CN116797051A - 基于多距离空间聚类分析的海洋碳泄漏点数量的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于多距离空间聚类分析的海洋碳泄露点数量的评估方法，属于海洋沉积物地球化学和海洋地质研究领域，结合已有勘探中发现的碳泄漏点，首先依据碳泄漏点泄碳规模对发现的碳泄漏点进行分类，然后对各类碳泄漏点进行空间分布分析，最后结合基于Ripley’s K函数多距离空间聚类分析的计算方法，计算勘探区域内不同类别碳泄漏点的整体数量，进而可以实现评估沉积物碳泄漏过程对区域碳循环的影响。本方案适用于全球海洋区域关于碳泄漏点的勘探调查工作，对于计算区域或全球海洋碳泄漏过程对海洋水体生态环境的影响，以及研究海底碳泄漏过程对大气温室效应的影响具有重要的指导意义。
Description
技术领域
本发明属于海洋沉积物地球化学和海洋地质研究领域，具体涉及一种基于多距离空间聚类分析的海洋碳泄漏点空间分布数量的估算模型评估方法。
背景技术
已有调查表明，现代海底因天然气水合物或原油等冷泉活动同时发生的富碳流体（主要是甲烷和其它烃类流体、二氧化碳等）泄漏点可达到10万个以上。海底碳泄漏严重影响着海水的生态环境，制约着海洋水体动植物的生活习性。同时，沉积物碳泄漏过程也调节着大气温室效应。
考虑到沉积物中超过90%的甲烷被甲烷厌氧氧化过程消耗，无法突破沉积物泄漏到海洋水体中。但是在冷泉泄漏区，由于底层沉积物中丰度的甲烷来源，使得沉积物孔隙水中过饱和的甲烷以气体形式高速的通过裂缝通道向海水中释放，严重地改变了区域底层海水的酸碱性变化，对区域内生物多样性造成了难以估算的破坏。此外，冷泉区大规模的甲烷泄漏还会释放到大气中，进而促进全球温室效应的加剧。因此，合理地评估勘探区内甲烷泄漏点的数量有助于模拟区域内沉积物甲烷释放的通量。但是，现有勘探工作虽可以对区域进行局部碳泄漏点的观测，但无法准确评估区域中碳泄漏点的整体数量，且现阶段并没有对勘探区内泄漏点数量进行评估的建模方法。
基于此，可以根据在勘探区中已发现的碳泄漏点空间分布规律评估区域中不同类别碳泄漏点总数的评估方法，旨在更加准确地分析区域内海底碳泄漏过程对海洋生态环境的影响。
发明内容
本发明为解决现有技术中没有对勘探区内泄漏点数量进行评估的缺陷，为评估区域内不同类型碳泄漏点个数，提出一种基于多距离空间聚类分析的海洋碳泄露点数量的评估方法，通过对已发现的碳泄漏点的空间分布进行计算建模，准确分析不同类别碳泄漏点的空间分布规律，结合点密度距离的函数聚类分析评估勘探区内各类别碳泄漏点数量及碳泄漏点总量。
本发明是采用以下的技术方案实现的： 基于多距离空间聚类分析的海洋碳泄露点数量的评估方法，包括以下步骤：
步骤A、对已发现的碳泄漏点进行分类分析，按泄漏规模对碳泄漏点从小到大划分为多个类别，并对依据各泄漏点经纬度计算各类别中碳泄漏点两两之间的空间距离；
步骤B、基于空间聚类分析各类别碳泄露点的空间分布特征：
（1）基于Ripley's K函数的空间聚类方法，分析海域勘探发现的海洋碳泄漏点，估算不同迭代区间范围内碳泄漏点的数学期望值；
（2）比较不同迭代范围内碳泄漏数学期望值与实际值的大小，评估约束实测碳泄
漏点范围最小的期望区间，进而估算勘探区内各类别碳泄漏点规模；
步骤C、针对划分的碳泄漏点类别，依次对各类别碳泄漏点的空间分布进行
Ripley's K函数分析，得到各类别对应的最小期望区间，进而估算勘探区内不同类别碳
泄漏点的总数。
进一步的，所述步骤B中，通过Ripley’s K函数计算指定空间内的碳泄漏点数量，
设定一个起算距离a，并按照等步长b增加，计算不同迭代半径的碳泄露点数量的集中程度；
，
式中，表示迭代半径，I(tij)是以泄漏点i为中心，以ts为半径的圆中的某类泄漏
点的位置；i=1···n，n为该类泄漏点的总数量，A表示以迭代半径ts为圆的区域面积，∑i
∑i≠jI(tij)为所有以该类泄漏点为圆心、ts为半径的圆内的该类别泄漏点的总数；
各类碳泄漏点的数学期望值L(ts)；
。
进一步的，所述步骤B中，在对各类别碳泄漏点数学期望值与实际值的大小进行比
较时，随着迭代半径的增加，数学期望值逐渐与实际值靠近；直至出现迭代半径tR，在该迭
代半径tR内数学期望值L(tR)与实际值相等，终止迭代，进而确定迭代半径tR的圆所包围的
空间为完整覆盖实际值的最小范围，其面积记为。
进一步的，所述步骤C中，勘探区内不同类别碳泄漏点的总数，如下：
，
式中，Sregion为勘探区域总面积。
进一步的，所述步骤A中，在对碳泄漏点进行分类时，根据碳泄漏点处含甲烷气泡的直径进行划分，甲烷气泡直径小于等于1mm的为I类，直径大于1mm小于等于4mm的为II类，直径大于4mm小于等于7mm的为III类，直径大于7mm小于等于10mm的为IV类，直径大于10mm的为V类。
进一步的，所述步骤A中，在计算碳泄漏点两两之间的空间距离时，采用以下方式：
设已知碳泄漏点A（X1,Y1）和碳泄漏点B（X2,Y2），X1，X2为经度，Y1，Y2为纬度，将经
纬度数据转化为弧度单位，A（X11,Y11）和碳泄漏点B（X22,Y22），X11，X22，Y11，Y22分别为转
化为弧度单位之后的参数，则碳泄漏点A与碳泄漏点B间的距离为：，式中，dAB为A，B
两点间距离，R为地球半径。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本方案结合实测勘探的海洋沉积物碳泄漏点空间分布，通过基于Ripley’s K函数多距离空间聚类分析方法，构建一种评估海洋区域内碳泄漏点数量的建模方法。考虑到海洋巨大的面积，现有的海洋勘探技术无法完全覆盖整个海洋区域，搜寻区域内所有的碳泄漏点。本方案通过对区域勘探中已发现的碳泄漏点进行泄露规模分类，空间分布分析，结合Ripley’s K函数多距离空间聚类分析方法估算不同类别碳泄漏点的数量。本方案适用于全球海洋区域关于碳泄漏点的勘探调查工作，对于计算区域或全球海洋碳泄漏过程对海洋水体生态环境的影响，以及研究海底碳泄漏过程对大气温室效应的影响具有重要的指导意义。
附图说明
图1为本发明实施例所述评估方法流程示意图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
本实施例提出一种基于多距离空间聚类分析的海洋碳泄露点数量的评估方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤A、对已发现的碳泄漏点按泄漏规模进行分类分析：
步骤A1、首先对区域勘探发现的碳泄漏点的泄漏规模进行分析，按碳泄漏规模对泄漏点进行分类，从小到大划分为五个类别，具体的：
海洋碳泄漏点处含甲烷气泡的直径大约在1mm-10mm之间。基于此，对勘探区内观测到的碳泄漏点进行分类，其中直径小于等于1mm的为I类，直径大于1mm小于等于4mm的为II类，直径大于4mm小于等于7mm的为III类，直径大于7mm小于等于10mm的为IV类，直径大于10mm的为V类。
步骤A2、统计步骤A1中各类碳泄漏点的具体经纬度信息，依据各碳泄漏点经纬度分析空间分布特征，计算各类别种碳泄漏点两两之间的距离，计算方法如下：
假定泄漏点A和泄漏点B的经纬度分别为：A（X1,Y1），B（X2,Y2），其中X1，X2为经度，Y1，Y2为纬度。
将经纬度数据转化为弧度单位，计算方法如下：
（1）
（2）
（3）
（4）
则泄漏点A与泄漏点B间的距离为：
（5）
式中，dAB为A，B两点间距离，R为地球半径，约为~6371.0 km。
步骤B、空间聚类分析各类别内碳泄漏点空间分布特征：
（1）基于Ripley's K函数的空间聚类方法，分析海域勘探发现的海洋碳泄漏点，估算不同迭代区间范围内碳泄漏点的数学期望值；
首先，设定一个起算距离，具体也可以指定最终距离或者增量步长，如开始为a，然后每次计算增加b。计算的距离增加的时候，包含的相邻的要素自然就会原来越多，针对不同的迭代距离，计算各类别泄漏点的数学期望值，比较数学期望值与实际值的大小，如果实际值大于期望值，则继续扩大迭代半径，直至出现迭代半径tR，使得实际勘探的泄漏点数量与数学期望预估的碳泄漏点数量相等时终止。
其中，碳泄漏点数量的数学期望值通过Ripley's K函数来计算，具体方法如下：
首先，根据各类碳泄漏点在不同的空间尺度上的分布，引进Ripley's K函数来分析不同尺度下各类别碳泄漏点的地理集中程度K(ts)：
（6）
式中，表示迭代半径，I(tij)是以泄漏点i为中心、以ts为半径的圆中的该类泄漏
点的位置，i=1···n，n为该类泄漏点的总数量；A表示以迭代半径ts为圆的区域面积，∑i
∑i≠jI(tij)为所有该类泄漏点为圆心、ts为半径的圆内的该类别泄漏点的总数。
其次，根据上述得到的K(ts)，计算不同迭代半径内各类碳泄漏点的数学期望值L(ts)，如下：
（7）
（2）比较不同迭代范围内碳泄漏数学期望值与实际值的大小，评估约束实测碳泄
漏点范围最小的期望区间，进而估算勘探区内各类别碳泄漏点规模；
由于，期初设置的迭代半径较小，因此，迭代初期数学期望值总是小于实际值；随
着迭代半径的增加，数学期望值逐渐与实际值靠近；直至出现迭代半径tR，在该半径内数学
期望值L(tR)与实际值相等，终止迭代。表明，该圆所包围的空间为完整覆盖实际值的最小
范围，其面积记为。
步骤C、估算勘探区内各类碳泄漏点数量：
针对划分的碳泄漏点类别，依次对各类别碳泄漏点的空间分布进行Ripley's K函
数分析，得到各类别对应的，进而估算勘探区内不同类别碳泄漏点的总
数，如下：
（8）
式中，Sregion为勘探区域总面积。
本发明基于Ripley's K函数的空间聚类方法，分析海域勘探发现的海洋碳泄漏点，估算不同迭代区间范围内碳泄漏点的数学期望值，比较不同迭代范围内碳泄漏数学期望值与实际值的大小，评估约束实测碳泄漏点范围最小的期望区间，进而估算勘探区内各类别碳泄漏点规模。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.基于多距离空间聚类分析的海洋碳泄露点数量的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、对已发现的碳泄漏点进行分类分析，按泄漏规模对碳泄漏点从小到大划分为多个类别，并对依据各泄漏点经纬度计算各类别中碳泄漏点两两之间的空间距离；
步骤B、基于空间聚类分析各类别碳泄露点的空间分布特征：
（1）基于Ripley's K函数的空间聚类方法，分析海域勘探发现的海洋碳泄漏点，估算不同迭代区间范围内碳泄漏点的数学期望值；
（2）比较不同迭代范围内碳泄漏数学期望值与实际值的大小，评估约束实测碳泄漏点范围最小的期望区间，进而估算勘探区内各类别碳泄漏点规模；
步骤C、针对划分的碳泄漏点类别，依次对各类别碳泄漏点的空间分布进行Ripley's K函数分析，得到各类别对应的最小期望区间，进而估算勘探区内不同类别碳泄漏点的总数。
2.根据权利要求1所述的基于多距离空间聚类分析的海洋碳泄露点数量的评估方法，其特征在于：所述步骤B中，通过Ripley’s K函数计算指定空间内的碳泄漏点数量，设定一个起算距离a，并按照等步长b增加，计算不同迭代半径的碳泄露点数量的集中程度；
，
式中，表示迭代半径，I(tij)是以泄漏点i为中心，以ts为半径的圆中的某类泄漏点的位置；i=1···n，n为该类泄漏点的总数量，A表示以迭代半径ts为圆的区域面积，∑i∑i≠ jI(tij)为所有以该类泄漏点为圆心、ts为半径的圆内的该类别泄漏点的总数；
各类碳泄漏点的数学期望值L(ts)；
。
3.根据权利要求2所述的基于多距离空间聚类分析的海洋碳泄露点数量的评估方法，其特征在于：所述步骤B中，在对各类别碳泄漏点数学期望值与实际值的大小进行比较时，随着迭代半径的增加，数学期望值逐渐与实际值靠近；直至出现迭代半径tR，在该迭代半径tR内数学期望值L(tR)与实际值相等，终止迭代，进而确定迭代半径tR的圆所包围的空间为完整覆盖实际值的最小范围，其面积记为。
4.根据权利要求3所述的基于多距离空间聚类分析的海洋碳泄露点数量的评估方法，其特征在于：所述步骤C中，勘探区内不同类别碳泄漏点的总数，如下：
，
式中，Sregion为勘探区域总面积。
5.根据权利要求1所述的基于多距离空间聚类分析的海洋碳泄露点数量的评估方法，其特征在于：所述步骤A中，在对碳泄漏点进行分类时，根据碳泄漏点处含甲烷气泡的直径进行划分，甲烷气泡直径小于等于1mm的为I类，直径大于1mm小于等于4mm的为II类，直径大于4mm小于等于7mm的为III类，直径大于7mm小于等于10mm的为IV类，直径大于10mm的为V类。
6.根据权利要求1所述的基于多距离空间聚类分析的海洋碳泄露点数量的评估方法，其特征在于：所述步骤A中，在计算碳泄漏点两两之间的空间距离时，采用以下方式：
设已知碳泄漏点A（X1,Y1）和碳泄漏点B（X2,Y2），X1，X2为经度，Y1，Y2为纬度，将经纬度数据转化为弧度单位，A（X11,Y11）和碳泄漏点B（X22,Y22），X11，X22，Y11，Y22分别为转化为弧度单位之后的参数，则碳泄漏点A与碳泄漏点B间的距离为：，
式中，dAB为A，B两点间距离，R为地球半径。
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