李軼平,王彬,孫明,付杰,于旭光,董婧

(遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院遼寧省海洋生物資源與生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116023)

基于海底柵格表面模型的底棲生物資源量研究

李軼平,王彬,孫明,付杰,于旭光,董婧

(遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院遼寧省海洋生物資源與生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116023)

針對傳統(tǒng)的投影面積計(jì)算方法未充分考慮海底坡度等因素影響的問題,以傳統(tǒng)計(jì)算方法為基礎(chǔ)提出一種改進(jìn)的計(jì)算方法,即對海底等深線矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化處理,生成海底柵格表面模型數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上提取坡度信息,生成坡度正割值,將投影面積與坡度正割值進(jìn)行疊加處理,最終得到海底地形表面積,將表面積和投影面積分別與底棲生物采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加,比較采用兩種方法得出的底棲生物資源量。結(jié)果表明,用傳統(tǒng)方法和改進(jìn)方法得出的底棲生物量存在較大差異,采用海底表面積計(jì)算底棲生物量可以更加準(zhǔn)確、真實(shí)地反映海底底棲生物資源量的分布格局。

海底柵格表面模型;底棲生物;表面積;正割值

近年來,沿海海洋海岸工程數(shù)量眾多,造成海洋空間資源暫時(shí)或永久性損失,通常采用經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償?shù)姆绞揭詮浹a(bǔ)資源損失,底棲生物資源受工程影響最為顯著,在統(tǒng)計(jì)賠償數(shù)量時(shí),通常以底棲生物的損失量作為重要標(biāo)準(zhǔn)[1]?！督ㄔO(shè)項(xiàng)目對海洋生物資源影響評價(jià)技術(shù)規(guī)程》[1]在計(jì)算底棲生物量損害時(shí),把海底視作水平平面,以單位面積底棲生物資源密度與水域面積的乘積作為生物損失量。然而海底地形并不是平坦的 (圖1),海底地貌如陸地一樣,有海嶺、海溝和海盆,坡度、坡向變化明顯,在這些地方,采用平面投影面積來統(tǒng)計(jì)海底底棲生物資源會產(chǎn)生較大誤差,因?yàn)榈讞锸欠植荚谶B續(xù)的曲面表面上,而非水平投影面上。鑒于此,本研究中以傳統(tǒng)計(jì)算方法為基礎(chǔ)提出一種改進(jìn)的計(jì)算方法,利用矢量化的等深線生成海底柵格表面模型,結(jié)合單位面積底棲生物生物量數(shù)據(jù),計(jì)算海底底棲生物在坡度曲面上的生物量分布,并與傳統(tǒng)的投影面積計(jì)算方法 (資源學(xué)中通常稱為掃海面積)進(jìn)行了比較。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 海底柵格表面模型數(shù)據(jù) 海底柵格表面模型是用一組有序數(shù)值陣列形式表示海底深度的一種實(shí)體模型,它是以無數(shù)個(gè)柵格為基礎(chǔ)形成的可改變的連續(xù)值域[2]。海底柵格表面模型的數(shù)據(jù)來源主要有海底地形圖、實(shí)地測量數(shù)據(jù) (GPS或經(jīng)緯儀配合測深儀等進(jìn)行測繪采集的海底數(shù)據(jù))等。

本研究中采用1∶3500海底地形圖,利用Arc-Gis地理信息系統(tǒng)采集等高線及離散高程點(diǎn),生成TIN(Triangulated Irregular Net-work)數(shù)據(jù),再將TIN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為海底柵格表面模型。以WGS84為坐標(biāo)系,高斯克呂格為投影,1985國家高程為基準(zhǔn)。

1.1.2 海底柵格表面模型坡度數(shù)據(jù) 海底坡度定義為海底地面上某點(diǎn)的切平面相對于水平投影面的傾斜度。

利用地理信息系統(tǒng)提取坡度的算法有多種,歸納起來有5種:四塊法、空間矢量分析法、擬合平面法、擬合曲面法和直接求解法。前3種是為求解地面平均坡度而設(shè)計(jì),后兩種是為求解地面最大坡度而設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明,擬合曲面法是求解坡度的最佳方法[3]。

擬合曲面法的坡度計(jì)算是在以e為中心點(diǎn)的3×3個(gè)柵格表面模型格網(wǎng)窗口中進(jìn)行的 (圖2)。中心點(diǎn)e的坡度Ae計(jì)算公式如下:

其中:式中第一個(gè)平方值為X方向上的坡度;第二個(gè)平方值為Y方向上的坡度;a為柵格分辨率。最終計(jì)算的坡度值范圍為0°～90°。

根據(jù)上述原理,利用ArcGIS軟件可以從柵格表面模型數(shù)據(jù)中提取出坡度數(shù)據(jù)。

圖1 海底地貌示意圖Fig.1 Schematic diagram of submarine geomorphy

圖2 柵格表面模型數(shù)據(jù)的分析窗口Fig.2 Analytic gridding of the grid surfacemodel

1.1.3 海底底棲生物單位面積生物量 底棲生物采用0.05 m2HNM-1型采泥器采集。區(qū)域內(nèi)均勻布設(shè)12個(gè)站位,每個(gè)站位取4個(gè)平行樣品,取樣面積為0.2 m2。將采集的樣品用0.5 mm分樣篩淘洗,挑選出所有生物裝入標(biāo)本瓶內(nèi),并標(biāo)注標(biāo)簽,用體積分?jǐn)?shù)為5%的福爾馬林固定。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用雙目立體解剖鏡觀察、分類、計(jì)數(shù),用感量0.01 g電子天平稱量濕質(zhì)量,具體操作均按 《海洋調(diào)查規(guī)范》[4]執(zhí)行。將每個(gè)站位底棲生物量進(jìn)行換算求出該站位單位面積的生物量,取12個(gè)站位的平均值,即為該區(qū)域底棲生物單位面積的生物量。

1.2 表面模型表面積的計(jì)算

常規(guī)方法所采用的面積一般是海底平面垂直投影后的面積。而實(shí)際上海底地形是一個(gè)曲面,與投影面有很大差別,如圖3所示。將投影面與曲面劃分為無數(shù)個(gè)柵格,每個(gè)柵格內(nèi)曲面可以看成一傾斜面,單位柵格傾斜面積與投影面積之間的關(guān)系式可表示為

其中:Si表面積為單位柵格傾斜面面積;S柵格面積為單位柵格投影面積;Ai為柵格傾斜面和投影面之間的夾角,即傾斜面的坡度[5-6](圖4)。

假定研究區(qū)域內(nèi)共有n個(gè)柵格數(shù)據(jù)。根據(jù)投影面積與柵格面積之間的關(guān)系,單位柵格傾斜面面積與柵格面積之間的關(guān)系,以及曲面表面積與單位柵格傾斜面面積之間的關(guān)系:即曲面表面積等于其投影面積與所有柵格傾斜面坡度正割值平均值的乘積。從式 (6)可看出,當(dāng)?shù)匦纹鸱兓瘎×?、坡度仰角增大時(shí),坡度正割值也增大,曲面表面積與投影面積的差異就越顯著[7]。

圖3 坡面與投影面Fig.3 Curved surface and the plane of projection

圖4 柵格傾斜面和投影面Fig.4 Inclined plane and the projective p lane base on a grid

1.3 比較

將曲面表面積和投影面積分別與底棲生物單位面積生物量進(jìn)行疊加運(yùn)算[8],比較采用兩種方法所得出的底棲生物資源量分布。

2 結(jié)果與分析

以大連附近海域?yàn)槔?按照上述理論及工作流程,分別求算投影面積和表面積情形下底棲生物資源分布,并作比較分析。

圖5 基本流程圖Fig.5 Basic flow ing chart

2.1 投影面積

在以WGS84為坐標(biāo)系、高斯克呂格為投影的坐標(biāo)框架下,將該區(qū)域邊界線提取出來并生成面文件,利用ArcGIS系統(tǒng)的求取面積功能計(jì)算該區(qū)域面積即為投影面積,則S投影面積=5.88 hm2。

2.2 表面積

利用矢量化地形圖進(jìn)行柵格化處理生成海底柵格表面模型數(shù)據(jù) (圖6),以海底柵格表面模型數(shù)據(jù)為基底提取海底柵格表面模型的坡度,生成表面模型坡度柵格數(shù)據(jù) (圖7),對坡度柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算,計(jì)算其正割值,生成表面模型坡度正割值柵格數(shù)據(jù)和坡向數(shù)據(jù) (圖8、圖9)。在此基礎(chǔ)上,通過ArcGIS地理信息系統(tǒng)計(jì)算區(qū)域內(nèi)正割值的平均值 (sec A)mean=1.325 5。利用公式 (6)可計(jì)算出S表面積=7.79 hm2。

圖6 研究區(qū)域海底海底柵格表面模型Fig.6 Grid surfacemodel of a sea bed area surveyed

2.3 比較分析

根據(jù)該區(qū)域底棲生物調(diào)查數(shù)據(jù),底棲生物單位平均生物量Bmean=64.14 g/m2,分別與投影面積和表面積進(jìn)行疊加計(jì)算該區(qū)域的底棲生物量 (F):

F投影面積=Bmean×S投影面積=3.77(t), F表面積=Bmean×S表面積=5.00(t)。

由此可知,該區(qū)域底棲生物量分布按投影面積和表面積計(jì)算相差較大,二者相差1.23 t,數(shù)量差距達(dá)到按投影面積分布數(shù)量的32.6%。

圖7 研究區(qū)域海底坡度Fig.7 Slope of a sea bed area surveyed

圖8 研究區(qū)域海底坡度正割值Fig.8 Slope secant of area surveyed

圖9 研究區(qū)域海底坡向Fig.9 Aspect of a sea bed area surveyed

假設(shè)對該海域進(jìn)行填海,這將徹底改變用海范圍內(nèi)海洋生物原有的棲息環(huán)境,尤其對底棲生物的影響最大,用海范圍內(nèi)的底質(zhì)環(huán)境完全被破壞,除少量活動能力較強(qiáng)的底棲種類能夠逃出存活外,大部分底棲生物被掩埋、覆蓋而死亡,損失量較大,對底棲生物群落的破壞是不可逆轉(zhuǎn)的,這就涉及到經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償金額。如果將底棲生物分布數(shù)量換算成經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償金額,根據(jù)SC/T9110—2007要求,持續(xù)損害影響為20年,填海屬持續(xù)損害影響。底棲生物資源價(jià)格Punit如按1萬元/t考慮,分別用投影面積與表面積計(jì)算得出底棲生物經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償金額 (M):

M投影面積=Punit×F投影面積×20=75.429(萬元), M表面積=Punit×F表面積×20=99.930(萬元)。

用兩種面積計(jì)算的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償金額相差24.501萬元。

3 討論

關(guān)于柵格表面模型的應(yīng)用前人主要集中在陸上的地貌分析研究[9]、土地勘測定界[10]和林地資源分析統(tǒng)計(jì)[5,7,11]等方面,由于海洋特殊的地理環(huán)境及海洋領(lǐng)域管理和技術(shù)上的原因,海底地形數(shù)據(jù)的獲取需要耗費(fèi)大量人力和物力,致使當(dāng)前缺少數(shù)字化海底地形產(chǎn)品的保障[12-13]。針對柵格表面模型在海洋生物資源領(lǐng)域的應(yīng)用鮮有報(bào)道,本研究中對大連附近一海域進(jìn)行試驗(yàn),利用海底柵格表面模型比較其按投影面積和表面積情形下底棲生物的分布,并假設(shè)其填海,比較其經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償金額。從比較結(jié)果可以看出,使用兩種方法計(jì)算的底棲生物分布數(shù)量和經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償金額上都存在較大差異,而將海底柵格表面模型應(yīng)用到海底生物資源統(tǒng)計(jì)中可以更加真實(shí)體現(xiàn)出海底地形起伏變化等因素,更加準(zhǔn)確地反映出海底底棲生物資源量的分布。

本研究中限于獲取數(shù)據(jù)等因素的原因,僅找出大連附近一海域作為試驗(yàn)區(qū)域,其產(chǎn)生較大差距具有一定的偶然性,但差異顯然是存在的。本試驗(yàn)的初衷是嘗試將柵格表面模型引入到海洋生物資源領(lǐng)域,將表面積計(jì)算方法引入到底棲生物資源量統(tǒng)計(jì)中,其與投影面積計(jì)算方法差距的適應(yīng)范圍則需要進(jìn)一步探討,根據(jù)初步研究結(jié)果,當(dāng)區(qū)域內(nèi)柵格表面模型地形起伏變化劇烈、坡度仰角增大時(shí),坡度正割值增大,曲面表面積與投影面積的差異就越明顯,所造成的底棲生物資源量統(tǒng)計(jì)差距就越大。另外,海洋底棲生物的分布受海底地形、底質(zhì)類型和海洋水文環(huán)境等多方面因素影響,本研究在傳統(tǒng)投影面積計(jì)算方法基礎(chǔ)上,考慮海底地形起伏坡度因素,引入了表面積計(jì)算方法。在今后的工作中將進(jìn)一步探討底質(zhì)和水文等因素的影響。

[1] 中華人民共和國農(nóng)業(yè)部.SC/T 9110—2007建設(shè)項(xiàng)目對海洋生物資源影響評價(jià)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008: 9-10.

[2] 吳秀芹,張洪巖,李瑞改,等.ArcGis 9地理信息系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)踐[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007:337-364.

[3] 李志林,朱慶.數(shù)字高程模型[M].武漢:武漢大學(xué)出版社, 2003:216-217.

[4] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 12763.6—2007海洋調(diào)查規(guī)范第6部分:海洋生物調(diào)查[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007:41-44.

[5] 王秀云,陳曄,周厚華,等.DEM在林地資源表面積調(diào)查中的應(yīng)用[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào):工程技術(shù)版,2006,6(1):86-90.

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[8] 劉春洋,李軼平,董婧.基于GIS的海洋底棲生物棲息密度空間插值方法[J].海洋環(huán)境科學(xué),2012,31(3):443-447.

[9] 王秀云.基于DEM的地貌分析研究——以寧鎮(zhèn)地區(qū)為例[D].南京:南京師范大學(xué),2006.

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[11] 陳吉龍,武偉,劉洪斌.DEM在林地表面積計(jì)算中的應(yīng)用研究[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2008,21(5):1348-1352.

[12] 申靜,蘇天赟,王國宇,等.基于Kriging算法的海底地形插值設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].海洋科學(xué),2012,36(5):24-28.

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M arine benthic biomass based on a grid surfacemodel of submarine

LIYi-ping,WANG Bin,SUN Ming,FU Jie,YU Xu-guang,DONG Jing
(Key Laboratory of Marine Biological Resources and Ecology,Liaoning Province,Liaoning Ocean and Fisheries Science Research Institute,Dalian 116023,China)

Since the influence of factors such as slope are not fully considered in the traditional calculation method of projection area(commonly known as the sweeping area in resource science),an improved calculation method is proposed from the traditionalmethods.In the new method,we grid processing contour vector data and then generate surface model data,based on which the slope information and the slope secant value are found.Eventually the surface area is calculated by stack processing projection area and the slope secant value.If the surface area and the projection area are superimposed benthic data,the comparative estimation of two benthic biomasses by the respective kinds ofmethods shows that there are significant differences between traditionalmethod and improved method. The findings indicate that themethod of grid surfacemodel can reflect the distribution patterns of benthic resources quantitymore accurately and actually.

grid surfacemodel of submarine;benthos;surface area;secant

Q9

A

2014-12-24

國家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng) (200905019)

李軼平 (1981—),男,碩士,助理研究員。E-mail:yiping463@sina.com

董婧 (1966—),女,研究員。E-mail:dj660228@tom.com

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2015.05.021

2095-1388(2015)05-0563-04