CN111578909A - 判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的装置，包括：主控单元、数据处理器、用户输入模块、剖面测量模块、显示控制装置和供电模块；本发明还提供一种判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的方法，包括：获取海洋温度剖面数据；根据用户选择，进行感兴趣温度所在水层计算或温跃层计算，所述感兴趣温度所在水层计算是指根据目标鱼种所需的温度范围，输入所需剖面水温的上下界阈值，并判定剖面水温阈值对应的水层深度；所述温跃层计算是指计算海洋温度剖面数据的垂直温度梯度，并根据温跃层梯度标准对温跃层进行识别，获取温跃层的上下界深度；本发明能够判别所需感兴趣温度所在水层和温跃层，能够满足海洋生产、养殖和科研探索需要。

Description

判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的装置与方法
技术领域
本发明涉及海洋与渔业信息服务技术领域，特别是涉及一种判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的装置与方法。
背景技术
我国是海洋渔业大国，远洋渔业自1985年起步以来，持续较快发展，作业船数和捕捞产量均居世界前列。远洋渔业的进一步发展面临着资源可持续的生态要求和负责任捕捞的管理压力。同时，我国也是养殖大国，产量约占世界水产养殖产量的五分之三，我国的水产养殖发展正面临生态环境、水土资源和发展空间等多方面的压力。深远海养殖被认定为具有潜力的渔业增长方式，因此利用离岸3海里至200海里的海域进行可控条件下的生物养殖逐渐成为渔业发展的主要空间拓展方向。
鱼类对温度非常敏感，通常海洋经济鱼类都有一定的适温范围和最适温度，也即其特征温度值。根据其适温范围的大小，可划分为广温性鱼类和狭温性鱼类。卫星遥感反演的SST为海洋表层温度场，对位于混合层范围内的上层鱼类渔场分析比较准确，而对中层和底层的鱼类可造成大的误差。另外，鱼类的不同生活阶段，其适温范围或最适温度有所不同，进行海洋渔业资源分析时应注意到其各个生活史阶段的差异。
以全潜式深海网箱或养殖工船为代表的深蓝渔业形态直接利用海洋表层以下水体，或者需要海洋表层及其以下不同深度取水。全潜式深海网箱养殖将养殖网箱直接下沉到海洋温跃层之下冷水团开展养殖；养殖工船一方面可以使用自身动力系统将自身置于表层海水温度适宜的区域，另一方面在高温时节当上层海水温度高于养殖鱼类适宜生长的温度时，可从不同深度水层抽取温度适宜于养殖鱼类的海水供养殖使用，此外，其周边拖曳的浮式或潜式网箱也会受到表层及以下海水温度变化的影响。对于金枪鱼延绳钓来说，次表层水温是判断渔场的重要参数，通过剖面数据判断温跃层的深度，金枪鱼大部分时间停留在表层以下的深水处，知道温跃层的深度就可以估算金枪鱼的栖息深度。
对于海洋表层以下的环境监测，通常通过浮标或走航式的剖面测量来获取。Argo自沉式浮标，会自动从海平面潜入海洋深处，并随深海流保持漂流状态，一般10天它会自动上浮，并在上浮过程中利用自身携带的传感器进行连续的、不同深度的海水剖面测量。渔业资源走航式调查采用CTD温盐深仪来探测，用于测量水体的电导率，温度及深度三个基本的水体物理参数。这些仪器的数据都需要通过专门的软件来读取，然后由特定的人员来判别。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的装置与方法，能够根据获取的海洋温度剖面数据判别出感兴趣温度所在的水层，还能判别温跃层。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的装置，包括：主控单元、数据处理器、用户输入模块、剖面测量模块、显示控制装置和供电模块；所述主控单元分别与所述数据处理器、用户输入模块、剖面测量模块和供电模块连接，所述数据处理器与所述显示控制装置连接；所述剖面测量模块将获取到的海洋温度剖面数据通过所述主控单元发送至所述数据处理器进行处理，最后将处理结果通过所述显示控制装置可视化展现。
所述数据处理器为剖面温度数据处理器。
所述剖面测量模块设置有剖面测量装置和数据交换接口；所述剖面测量装置用于获取海洋温度剖面数据，所述数据交换接口与所述主控单元连接，用于向所述主控单元传输所述海洋温度剖面数据。
本发明还涉及一种判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的方法，采用上述判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的装置，包括：
步骤(1)：利用所述剖面测量模块获取在固定位置测量的海洋温度剖面数据，所述海洋温度剖面数据自海面到海底将海水分为n层，n层水体的深度表示为Z1,Z2,......,Zn，所述n层水体的深度对应的温度表示为T1,T2,......,Tn；
步骤(2)：根据用户选择，进行感兴趣温度所在水层计算或温跃层计算，所述感兴趣温度所在水层计算是指根据目标鱼种所需的温度范围，输入所需剖面水温的上界阈值Tmax和剖面水温的下界阈值Tmin，通过所述剖面水温的上界阈值Tmax和剖面水温的下界阈值Tmin构成的阈值范围，在获取的海洋温度剖面数据中搜索，判定剖面水温阈值对应的水层深度并给予标识；所述温跃层计算是指计算海洋温度剖面数据的垂直温度梯度，并根据温跃层梯度标准对温跃层进行识别，获取温跃层的上界深度和下界深度。
所述感兴趣温度所在水层计算具体为：从Z1起遍历n个水层至Zn，若第i个水层对应的温度Ti满足Tmin≤Ti≤Tmax，则将深度值Zi增加到Depth向量末尾，将水层标号i增加到Level向量末尾，表达式为：
If Ti≤Tmax and Ti≥Tmin then{Depth.append(Zi)；Level.append(i)}
其中，所述Depth向量为记录/标识所有符合条件的水层深度向量，所述Level向量为记录/标识所有符合条件的水层标号向量；所述Depth向量及Level向量的第一个元素值和最后一个元素值为感兴趣温度水层的标识结果。
所述温跃层计算具体为：从Z1起遍历n个水层至Zn，第i个水层的垂直温度梯度VTGi表达式为：
Figure BDA0002501872160000031
若VTGi≥VTGthermocline，则将深度值Zi增加到Thermocline向量末尾，表达式为：
If VTGi≥VTGthermocline then Thermocline.append(Zi)
其中，VTGthermocline为温跃层判断临界值，Thermocline向量为记录/标识所有符合温跃层条件的水层深度向量；
所述Thermocline向量的长度表示为Length(Thermocline)，所述Length(Thermocline)用于记录符合温跃层条件的水层个数；所述Thermocline向量第一个元素值为温跃层的上界深度，用Thermocline[Length(Thermocline)]向量来表示温跃层的下界深度。
所述温跃层的厚度为温跃层下界深度与上界深度的差；当所述n层水体的深度Z1,Z2,......,Zn相邻水层间隔厚度满足表达式：
Z2-Z1＝Z3-Z2＝...＝Zn+1-Zn＝Z*
其中，Z*为常数，则温跃层的厚度表示为Length(Thermocline)*Z*。
所述VTGthermocline的初始值设为0.05℃/m。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明根据剖面测量模块测得的海洋温度剖面数据能够判别感兴趣温度所在的水层，还能判别温跃层，设备简单实用，解决了人为采集海洋温度剖面数据困难的问题，节约经济成本和人力成本，具备较好的灵活性和实用性；本发明中的数据处理器能够对采集到的海洋温度剖面数据进行处理，处理结果能够给原位离岸养殖或捕捞作业中关于取水深度和下沟深度的决策提供技术支持，避免了人为判定失误，进而满足海洋生产、养殖和科研探索需求，提高了海洋渔业信息服务化水平。
附图说明
图1是本发明实施方式的装置结构图；
图2是本发明实施方式的业务逻辑流程图；
图3是本发明实施方式中判定感兴趣温度所在水层的显示控制装置可视化展现图；
图4是本发明实施方式中识别温跃层的显示控制装置可视化展现图。
图示：100、主控单元，120、剖面测量模块，121、剖面测量装置，122、数据交换接口，130、用户输入模块，140、供电模块，150、数据处理器，151、感兴趣温度水层标识模块，152、温跃层计算模块，160、显示控制装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的装置，如图1所示，为本发明实施方式的装置结构图，包括：主控单元100、数据处理器150、用户输入模块130、剖面测量模块120、显示控制装置160和供电模块140，所述剖面测量模块120设置有剖面测量装置121和数据交换接口122。
进一步地，本实施方式中的数据处理器150为剖面温度数据处理器，用于处理获取到的海洋温度剖面数据，本实施方式中的剖面温度数据处理器包括两个Freescale系列单片机，这两个单片机一个作为感兴趣温度水层标识模块151实现目标鱼种所需温度所在水层的标识功能，另一个作为温跃层计算模块152实现判定温跃层的功能。
下面通过一个具体的实施方式来进一步说明本发明：
如图2所示，为本发明实施方式的业务逻辑流程图，在供电模块140的支持下，主控单元100通过数据交换接口122从剖面测量装置121中获取在渔船或离岸养殖设施所在位置测量的海洋温度剖面数据；根据实际要求需要对海洋温度剖面数据进行绘制，包括：根据用户选择，进行感兴趣温度所在水层计算或温跃层计算，所述感兴趣温度所在水层计算是指通过用户输入模块130向主控单元100发送目标鱼种所需水温的上界阈值和下界阈值；剖面温度数据处理器可以根据用户确定的水温上下界阈值范围(温度范围两端临界阈值)在海洋温度剖面数据中搜索，判定水温阈值对应的水层深度并给予标识，即水温越高水层越浅，水温越低水层越深，对温度范围两端临界阈值对应的水层深度进行标识，并将海洋温度剖面数据和标识结果同时在显示控制装置160上可视化表达；或者，所述温跃层计算是指剖面温度数据处理器直接计算海洋温度剖面数据的垂直温度梯度，并根据温跃层梯度标准获取温跃层的上界深度和下界深度，具体为：通过计算海洋温度剖面数据的垂直温度梯度，判定出混合层(温度变化比较稳定的部分)以下水温迅速下降的水层，该部分即为温跃层，将剖面水温发生骤变的水层上下界深度进行标识。将标识出的温跃层上下界深度与海洋温度剖面数据共同在显示控制装置160上可视化表达。
本实施方式中显示控制装置160采用单色黑白液晶显示器，图3是本发明实施方式的显示控制装置160关于感兴趣温度所在水层深度的可视化展现图，图4是本发明实施方式的显示控制装置160关于温跃层的上下界深度的可视化展现图，本实施方式中的显示控制装置160还可以显示获取的海洋温度剖面数据。
本实施方式的具体步骤为：
(1)在供电模块140的支持下，主控单元100通过数据交换接口122从海洋剖面测量装置121中获取在渔船或离岸养殖设施所在位置测量的海洋温度剖面数据。
(2)根据实际情况需要，用户可以选择识别感兴趣温度所在水层或直接识别温跃层，当用户需要识别感兴趣温度所在水层时，通过用户输入模块130输入目标鱼种所需水温的上界阈值和下界阈值；当用户需要识别温跃层时，直接通过剖面温度数据处理器中的温跃层计算模块152直接执行计算。
当用户需求为识别感兴趣温度所在水层时，剖面温度数据处理器中的感兴趣温度水层标识模块151根据用户确定的水温上下界阈值范围在海洋温度剖面数据中进行搜索，判定水温阈值对应的水层深度并给予标识；如图3所示，本实施方式中以养殖冷水鱼种类中的三文鱼为例，该三文鱼的适宜温度处于10℃至15℃之间，用户确定感兴趣温度范围上界阈值Tmax为15℃，下界阈值Tmin为10℃，判定出对应深度分别为180米和260米，将海洋温度剖面数据和标识结果同时在显示控制装置160上可视化表达。
当用户需求为识别温跃层时，剖面温度数据处理器中的温跃层计算模块152可以计算海洋温度剖面数据的垂直温度梯度，并根据温跃层梯度标准对渔船或离岸养殖设施所在位置的温跃层进行识别，并获取该温跃层的上界深度和下界深度；如图4所示，本实施方式中的上界深度为82米，下界深度为228米，即温跃层位于82米至228米之间，并将最终结果在显示控制装置160上可视化表达。
本发明的实施方式还提供判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的方法，具体步骤如下：
步骤(1)：利用所述判定海洋剖面温度所在水层和识别温跃层的装置获取在固定位置测量的海洋温度剖面数据，所述海洋温度剖面数据自海面到海底将海水分为n层，n层水体的深度表示为Z1,Z2,......,Zn，所述n层水体的深度对应的温度表示为T1,T2,......,Tn。
步骤(2)：根据用户选择，进行感兴趣温度所在水层计算或温跃层计算，所述感兴趣温度所在水层计算是指根据目标鱼种所需的温度范围，输入所需剖面水温的上界阈值Tmax和剖面水温的下界阈值Tmin，通过所述剖面水温的上界阈值Tmax和剖面水温的下界阈值Tmin构成的阈值范围，在获取的海洋温度剖面数据中搜索，判定剖面水温阈值对应的水层深度并给予标识；所述温跃层计算是指计算海洋温度剖面数据的垂直温度梯度，并根据温跃层梯度标准对温跃层进行识别，获取温跃层的上界深度和下界深度。
进一步地，所述感兴趣温度所在水层计算具体为：从Z1起遍历n个水层至Zn，判断第i个水层对应的温度Ti是否处于Tmax和Tmin之间，即Ti是否满足Tmin≤Ti≤Tmax，若满足条件，则将深度值Zi增加到Depth向量末尾，将水层标号i增加到Level向量末尾，表达式为：
If Ti≤Tmax and Ti≥Tmin then{Depth.append(Zi)；Level.append(i)}
其中，所述Depth向量为记录/标识所有符合条件的水层深度向量，所述Level向量为记录/标识所有符合条件的水层标号向量；所述Depth向量及Level向量的第一个元素值和最后一个元素值为感兴趣温度水层的标识结果。
进一步地，所述温跃层计算具体为：从Z1起遍历n个水层至Zn，第i个水层的垂直温度梯度VTGi(Vertical Thermal Gradient)表达式为：
Figure BDA0002501872160000071
判断当前i水层的VTGi是否大于温跃层判断临界值VTGthermocline，若VTGi≥VTGthermocline成立，则将深度值Zi增加到Thermocline向量末尾，表达式为：
If VTGi≥VTGthermocline then Thermocline.append(Zi)
其中，VTGthermocline为温跃层判断临界值，Thermocline向量为记录/标识所有符合温跃层条件的水层深度向量；所述Thermocline向量的长度表示为Length(Thermocline)，所述Length(Thermocline)用于记录符合温跃层条件的水层个数；所述Thermocline向量第一个元素值为温跃层的上界深度，用Thermocline[Length(Thermocline)]向量来表示温跃层的下界深度。
进一步地，所述温跃层的厚度为温跃层下界深度与上界深度的差；当所述n层水体的深度Z1,Z2,......,Zn相邻水层间隔厚度相同时，即满足表达式：
Z2-Z1＝Z3-Z2＝...＝Zn+1-Zn＝Z*
其中Z*为常数，则温跃层的厚度表示为Length(Thermocline)*Z*。
本实施方式中，所述VTGthermocline的初始值设为0.05℃/m。
步骤(3)：将感兴趣温度所在水层的标识结果或温跃层识别结果，以及海洋温度剖面数据在显示控制装置160上可视化表达。
由此可见，本发明可以用来判别感兴趣温度所在的水层和温跃层，设备简单易操作，方法具备较好的实用性和灵活性，能够满足海洋生产、养殖和科研探索需求，提高了海洋渔业信息服务化水平。

Claims (8)

1.一种判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的装置，其特征在于，包括：主控单元、数据处理器、用户输入模块、剖面测量模块、显示控制装置和供电模块；所述主控单元分别与所述数据处理器、用户输入模块、剖面测量模块和供电模块连接，所述数据处理器与所述显示控制装置连接；所述剖面测量模块将获取到的海洋温度剖面数据通过所述主控单元发送至所述数据处理器进行处理，最后将处理结果通过所述显示控制装置可视化展现。
2.根据权利要求1所述的判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的装置，其特征在于，所述数据处理器为剖面温度数据处理器。
3.根据权利要求1所述的判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的装置，其特征在于，所述剖面测量模块设置有剖面测量装置和数据交换接口；所述剖面测量装置用于获取海洋温度剖面数据，所述数据交换接口与所述主控单元连接，用于向所述主控单元传输所述海洋温度剖面数据。
4.一种判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的方法，其特征在于，采用如权利要求1-3中任一所述判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的装置，包括：
步骤(1)：利用所述剖面测量模块获取在固定位置测量的海洋温度剖面数据，所述海洋温度剖面数据自海面到海底将海水分为n层，n层水体的深度表示为Z1,Z2,......,Zn，所述n层水体的深度对应的温度表示为T1,T2,......,Tn；
步骤(2)：根据用户选择，进行感兴趣温度所在水层计算或温跃层计算，所述感兴趣温度所在水层计算是指根据目标鱼种所需的温度范围，输入所需剖面水温的上界阈值Tmax和剖面水温的下界阈值Tmin，通过所述剖面水温的上界阈值Tmax和剖面水温的下界阈值Tmin构成的阈值范围，在获取的海洋温度剖面数据中搜索，判定剖面水温阈值对应的水层深度并给予标识；所述温跃层计算是指计算海洋温度剖面数据的垂直温度梯度，并根据温跃层梯度标准对温跃层进行识别，获取温跃层的上界深度和下界深度。
5.根据权利要求4所述的判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的方法，其特征在于，所述感兴趣温度所在水层计算具体为：从Z1起遍历n个水层至Zn，若第i个水层对应的温度Ti满足Tmin≤Ti≤Tmax，则将深度值Zi增加到Depth向量末尾，将水层标号i增加到Level向量末尾，表达式为：
If Ti≤Tmax and Ti≥Tmin then{Depth.append(Zi)；Level.append(i)}
其中，所述Depth向量为记录/标识所有符合条件的水层深度向量，所述Level向量为记录/标识所有符合条件的水层标号向量；所述Depth向量及Level向量的第一个元素值和最后一个元素值为感兴趣温度水层的标识结果。
6.根据权利要求4所述的判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的方法，其特征在于，所述温跃层计算具体为：从Z1起遍历n个水层至Zn，第i个水层的垂直温度梯度VTGi表达式为：
Figure FDA0002501872150000021
若VTGi≥VTGthermocline，则将深度值Zi增加到Thermocline向量末尾，表达式为：
If VTGi≥VTGthermocline then Thermocline.append(Zi)
其中，VTGthermocline为温跃层判断临界值，Thermocline向量为记录/标识所有符合温跃层条件的水层深度向量；
所述Thermocline向量的长度表示为Length(Thermocline)，所述Length(Thermocline)用于记录符合温跃层条件的水层个数；所述Thermocline向量第一个元素值为温跃层的上界深度，用Thermocline[Length(Thermocline)]向量来表示温跃层的下界深度。
7.根据权利要求6所述的判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的方法，其特征在于，所述温跃层的厚度为温跃层下界深度与上界深度的差；当所述n层水体的深度Z1,Z2,......,Zn相邻水层间隔厚度满足表达式：
Z2-Z1＝Z3-Z2＝...＝Zn+1-Zn＝Z*
其中，Z*为常数，则温跃层的厚度表示为Length(Thermocline)*Z*。
8.根据权利要求6所述的判定感兴趣温度所在水层和识别温跃层的方法，其特征在于，所述VTGthermocline的初始值设为0.05℃/m。
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