第1章地統(tǒng)計學(xué)簡介

1、 第一章第一章 概論概論 第二章第二章 地統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ)地統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ) 第三章第三章 區(qū)域化變量理論區(qū)域化變量理論 第四章第四章 變異函數(shù)結(jié)構(gòu)分析變異函數(shù)結(jié)構(gòu)分析 第五章第五章 克里金法克里金法 第六章第六章 地統(tǒng)計學(xué)應(yīng)用實例地統(tǒng)計學(xué)應(yīng)用實例 一、地統(tǒng)計學(xué)概念二、地統(tǒng)計學(xué)研究內(nèi)容三、地統(tǒng)計學(xué)起源及發(fā)展四、地統(tǒng)計學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域五、地統(tǒng)計學(xué)軟件介紹年代年代人物人物定義定義 19621962G.MatheronG.Matheron地統(tǒng)計學(xué)即以隨機函數(shù)的形式體系在勘查與地統(tǒng)計學(xué)即以隨機函數(shù)的形式體系在勘查與估計自然現(xiàn)象中的應(yīng)用。估計自然現(xiàn)象中的應(yīng)用。19701970G.MatheronG.Matheron地統(tǒng)計

2、學(xué)是以區(qū)域化變量理論在評估礦床上地統(tǒng)計學(xué)是以區(qū)域化變量理論在評估礦床上的應(yīng)用（包括采用的各種方法和技術(shù)）。的應(yīng)用（包括采用的各種方法和技術(shù)）。2020世紀(jì)世紀(jì)8080、9090年代年代Webster Webster 19851985，王仁鐸等王仁鐸等 19871987，IssaksIssaks等等 19891989，侯景儒等侯景儒等 19931993地統(tǒng)計學(xué)是以地統(tǒng)計學(xué)是以區(qū)域化變量理論區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以為基礎(chǔ)，以變變異函數(shù)異函數(shù)為主要工具，研究在空間分布上為主要工具，研究在空間分布上既有既有隨機性又有結(jié)構(gòu)性隨機性又有結(jié)構(gòu)性，或，或空間相關(guān)和依賴性空間相關(guān)和依賴性的的自然現(xiàn)象的科學(xué)。自然

3、現(xiàn)象的科學(xué)。理論基礎(chǔ)區(qū)域化變量理論 當(dāng)一個變量呈現(xiàn)為空間分布時，就稱之為區(qū)域化（Regionalized Variable）。這種變量常常反映某種空間現(xiàn)象的特征，用區(qū)域化變量來描述的現(xiàn)象稱之為區(qū)域化現(xiàn)象。 區(qū)域化變量具有兩個最顯著，而且也是最重要的特征，即隨機性和結(jié)構(gòu)性。 主要工具協(xié)方差函數(shù)和變異函數(shù) 協(xié)方差函數(shù)和變異函數(shù)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)建立起來的地統(tǒng)計學(xué)的兩個最基本的函數(shù)，是描述區(qū)域化變量的主要工具。主要內(nèi)容克里金（Kriging）插值法克立格（Kriging）插值法，又稱空間局部估計或空間局部插值法，是地統(tǒng)計學(xué)的主要內(nèi)容之一。克立格法是建立在變異函數(shù)理論及結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)之上。實質(zhì)是利

4、用區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點，對未采樣點的區(qū)域化變量的取值進行線性無偏、最優(yōu)估計。 普通克里格法（Ordinary Kriging）、 泛克里格法（Universal Kriging）、 指示克里格法（Indicator Kriging） 析取克里格法（Disjunctive Kriging）、 協(xié)同克里格法（Cokriging）等。經(jīng)典統(tǒng)計學(xué) 研究純隨機變量 變量可無限次重復(fù)觀測或大量重復(fù)觀測 樣本相互獨立 研究樣本的數(shù)字特征地統(tǒng)計學(xué) 研究區(qū)域化變量 變量不能重復(fù)試驗 樣本具有空間相關(guān)性 研究樣本的數(shù)字特征和區(qū)域化變量的空間分布特征 1、空間估值 根據(jù)空間分布的離散采樣點值求出

5、未知點值，或?qū)㈦x散的數(shù)據(jù)點轉(zhuǎn)化為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面，即空間估值。 在地統(tǒng)計學(xué)領(lǐng)域，估值方法統(tǒng)稱為克里金法。 2、局部不確定性預(yù)測 估值時考慮待估點周圍樣本點的影響，利用條件概率模型來推斷局部不確定型。 如參數(shù)法中的眾高斯法和非參數(shù)法中的指示克里金法。 3、隨機模擬 根據(jù)隨機變量定義， 每個變量可以有多個實現(xiàn)。只要總體趨勢是正確的，每個未知點上的變量估值可以有多種情況，這種方法稱為隨機模擬。 4、多點地統(tǒng)計學(xué) 通過多個點的訓(xùn)練圖像來取代變異函數(shù)，能有效反映目標(biāo)的空間分布結(jié)構(gòu)。u產(chǎn)生于地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域，亦稱地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)（Geostatistics）u1951年， D.G.Krige和H.S.Sichel提出“

6、克里格”法。u上世紀(jì)50年代后期，法國著名礦山工程師兼統(tǒng)計學(xué)家G.Matheron提出區(qū)域化變量理論u1962年，第一次提出“地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)”，出版應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)論專著，闡明“地統(tǒng)計學(xué)原理”，為地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)作為一門新興的邊緣學(xué)科誕生了。地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)作為一門新興的邊緣學(xué)科誕生了。20世紀(jì)60末70年代末 地統(tǒng)計學(xué)發(fā)展階段地統(tǒng)計學(xué)發(fā)展階段 出現(xiàn)了多元、非線性地統(tǒng)計學(xué)，如普通克里金、泛克里金、析取克里金及條件模擬法等。20世紀(jì)80年代初80年代末 地統(tǒng)計學(xué)上升階段地統(tǒng)計學(xué)上升階段 非參數(shù)和非穩(wěn)態(tài)地統(tǒng)計學(xué)出現(xiàn)，非線性地統(tǒng)計學(xué)得到發(fā)展。 1975、1983、1988年召開的國際地統(tǒng)計學(xué)

7、大會和國際地統(tǒng)計學(xué)協(xié)會的成立，標(biāo)志著地統(tǒng)計學(xué)已經(jīng)開始發(fā)展成熟。20世紀(jì)90年代初90年代末 地統(tǒng)計學(xué)的進一步成熟階段地統(tǒng)計學(xué)的進一步成熟階段 三維和時空地統(tǒng)計學(xué)得以發(fā)展，開發(fā)了大量相關(guān)軟件。2000年至今 地地統(tǒng)計學(xué)創(chuàng)新性的二次開發(fā)階段統(tǒng)計學(xué)創(chuàng)新性的二次開發(fā)階段 不確定性地統(tǒng)計學(xué)和新型地統(tǒng)計學(xué)方法得到發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進一步得到拓展。地統(tǒng)計學(xué)理論兩大學(xué)派：以G.Matheron為首的“楓丹白露地統(tǒng)計學(xué)派”，開展以正態(tài)假設(shè)為基礎(chǔ)的克立格法研究，提出了多元地統(tǒng)計學(xué)的思想，形成了包括簡單克立格、普通克立格、泛克立格、析取克立格等在內(nèi)的一套理論和方法。由于克立格法計算中，需要利用實際樣品數(shù)據(jù)求取區(qū)域化變量

8、理論模型的若干參數(shù)，因而稱為“參數(shù)地統(tǒng)計學(xué)”；以A.G.Journel為首的“斯坦福地統(tǒng)計學(xué)派”，發(fā)展無需對數(shù)據(jù)分布作任何假設(shè)的指示克立格法、概率克立格法和快速條件模擬等一套方法，同時考慮如何使用“軟”數(shù)據(jù)問題，稱為“非參數(shù)地統(tǒng)計學(xué)”。人物人物專著專著M.David礦產(chǎn)儲量地統(tǒng)計學(xué)評價（1977）A.G.Journel等 采礦地統(tǒng)計學(xué)（1978）I.Clark實用地統(tǒng)計學(xué)（1979）B.D.Ripley空間統(tǒng)計學(xué) E.H.IssaksR.M.Srivostava應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)導(dǎo)論（1989） N.Cressie空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計學(xué)（1991）1977年，地統(tǒng)計學(xué)由美國H.M.Parker博士傳入我國。

9、1982年，侯景儒等首先將A.G.Journel等人的采礦地統(tǒng)計學(xué)譯為中文1987年，王仁鐸等出版線性地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)1989年，孫惠文等譯M.David的礦產(chǎn)儲量地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)評價1993年侯景儒等出版了礦床統(tǒng)計預(yù)測及地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的理論和應(yīng)用1999年王政權(quán)出版了地統(tǒng)計學(xué)及其在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用2005年張仁鐸出版了空間變異理論及應(yīng)用適用范圍 空間分布數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)性和隨機性 空間相關(guān)性和依賴性 空間格局與變異，并對這些數(shù)據(jù)進行最優(yōu)無偏內(nèi)插估計 模擬數(shù)據(jù)的離散性、波動性 （侯景儒，1993） 利用地統(tǒng)計學(xué)進行礦產(chǎn)資源儲量計算及平均品位估計利用地統(tǒng)計學(xué)進行礦產(chǎn)資源儲量計算及平均品位估計 利用地統(tǒng)計學(xué)進行礦產(chǎn)資源預(yù)

10、測及找礦勘探利用地統(tǒng)計學(xué)進行礦產(chǎn)資源預(yù)測及找礦勘探 利用地統(tǒng)計學(xué)進行石油勘探開發(fā)利用地統(tǒng)計學(xué)進行石油勘探開發(fā)地質(zhì)學(xué)地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用中的應(yīng)用 在土壤物理性質(zhì)空間變異中的在土壤物理性質(zhì)空間變異中的應(yīng)用應(yīng)用。 集中在應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)方法研究土壤顏色、土粒、土壤水分、土壤水力導(dǎo)度、飽和水壓、孔徑等土壤物理性質(zhì)的空間變異。 在土壤化學(xué)性質(zhì)空間變異中的在土壤化學(xué)性質(zhì)空間變異中的應(yīng)用應(yīng)用。 針對氮、磷、鉀、鈣、鎂、土壤pH等土壤養(yǎng)分的空間相關(guān)性研究。對土壤化學(xué)性狀的空間屬性進行了描述和歸類，同時為土壤養(yǎng)分管理、土壤環(huán)境背景值制圖等提供了必要數(shù)據(jù)和方法。土壤學(xué)中的應(yīng)用土壤學(xué)中的應(yīng)用2、在土壤學(xué)中的應(yīng)用、在土壤學(xué)中的

11、應(yīng)用 在土壤學(xué)試驗設(shè)計和采樣方法中的在土壤學(xué)試驗設(shè)計和采樣方法中的應(yīng)用應(yīng)用 分析分析土壤特性的空間變異規(guī)律，可有效指導(dǎo)土壤采樣數(shù)目、樣點分土壤特性的空間變異規(guī)律，可有效指導(dǎo)土壤采樣數(shù)目、樣點分布、采樣密度及采樣方法的布、采樣密度及采樣方法的確定確定。 在土壤質(zhì)量管理方面的應(yīng)用在土壤質(zhì)量管理方面的應(yīng)用 地地統(tǒng)計學(xué)提供了利用已知取樣點的數(shù)據(jù)去估測未采樣點的土壤特性統(tǒng)計學(xué)提供了利用已知取樣點的數(shù)據(jù)去估測未采樣點的土壤特性指標(biāo)是否超過某一閾限的方法。近年來，地統(tǒng)計學(xué)在土壤質(zhì)量管理方面指標(biāo)是否超過某一閾限的方法。近年來，地統(tǒng)計學(xué)在土壤質(zhì)量管理方面的應(yīng)用主要集中在土壤養(yǎng)分管理和土壤污染的應(yīng)用主要集中在土壤

12、養(yǎng)分管理和土壤污染研究研究。3、在在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用生態(tài)學(xué)變量空間變異性的定量描述和解釋。生態(tài)學(xué)變量空間變異性的定量描述和解釋。 生物特征的估計。生物特征的估計。 生態(tài)學(xué)研究對象的時空變化規(guī)律分析，及不同相關(guān)研究對象的時空生態(tài)學(xué)研究對象的時空變化規(guī)律分析，及不同相關(guān)研究對象的時空動態(tài)及耦合關(guān)系分析。動態(tài)及耦合關(guān)系分析。4、在在環(huán)境學(xué)中的應(yīng)用環(huán)境學(xué)中的應(yīng)用 土壤環(huán)境土壤環(huán)境研究研究 地統(tǒng)計學(xué)中的變異函數(shù)和克立格插值技術(shù)是進行重金屬空間結(jié)構(gòu)分析、模擬和估值的主要工具，通過描述和模擬污染物的空間分布特征以及估算未采樣點的取值，揭示出污染物在空間上的分布遷移趨勢。 水環(huán)境研究水環(huán)境研究 用

13、于地下水水位預(yù)測和污染物遷移擴散參數(shù)的估計、分析預(yù)測水環(huán)境污染物濃度、水質(zhì)參數(shù)研究等。5、在在氣象學(xué)中的應(yīng)用氣象學(xué)中的應(yīng)用 在數(shù)值天氣預(yù)報和日常氣象分析中，經(jīng)常需要將不規(guī)則的站點資料插值到規(guī)則的網(wǎng)格。 隨著地統(tǒng)計學(xué)方法的興起，克立格法已經(jīng)逐步應(yīng)用于氣象學(xué)領(lǐng)域。如GS+、ArcGIS、Surfer、STATPAC、Geo-EAS、GEOPACK、Geostatistical Toolbox、GSLIB、DPS數(shù)據(jù)分析軟件等，見表1 2。1、 GS+軟件GS+最常用，全稱為Geostatistics for the Environmental Sciences由美國Gamma Design Software軟件公司制作內(nèi)容：提供了所有的地統(tǒng)計部件，包括三維條件下數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計分析、分形分析、協(xié)方差分析、變異函數(shù)分析等地統(tǒng)計學(xué)常用分析方法，估值包括普通克里格、協(xié)同克里格、條件模擬等。亮點：能夠根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)，自動擬合實驗變差函數(shù)（包括高斯模板，橢圓和指數(shù)模型）。具有強大的圖表輸入功能，可以將計算結(jié)果直