CN113033908A - 一种用于海底资源探测站位优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于海底资源探测站位优化方法。海底探测区域中多个站位采集多金属结核的实际品位值；在未被观测过中选取站位，获得每个未被观测过的站位的估计方差；求取整个资源探测区域D的估计方差求和，建立以下目标函数，从初始站位集合开始，遍历每个未被观测过的站位新增后满足目标函数最大化，由此不断新增站位完成优化。本发明方法能够利用有限的稀疏数据获得站位设置和布置更加合理准确，布设的站位能够在最大程度上提高资源量估计的可靠性。

Description

一种用于海底资源探测站位优化方法

技术领域

本发明涉及海洋资源探测领域的一种海底资源探测处理方法，具体的说是一种多金属结核探测站位优化方法。

背景技术

国际海底区域赋存着硫化物、钴结壳、多金属结核等多种矿产资源，由于被海水覆盖，与陆地矿产资源相比，勘探难度大、调查费用高。如何科学、合理、快速的布设调查测站是海底资源调查所面临的一个主要问题。我国的深海矿产资源勘探虽然起步晚，但发展快速，已在国际海底区域拥有3种资源(5个矿区)，是世界上资源类型最全、面积最大的国家。

海底资源探测一般通过在规划的站位取样估算整个区域的资源分布。长期以来，海底资源探测站位设计一般采用均匀网格方式，即把勘探区域划分成形状和面积大小相等的网格，在每个网格进行一次取样，对整个勘探区域的资源量分布进行估计。这种方式一方面没有充分利用历史探测数据，另一方面没有考虑海底资源的空间分布特征，因此效率相对较低，对人力、物力浪费较大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种海洋资源探测站位优化方法，以估计方差为参考进行处理优化，最能够获得准确设置海底资源探测站位，揭示海洋现象的数据。

如图1所示，本发明通过以下技术方案实现：

S1、在海底的资源探测区域D中多个不同站位的位置x₁，x₂...x_n采集获得多金属结核，并对每个站位采集的多金属结核测量获得实际品位值，多个站位的位置x₁，x₂...x_n构成了初始站位集合X_n；

S2、在资源探测区域D中未被观测过的位置区域中，均匀选取M个未被观测过的站位，第m个站位的位置用x_m表示，并可求取位置x_m处的估计方差

S3、处理获得资源探测区域D中每个未被观测过的站位x_m的估计方差

S4、然后求取整个资源探测区域D每个未被观测过的站位x_m的估计方差求和，估计方差和g(X_v)采用以下公式计算，以估计方差为指定的海底的资源探测区域D的多金属结核的品位估计性能进行衡量：

其中，

表示站位x_m处多金属结核品位的估计值，

表示在位置x_m处基于当前站位集合X_vn的估计方差；g(X_n)表示初始站位集合X_n对海底的资源探测区域D中未被观测过的站位的估计方差和；

S5、建立以下目标函数，从初始站位集合X_n开始，遍历M个未被观测过的站位的每个站位x_m新增到当前站位集合中，该新增一个站位x_m后使得新增后的站位集合满足目标函数最大化：

max[g(X_v)-g(X_v+1)]

X_v+1＝[x₁，x₂…x_n，…x_v+1]^T

x_m＝x_v+1

其中，X_v表示新增前的当前站位集合，X_v+1表示新增后的站位集合，x_v+1表示新增的站位，v表示新增前的当前站位集合中的站位总数；

由此不断新增站位完成优化。

所述S3中，估计方差

计算为：

U＝[γ(x_m，x₁)γ(x_m，x₂)，...，γ(x_m，x_n)1]^T

其中，H为估计位置与已知站位见变异函数值组成的列向量，U表示Kriging估计方程系数矩阵，γ(x_i，x_j)为多金属结核的品位值在任意两个空间位置x_i、x_j处的变异函数。

所述的变异函数γ(x_i，x_j)按照以下方式处理设置：

先根据位置在x₁，x₂…x_n处的多金属结核的实际品位值z(x₁)，z(x₂)，……，z(x_n)按以下公式的试验变异函数处理获得试验变异数据：

h＝|x_i-x_j|

其中，h为位置x_i和位置x_j之间的距离，称作滞后；N(h)为位置之间距离为h的观测值的对数，观测值为多金属结核的实际品位值；

表示距离h下的试验变异数据；

由试验变异函数数据，采用加权最小二乘方法进行参数拟合，对以下公式的理论变异函数求解获得理论变异数据γ(h_p)作为变异函数γ(x_i，x_j)输出结果：

其中，h_p表示所有位置之间的距离中的第p个距离，N(h_p)表示距离为h_p的对数，k表示距离数量的总数，p表示距离数量的序号，β^*(c₀、c_s、a_s)为关于块金常数c₀、基台值c_s和变程a_s的变异参数函数，γ(h_p)表示距离h_p的理论变异数据。

由此实施，不断重复以下步骤，直到找到所有所需新增的q个站位。新增的q个站位X_q＝[x_n+1，x_n+2，...，x_n+q]^T与新增前的已有的n个初始站位集合X_n合并后形成的站位集合能够满足以下公式：

X_q＝min[g(X_n+k)]

X_q+n＝[X_n；X_q]^T。

本发明在具体实施中可建立以下估计方程，将各个位置采集的多金属结核的实际品位值代入估计方程处理获得各个位置的估计加权系数：

其中，z(x₁)，z(x₂)，……，z(x_n)为位置在x₁，x₂...x_n处的多金属结核的实际品位值，γ(x_i，x_j)为多金属结核的品位值在任意两个空间位置x_i、x_j处的变异函数，λ_i为位置在x_i处的多金属结核的实际品位值的估计加权系数，φ为拉格朗日乘子，i、j均为位置的序号；

然而根据所有位置的多金属结核的实际品位值和估计加权系数按照以下公式处理获得海底M个未被观测过的站位位置x_m处的多金属结核的品位估计值

为：

本发明的第i个观测数据即为位置在x_i处的多金属结核的实际品位值。

海底资源探测是有限的观测，而本发明方法却能够利用海底资源有限探测获得的有限的稀疏数据，来确定获得准确有效的站位优化。

本发明的优点与有益效果为：

1.本发明的探测站位设计方法充分利用了历史探测数据，获得站位设置和布置更加合理有效。

2.本发明的探测站位设计方法规划的每一个新增站位都能最大程度上提高整个勘探区域内资源量估计可靠性。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为效果图，结果显示本发明的算法产生的新增站位能够快让整个探测空间的估计方差快速减小。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体内容及功能实现过程进行详细阐明。

如图1所示，本发明具体实施包括求取试验变异函数、确定理论变异函数、建立估计方程、估计方差方程、新增站位优化过程5个核心过程，在极有限的历史观测数据的支撑下，新增站位获得观测数据与历史观测数据一起能够最大程度上提高探测区域的资源量估计可靠性。

本发明的实施过程如下：

1)在海底的资源探测区域D中多个站位的不同位置x₁，x₂...x_n采集获得多金属结核，并对每个站位位置采集的多金属结核测量获得实际品位值，多个不同站位的位置x₁，x₂...x_n构成了初始站位集合X_n；

2)先根据位置在x₁，x₂...x_n处的多金属结核的实际品位值z(x₁)，z(x₂)，……，z(x_n)按以下公式的试验变异函数处理获得试验变异数据：

h＝|x_i-x_j|

然后由试验变异函数数据，采用加权最小二乘方法进行参数拟合，对以下公式的理论变异函数求解获得理论变异数据γ(h_p)：

求取多金属结核的理论变异数据结果，获得多金属结核的空间分布变异函数γ(x_i，x_j)；

3)利用位置在x₁，x₂...x_n处的多金属结核的实际品位值z(x₁)，z(x₂)，……，z(x_n)获得的理论变函数γ(h)，建立以下估计方程：

其中，γ(x_i，x_j)为多金属结核的品位值在任意两个空间位置x_i、x_j处的变异函数，λ_j为位置在x_i处的多金属结核的实际品位值的估计加权系数，φ为拉格朗日乘子，i、j均为位置的序号；

4)在资源探测区域D中未被观测过的位置区域中，均匀选取M个未被观测过的站位，第m个站位的位置用x_m表示，并可求取位置x_m处的估计方差

5)利用建立的估计方程，处理获得资源探测区域D中每个未被观测过的站位x_m的估计方差

U＝[γ(x_m，x₁)γ(x_m，x₂)，...，γ(x_m，x_n)1]^T

6)不断重复以下步骤，直到找到所有新增的k个站位。

6.1)利用建立的估计方差公式，求取整个资源探测区域D每个站位(已探测过的除外)的估计方差求和，估计方差和g(X_v)采用以下公式计算，以估计方差为指定的海底的资源探测区域D的多金属结核的品位估计性能进行衡量：

其中，

表示在位置x_m处基于当前站位集合X_v的估计方差；g(X_n)表示初始站位集合X_n对海底的资源探测区域D中未被观测过的站位的估计方差和；

6.2)在资源探测区域D中搜索第l个新增站位x_l，若满足公式的目标函数，则

为新增的第l个新增站位，否则在探测空间中继续搜索最优站位：

Xv₊₁＝[x₁，x₂…xn，…x_v+1]^T

x_m＝x_v+1

6.3)更新观测的当前站位集合X_v，新增的q个站位X_q＝[x_n+1，x_n+2，...，x_n+q]^T与新增前的已有的n个初始站位集合X_n合并后形成的站位集合能够满足以下公式：

X_q＝min[g(X_n+k)]

X_q+n＝[X_n；X_q]^T。

源于地质统计学的Kriging估计能够在获得估计值的同时得到估计值的不确定性。本发明的优势在于，作为站位优化的Kriging方差是由历史观测数据拟合出来的空间变异函数和观测点之间的相对位置决定的。一旦变异函数确定后，Kriging估计方差只与观测点之间的相对位置有关，而与实际的观测值无关，从而在实际观测前实施站位优化，保证每一个新增的观测站位位置都是最优的。由此，本发明方法布设的站位能够在最大程度上提高资源量估计的可靠性，对于我国开展大洋资源调查，圈化资源试采区具有重要参考意义。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于海底资源探测站位优化方法，其特征在于：

S1、在海底的资源探测区域D中多个不同站位的位置x₁，x₂...x_n采集获得多金属结核，并对每个站位采集的多金属结核测量获得实际品位值，多个站位的位置x₁，x₂...x_n构成了初始站位集合X_n；

S2、在资源探测区域D中未被观测过的位置区域中，均匀选取M个未被观测过的站位，第m个站位的位置用x_m表示；

S3、处理获得资源探测区域D中每个未被观测过的站位x_m的估计方差

S4、然后求取整个资源探测区域D每个未被观测过的站位x_m的估计方差求和：

其中，

表示站位x_m处多金属结核品位的估计值，

表示在位置x_m处基于当前站位集合X_vn的估计方差；g(X_n)表示初始站位集合X_n对海底的资源探测区域D中未被观测过的站位的估计方差和；

S5、建立以下目标函数，从初始站位集合X_n开始，遍历M个未被观测过的站位的每个站位x_m新增到当前站位集合中，该新增一个站位x_m后使得新增后的站位集合满足目标函数最大化：

max[g(X_v)-g(X_v+1)]

X_v+1＝[x₁，x₂...x_n，...x_v+1]^T

x_m＝x_v+1

其中，X_v表示新增前的当前站位集合，X_v+1表示新增后的站位集合，x_v+1表示新增的站位，v表示新增前的当前站位集合中的站位总数；

由此不断新增站位完成优化。

2.根据权利要求1的一种用于海底资源探测的站位优化方法，其特征在于：

所述S3中，估计方差

计算为：

U＝[γ(x_m，x₁) γ(x_m，x₂)，...，γ(x_m，x_n) 1]^T

其中，H为估计位置与已知站位见变异函数值组成的列向量，U表示Kriging估计方程系数矩阵，γ(x_i，x_j)为多金属结核的品位值在任意两个位置x_i、x_j处的变异函数。

3.根据权利要求2的一种用于海底资源探测的站位优化方法，其特征在于：

所述的变异函数γ(x_i，x_j)按照以下方式处理设置：

先根据位置在x₁，x₂...x_n处的多金属结核的实际品位值z(x₁)，z(x₂)，……，z(x_n)按以下公式的试验变异函数处理获得试验变异数据：

h＝|x_i-x_j|

其中，h为位置x_i和位置x_j之间的距离；N(h)为位置之间距离为h的观测值的对数；

表示距离h下的试验变异数据；

由试验变异函数数据，采用加权最小二乘方法进行参数拟合，对以下公式的理论变异函数求解获得理论变异数据γ(h_p)作为变异函数γ(x_i，x_j)输出结果：

其中，h_p表示第p个距离，N(h_p)表示距离为h_p的对数，k表示距离数量的总数，p表示距离数量的序号，β^*(c₀、c_s、a_s)为关于块金常数c₀、基台值c_s和变程a_s的变异参数函数，γ(h_p)表示距离h_p的理论变异数据。

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