CN114707376A - 一种模拟海底多金属结核赋存分布方法 - Google Patents
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Abstract
一种模拟海底多金属结核赋存分布方法，包括如下步骤：1、收集研究区域的数据资料形成数据集且设置数学基础；2、将多波束调查数据进行处理；3、将多金属结核地质采样站位数据进行处理；4、预测多金属结核丰度值GiAB；5、对地质站位数据进行泰森多边形分析；6、以大小和数量不同的球体模型来模拟研究区所有格点的多金属结核赋存分布。本发明在海底多金属结核勘探开发过程中，能综合利用多种来源数据，有效提高海底多金属结核丰度的空间精度，更真实形象直观地反映海底结核矿产资源的赋存分布。
Description
技术领域：
本发明属于海底矿物质分布模拟方法，特别涉及一种模拟海底多金属结核赋存分布方法。
背景技术：
占地球表面70％的海洋蕴藏着丰富的矿产资源。多金属结核是国际海底区域一种重要的海底固体矿产资源，富含锰、铜、钴、镍锂等金属元素。多金属结核呈大小不等的球状、不规则状，广泛分布于大洋海盆的沉积物表层。
我国在东太平洋CC区和西北太平洋已有3个多金属结核矿区，总面积超过21万平方公里，目前逐步从勘探阶段走向试采和开发阶段，详查和评价工作任务巨大。受限于当前调查程度较低和资源评价工作不足等背景，从检索的公开资料分析，目前尚未有真实、形象直观地反映海底多金属结核矿产赋存分布的技术方法。因此，有必要发明一种专门的反映结核赋存分布的技术方法，用于海底多金属结核矿产资源的评价和勘探开发工作。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种模拟海底多金属结核赋存分布方法，该方法在海底多金属结核勘探开发过程中，能综合利用多种来源数据，有效提高海底多金属结核丰度的空间精度，更真实形象直观地反映海底结核矿产资源的赋存分布。
如上构思，本发明的技术方案是：一种模拟海底多金属结核赋存分布方法，包括如下步骤：
步骤一：收集研究区域的数据资料形成数据集且设置数学基础，所述研究区域的数据资料包括多金属结核地质采样站位数据、多波束调查数据、海底视像剖面和海底表层沉积物；所述数学基础是确定研究区域的地理范围、分辨率(网格大小R)、规定投影和坐标系，形成研究区网格AREAstudy；
步骤二：将多波束调查数据进行处理，即将海底水深数据网格化形成网格半径为R的网格数据GDEM、将回波强度数据网格化形成网格半径为R的回波强度网格Gsidescan，采用网格数据GDEM生成地形起伏度网格GBPI和海底地形粗糙度网格Grough；
步骤三：将多金属结核地质采样站位数据进行处理，包括多金属结核地质采样站位数据网格化和多金属结核地质采样站位数据整理，所述地质采样站位数据整理即根据地质采样站位数据网格化网格数据，形成用于线性回归的站位数据集D；
步骤四：预测多金属结核丰度值GiAB，即首先获得研究区域多金属结核预测丰度线性回归模型公式FNodule，，再调用此公式，利用步骤三得到的网格数据预测多金属结核丰度值GiAB；
步骤五：对地质站位数据进行泰森多边形分析；
步骤六：以大小和数量不同的球体模型来模拟研究区所有格点的多金属结核赋存分布。
优选地，所述地质采样站位数据包括站位经纬度、多金属结核丰度、覆盖率、结核类型及大中小重量百分比。
优选地，所述步骤二的具体步骤包括：
①利用多波束方法测定海底水深数据，采用距离加权法或高斯样条插值法将所测得的海底水深数据网格化，形成网格半径为R的网格数据GDEM，计算公式如下：
②利用多波束方法测定回波强度数据，采用距离加权法或高斯样条插值法将所测得的回波强度数据网格化，形成网格半径为R的回波强度网格Gsidescan；
③采用网格数据GDEM生成地形起伏度BPI网格GBPI和海底地形粗糙度网格Grough。
优选地，所述步骤三的具体步骤包括：
①将多金属结核地质采样站位数据网格化，即采用克里金网格化方法将原始多金属结核地质采样站位数据的覆盖率、大型结核的重量百分比PL和小型结核的重量百分比PS进行网格化，生成覆盖率Gcovg、大型结核重量百分比GPL和小型结核重量百分比GPS网格数据，其分辨率与GDEM相同；
②将多金属结核地质采样站位数据进行整理，即从多金属结核地质采样站位已有的站号、经纬度、水深、丰度、覆盖率、大型结核重量百分比PL和小型结核重量百分比PS生成的网格数据中查询提取站点的回波强度、BPI和粗糙度，形成用于线性回归的站位数据集D。
优选地，所述步骤四的具体步骤包括：
①利用步骤三形成的站位数据集D，以站位丰度值为因变量，自变量从站位数据集D的覆盖率、回波强度、BPI、PL、PS、水深和粗糙度中选取，进行线性回归分析，求得研究区域多金属结核预测丰度线性回归模型公式FNodule；
②调用研究区域多金属结核预测丰度线性回归模型公式FNodule，利用上述网格数据Gcovg、Gsidescan、GDEM、GBPI、Grough、GPL和GPS计算研究区域所有格点的丰度预测值GiAB。
优选地，所述步骤五的具体步骤包括：
①采用步骤三形成的站位数据集D进行泰森多边形分析，形成泰森多边形PolyNodule，每个多边形都包含结核大中小重量百分比属性数据；
②对AREAstudy的每个网格单元与泰森多边形PolyNodule叠加分析，使AREAstudy的每个网格单元都添加结核大中小重量百分比和结核丰度属性数据。
优选地，所述步骤六的具体步骤包括：
①根据研究区域的丰度最大值ABmax和研究区域的数学基础，选取球体模型的合适数量NUMmax；
②对AREAstudy的每个网格单元依据丰度预测值GiAB、大型结核重量百分比GPLi、小型结核重量百分比GPsi、中型结核重量百分比(1-GPsi-GPLi)，计算网格单元大型结核的数量NUMPLi＝NUMmax×(GiAB÷ABmax)×GPLi、小型结核的数量NUMPSi＝NUMmax×(GiAB÷ABmax)×GPSi和中型结核的数量NUMPMi＝NUMmax×(GiAB÷ABmax)×(1-GPsi-GPLi)；
③在AREAstudy的每个网格单元面积范围内，分别生成NUMPLi、NUMPMi和NUMPSi个随机坐标位置，形成包含坐标和大中小属性的数据文件FILEData。
优选地，所述步骤六中的步骤③的算法如下：
①读取网格坐标、丰度值GiAB、结核大中小重量百分比GPLi、GPsi和(1-GPsi-GPLi)；
②计算网格单元内的坐标点总数量N＝NUMmax×(GiAB÷ABmax)，大型结核的数量NUMPLi＝N×GPLi，小型结核的数量NUMPSi＝N×GPSi，中型结核的数量NUMPMi＝N×(1-GPsi-GPLi)；
③进行投影转换，生成网格区域Rgn，其长宽为Width和Height；
④以下是大型结核的坐标生成的算法伪代码：
⑤小型结核的坐标和中型结核的坐标生成算法同上；
⑥重复以上①至⑤，直至AREAstudy的每个网格单元都生成NUMPLi、NUMPMi和NUMPSi个随机坐标位置并形成包含坐标和大中小属性的数据文件FILEData为止。
④采用三维软件，导入GDEM生成海底三维地形图，加载数据文件FILEData按照大中小确定球体半径和坐标确定位置进行叠加显示，生成研究区所有格点的多金属结核赋存分布模拟图。
优选地，所述线性回归模型的线性回归相关系数R大于0.9。
本发明实现了模拟海底结核矿产资源的赋存分布，并给出了详细的技术流程与方法，在海底多金属结核勘探开发过程中，能综合利用多种来源数据，有效提高海底多金属结核丰度的空间精度，更真实形象直观地反映海底结核矿产资源的赋存分布，具有较高的实际应用价值。
附图说明：
图1是本发明的工作流程图；
图2是本发明步骤六的工作流程图；
图3是研究区所有格点的多金属结核赋存分布模拟图。
具体实施方式：
参考附图，本发明提供一种模拟海底多金属结核赋存分布方法，是按照下述步骤建立的，如图1所示：
步骤一：收集研究区域的数据资料，设置数学基础。
1、收集研究区域的数据资料形成数据集：
地质采样站位数据(包括站位经纬度、多金属结核丰度、覆盖率、结核类型及大中小重量比)、多波束调查数据、海底视像剖面、海底表层沉积物等相关数据；
2、设置数学基础，确定研究区域的地理范围，分辨率(网格大小R)、规定投影和坐标系，形成研究区网格AREAstudy；
步骤二：多波束调查数据处理：
1、对于全覆盖的多波束方法测定海底水深数据，因其数据密集、数据量巨大，采用距离加权法或高斯样条插值法将所测得的海底水深数据网格化，形成网格半径为R的网格数据GDEM。计算公式如下：
式中wi和disi分别为参与网格化点的水深值、计算权重值以及与交点的距离大小。
2、利用多波束方法测定回波强度数据，采用距离加权法或高斯样条插值法将所测得的回波强度数据网格化，形成网格半径为R的回波强度网格Gsidescan；
3、采用GDEM生成地形起伏度(又称地形位置指数(BPI))网格GBPI和海底地形粗糙度网格Grough；
步骤三：多金属结核地质采样站位数据处理：
1、地质采样站位数据网格化
对原始地质采样站位数据采用克里金(Kriging)网格化方法将地质采样站位数据的覆盖率(包括站位覆盖率、海底视像提取的结核覆盖率)、大型结核(结核直径大于6cm)重量比PL和小型结核(直径小于3cm)重量比PS进行网格化，生成覆盖率Gcovg、大型结核重量比GPL和小型结核重量比GPS网格数据，其分辨率与GDEM相同；
2、地质采样站位数据整理
地质采样站位已有站号、经纬度、水深、丰度、覆盖率、大型结核重量比PL、小型结核重量比PS，再从上述生成的网格数据中查询提取站点的回波强度、BPI、粗糙度，形成用于线性回归的站位数据集D；
步骤四：预测多金属结核丰度值：
1、利用站位数据集D，以站位丰度值为因变量，自变量从站位数据集D的覆盖率、回波强度、BPI、PL、PS、水深和粗糙度中选取，进行线性回归分析，一般要求线性回归相关系数R大于0.9，求得研究区域多金属结核预测丰度线性回归模型公式FNodule；
2、调用研究区域多金属结核预测丰度线性回归模型公式FNodule，利用上述网格数据Gcovg、Gsidescan、GDEM、GBPI、Grough、GPL和GPS计算研究区所有格点的丰度预测值；
步骤五：地质站位数据进行泰森多边形分析：
1、采用多金属结核站位数据集D进行泰森(Thiessen)多边形分析，形成泰森多边形PolyNodule，每个多边形都包含结核大中小重量百分比属性数据；
2、对AREAstudy的每个网格单元与泰森多边形PolyNodule叠加分析，使AREAstudy的每个网格单元都添加结核大中小重量百分比和结核丰度属性数据；
步骤六：以大小和数量不同的球体模型来模拟研究区所有格点的多金属结核赋存分布：
1、根据研究区的丰度最大值ABmax和研究区比例尺等数学基础选取球体模型的合适数量NUMmax；
2、对AREAstudy的每个网格单元依据丰度预测值GiAB、大型结核重量百分比GPLi、小型结核重量百分比GPsi、中型结核重量百分比(1-GPsi-GPLi)，计算网格单元大型结核的数量NUMPLi＝NUMmax×(GiAB÷ABmax)×GPLi，小型结核的数量NUMPSi＝NUMmax×(GiAB÷ABmax)×GPSi，中型结核的数量NUMPMi＝NUMmax×(GiAB÷ABmax)×(1-GPsi-GPLi)；
3、在AREAstudy的每个网格单元面积范围内，分别生成NUMPLi、NUMPMi和NUMPSi个随机坐标位置，形成包含坐标和大中小属性的数据文件FILEData；
其流程如图2，其算法如下：
(1)读取网格坐标、丰度GiAB、结核大中小重量百分比GPLi、GPsi和(1-GPsi-GPLi)；
(2)计算网格单元内的坐标点总数量N＝NUMmax×(GiAB÷ABmax)，大型结核的数量NUMPLi＝N×GPLi，小型结核的数量NUMPSi＝N×GPSi，中型结核的数量NUMPMi＝N×(1-GPsi-GPLi)；
(3)进行投影转换，生成网格区域Rgn，其长宽为Width和Height；
(4)以下是大型结核的坐标生成的伪代码：
(5)小型结核的坐标和中型结核的坐标生成算法同上；
(6)重复以上(1)至(5)，直至AREAstudy的每个网格单元都生成NUMPLi、NUMPMi和NUMPSi个随机坐标位置并形成包含坐标和大中小属性的数据文件FILEData为止；
4、采用三维软件，导入GDEM生成海底三维地形图，加载数据文件FILEData按照结核大中小确定球状半径、坐标确定位置生成若干球体进行叠加显示，生成研究区所有格点的多金属结核赋存分布模拟图，如图3所示；
5也可以研制三维软件系统，以地形GDEM为基底，根据场景距离远近和比例尺动态选取球体模型的数量NUMmax，采用步骤六的第2条和第3条中的方法动态计算相应每个网格单元面积范围内的大中小球体的数量和坐标位置生成球体并渲染，从而实现海底多金属结核赋存分布模拟技术。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (9)
1.一种模拟海底多金属结核赋存分布方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：收集研究区域的数据资料形成数据集且设置数学基础，所述研究区域的数据资料包括多金属结核地质采样站位数据、多波束调查数据、海底视像剖面和海底表层沉积物；所述数学基础是确定研究区域的地理范围、分辨率(网格大小R)、规定投影和坐标系，形成研究区网格AREAstudy；
步骤二：将多波束调查数据进行处理，即将海底水深数据网格化形成网格半径为R的网格数据GDEM、将回波强度数据网格化形成网格半径为R的回波强度网格Gsidescan，采用网格数据GDEM生成地形起伏度网格GBPI和海底地形粗糙度网格Grough；
步骤三：将多金属结核地质采样站位数据进行处理，包括多金属结核地质采样站位数据网格化和多金属结核地质采样站位数据整理，所述地质采样站位数据整理即根据地质采样站位数据网格化网格数据，形成用于线性回归的站位数据集D；
步骤四：预测多金属结核丰度值GiAB，即首先获得研究区域多金属结核预测丰度线性回归模型公式FNodule，，再调用此公式，利用步骤三得到的网格数据预测多金属结核丰度值GiAB；
步骤五：对地质站位数据进行泰森多边形分析；
步骤六：以大小和数量不同的球体模型来模拟研究区所有格点的多金属结核赋存分布。
2.根据权利要求1所述的一种模拟海底多金属结核赋存分布方法，其特征在于：所述地质采样站位数据包括站位经纬度、多金属结核丰度、覆盖率、结核类型及大中小重量百分比。
3.根据权利要求1所述的一种模拟海底多金属结核赋存分布方法，其特征在于：所述步骤二的具体步骤包括：
①利用多波束方法测定海底水深数据，采用距离加权法或高斯样条插值法将所测得的海底水深数据网格化，形成网格半径为R的网格数据GDEM，计算公式如下：
式中wi和disi分别为参与网格化点的水深值、计算权重值以及与交点的距离大小；
②利用多波束方法测定回波强度数据，采用距离加权法或高斯样条插值法将所测得的回波强度数据网格化，形成网格半径为R的回波强度网格Gsidescan；
③采用网格数据GDEM生成地形起伏度BPI网格GBPI和海底地形粗糙度网格Grough。
4.根据权利要求1所述的一种模拟海底多金属结核赋存分布方法，其特征在于：所述步骤三的具体步骤包括：
①将多金属结核地质采样站位数据网格化，即采用克里金网格化方法将原始多金属结核地质采样站位数据的覆盖率、大型结核的重量百分比PL和小型结核的重量百分比PS进行网格化，生成覆盖率Gcovg、大型结核重量百分比GPL和小型结核重量百分比GPS网格数据，其分辨率与GDEM相同；
②将多金属结核地质采样站位数据进行整理，即从多金属结核地质采样站位已有的站号、经纬度、水深、丰度、覆盖率、大型结核重量百分比PL和小型结核重量百分比PS生成的网格数据中查询提取站点的回波强度、BPI和粗糙度，形成用于线性回归的站位数据集D。
5.根据权利要求1所述的一种模拟海底多金属结核赋存分布方法，其特征在于：所述步骤四的具体步骤包括：
①利用步骤三形成的站位数据集D，以站位丰度值为因变量，自变量从站位数据集D的覆盖率、回波强度、BPI、PL、PS、水深和粗糙度中选取，进行线性回归分析，求得研究区域多金属结核预测丰度线性回归模型公式FNodule；
②调用研究区域多金属结核预测丰度线性回归模型公式FNodule，利用上述网格数据Gcovg、Gsidescan、GDEM、GBPI、Grough、GPL和GPS计算研究区域所有格点的丰度预测值GiAB。
6.根据权利要求1所述的一种模拟海底多金属结核赋存分布方法，其特征在于：所述步骤五的具体步骤包括：
①采用步骤三形成的站位数据集D进行泰森多边形分析，形成泰森多边形PolyNodule，每个多边形都包含结核大中小重量百分比属性数据；
②对AREAstudy的每个网格单元与泰森多边形PolyNodule叠加分析，使AREAstudy的每个网格单元都添加结核大中小重量百分比和结核丰度属性数据。
7.根据权利要求1所述的一种模拟海底多金属结核赋存分布方法，其特征在于：所述步骤六的具体步骤包括：
①根据研究区域的丰度最大值ABmax和研究区域的数学基础，选取球体模型的合适数量NUMmax；
②对AREAstudy的每个网格单元依据丰度预测值GiAB、大型结核重量百分比GPLi、小型结核重量百分比GPsi、中型结核重量百分比(1-GPsi-GPLi)，计算网格单元大型结核的数量NUMPLi＝NUMmax×(GiAB÷ABmax)×GPLi、小型结核的数量NUMPSi＝NUMmax×(GiAB÷ABmax)×GPSi和中型结核的数量NUMPMi＝NUMmax×(GiAB÷ABmax)×(1-GPsi-GPLi)；
③在AREAstudy的每个网格单元面积范围内，分别生成NUMPLi、NUMPMi和NUMPSi个随机坐标位置，形成包含坐标和大中小属性的数据文件FILEData。
8.根据权利要求8所述的一种模拟海底多金属结核赋存分布方法，其特征在于：所述步骤六中的步骤③的算法如下：
①读取网格坐标、丰度值GiAB、结核大中小重量百分比GPLi、GPsi和(1-GPsi-GPLi)；
②计算网格单元内的坐标点总数量N＝NUMmax×(GiAB÷ABmax)，大型结核的数量NUMPLi＝N×GPLi，小型结核的数量NUMPSi＝N×GPSi，中型结核的数量NUMPMi＝N×(1-GPsi-GPLi)；
③进行投影转换，生成网格区域Rgn，其长宽为Width和Height；
④以下是大型结核的坐标生成的算法伪代码：
⑤小型结核的坐标和中型结核的坐标生成算法同上；
⑥重复以上①至⑤，直至AREAstudy的每个网格单元都生成NUMPLi、NUMPMi和NUMPSi个随机坐标位置并形成包含坐标和大中小属性的数据文件FILEData为止。
④采用三维软件，导入GDEM生成海底三维地形图，加载数据文件FILEData按照大中小确定球体半径和坐标确定位置进行叠加显示，生成研究区所有格点的多金属结核赋存分布模拟图。
9.根据权利要求5所述的一种模拟海底多金属结核赋存分布方法，其特征在于：所述线性回归模型的线性回归相关系数R大于0.9。
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