本发明涉及一种基于地形数据的海底热液区沉积物分布模拟方法，尤其涉及一种利用海底地形数据，结合研究区物质沉降速率信息来获取海底热液区周围沉积物分布范围的模拟方法。
背景技术：
海底蕴含着丰富的矿产资源，尤其在陆地资源开始逐步枯竭的今天，人们把目光转向了广阔的海洋，海洋资源开发与勘探成为了世界各国竞争的热点。
自从与国际海底管理局签订了世界上第一份多金属硫化物勘探合同以来，我国实施了的大量大洋调查航次，使用遥控无人潜水器(rov)、自治水下机器人(auv)、载人潜水器(hov)、重力柱、锚系设备、电视抓斗，地震obs等多种海洋调查设备，对洋中脊热液区开展了大量的调查勘探工作。但是由于工作目标或工作条件等原因，其中许多设备的布设与沉积物分布相关，如重力柱设备、obs设备、锚系、抓斗等。像重力柱站位布设分为针对式布站和探索式布站两种方式,无论何种方式，皆需要布设在沉积物分布区；而obs需要与海底具有较好的耦合关系，故需要布设在无沉积物分布的区域。因此在航次设计阶段，必须对其工作站位进行科学、合理的设计。但由于海洋调查难度大、花费高，故在海底区域的各种地质数据种类与数据量往往不像陆地区域一样丰富。尤其是在前期工作较少的海域，进行航次设计与工作计划布设时，往往是在较少的资料下进行的，这就需要我们利用有限地形数据对海底热液区的沉积物分布范围进行模拟分析，进一步为相关工作提供参考依据。经检索，对此目前尚无公开的技术方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于地形数据的海底热液区沉积物分布模拟方法，以对海底相关调查工作提供支持与参考。与传统实地调查方式相比，本方法它可以方便、快速地模拟出海底热液区沉积物分布范围，节约大量时间与人力成本。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于地形数据的海底热液区沉积物分布模拟方法，具体是指一种利用海底地形数据进行沉积物搬运-富集过程分析，进而模拟热液区沉积物分布范围的方法，包括如下步骤：
步骤1：选择研究区；
步骤2：搜集研究区地形数据并进行栅格化；
步骤3：对研究区地形栅格进行洼地填充，并判断研究区内是否存在凹陷盆地，若无则直接进入下一步，若存在则对凹陷盆地范围进行提取；
步骤4：使用流向分析工具获取研究区沉积物重力搬运方向栅格；
步骤5：基于步骤4获取的沉积物重力搬运方向栅格，通过流量分析工具模拟计算出研究区沉积物汇集量栅格；
步骤6：对步骤5获取的研究区沉积物汇集量栅格进行重分类，并根据重分类结果分别进行缓冲区分析，生成沉积物富集区；
步骤7：综合凹陷盆地范围和沉积物富集区，圈定研究区沉积物分布范围。
进一步地，步骤2中所述研究区地形数据栅格化方法具体为：使用原始地形xyz数据创造tin，其中投影方式选择geographic-world-wgs1984，然后使用tin转栅格工具生成研究区地形栅格数据，其中插值方式选择双线性插值。
进一步地，步骤3中所述研究区内凹陷盆地存在判断及范围提取方法具体为：使用arcgis的填洼工具对研究区地形栅格进行洼地填充，然后将无洼地地形栅格数据以离散颜色模式显示，此时凹陷盆地会显示为一定范围的单色区域，若图中存在明显的单色区域，则意味着研究区内存在凹陷盆地，将这些单色区域各自进行边界提取，获取研究区凹陷盆地范围；若图中无明显的单色区域，则意味着研究区内不存在凹陷盆地。
进一步地，步骤4中所述沉积物重力搬运方向栅格获取方法具体为：使用arcgis的流向分析工具对步骤3中进行洼地填充后的地形栅格数据进行分析，获取研究区沉积物重力搬运方向栅格，该结果指示研究区各栅格处沉积物在地形作用下进行搬运的方向。
进一步地，步骤5中所述沉积物汇集量栅格模拟计算方法具体为：将步骤4中获取的沉积物重力搬运方向栅格作为输入数据，通过arcgis的流量分析工具对沉积物的搬运-富集过程进行分析，获取研究区沉积物汇集量栅格，该结果可指示研究区各栅格处的沉积物富集程度，是对沉积物分布进行模拟的依据。
进一步地，步骤5中的研究区沉积物汇集量栅格模拟计算过程中，添加研究区沉积物沉降速率栅格作为权重栅格数据，依据各个栅格处实际的沉积物沉降速率，按比例将各栅格赋予不同的权重值。
进一步地，步骤6中所述对研究区沉积物汇集量栅格进行重分类时，其分类指标制定应遵循如下原则：
(1)根据沉积物汇集量栅格数据实际范围确定重分类指标最小阈值，通常可取沉积物汇集量最大值的10％-30％；
(2)将小于最小阈值的沉积物汇集量栅格赋予空值，
(3)将大于最小阈值的栅格等比例划分为n类，并按照沉积物汇集量从小到大依次赋值为1,2,…,n；
(4)最小阈值与分类数目可根据研究区实际特性做出适当调整。
进一步地，步骤6中所述沉积物汇集量重分类结果缓冲区分析方法具体为：对进行重分类后的沉积物汇集量栅格进行矢量化，则按照重分类赋值相应的生成了n类线要素；使用缓冲区分析工具分别对其进行分析，随着重分类赋值的增大，对应的缓冲区半径也随之增大；将获取的一系列缓冲区作为沉积物富集区。
进一步地，步骤7中所述沉积物分布范围圈定应遵循如下原则：
(1)沉积物分布范围内应包含所有沉积物富集区；
(2)在沉积物富集区密集分布的区域，若两沉积物富集区之间的距离小于沉积物富集区本身宽度，则可对其进行适当连接，将其间的非沉积物富集区统一圈定为沉积物分布范围；
(3)若研究区内存在凹陷盆地，则凹陷盆地也圈定为沉积物分布范围；
(4)沉积物分布范围边界应围绕沉积物富集区和凹陷盆地圈定。
进一步地，步骤7中对于使用最小缓冲区半径分析获取的小规模沉积物富集区，其末端可以进行舍弃，无需圈入沉积物分布范围。
本发明方法具有以下有益效果：
(1)相比于传统实地调查方法，更加高效、快捷，节约大量时间与成本；
(2)对不同沉积物汇集量的栅格进行分类讨论，设置不同的缓冲区半径，使模拟结果更加合理可信；
(3)选取研究区沉积速率数据作为沉积物汇集量模拟的权重参数，模拟过程具有较高的可靠性；
(4)可在不同尺度下应用，既可以模拟较大范围沉积物分布，也可对关注区域进行局部分析。
附图说明
图1是本发明进行实施过程流程图。
图2是本发明进行实施过程中提取的凹陷盆地范围。
图3是本发明进行实施过程中生成的沉积物富集区。
图4是本发明进行实施过程中圈定的沉积物分布范围。
具体实施方式
下面结合附图并通过特定的具体实例详细介绍所本发明的实施方式，本领域技术人员可根据说明书内容轻易理解本发明的实施步骤以及功效和优势。本发明不仅可以应用于热液区，亦可应用于海底其它富集沉积物的区域，技术人员可依据不同应用场景，在不背离本发明精神的前提下对各项细节处做调整，例如沉积速率、重分类最小阈值与数目、缓冲区半径等。需要做出说明的是，任何本领域技术人员在权利要求范围内作出的细节调整均属于本发明的保护范畴。
请参阅图1的流程示意，本发明提供一种基于地形数据的海底热液区沉积物分布模拟方法，包括如下步骤：
步骤1：选择研究区；
步骤2：搜集研究区地形数据并进行栅格化；
以下为栅格化的一种实现方式，但不限于此：使用原始地形xyz数据创造tin，其中投影方式选择geographic-world-wgs1984，然后使用tin转栅格工具生成研究区地形栅格数据，其中插值方式选择双线性插值。
步骤3：对研究区地形栅格进行洼地填充，并判断研究区内是否存在凹陷盆地，若无则直接进入下一步，若存在则对凹陷盆地范围进行提取；
以下为凹陷盆地存在判断及范围提取的一种实现方式，但不限于此：
使用arcgis的填洼工具对研究区地形栅格进行洼地填充，然后将无洼地地形栅格数据以离散颜色模式显示，此时凹陷盆地会显示为一定范围的单色区域，若图中存在明显的单色区域，则意味着研究区内存在凹陷盆地，具体地，可以将面积超过研究区总面积5‰的单色区域各自进行边界提取，获取研究区凹陷盆地范围；若图中无明显的单色区域，则意味着研究区内不存在凹陷盆地。
在本实施实例中提取的凹陷盆地范围如图2所示。
步骤4：使用arcgis的流向分析工具对步骤3中进行洼地填充后的地形栅格数据进行分析，获取研究区沉积物重力搬运方向栅格，该结果指示研究区各栅格处沉积物在地形作用下进行搬运的方向。
步骤5：基于步骤4获取的沉积物重力搬运方向栅格，通过arcgis的流量分析工具模拟计算出研究区沉积物汇集量栅格；
以下为沉积物重力搬运方向栅格获取的一种实现方式，但不限于此：
将步骤4中获取的沉积物重力搬运方向栅格作为输入数据，通过arcgis的流量分析工具对沉积物的搬运-富集过程进行分析，获取研究区沉积物汇集量栅格，该结果可指示研究区各栅格处的沉积物富集程度，是对沉积物分布进行模拟的依据。
其中所有栅格的默认权重值皆为1，作为优选，在此步骤中可添加研究区沉积物沉降速率栅格作为权重栅格数据，依据各个栅格处实际的沉积物沉降速率，按比例将各栅格赋予不同的权重值。
步骤6：对步骤5获取的研究区沉积物汇集量栅格进行重分类，并根据重分类结果分别进行缓冲区分析，生成沉积物富集区；
以下给出重分类时分类指标制定应遵循的原则，但不限于此：
(1)根据沉积物汇集量栅格数据实际范围确定重分类指标最小阈值，通常可取沉积物汇集量最大值的10％-30％；
(2)将小于最小阈值的沉积物汇集量栅格赋予空值，
(3)将大于最小阈值的栅格等比例划分为n类，本实施例中n取3，并按照沉积物汇集量从小到大依次赋值为1,2,3；
(4)最小阈值与分类数目可根据研究区实际特性做出适当调整。
以下给出根据重分类结果进行缓冲区分析的一种实现方式，但不限于此：
对进行重分类后的沉积物汇集量栅格进行矢量化，则按照重分类赋值相应的生成n类线要素，使用缓冲区分析工具分别对其进行分析，本实施例中，生成3类线要素，针对重分类赋值1,2,3，缓冲区半径分别设置为400m,700m,1000m；将获取的一系列缓冲区作为沉积物富集区。
在本实施实例中生成的沉积物富集区如图3所示。
步骤7：综合凹陷盆地范围和沉积物富集区，圈定研究区沉积物分布范围。
以下给出沉积物分布范围圈定应遵循的原则，但不限于此：
(1)沉积物分布范围内应包含所有沉积物富集区；
(2)在沉积物富集区密集分布的区域，若两沉积物富集区之间的距离小于沉积物富集区本身宽度，则可对其进行适当连接，将其间的非沉积物富集区统一圈定为沉积物分布范围；
(3)若研究区内存在凹陷盆地，步骤3中提取的凹陷盆地也圈定为沉积物分布范围；
(4)沉积物分布范围边界应围绕沉积物富集区和凹陷盆地圈定。
(5)针对步骤7中对于使用最小缓冲区半径分析获取的小规模沉积物富集区，其末端可以进行舍弃，无需圈入沉积物分布范围。
在本实施实例中圈定的沉积物分布范围如图4所示。
上述实施例仅仅用于说明本发明的技术方案，技术人员可依据不同应用场景，在不背离本发明精神的前提下对各项细节做处调整。本发明的权利保护范围应视权利要求范围为准。
1.一种基于地形数据的海底热液区沉积物分布模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：选择研究区；
步骤2：搜集研究区地形数据并进行栅格化；
步骤3：对研究区地形栅格进行洼地填充，并判断研究区内是否存在凹陷盆地，若无则直接进入下一步，若存在则对凹陷盆地范围进行提取；
步骤4：使用流向分析工具获取研究区沉积物重力搬运方向栅格；
步骤5：基于步骤4获取的沉积物重力搬运方向栅格，通过流量分析工具模拟计算出研究区沉积物汇集量栅格；
步骤6：对步骤5获取的研究区沉积物汇集量栅格进行重分类，并根据重分类结果分别进行缓冲区分析，生成沉积物富集区；
步骤7：综合凹陷盆地范围和沉积物富集区，圈定研究区沉积物分布范围。
2.根据权利要求1所述的海底热液区沉积物分布模拟方法，其特征在于：步骤2中所述研究区地形数据栅格化方法具体为：使用原始地形xyz数据创造tin，其中投影方式选择geographic-world-wgs1984，然后使用tin转栅格工具生成研究区地形栅格数据，其中插值方式选择双线性插值。
3.根据权利要求1所述的海底热液区沉积物分布模拟方法，其特征在于：步骤3中所述研究区内凹陷盆地存在判断及范围提取方法具体为：使用arcgis的填洼工具对研究区地形栅格进行洼地填充，然后将无洼地地形栅格数据以离散颜色模式显示，此时凹陷盆地会显示为一定范围的单色区域，若图中存在明显的单色区域，则意味着研究区内存在凹陷盆地，将这些单色区域各自进行边界提取，获取研究区凹陷盆地范围；若图中无明显的单色区域，则意味着研究区内不存在凹陷盆地。
4.根据权利要求1所述的海底热液区沉积物分布模拟方法，其特征在于：步骤4中所述沉积物重力搬运方向栅格获取方法具体为：使用arcgis的流向分析工具对步骤3中进行洼地填充后的地形栅格数据进行分析，获取研究区沉积物重力搬运方向栅格，该结果指示研究区各栅格处沉积物在地形作用下进行搬运的方向。
5.根据权利要求1所述的海底热液区沉积物分布模拟方法，其特征在于：步骤5中所述沉积物汇集量栅格模拟计算方法具体为：将步骤4中获取的沉积物重力搬运方向栅格作为输入数据，通过arcgis的流量分析工具对沉积物的搬运-富集过程进行分析，获取研究区沉积物汇集量栅格，该结果可指示研究区各栅格处的沉积物富集程度，是对沉积物分布进行模拟的依据。
6.根据权利要求1所述的海底热液区沉积物分布模拟方法，其特征在于：步骤5中的研究区沉积物汇集量栅格模拟计算过程中，添加研究区沉积物沉降速率栅格作为权重栅格数据，依据各个栅格处实际的沉积物沉降速率，按比例将各栅格赋予不同的权重值。
7.根据权利要求1所述的海底热液区沉积物分布模拟方法，其特征在于：步骤6中所述对研究区沉积物汇集量栅格进行重分类时，其分类指标制定应遵循如下原则：
(1)根据沉积物汇集量栅格数据实际范围确定重分类指标最小阈值，通常可取沉积物汇集量最大值的10％-30％。
(2)将小于最小阈值的沉积物汇集量栅格赋予空值。
(3)将大于最小阈值的栅格等比例划分为n类，并按照沉积物汇集量从小到大依次赋值为1,2,…,n。
(4)最小阈值与分类数目可根据研究区实际特性做出适当调整。
8.根据权利要求1所述的海底热液区沉积物分布模拟方法，其特征在于：步骤6中所述沉积物汇集量重分类结果缓冲区分析方法具体为：对进行重分类后的沉积物汇集量栅格进行矢量化，则按照重分类赋值相应的生成了n类线要素；使用缓冲区分析工具分别对其进行分析，随着重分类赋值的增大，对应的缓冲区半径也随之增大；将获取的一系列缓冲区作为沉积物富集区。
9.根据权利要求1所述的海底热液区沉积物分布模拟方法，其特征在于：步骤7中所述沉积物分布范围圈定应遵循如下原则：
(1)沉积物分布范围内应包含所有沉积物富集区；
(2)在沉积物富集区密集分布的区域，若两沉积物富集区之间的距离小于沉积物富集区本身宽度，则可对其进行适当连接，将其间的非沉积物富集区统一圈定为沉积物分布范围；
(3)若研究区内存在凹陷盆地，则凹陷盆地也圈定为沉积物分布范围；
(4)沉积物分布范围边界应围绕沉积物富集区和凹陷盆地圈定。
10.根据权利要求1所述的海底热液区沉积物分布模拟方法，其特征在于：步骤7中对于使用最小缓冲区半径分析获取的小规模沉积物富集区，其末端可以进行舍弃，无需圈入沉积物分布范围。
技术总结