Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu áp dụng phương pháp khoảng cách – tần suất – nhận dạng mới trong xử lý phân tích số liệu Địa vật lý

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:86

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích chính của luận văn là tìm hiểu về các thuật toán phân tích và đánh giá lựa chọn thông tin; tìm hiểu về các phương pháp phân tích trong xử lý phân tích số liệu Địa vật lý; đánh giá, phân tích thử nghiệm phương pháp với tài liệu thực tế vùng Khánh Thượng trên cơ sở áp dụng bổ sung phương pháp Khoảng cách – Tần suất – Nhận dạng mới.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu áp dụng phương pháp khoảng cách – tần suất – nhận dạng mới trong xử lý phân tích số liệu Địa vật lý

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Thị Thu Hiền NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP KHOẢNG CÁCH –TẦN SUẤT – NHẬN DẠNG MỚI TRONG XỬ LÝ- PHÂN TÍCH SỐ LIỆU ĐỊA VẬT LÝ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2016
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Thị Thu Hiền NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP KHOẢNG CÁCH – TẦN SUẤT – NHẬN DẠNG MỚI TRONG XỬ LÝ- PHÂN TÍCH SỐ LIỆU ĐỊA VẬT LÝ Chuyên ngành: Vật lý địa cầu. Mã số: 60440111 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học PGS.TS.VÕ THANH QUỲNH Hà Nội - 2016
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành quyển luận văn này, trước tiên, với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS. Võ Thanh Quỳnh - người thầy trực tiếp hướng dẫn khoa học và chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới ThS. Nguyễn Viết Đạt người đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Tôi chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Địa cầu – Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã trang bị kiến thức và có những đóng góp hết sức quý báu để tôi hoàn thành luận văn này. Cuối cùng cho phép tôi bày tỏ lòng biết ơn vô hạn tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn quan tâm, động viên và là chỗ dựa tinh thần vững chắc của tôi trong những thời khắc khó khăn nhất. Do điều kiện thời gian và trình độ nên bản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý quý báu của thầy cô và các bạn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 16 tháng 2 năm 2016 Học viên Nguyễn Thị Thu Hiền
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1.CƠ SỞ LÝ THUYẾT XỬ LÝ TỔ HỢP SỐ LIỆU ĐỊA VẬT LÝ .................................................................................................................... 3 1.1. Lý thuyết xử lý tổ hợp số liệu Địa Vật lý ........................................... 3 1.1.1. Xây dựng mô hình và xác định phương pháp ................................. 3 1.1.2. Ước lượng và đánh giá các đặc trưng của đối tượng chuẩn.......... 4 1.1.3. Chọn thuật toán xử lý ...................................................................... 6 1.1.4. Định nghiệm về sự tồn tại của đối tượng ....................................... 7 1.1.5. Đánh giá chất lượng xử lý ............................................................. 7 1.2. Lý thuyết các thuật toán nhận dạng ................................................... 7 1.2.1. Các thuật toán nhận dạng có mẫu chuẩn ....................................... 7 1.2.2. Các thuật toán nhận dạng không có mẫu chuẩn .......................... 11 CHƢƠNG 2.HỆ PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÀI LIỆU ĐỊA VẬT LÝ MÁY BAY .............................................................................................. 13 2.1. Các phƣơng pháp phân tích tài liệu địa vật lý máy bay ................. 13 2.1.1. Các phương pháp tách trường ....................................................... 13 2.1.2. Nhóm các phương pháp thống kê nhận dạng ............................... 13 2.1.3. Các phương pháp thống kê thực nghiệm ....................................... 14 2.1.4. Một số phương pháp khác ............................................................. 14 2.2. Phƣơng pháp Tần suất - Nhận dạng ................................................ 15 2.2.1. Nội dung cơ bản của phương pháp phân tích tần suất ................. 15 2.2.2. Phương pháp Tần suất-Nhận dạng ............................................... 17 2.3. Phƣơng pháp Khoảng cách- Tần suất- Nhận dạng ........................ 20 2.3.1. Nội dung cơ bản của phương pháp phân tích khoảng cách khái quát ........................................................................................................ 20 2.3.2. Phương pháp Khoảng cách – Tần suất – Nhận dạng ................... 22
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM TRÊN TÀI LIỆU THỰC TẾ VÙNG KHÁNH THƢỢNG........................................... 28 3.1. Thông tin về khu vực nghiên cứu .................................................... 28 3.2. Tài liệu thu thập, tính toán về khu vực nghiên cứu ........................ 30 3.2.1. Tài liệu thu thập về khu vực ........................................................... 30 3.2.2. Thực hiện phân tích thử nghiệm phương pháp Khoảng cách - tần suất - nhận dạng. ...................................................................................... 34 3.2.3. Phân tích thử nghiệm với mục tiêu phân định một ranh giới địa chất theo tài liệu địa vật lý máy bay. ............................................................... 41 KẾT LUẬN ................................................................................................... 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 57 PHỤ LỤC ...................................................................................................... 59
DANH MỤC HÌNH Hình 2.1.Sơ đồ các bước của phương pháp phân tích Tần suất – Nhận dạng ....... 19 Hình 2.2.Sơ đồ các bước thực hiện phân tích theo phương pháp Khoảng cách – Tần suất – Nhận dạng.................................................................................. 24 Hình 3.1.Vị trí khu vực nghiên cứu ............................................................... 28 Hình 3.2.Địa hình khu vực nghiên cứu .......................................................... 28 Hình 3.3.Bản đồ hàm lượng Uran .................................................................. 31 Hình 3.4.Bản đồ hàm lượng Thori ................................................................. 31 Hình 3.5.Bản đồ hàm lượng kali .................................................................... 32 Hình 3.6.Bản đồ hàm lượng kênh tổng .......................................................... 32 Hình 3.7.Kết quả phân vùng triển vọng khoáng sản theo đề án bay đo cho khu vực nghiên cứu ............................................................................................... 33 Hình 3.8.Kết quả phân chia các thành tạo địa chất của khu vực theo tài liệu địa vật lý máy bay. ......................................................................................... 42 Hình 3.9.Vùng chọn để xác định lại ranh giới các thành tạo (vùng khoanh màu xanh). ............................................................................................................... 43 Hình 3.10.Vị trí lấy đối tượng mẫu để thực hiện phân tích thử nghiệm ........ 43 Hình 3.11. Sơ đồ đường đồng mức hệ số đồng dạng thành lập từ kết quả phân tích .................................................................................................................. 53 Hình 3.12. Sơ đồ 2 lớp đường đồng mức và lớp phân chia thành tạo ban đầu. ..... 53 Hình 3.13.Ranh giới của 2 thành tạo được phân chia theo phương pháp Khoảng cách – Tần Suất – Nhận dạng. .......................................................... 54
DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1.Tổng hợp các tính chất thu thập và tính toán được của khu vực. ... 34 Bảng 3.2.Bảng kết quả ................................................................................... 35 Bảng 3.3.Bảng kết quả sắp xếp lại các tính chất theo thứ tự giảm dần ......... 36 Bảng 3.4.Kết quả xác định khoảng giá trị đặc trưng các tính chất của đối tượng mẫu ....................................................................................................... 37 Bảng 3.5.Ma trận thông tin của đối tượng 1 được chuyển đổi bằng khoảng giá trị đặc trung của đối tượng mẫu: .................................................................... 38 Bảng 3.6.Kết quả phân tích hệ số đồng dạng cho 8 đối tượng với đối tượng 6 là đối tượng mẫu............................................................................................. 40 Bảng 3.7.Bảng số liệu đối tượng mẫu 1 ......................................................... 44 Bảng 3.8.Bảng số liệu đối tượng mẫu 2 ......................................................... 46 Bảng 3.9.Bảng trích lược số liệu của lưới điểm............................................. 51 Bảng 3.10.Kết quả phân tích Khoảng cách – Tần suất – Nhận dạng cho vùng diện tích đã chọn. ........................................................................................... 52
MỞ ĐẦU Địa vật lý hàng không ( Airborne Geophysics) là một lĩnh vực của Địa Vật lý thăm dò, dùng máy bay làm phương tiện để bay đo các trường Địa vật lý trên đất liền hoặc thăm dò trên thềm lục địa, nhằm nghiên cứu thạch quyển – thủy quyển. Những kết quả đạt được của công tác địa vật lý hàng không ở nước ta trong thời gian qua đã và đang ngày càng phát huy vai trò và hiệu quả to lớn trong việc tìm kiếm và dự báo các khoáng sản có ích. Những kết quả đạt được của công tác địa vật lý máy bay ở nước ta trong thời gian qua đã có hiệu quả to lớn trong việc tham gia giải quyết nhiều nhiệm vụ địa chất quan trọng, đặc biệt là trong việc tìm kiếm và dự báo các khoáng sản có ích. Tuy nhiên, trong thực tế công tác địa vật lý máy bay cũng đang bộc lộ một số hạn chế, mà chủ yếu là ở khâu xử lý và phân tích tài liệu, cần được đầu tư nghiên cứu khắc phục, nhằm không ngừng nâng cao hơn nữa hiệu quả của phương pháp.Trong những năm gần đây công tác xử lí và phân tích tài liệu địa vật lý máy bay ở nước ta cũng đã có được những bước tiến đáng kể. Thông qua các đề tài nghiên cứu, một số tác giả cũng đã tiến hành những nghiên cứu, phân tích thử nghiệm trên các tài liệu thực tế bằng nhiều phương pháp khác nhau, trong đó đáng chú ý là nhóm các phương pháp thống kê-nhận dạng và thu được kết quả tốt. Các phương pháp nhận dạng đóng vai trò hết sức quan trọng trong xử lý, phân tích tài liệu địa vật lý, đặc biệt là đối với các dạng số liệc có đặc tính phân bố ngẫu nhiên như các số liệu địa hóa, các số liệu phổ gamma v.v…. Hiện nay trong địa vật lý có rất nhiều thuật toán nhận dạng hiện đại, được tự động hóa bằng các hệ phần mềm mạnh chuyên dụng, đáng chú ý là bộ chương trình phân tích phổ-thống kê do Giáo sư, Viện sĩ Ni-Ki-Tin cùng các đồng sự đề xuất, xây dựng. Tuy nhiên trên thực tế khối lượng tài liệu cũng như số lượng các chủng loại thông tin thu được trên các đối tượng địa chất ngày càng rất lớn. Trong đó số lượng các tham số đầu vào của các chương trình phân tích nhận dạng hiện có thường bị giới hạn. Việc sử dụng các tổ hợp thông tin khác nhau để tiến hành phân tích nhận dạng nhiều khi cho những kết quả rất khác nhau. Để nâng cao độ tin cậy của các phương pháp phân tích nhận dạng đã có những công trình nghiên cứu theo hướng ứng dụng lớp 1
bài toán đánh giá lựa chọn thông tin để lựa chọn những tổ hợp thông tin chất lượng cao trước khi tiến hành phân tích nhận dạng. Phương pháp khoảng cách – tần suất – nhận dạng là một trong các phương pháp phân tích tài liệu mới đã được áp dụng và mang lại kết quả khả quan trong công tác xử lý phân tích tài liệu Địa Vật lý máy bay, một nguồn tài liệu đồ sộ và hết sức phong phú nhưng chưa được khai thác triệt để ở nước ta hiện nay. Đề tài luận văn “Nghiên cứu áp dụng phương pháp Khoảng cách– Tần suất – Nhận dạng mới trong phân tích- xử lý số liệu Địa vật lý” mà học viên lựa chọn nhằm tìm hiểu, áp dụng phương pháp phân tích tổ hợp các tài liệu địa vật lý máy bay góp phần đẩy nhanh và nâng cao chất lượng của công tác xử lí phân tích tài liệu địa vật lý máy bay. Luận văn được thực hiện với nhiệm vụ chính sau: - Tìm hiểu về các thuật toán phân tích và đánh giá lựa chọn thông tin. - Tìm hiểu về các phương pháp phân tích trong xử lý phân tích số liệu Địa vật lý - Đánh giá, phân tích thử nghiệm phương pháp với tài liệu thực tế vùng Khánh Thượng trên cơ sở áp dụng bổ sung phương pháp Khoảng cách– Tần suất – Nhận dạng mới. Từ những nhiệm vụ trên, luận văn được viết với cấu trúc gồm: - Mở đầu - Chương 1: Cơ sở lý thuyết phân tích- xử lý số liệu Địa vật lý - Chương 2: Hệ phương pháp phân tích tài liệu Địa vật lý máy bay - Chương 3: Kết quả phân tích thực nghiệm trên tài liệu thực tế vùng Khánh Thượng. - Kết luận 2
CHƢƠNG 1.CƠ SỞ LÝ THUYẾT XỬ LÝ TỔ HỢP SỐ LIỆU ĐỊA VẬT LÝ 1.1. Lý thuyết xử lý tổ hợp số liệu Địa Vật lý Xử lí số liệu về cơ bản là dựa trên nhiều loại thông tin khác nhau để giải quyết được các nhiệm vụ đặt ra phù hợp với điều kiện kinh tế và kĩ thuật cho phép. Không chỉ riêng trong địa vật lý mà nhiều lĩnh vực khác cũng sử dụng xử lí tổ hợp dữ liệu để nâng cao chất lượng xử lí. Xử lý số liệu Địa vật lý là một quá trình phức tạp phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu và dạng các số liệu khác nhau. Một cách khái quát có thể phân chia quá trình này theo các bước cơ bản sau: - Xây dựng mô hình và xác định phương pháp - Ước lượng và đánh giá các đặc trưng của đối tượng chuẩn. - Chọn thuật toán xử lý - Định nghiệm về sự tồn tại của đối tượng cần tìm - Đánh giá chất lượng xử lý 1.1.1. Xây dựng mô hình và xác định phƣơng pháp [1] [10] Để xử lý tổ hợp số liệu Địa vật lý người ta chủ yếu sử dụng các mô hình thống kê vì các đối tượng khảo sát cần nghiên cứu có vị trí, kích thước, tính chất vật lý không biết trước nên chúng được xem như các đối tượng ngẫu nhiên. Mặt khác, các trường vật lý do các đối tượng địa chất tạo ra thường bị các loại nhiễu làm méo nên các dấu hiệu trường Địa vật lý khảo sát cũng mang tính ngẫu nhiên. Với mô hình để được nhiệm vụ tiếp theo là lựa chọn các phương pháp nhận dạng tương ứng, tiến hành xử lý theo mô hình và giải quyết các nhiệm vụ bài toán đặt ra. Hiện nay trong công tác xử lý-phân tích số liệu địa vật lý có rất nhiều phương pháp nhận dạng, có thể chia chúng thành hai nhóm: nhóm các phương pháp nhận dạng theo đối tượng chuẩn và nhóm các phương pháp nhận dạng không có đối tượng chuẩn. Nhóm các phương pháp nhận dạng theo đối tượng chuẩn được áp dụng khi chúng ta biết được lớp đối tượng và biết được đặc trưng thống kê của các trường địa vật lý đối với từng lớp đối tượng. 3
Khi xử lý số liệu địa vật lý bằng thuật toán nhận dạng có mẫu chuẩn, nhiệm vụ đặt ra là cần xây dựng các thuật toán hay đề xuất các chỉ tiêu nhận dạng đảm bảo để phân loại các đối số liệu quan sát thành hai lớp hoặc với số lớp nhiều hơn 2 khi có trước các đặc trưng thống kê của mỗi loại dấu hiệu ứng với các đối tượng chuẩn.Vấn đề mang tính quyết định là lựa chọn đối tượng chuẩn, trên đó tiến hành nghiên cứu các đặc trưng thông kê của các dấu hiệu (các trường địa vật lý). Điều này đặc biệt quan trọng khi khảo sát các diện tích có cấu trúc địa chất phức tạp, ở đó các trường địa vật lý quan sát được biến đổi mạnh ngay cả ở những diện tích nhỏ. Nhóm các phương pháp nhận dạng không có đối tượng chuẩn được áp dụng khi chúng ta không biết trước các đặc trưng thống kê của các dấu hiệu ứng với các lớp đối tượng cần tìm. Khi đó quá trình nhận dạng đơn thuần chỉ thực hiện nhiệm vụ phân loại trường. Phương pháp xử lý số liệu bằng thuật toán nhận dạng không có đối tượng chuẩn được thực hiện như sau: bằng thuật toán phân loại trường lựa chọn được, tiến hành chia các điểm quan sát thành một số nhất định các diện tích đồng nhất về dấu hiệu tổ hợp. Bản chất địa chất của từng diện tích phân ra được có thể không xác định được; để xác định chúng đòi hỏi phải có các số liệu khoan hoặc nghiên cứu bổ sung về tính chất vật lý của đá. 1.1.2. Ƣớc lƣợng và đánh giá các đặc trƣng của đối tƣợng chuẩn.[1] [10] a. Ước lượng các đặc trưng thống kê Để xử lý tổ hợp các số liệu bằng phương pháp nhận dạng có mẫu chuẩn thì công việc mang tính quyết định là lựa chọn các mẫu chuẩn và xác định các đặc trưng thống kê các trường địa vật lý của chúng. Các mẫu hay đối tượng chuẩn là phần diện tích ở đó bằng các số liệu khoan và các số liệu địa chất khác đã xác định được bản chất địa chất của các đối tượng gây ra trường địa vật lý. Tùy thuộc vào các mục đích nghiên cứu khác nhau mà các đối tượng chuẩn được lựa chọn khác nhau. Dựa vào các giá trị trường quan sát được trên các đối tượng chuẩn người ta tiến hành xác định các đặc trưng thống kê của trường cho từng loại đối tượng. Các đặc trưng này bao gồm: 4
 Đường cong biến phân (hàm phân bố mật độ xác suất thực nghiệm).  Kỳ vọng và phương sai của trường (thông qua đường cong biến phân ). Ngoài ra khi cần người ta còn tính cả hệ số tương quan giữa các dấu hiệu, phương chủ đạo của các dị thường… Điều đặc biệt cần lưu ý để công tác phân tích nhận dạng đạt hiệu quả tốt thì cần lựa chọn các đối tượng chuẩn sao cho các diện tích tồn tại đối tượng chuẩn phải nằm xen kẽ với các phần diện tích khảo sát cần nhận dạng. Đối với nhóm các phương pháp nhận dạng không có đối tượng chuẩn để xác định các đặc trưng thống kê của trường người ta chia khu vực khảo sát thành các diện tích cơ sở – cửa sổ. Kích thước của các diện tích cơ sở hay số lượng điểm quan sát trên mỗi diện tích cơ sở được lựa chọn dựa vào tỉ lệ bản đồ và kích thước dị thường mà các đối tượng trường tạo ra. Diện tích cơ sở có thể nhỏ nhất cần chọn để trong tương lai có thể đề nghị (hoặc không đề nghị) đưa vào thăm dò hoặc khảo sát chi tiết. Diện tích cơ sở cũng có thể xem như cửa sổ trượt, các đặc trưng thống kê của trường trong cửa sổ đó được gán cho điểm trung tâm cửa sổ. b. Đánh giá lượng tin của dấu hiệu Lượng tin của dấu hiệu là khả năng mà dấu hiệu đó có thể phân biệt được các đối tượng khác nhau với nhau. Khả năng này phụ thuộc vào việc các đối tượng của cùng một lớp có thường xuyên cho những giá trị cố định của dấu hiệu đó hay không và các giá trị đó có phân bố rộng ra ngoài giới hạn của các đối tượng của lớp đó hay không. Người ta đưa ra các khái niệm lượng tin từng phần, lượng tin tổng (tích phân) và lượng tin tổng hợp. Lượng tin từng phần là lượng tin của những dải giá trị hay của nhóm các giá trị riêng biệt của một dấu hiệu nhất định. Lượng tin tổng là lượng tin chứa toàn bộ các giá trị của một dấu hiệu (một loại trường) nào đó. Lượng tin tổng hợp là lượng tin tính cho những dạng kết hợp khác nhau của nhiều dấu hiệu. Trong quá trình nhận dạng không phải mọi dấu hiệu trường đều quan trọng như nhau, thậm chí có những dấu hiệu trường địa vật lý hoàn toàn không chứa thông tin về đối tượng khảo sát và có thể là những dấu hiệu nhiễu làm mờ nhạt đi 5
các thông tin hữu ích. Khi đưa các dấu hiệu này vào sử dụng để nhận dạng không làm tăng mà ngược lại làm giảm chất lượng nhận dạng đối tượng. Chính vì vậy, trong quá trình xử lý cần tiến hành đánh giá lượng tin của từng dấu hiệu để từ đó chọn ra những dấu hiệu có lượng tin cao đưa vào xử lý và loại bỏ những dấu hiệu có lượng tin thấp. 1.1.3. Chọn thuật toán xử lý [1] [10] Các thuật toán được lựa chọn để xử lý sẽ ảnh hưởng tới chất lượng xử lý. Để chất lượng xử lý cao khi lựa chọn các thuật toán người ta dựa vào các yếu tố sau: a. Nhiệm vụ địa chất đặt ra Nếu nhiệm vụ của khảo sát địa vật lý là tìm kiếm mỏ thì thuật toán phải có khả năng nhận dạng hai lớp đối tượng: lớp quặng và lớp không quặng. Còn nếu nhiệm vụ của khảo sát địa vật lý là phục vụ công tác đo vẽ bản đồ địa chất thì thuật toán phải đảm bảo khả năng cùng một lúc nhận dạng được nhiều lớp đối tượng liên quan với nhiều loại đất đá và các yếu tố kiến tạo khác nhau. b. Đặc điểm chứa thông tin của số liệu gốc Nếu các số liệu địa vật lý chứa thông tin ở hai mức: mức “có”- mức dị thường và mức “không”- mức phông thì người ta sử dụng các thuật toán logic. Trong trường hợp các số liệu địa vật lý chứa các thông tin định lượng thì người ta sử dụng các thuật toán kiểm chứng thống kê. c. Tính độc lập và không độc lập Khi các dấu hiệu trường địa vật lý độc lập nhau thì có thể sử dụng các thuật toán đơn giản. Còn trong trường hợp các dấu hiệu liên quan với nhau thì các thuật toán được sử dụng phức tạp hơn. d. Mức độ đầy đủ của các thông tin tiên nghiệm Mức độ đầy đủ của các thông tin tiên nghiệm chính là mức độ hoàn chỉnh của các mô hình vật lý địa chất. Trong trường hợp tồn tại các đối tượng chuẩn, nghĩa là khi biết rõ mô hình vật lý địa chất của các đối tượng thì để xử lý người ta sử dụng các thuật toán nhận dạng có mẫu chuẩn để phân loại trường. 6
1.1.4. Định nghiệm về sự tồn tại của đối tƣợng [1] [10] Đối với các thuật toán nhận dạng có mẫu chuẩn việc quyết định nghiệm chủ yếu dựa vào chỉ số tương đồng. Chỉ số này xác định mức độ giống nhau hoặc khác nhau giữa đối tượng nghiên cứu với đối tượng chuẩn theo lượng thông tin tổng hợp của toàn bộ các dấu hiệu. Đối với các thuật toán nhận dạng không có mẫu chuẩn thì quá trình nhận dạng chỉ đơn thuần thực hiện việc phân chia diện tích khảo sát thành các phần đồng nhất theo tổng hợp các dấu hiệu. Việc phân loại ở đây được tiến hành dựa vào các chỉ tiêu định nghiệm khác nhau. Chỉ tiêu này phụ thuộc rất nhiều vào số lượng các lớp đối tượng cần phân chia là bao nhiêu. 1.1.5. Đánh giá chất lƣợng xử lý [1] [10] Đối với các thuật toán nhận dạng có mẫu chuẩn, chất lượng xử lý được đánh giá dựa vào sai số nhận dạng các đối tượng kiểm chứng. Các đối tượng kiểm chứng là các đối tượng mà bản chất địa chất của chúng đã được xác định rõ, song chúng không được chọn làm đối tượng mẫu mà là đối tượng được dùng làm kiểm tra các kết quả nhận dạng. Đối với các thuật toán nhận dạng không đối tượng chuẩn người ta sử dụng xác suất nhận dạng sai lầm để đánh giá chất lượng xử lý. Xác suất này được tính dựa vào việc tính tích phân hàm phân bố mật độ xác suất của một hệ số gọi là hệ số tương thích. Các hàm này được xác định riêng cho các đối tượng kiểm chứng của từng lớp một. 1.2. Lý thuyết các thuật toán nhận dạng [1] [10] Hiện nay, trong địa vật lý người ta sử dụng nhiều phương pháp nhận dạng hiện đại, được tự động hóa bằng các phần mềm mạnh. Tuy nhiên có thể chia chúng thành 2 nhóm: nhóm có phương pháp nhận dạng theo đối tượng chuẩn (có thông tin tiên nghiệm) và nhóm có phương pháp nhận dạng không có đối tượng chuẩn (không có thông tin tiên nghiệm). 1.2.1. Các thuật toán nhận dạng có mẫu chuẩn Các thuật toán nhận dạng có mẫu chuẩn là các thuật toán tiến hành xác định bản chất địa chất của các đối tượng dựa vào việc so sánh tập hợp các dấu hiệu địa 7
vật lý đặc trưng cho đối tượng chuẩn với tập hợp các dấu hiệu địa vật lý của đối tượng nghiên cứu. Dưới đây là một số thuật toán điển hình. a. Thuật toán logic Trong các thuật toán logic, để nhận dạng đối tượng hoặc là người ta tính lượng tin tổng, hoặc là xác định khoảng cách tổng. Công việc đầu tiên, người ta tiến hành mã hóa các dấu hiệu trường bằng mã nhị phân gồm tập số 0 và 1. Nếu xkl là giá trị trường thứ l của mẫu thứ k thì: - xkl = 0 khi mẫu k không chứa giá trị thứ l - xkl = 1 khi mẫu k chứa giá trị thứ l Bằng cách trên toàn bộ các mẫu được mã hóa. Tiếp theo dựa vào các tổ hợp số 0 và 1(từ thông tin) xác lập trên các mẫu chuẩn người ta xác định các từ thông tin chuẩn cho từng lớp đối tượng. Từ thông tin chuẩn cho một lớp (đối tượng) là từ thông tin gặp p lần ở các đối tượng chuẩn của lớp đó và không gặp lần nào ở các đối tượng chuẩn thuộc lớp khác. Đối với một lớp đối tượng người ta có thể chọn vài từ thông tin chuẩn. Các thông tin này được gọi là tổ hợp dấu hiệu phức hợp. Trong các tổ hợp dấu hiệu phức hợp đặc trưng cho các đối tượng chuẩn của cùng một lớp thì tổ hợp dấu hiệu nào đặc trưng cho số lượng mẫu chuẩn lớn hơn, tổ hợp dấu hiệu đó sẽ có lượng tin lớn hơn. Cuối cùng là nhận dạng các đối tượng nghiên cứu. Ở bước này người ta tiến hành kiểm tra xem bao nhiêu tổ hợp dấu hiệu phức hợp của từng lớp gặp ở đối tượng nghiên cứu. Nếu số lần gặp các tổ hợp dấu hiệu phức hợp của một lớp nào đó nhiều hơn số lần gặp các tổ hợp phức hợp của lớp khác thì đối tượng nghiên cứu được xếp vào lớp đó. b. Thuật toán hồi quy Thực chất của thuật toán này là xây dựng các hàm hồi quy xác định mối quan hệ giữa các tham số địa chất cần tìm với các số liệu địa vật lý quan sát được. Giả sử ta lập một quan hệ hàm giữa tham số địa chất Y và các dấu hiệu địa vật lý x1, x2…, xk. Hàm f(x1, x2…, xk) mà ta cần tìm phải thỏa mãn: E(Y-f(x1, x2…, xk))2 đạt cực tiểu. 8
Lớp hàm thường được dùng là các hàm đa thức, thường chỉ là bậc 1 (hàm tuyến tính) hoặc bậc 2. Hàm tuyến tính có dạng: k Y0ixi i Với điều kiện: n k  L( Y  j0 x i 2 ) ji đạt cực tiểu. j 1 i Trong đó Yj là giá trị quan trắc của biến Y tại quan trắc thư j; xji là giá trị quan trắc thứ j của biến xi. Hàm đa thức bậc hai có dạng: k k k  Ya bx i  i cx ij. ix  i j 1  i  1j1 Với điều kiện: 2  n k kk   L  Y l a  bx i i l   c x ij. lix  lj đạt cực tiểu.  l1 i 1  i  11 j  Trong đó Yl là giá trị quan trắc của biến Y tại quan trắc thứ l; xli là giá trị quan trắc thứ l của biến xi. Thuật toán phân tích hồi quy có ưu điểm là dễ dàng đưa vào xử lý bổ sung các số liệu của dấu hiệu mới bằng cách đưa thêm vào phương trình của hàm hồi quy các số hạng mới. Tuy nhiên thuật toán hồi quy cũng có nhược điểm đó là với một tập hợp số liệu nhất định ứng với một giá trị sai số cho trước có thể xấp xỉ được nhiều hàm hồi quy. Do vậy ta không thể đưa ra được các lý giải về ý nghĩa vật lý của các hệ số của hàm hồi quy. c. Thuật toán định nghiệm thống kê Thuật toán nhận dạng trên cơ sở mô hình thống kê đối tượng chuẩn trong phân tích số liệu địa vật lý thường sử dụng các thông số như: Tỉ số sự thật L(x) và tổng lượng thông tin J(1:2,x). 9
Giá trị các thông số đó được tính theo công thức: L(x) = P1(x)/ P2(x) J(1:2,x) = log[P1(x)/ P2(x)] Trong đó: P1(x), P2(x): là xác suất bắt gặp giá trị dấu hiệu x cùng với các đối tượng tương ứng của lớp 1 và lớp 2 (lớp quặng và lớp không quặng). Khi sử dụng đối tượng chuẩn cho lớp 1 (lớp quặng) thì trong các biểu thức P2(x) được thay bằng 1. x: là vectơ giá trị các dấu hiệu được sử dụng, x1,x2…xk (ví dụ các hàm lượng qU, qTh, qK…). Khi các dấu hiệu x1,x2…xk được xem là không phụ thuộc nhau thì xác suất của đại lượng n chiều của tổ hợp n dấu hiệu được tính. P(x) = P(x1). P(x2)…. P(xk) P (x ). P(x ). P(x )   11 12 1k L ( x ) L ( x 1). L( x 2).... L ( x k) P (x 2). 1P(x 2) 2. P(x 2) k J(1:2,x) = J(1:2,x1) + J(1:2,x2) +…+ J(1:2,xk) Nếu sự phụ thuộc của các dấu hiệu là rõ và sự phân bố của chúng tuân theo luật chuẩn thì để nhận dạng các đối tượng quặng và không quặng người ta thường sử dụng các hàm phân giải bậc 1 (R1) hoặc bậc 2 (R2) đối với các tham số x1,x2…xn. Các hàm này được biểu diễn như sau: n R1 aixi i1 k k k 2 R  b x ij i. x i j  1 j 1  cixi i 1 Trong đó các hệ số: ai, bij, ci được xác định từ các ma trận thông tin các dấu hiệu của các đối tượng quặng và không quặng. Thông qua các “diện tích đối tượng chuẩn” người ta xác định được các vectơ giá trị các dấu hiệu sử dụng x (trong trường hợp các dấu hiệu được xem là không phụ thuộc nhau) hoặc các hệ số ai, bij, ci (trong trường hợp các dấu hiệu phụ thuộc nhau). Sau đó tính giá trị L(x), J(1:2,x) hoặc R1, R2, phổ các giá trị này lên khắp diện tích khảo sát và biểu diễn chúng lên 10
bản đồ. Đối sánh các giá trị này với các giá trị của đối tượng chuẩn có thể nhận biết và khoanh định được các diện tích đồng dạng với đối tượng chuẩn. Các dấu hiệu được lựa chọn thường là một tổ hợp nào đó trong số các tham số thu được. 1.2.2. Các thuật toán nhận dạng không có mẫu chuẩn a. Thuật toán kiểm chứng thống kê Thuật toán này tiến hành phân loại trường khi các dấu hiệu trường hoàn toàn độc lập nhau. Ban đầu người ta sử dụng các bộ lọc để tách các dị thường ra khỏi phông nhiễu cho từng dấu hiệu trường. Kết quả lọc cho phép nhận được các số liệu trường chủ yếu gồm các dị thường. Tiếp theo là phân loại các dị thường thành các lớp dị thường. Mỗi lớp dị thường gồm các dị thường có các đặc trưng thống kê giống nhau. Để phân loại các dị thường đầu tiên người ta phân chia khu vực khảo sát thành các diện tích cơ sở, sau đó dựa vào kết quả phân cấp các giá trị trường ở mỗi cửa sổ người ta dựng các đường cong biến phân đặc trưng cho cửa sổ đó. Cuối cùng để phân lớp các dị thường người ta sử dụng chỉ tiêu  để so sánh và xếp loại 2 các đường cong biến phân. Các diện tích có ước lượng phân bố mật độ xác suất giống nhau được xếp vào một lớp. Giai đoạn cuối cùng của quá trình nhận dạng là giai đoạn thuật toán tiến hành xác định số hiệu của lớp tổng hợp. Với mục đích này, dựa vào các đường cong biến thiên dựng được cho từng dấu hiệu người ta xác định giá trị trung bình và phương sai rồi sắp xếp các giá trị trung bình theo thứ tự tăng dần. Sau đó dựa vào chỉ tiêu xác suất hậu nghiệm cực đại người ta quyết định xếp loại đối tượng khảo sát vào các lớp khác nhau. Bằng cách trên, toàn bộ khu vực khảo sát được phân thành một số diện tích có hình dạng bất kì, ở đó dị thường của các dấu hiệu khác nhau chồng lên nhau. b. Thuật toán K trung bình Nội dụng của thuật toán như sau: Giả sử tồn tại n đối tượng. Nhiệm vụ đặt ra là phân chia toàn bộ n đối tượng thành M lớp với M
bằng cách so sánh các mẫu chuẩn với các đối tượng còn lại. Sau mỗi lần chọn tập hợp các mẫu chuẩn Eν chọn được ở lần chọn thứ ν sẽ thay cho các mẫu chuẩn chọn được ở lần ν -1 (lần trước đó). Nếu kí hiệu tập hợp mẫu chuẩn Ev chọn được ở lần thứ v là: Eν = {e1ν, e2ν,…, ekν } với ν = 0, 1, 2,…. Với mỗi mẫu chuẩn này còn được ghi các trọng số đặc trưng là: h1ν, h2ν, h3ν... hkν Với kí hiệu này mẫu chuẩn xuất phát sẽ là: E0 = {e10, e20,…, ek0 } Các mẫu chuẩn này chính là các mẫu được chọn ra ở vòng đâu tiên (vòng số không) của quá trình lặp. Tiếp theo vòng số không thuật toán gọi tiếp số xk+1 và tìm xem trong k mẫu ei0, mẫu chuẩn nào gần với nó nhất. Nếu tìm được, thì mẫu chuẩn thuộc tập hợp E0 tìm được này được thay thế bằng mẫu chuẩn mới. Mẫu chuẩn mới này có giá trị ei1 được tính như giá trị trọng tâm giữa giá trị của mẫu chuẩn cũ và giá trị của đối tượng gắn kết với nó xk+1. Sau quá trình hiệu chỉnh ở vòng 1, bằng phương pháp mô tả trên thuật toán sẽ tiến hành hiệu chỉnh ở các lần tiếp theo, cho đến khi đối tượng cuối cùng được gọi ra. Sau khi tập hợp các mẫu chuẩn được chính xác hóa, thuật toán tiến hành phân loại toàn bộ số lượng n các đối tượng theo tập hợp các dấu hiệu thành M lớp dựa vào nguyên tắc khoảng cách tối thiểu. 12
CHƢƠNG 2.HỆ PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÀI LIỆU ĐỊA VẬT LÝ MÁY BAY 2. 2.1. Các phƣơng pháp phân tích tài liệu địa vật lý máy bay Công tác phân tích tài liệu địa vật lý máy bay nói riêng và phân tích tổ hợp tài liệu nói chung để giải thích các vấn đề địa chất và dự báo triển vọng khoáng sản người ta sử dụng rất nhiều phương pháp khác nhau tùy thuộc vào từng mục tiêu, từng bước và từng điều kiện cụ thể, trong đó có các phương pháp thông kê - nhận dạng được áp dụng rộng rãi có hiêu quả hơn cả. Một số nội dung cơ bản của các phương pháp như sau: 2.1.1. Các phƣơng pháp tách trƣờng[10] Các phương pháp tách trường là những phương pháp quen thuộc, được sử dụng rất rộng rãi và có hiệu quả trong phân tích các tài liệu địa vật lý nói chung. Sử dụng các phương pháp tách trường để phân chia các dị thường nhằm khoanh định và dự đoán về diện phân bố của các đối tượng địa chất gây dị thường. Việc quan trọng khi sử dụng phương pháp này là lựa chọn bán kính trung bình sao cho phù hợp với kích thước của đối tượng gây dị thường. 2.1.2. Nhóm các phƣơng pháp thống kê nhận dạng[10] a. Các phương pháp nhận dạng theo đối tượng chuẩn Trong các phương pháp phân tích nhận dạng có đối tượng chuẩn thì việc quan trọng nhất là chọn đối tượng chuẩn, tiếp đến là chọn tập hợp các dấu hiệu dùng để phản ánh và nhận dạng các đối tượng. Tùy thuộc vào các mục đích nghiên cứu khác nhau mà việc lựa chọn các đối tượng chuẩn sẽ khác nhau. b. Các phương pháp nhận dạng không có đối tượng chuẩn . Trong điều kiện khi diện tích khảo sát chưa được nghiên cứu kỹ và không có được các đối tượng chuẩn tin cậy người ta có thể sử dụng các phương pháp nhận dạng không có mẫu theo nguyên lý tự điều chỉnh để phát hiện và khoanh định các diện tích trường dị thường dựa trên một số dấu hiệu đã được chọn trước theo nguyên tắc: xác suất nhỏ, tương quan yếu và có tính trội của một nguyên tố nào đó 13