Python 地球科學數據分析

隨著電腦技術的發展，通過編寫電腦程序來解決相關領域的難題已經成為人們普遍認同的解決方案。Python語言憑借其簡潔特點贏得了越來越多人的青睞。

本書旨在結合Python語言講解其在地球科學數據分析方面的應用。本書內容分為12章，從搭建Python環境開始講解，陸續介紹了一系列適用於地球科學領域的Python知識，不僅涉及基礎的編程語法，也涵蓋實際的編程案例及程序運行結果。本書還結合統計學知識演示了一系列數據分析及可視化案例，通過一些典型的案例和編程方法展現了Python解決方案。

本書適合地球科學領域的師生閱讀，也適合相關領域的科研工作者閱讀，不要求讀者有編程經驗。

毛里齐奥·彼得雷利，目前在佩鲁贾大学物理与地质系工作，他的研究重点是火山的岩石学特征，致力于将机器学习技术应用于地质学。

目錄

第 一部分 地質學家應知應會的Python基礎知識

第 1章 輕松搭建Python環境 2

1.1 Python編程語言 2

1.2 編程範例 3

1.3 本地Python環境 3

1.4 遠程Python環境 6

1.5 Python包 6

1.6 專門為地質學家開發的Python包 7

第 2章 地質學家必備的Python知識 8

2.1 從使用IPython控制台開始 8

2.2 樣式和命名規則 10

2.3 使用Python腳本 11

2.4 條件語句、縮進、循環和函數 13

2.4.1 條件語句 13

2.4.2 縮進和塊 14

2.4.3 for循環 15

2.4.4 while循環 16

2.4.5 函數 17

2.5 導入外部庫 18

2.6 基本運算和數學函數 18

第3章 用Python解決地質問題：簡介 21

3.1 第 一次使用Python繪制二元相圖 21

3.2 建立第 一個地球科學模型 28

3.3 空間數據表達的快速入門 32

第二部分 地質數據描述

第4章 地質數據集的圖形可視化 38

4.1 數據集的統計學描述：主要概念 38

4.2 可視化單變量樣本分佈 39

4.2.1 直方圖 39

4.2.2 累積分佈圖 41

4.3 準備發布就緒的二元相圖 41

4.3.1 子圖 41

4.3.2 標記 43

4.3.3 圖例 49

4.3.4 四捨五入小數、文本格式、符號和特殊字符 52

4.3.5 二元相圖：plot()與scatter()的比較 57

4.4 多元數據可視化：首次嘗試 62

第5章 描述統計1：單變量分析 64

5.1 描述統計基礎 64

5.2 位置 64

5.2.1 平均數 64

5.2.2 中位數 67

5.2.3 眾數 68

5.3 離差或尺度 69

5.3.1 極差 69

5.3.2 方差和標準差 71

5.3.3 四分位距 73

5.4 偏度 74

5.5 pandas中的描述統計 77

5.6 箱形圖 78

第6章 描述統計2：雙變量分析 80

6.1 協方差和相關性 80

6.2 簡單線性回歸 83

6.3 多項式回歸 85

6.4 非線性回歸 87

第三部分 地質學中的積分與微分方程

第7章 數值積分 94

7.1 定積分 94

7.2 積分的基本性質 95

7.3 定積分的解析解和數值解 95

7.4 微積分的基本定理和解析解 96

7.4.1 微積分的基本定理 96

7.4.2 解析解：Python中的符號法 96

7.5 定積分的數值解 97

7.5.1 矩形法 97

7.5.2 梯形法 100

7.5.3 基於scipy的梯形法和復合辛普森法 101

7.6 計算地質構造體積 103

7.7 計算岩石靜壓力 104

第8章 微分方程 110

8.1 引言 110

8.2 常微分方程 111

8.3 一階常微分方程的數值解 116

8.3.1 歐拉法 116

8.3.2 scipy.integrate.ode類 118

8.4 菲克擴散定律—一種廣泛使用的偏微分方程 120

8.4.1 解析解 121

8.4.2 常數D的數值解 123

第四部分 概率密度函數與誤差分析

第9章 概率密度函數及其在地質學中的應用 130

9.1 概率分佈與密度函數 130

9.2 正態分佈 131

9.2.1 正態概率密度函數 131

9.2.2 生成服從正態分佈的隨機樣本 135

9.3 對數正態分佈 137

9.4 其他適用於地質學的概率密度函數 139

9.5 密度估計 140

9.6 中心極限定理與正態分佈均值 145

第 10章 誤差分析 148

10.1 地質測量中的誤差處理 148

10.1.1 精確度和準確度 148

10.1.2 置信區間 151

10.1.3 均值估計的不確定性： 標準誤差 153

10.2 二元相圖中的不確定性 報告 155

10.3 誤差傳播的線性化方法 161

10.4 誤差傳播的蒙特卡洛方法 166

第五部分 穩健統計與機器學習

第 11章 穩健統計導論 174

11.1 經典統計法和穩健統計法 174

11.2 正態檢驗 175

11.2.1 直方圖和參數擬合 175

11.2.2 Q-Q圖 177

11.2.3 統計檢驗 178

11.3 位置和尺度的穩健估計 180

11.3.1 位置的穩健估計和 弱估計 180

11.3.2 尺度的穩健估計和 弱估計 183

11.3.3 位置和尺度的聯合穩健 估計 185

11.4 地球化學中的穩健統計 187

第 12章 機器學習 189

12.1 地質學中的機器學習導論 189

12.2 Python中的機器學習 191

12.3 機器學習在地質學中的 研究案例 191

12.3.1 用於訓練的實驗 數據 192

12.3.2 標準化 194

12.3.3 訓練和測試模型 197

附錄A 面向地質學家的Python包和資源 201

A.1 面向地質學家的Python包 201

A.2 面向地質學家的Python學習資源 201

附錄B 面向對象編程導論 202

B.1 面向對象編程 202

B.2 在Python中定義類、屬性和方法 202

附錄C Matplotlib面向對象API 206

C.1 Matplotlib應用程序接口 206

C.2 Matplotlib面向對象API 206

C.3 使用OO樣式微調地質圖 207

附錄D 使用Pandas工具 210