即负熵增加。当然, 失真而且残缺的地质信息, 必然增加人类对自身与地质资源、环境的协调关系和社会可持续发展问题认识的不确定性, 导致由人类和自然界所组成的人-地系统的有序性减少, 即熵增加。 地质信息的载体是地质数据, 而地质数据具有显著的多源、多类、多维、多量、多时态和多主题特征 。地质数据的来源主要有露头观测、岩芯描述、物理测井、采样化验、物理-力学测试、日常生产记录、水文地质调查、地球物理勘探、遥感、地球化学勘探、综合研究与编图, 以及已有的各种勘查和研究成果。如此丰富的数据源, 必然带来繁多的数据类型和海量的数据。从表现形式看, 地质数据可分为数字型、文字型、日期型和图形型数据；从数学性质看,地质数据可分为名义型、有序型、间隔型和比例型数据[ 2] ；从计算方法看, 地质数据可分为定性数据和定量数据；从描述内容看, 地质数据可分为属性数据和空间数据；从存储结构看, 地质数据可分为栅格数据和矢量数据。地质数据的多维特征表现在空间结构与多层交叉上。例如一个钻孔的数据, 不仅有孔口坐标(x , y)和高程(z), 而且有钻孔名称、性质、钻探目的、设计深度、终孔深度、孔径尺寸、技术措施、施工质量、施工单位和施工日期等, 还有几百乃至几千层的岩石, 需要分别进行岩性、岩相、结构、构造、矿物组成、古生物特征的描述, 甚至还要采样分析其矿物共生组合、元素组成等众多参数。地质数据的 多时态特征主要表现在:①所有地质体和地质现象都是地质历史进程某一阶段的产物, 我们所获取的地质数据记载了不同地史时期的地质作用信息, 而利用这些信息来恢复地质演化史正是地质学的重要研究内容之一；②地矿勘查工作是阶段性递进的, 如找矿勘探分为普查、详查、精查等几个阶段, 随着勘探程度的提高, 工程密度逐步增大, 所获取的数据不断增多, 不少数据需要更新, 许多图件需要重新编制。地质数据的多主题特征是指其用途的广泛性, 每一种数据既要用于地质体、地质现象和地质作用的分析, 又要用于矿体及矿床特征分析、控矿条件及成矿过程分析、外围及深部含矿性预测, 还要用于储量计算和地质-技术-经济-环境条件的综合评价, 此外, 还必须编制出各种各样的地质图件。每一个应用主题都涉及大量不同类型的数据, 且数据处理过程非常复杂, 此外, 庞大的属性数据量, 也是地质数据的重要特征。 地质数据如此的多源、多类、多量、多维、多时态和多主题特征, 给地矿工作的信息化带来了巨大困难。如何取好、管好、用好这些数据, 从中获取可靠且健全的信息, 以便正确认识地质体、地质现象、地质过程、地质资源和地质环境。

2．地质信息科学在地球信息科学中的位置 地质信息科学是地质学(包括:基础地质学、矿产地质学、环境地质学、工程地质学、数学地质学、地球物理学、地球化学、资源勘查学等)与信息科学(包括:地球信息科学、地球空间信息科学及信息系统技术、计算机技术及通讯网络技术等)交叉融合的产物。它既是一个独立的分支学科, 又紧紧地为地质学发展服务, 为地质学定量化和地矿工作信息化服务。地质信息科学可能是地球信息科学领域中最复杂的一个分支学科。在地球信息科学的诸多分支学科中, 地质信息科学、水文信息科学、海洋信息科学、生态环境信息科学和大气信息科学处于同等地位,具有并列关系(图1), 其研究对象分别是岩石圈、地表、水圈、生物圈和大气圈的信息；而地球空间信息科学是一门横断性的信息科学分支, 其研究对象是地球各层圈的空间位置、拓扑关系、空间结构、空间形态及其变化的信息。作为地球信息科学和地球科学的分支学科, 地质信息科学理所当然地享受着地球信息科学和地球科学所积累的一切成果, 同时也从地球空间信息科学、地理信息科学、水文信息科学等并行分支学科的发展中得到启示、借鉴和支持。

图1.地质信息科学在地球科学中的位置 二、地质信息科学的发生与发展 地质信息科学的发生和发展, 是地质学的定量化和地矿勘查的信息化本身的需要。因此, 地质信息科学的发生与发展总是与地质学定量化进程相伴随, 与资源勘查学、应用地球物理学、应用地球化学、地球动力学和数学地质学的发展相伴随, 也与地矿勘查的信息化实践发展相伴随。地质学在由经验上升到理论的无数次飞跃中,需要数学的介入, 需要定量化手段的支持, 也需要更多、更好的探测与分析技术的帮助。从地质体和地质现象的几何学、物理学和化学测量、换算、分析,到各种地质变量时空变化规律的统计和矿产储量的计算, 到重力法、磁法、电法、地震法、大地电磁法、放射性法和遥感等地球物理探测手段和各种分析化学手段的相继出现, 使地质学、资源勘查学、地球物理学、地球化学和地球动力学不断发展。人们获取地质数据的手段越来越多, 类型越来越复杂, 数量也越来越庞大, 使之具有多源、多类、多量、多维、多时态和多主题特征。为了从这些数据中获得更为全面的有用信息, 以便深刻地了解和认识地质体、地质现象和地质过程, 更好地利用和保护地质资源, 人们越来越多地求助于数学方法和地质信息技术。各种物化探异常的正、反演理论方法和各种地球动力学理论方法的提出和完善, 都是这方面的重要成果, 对地质学定量化和地矿勘查信息化进程起到了重要的推动作用。 数学地质学学科的形成和计算机技术的应用,为地质信息科学的进一步发展创造了条件。数学地质学经过了130 余年的漫长历程, 才成为一门独立学科。这个过程从1840年英国学者Lyell首次运用统计学方法划分古近系和新近系地层开始, 到1944 年前苏联ВистелиусАБ在《分析地质学》一文中提出用定量方法研究地质问题的设想, 到1958 年美国学者Krumbein W C 首次在杂志上公布电子计算机地质计算程序, 再到1968 年国际数学地质协会(IAMG)成立为止, 数学地质学家开创了地质变量不确定性、数学特征、样本空间特征和地质变量提取转换方法的研究, 建立了地质数据空间分布理论和地质作用随机过程理论, 给出了地质信息的空间统计法、多元统计法、稳健统计法、成分数据 统计法和统计预测法成为地质信息科学的方法基础；而电子计算机及其信息系统的应用, 既为数学地质学提供了必要的工具, 也为地质信息科学技术体系的形成奠定了基础。 地质信息技术体系的发展始于20 世纪60 年代初。最初是物化探数据处理和模型正、反演的计算机应用, 接着是70 年代中期基础地质信息的RS 技术和地质图件编绘CAD 技术的引进, 再接着是80年代初测试数据和描述性数据管理DBS(数据库)技术的引进, 以及地质过程计算机模拟理论和技术的兴起, 随后是90 年代初用于空间数据管理和空间分析的GIS 技术的引进, 最后是90 年代后期野外地质测量的GPS 技术和GPS 、RS 、GIS 集成化概念和技术的引进。 需要着重指出的是地球空间信息科学在地质信息科学近期发展中的促进作用。地球空间信息科学是一个以系统方式集成所有获取和管理空间数据方法的学科领域, 是地球信息科学中较为成熟的分支学科。地球空间信息科学理论框架的核心是地球空间“geo-informatics”。其研究内容涉及地球空间信息的基准、标准、结构、时空变化、认知、不确定性、解译与反演、表达与可视化等基础理论问题, 其研究目的是揭示地球几何形态、空间分布及变化的规律；其技术体系由上述3S(GPS 、RS 、GIS)及其集成化技术、计算机技术和网络通讯技术等组成。地球空间信息科学为地球科学提供空间信息框架、数学基础和信息处理技术。由于地矿勘查对象都带有空间特征, 所以地球空间信息科学从理论、方法和技术等方面均深刻地影响着地矿勘查工作。3S 及其集成技术一出现, 便被引进地矿领域。但由于地质科学和地质勘查对象及技术的特殊性和复杂性, 所引进的各种信息技术成果都经过了改造和再开发, 并与原有的技术融合和集成———多S 集成, 才成为今天的地质信息科学技术体系 。