摘要：针对传统的投影面积计算方法未充分考虑海底坡度等因素影响的问题,以传统计算方法为基础提出一种改进的计算方法,即对海底等深线矢量数据进行栅格化处理,生成海底栅格表面模型数据,在此基础上提取坡度信息,生成坡度正割值,将投影面积与坡度正割值进行叠加处理,最终得到海底地形表面积,将表面积和投影面积分别与底栖生物采样数据进行叠加,比较采用两种方法得出的底栖生物资源量。结果表明,用传统方法和改进方法得出的底栖生物量存在较大差异,采用海底表面积计算底栖生物量可以更加准确、真实地反映海底底栖生物资源量的分布格局。
关键词：海底栅格表面模型;底栖生物;表面积;正割值
近年来,沿海海洋海岸工程数量众多,造成海洋空间资源暂时或永久性损失,通常采用经济补偿的方式以弥补资源损失,底栖生物资源受工程影响最为显著,在统计赔偿数量时,通常以底栖生物的损失量作为重要标准[1]。《建设项目对海洋生物资源影响评价技术规程》[1]在计算底栖生物量损害时,把海底视作水平平面,以单位面积底栖生物资源密度与水域面积的乘积作为生物损失量。然而海底地形并不是平坦的 (图1),海底地貌如陆地一样,有海岭、海沟和海盆,坡度、坡向变化明显,在这些地方,采用平面投影面积来统计海底底栖生物资源会产生较大误差,因为底栖生物是分布在连续的曲面表面上,而非水平投影面上。鉴于此,本研究中以传统计算方法为基础提出一种改进的计算方法,利用矢量化的等深线生成海底栅格表面模型,结合单位面积底栖生物生物量数据,计算海底底栖生物在坡度曲面上的生物量分布,并与传统的投影面积计算方法 (资源学中通常称为扫海面积)进行了比较。
1.1 数据来源
1.1.1 海底栅格表面模型数据 海底栅格表面模型是用一组有序数值阵列形式表示海底深度的一种实体模型,它是以无数个栅格为基础形成的可改变的连续值域[2]。海底栅格表面模型的数据来源主要有海底地形图、实地测量数据 (GPS或经纬仪配合测深仪等进行测绘采集的海底数据)等。
本研究中采用1∶3500海底地形图,利用Arc-Gis地理信息系统采集等高线及离散高程点,生成TIN(Triangulated Irregular Net-work)数据,再将TIN数据转化为海底栅格表面模型。以WGS84为坐标系,高斯克吕格为投影,1985国家高程为基准。
1.1.2 海底栅格表面模型坡度数据 海底坡度定义为海底地面上某点的切平面相对于水平投影面的倾斜度。
利用地理信息系统提取坡度的算法有多种,归纳起来有5种:四块法、空间矢量分析法、拟合平面法、拟合曲面法和直接求解法。前3种是为求解地面平均坡度而设计,后两种是为求解地面最大坡度而设计。实践表明,拟合曲面法是求解坡度的最佳方法[3]。
拟合曲面法的坡度计算是在以e为中心点的3×3个栅格表面模型格网窗口中进行的 (图2)。中心点e的坡度Ae计算公式如下:
其中:式中第一个平方值为X方向上的坡度;第二个平方值为Y方向上的坡度;a为栅格分辨率。最终计算的坡度值范围为0°～90°。
根据上述原理,利用ArcGIS软件可以从栅格表面模型数据中提取出坡度数据。
图1 海底地貌示意图
Fig.1 Schematic diagram of submarine geomorphy
图2 栅格表面模型数据的分析窗口
Fig.2 Analytic gridding of the grid surfacemodel
1.1.3 海底底栖生物单位面积生物量 底栖生物采用0.05 m2HNM-1型采泥器采集。区域内均匀布设12个站位,每个站位取4个平行样品,取样面积为0.2 m2。将采集的样品用0.5 mm分样筛淘洗,挑选出所有生物装入标本瓶内,并标注标签,用体积分数为5%的福尔马林固定。在实验室内用双目立体解剖镜观察、分类、计数,用感量0.01 g电子天平称量湿质量,具体操作均按 《海洋调查规范》[4]执行。将每个站位底栖生物量进行换算求出该站位单位面积的生物量,取12个站位的平均值,即为该区域底栖生物单位面积的生物量。
1.2 表面模型表面积的计算
常规方法所采用的面积一般是海底平面垂直投影后的面积。而实际上海底地形是一个曲面,与投影面有很大差别,如图3所示。将投影面与曲面划分为无数个栅格,每个栅格内曲面可以看成一倾斜面,单位栅格倾斜面积与投影面积之间的关系式可表示为
其中:Si表面积为单位栅格倾斜面面积;S栅格面积为单位栅格投影面积;Ai为栅格倾斜面和投影面之间的夹角,即倾斜面的坡度[5-6](图4)。
假定研究区域内共有n个栅格数据。根据投影面积与栅格面积之间的关系,单位栅格倾斜面面积与栅格面积之间的关系,以及曲面表面积与单位栅格倾斜面面积之间的关系:即曲面表面积等于其投影面积与所有栅格倾斜面坡度正割值平均值的乘积。从式 (6)可看出,当地形起伏变化剧烈、坡度仰角增大时,坡度正割值也增大,曲面表面积与投影面积的差异就越显著[7]。
图3 坡面与投影面
Fig.3 Curved surface and the plane of projection
图4 栅格倾斜面和投影面
Fig.4 Inclined plane and the projective p lane base on a grid
1.3 比较
将曲面表面积和投影面积分别与底栖生物单位面积生物量进行叠加运算[8],比较采用两种方法所得出的底栖生物资源量分布。
以大连附近海域为例,按照上述理论及工作流程,分别求算投影面积和表面积情形下底栖生物资源分布,并作比较分析。
图5 基本流程图
Fig.5 Basic flow ing chart
2.1 投影面积
在以WGS84为坐标系、高斯克吕格为投影的坐标框架下,将该区域边界线提取出来并生成面文件,利用ArcGIS系统的求取面积功能计算该区域面积即为投影面积,则S投影面积=5.88 hm2。
2.2 表面积
利用矢量化地形图进行栅格化处理生成海底栅格表面模型数据 (图6),以海底栅格表面模型数据为基底提取海底栅格表面模型的坡度,生成表面模型坡度栅格数据 (图7),对坡度栅格数据进行运算,计算其正割值,生成表面模型坡度正割值栅格数据和坡向数据 (图8、图9)。在此基础上,通过ArcGIS地理信息系统计算区域内正割值的平均值 (sec A)mean=1.325 5。利用公式 (6)可计算出S表面积=7.79 hm2。
图6 研究区域海底海底栅格表面模型
Fig.6 Grid surfacemodel of a sea bed area surveyed
2.3 比较分析
根据该区域底栖生物调查数据,底栖生物单位平均生物量Bmean=64.14 g/m2,分别与投影面积和表面积进行叠加计算该区域的底栖生物量 (F):
F投影面积=Bmean×S投影面积=3.77(t), F表面积=Bmean×S表面积=5.00(t)。
由此可知,该区域底栖生物量分布按投影面积和表面积计算相差较大,二者相差1.23 t,数量差距达到按投影面积分布数量的32.6%。
图7 研究区域海底坡度
Fig.7 Slope of a sea bed area surveyed
图8 研究区域海底坡度正割值
Fig.8 Slope secant of area surveyed
图9 研究区域海底坡向
Fig.9 Aspect of a sea bed area surveyed
假设对该海域进行填海,这将彻底改变用海范围内海洋生物原有的栖息环境,尤其对底栖生物的影响最大,用海范围内的底质环境完全被破坏,除少量活动能力较强的底栖种类能够逃出存活外,大部分底栖生物被掩埋、覆盖而死亡,损失量较大,对底栖生物群落的破坏是不可逆转的,这就涉及到经济补偿金额。如果将底栖生物分布数量换算成经济补偿金额,根据SC/T9110—2007要求,持续损害影响为20年,填海属持续损害影响。底栖生物资源价格Punit如按1万元/t考虑,分别用投影面积与表面积计算得出底栖生物经济补偿金额 (M):
M投影面积=Punit×F投影面积×20=75.429(万元), M表面积=Punit×F表面积×20=99.930(万元)。
用两种面积计算的经济补偿金额相差24.501万元。
关于栅格表面模型的应用前人主要集中在陆上的地貌分析研究[9]、土地勘测定界[10]和林地资源分析统计[5,7,11]等方面,由于海洋特殊的地理环境及海洋领域管理和技术上的原因,海底地形数据的获取需要耗费大量人力和物力,致使当前缺少数字化海底地形产品的保障[12-13]。针对栅格表面模型在海洋生物资源领域的应用鲜有报道,本研究中对大连附近一海域进行试验,利用海底栅格表面模型比较其按投影面积和表面积情形下底栖生物的分布,并假设其填海,比较其经济补偿金额。从比较结果可以看出,使用两种方法计算的底栖生物分布数量和经济补偿金额上都存在较大差异,而将海底栅格表面模型应用到海底生物资源统计中可以更加真实体现出海底地形起伏变化等因素,更加准确地反映出海底底栖生物资源量的分布。
本研究中限于获取数据等因素的原因,仅找出大连附近一海域作为试验区域,其产生较大差距具有一定的偶然性,但差异显然是存在的。本试验的初衷是尝试将栅格表面模型引入到海洋生物资源领域,将表面积计算方法引入到底栖生物资源量统计中,其与投影面积计算方法差距的适应范围则需要进一步探讨,根据初步研究结果,当区域内栅格表面模型地形起伏变化剧烈、坡度仰角增大时,坡度正割值增大,曲面表面积与投影面积的差异就越明显,所造成的底栖生物资源量统计差距就越大。另外,海洋底栖生物的分布受海底地形、底质类型和海洋水文环境等多方面因素影响,本研究在传统投影面积计算方法基础上,考虑海底地形起伏坡度因素,引入了表面积计算方法。在今后的工作中将进一步探讨底质和水文等因素的影响。
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M arine benthic biomass based on a grid surfacemodel of submarine
Abstract：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.
Key words：grid surfacemodel of submarine;benthos;surface area;secant
中图分类号：Q9
文献标志码：A
收稿日期：2014-12-24
基金项目：国家海洋公益性行业科研专项 (200905019)
DOI：10.16535/j.cnki.dlhyxb.2015.05.021
文章编号：2095-1388(2015)05-0563-04