深海冷泉区生态系统的固碳量核算方法、装置及存储介质

本发明涉及海洋科学及海洋工程，涉及一种深海冷泉区域生态系统的固碳量核算方法、装置及存储介质。

背景技术：

1、冷泉是一种富甲烷流体快速渗漏到海底，并产生一系列生物地球化学反应的环境。在这类环境中发生的与碳相关的生物地球化学反应主要为有机质硫酸盐还原、产甲烷作用、甲烷缺氧氧化、自生碳酸盐岩沉淀。这些生物地球化学过程对于全球碳封存、营养元素循环、气候变化和生命演变影响重大。

2、因受地质构造、水文动力、复杂地形和特殊理化环境的影响，深海化能生态环境与光照区的浅海海有着截然不同的群落组成且孕育着特有的生物物种也使其成为研究生命起源与适应性进化的重要场所。深海化能生态系统的能量来源和有机质的合成与太阳光支持的生态系统不同，深海化能微生物可以利用氧化甲烷、硫化氢等还原性物质释放的能量合成有机物，为消费者提供食物来源，因此其“黑暗食物链”生命过程成为研究的焦点。这些生活在深海冷泉区域典型优势物种，由于其特殊的化能合成作用，依靠其体内化能自养细菌将冷泉流体中的硫化物、甲烷转化为自身生存所需要的生命要素和能量。其中甲烷厌氧氧化古菌(anaerobic methanotrophic archaea，anme)和硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria，srb)的协同作用，即甲烷厌氧氧化作用(anaerobic oxidationmethane，aom)消耗甲烷过程中产生溶解无机碳。

3、与此同时海底沉积物中的天然气水合物会分解释放出游离的ch4气泡进入水体，通过一系列的化学作用会大大降低海水中的氧气含量，海洋生态平衡遭到破坏。深海冷泉生态系统通过其自身的生物化学途径可以将部分游离碳吸收成为自身成长所必须养分，这一过程成为了冷泉区域的天然生态屏障，有效地阻滞了部分海底释放的碳进入上层水体和大气环境。因此研究这类深海冷泉区域典型物种的固碳特征为进一步研究冷泉区域固碳情况、比对不同冷泉区域碳汇、研究冷泉区域甲烷泄露对温室效应的影响等提供了关键数据基础。

4、通过查阅大量的有关计算生物固碳量计算的文献，现有的针对性研究深海冷泉区域生态系统固碳核算往往面临两个问题，一个是由于冷泉区域样品获取相对困难，所以通过迁移浅海区域养殖贻贝等的固碳系数加以对冷泉区域生态系统各物种数量的大致估算，来计算该区域生态系统总体固碳情况；另一是在获取深海冷泉区域样品的基础上，通过传统统计方法统计物种数量及分布情况，这两种方式由于对实际物种量调查的不准确性都导致了最终固碳核算结果的不准确性。

5、现有有关双壳类及甲壳类生物总固碳量的测算方式主要包括如下步骤：

6、(1)称湿重：将生物样品用已知重量的锡纸包裹，待样品恢复至常温后称量湿重；

7、(2)分离称重：对称量好的生物样品，将壳与肌肉组织分离并分别称取湿重；

8、(3)烘干：当烘干机温度达到55℃，在此条件下，样品烘干48h；

9、(4)称干重：从烘干机中取出的样品，恢复至室温后，称量干重；

10、(5)含碳率测量：将烘干后的壳与肌肉组织样品粉碎后送入元素分析仪，分别得到壳与肌肉组织的含碳率数据。

11、(6)生物数量统计：数量统计方法常分为逐个计数法、估算法、标记重捕法、样方法等，利用统计方法统计出该区域的该物种数量；

12、(7)固碳量计算：将步骤(4)中得到的含碳率数据结合步骤(5)统计出的生物数量与平均壳重、平均整体湿重数据，便可以求得该区域该类生物整体固碳量。

13、目前计算整区域某类优势种双壳及甲壳类生物总固碳量方法大多如上法所示，存在以下缺点。①在统计生物体数量的过程中，由于个体体型差异和平均体型差异较大，如果采用统一的平均尺寸来定量，最后得到的固碳总量结果与实际差异较大。②在数量统计的方式方法上，采用传统方法很容易造成遗漏，若要做到高精度则需要花费大量人力物力。因此若要要求得在深海冷泉区域的尽可能准确生物数量信息，传统方式不具备准确性和易操作性。③在含碳率测量的过程中，由于双壳类和甲壳类生物在其个体发育不同阶段，其体内含碳率有所差异，选择整体平均个体的生物样品，无法代表全尺寸下的生物体含碳率信息。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种深海冷泉区域生态系统的固碳量核算方法、装置及存储介质，以提高冷泉区域典型物种固碳总量的计算准确度。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供一种深海冷泉区生态系统的固碳量核算方法，所述方法包括：

4、获取图像文件，所述图像文件为冷泉区域全尺寸图像文件；

5、基于深度学习模型来识别所述冷泉区域全尺寸图像文件中的典型物种数量；

6、获取与图像文件同一冷泉区域的生物样品数据；

7、对所述生物样品数据进行聚类分析及含碳率测量，以得到不同尺寸大小的生物样品比例及样品壳体与肌肉组织的含碳率；

8、基于不同尺寸大小的生物样品比例以及深度学习模型所识别得到的典型物种数量来计算得到不同尺寸的生物样品总数；

9、根据生物样品总数以及样品壳体与肌肉组织的含碳率来核算得到冷泉区域物种固碳量。

10、进一步地，所述图像文件通过如下方式得到：

11、利用无人遥控水下航行器拍摄冷泉区域的全区域视频文件，并将无人遥控水下航行器拍摄的冷泉区域视频文件合成该区域的全尺寸图像文件。

12、进一步地，所述典型物种包括贻贝、贻贝壳、白瓜贝、白瓜贝壳、潜锴虾，数量分别为n1、n11、n2、n21、n3。

13、进一步地，所述与图像文件同一冷泉区域的生物样品数据通过如下方式获得：

14、将无人遥控水下航行器在同一冷泉区域多个位点利用抓斗抓取的生物样品中的贻贝、白瓜贝、潜锴虾分别测量壳长、单体重量数据。

15、进一步地，所述对所述生物样品数据进行聚类分析及含碳率测量，以得到不同尺寸大小的生物样品比例及样品壳体与肌肉组织的含碳率，包括：

16、将贻贝、白瓜贝、潜锴虾测量后的数据做聚类分析，分别得到其个体尺寸上大、中、小的分类，并计算得出大、中、小尺寸对应的贻贝、白瓜贝及潜锴虾的样本比例，样本比例分别记为η1大、η1中、η1小、η2大、η2中、η2小、η3大、η3中、η3小；

17、计算上述得到的大、中、小尺寸生物样品分别的平均重量，记为m1大、m1中、m1小、m2大、m2中、m2小、m3大、m3中、m3小；

18、根据计算出的平均重量，选取每组分类样品中的接近平均重量个体各三个，将挑选出的多个样品称量湿重并记录；

19、将挑选出称量完湿重的样品分别分离其壳体与肌肉组织，将分离后的壳体称重，取每个样品组的三个样品的平均壳重，分别记为m1大、m1中、m1小、m2大、m2中、m2小、m3大、m3中、m3小；

20、将所挑选出的样品进行烘干，烘干后的样品称量其干重并记录，称量后的样品研磨成粉状，送入元素分析仪，测量样品壳体与肌肉组织的含碳率；取每个样品组的三个样品的平均肌肉含碳率与壳体含碳率分别记为s1大、s1中、s1小、s2大、s2中、s2小、s3大、s3中、s3小\s1大、s1中、s1小、s2大、s2中、s2小、s3大、s3中、s3小。

21、进一步地，所述基于不同尺寸大小的生物样品比例以及深度学习模型所识别得到的典型物种在该冷泉区所占数量数据来计算得到不同尺寸的生物样品总数为：

22、通过样品聚类分析得到的大、中、小尺寸对应的贻贝、白瓜贝及潜锴虾的样本比例，结合深度学习模型所识别得到的典型物种数量，分别求得不同尺寸的贻贝、白瓜贝、潜锴虾、贻贝壳、白瓜贝壳的数量。

23、进一步地，所述根据生物样品总数以及样品壳体与肌肉组织的含碳率来核算得到冷泉区域物种固碳量包括：

24、根据生物体重量m，壳重m，肌肉组织含碳率s，壳体含碳率s，来求得单一生物体含碳量：

25、c＝(m-m)×s+m×s

26、贻贝壳和白瓜贝壳的含碳量计算公式如下：

27、c壳＝m×s

28、根据单一生物体含碳量以及贻贝、贻贝壳、白瓜贝、白瓜贝壳、潜锴虾的不同尺寸个体数量求得该冷泉区域三类典型物种的总固碳量。

29、进一步地，所述总固碳量的计算公式为：

30、c＝c×n+c壳×n

31、

32、第二方面，本发明提供一种深海冷泉区生态系统的固碳量核算装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述方法的步骤。

33、第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。

34、本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

35、1.本发明通过对rov抓取的大量生物样品聚类分析，可以更好的区分这些典型物种的个体尺寸差距。贻贝、白瓜贝、潜锴虾在发育的不同阶段，其体内的含碳率、个体重量有所不同，而固碳量的计算需要更加细化的不同尺寸的生物的平均含碳率和重量，本发明可以更为准确的细化这一数据需求，使得求得的结果更加精准。

36、2.通过深度学习模型的运用，能够有效解决在深海冷泉区域中的大尺度多密度背景下生物量测算难点，同时解决传统的生物数量测算方式因为生物分布不均、低温高压环境等造成的实施难度高、测算方式不精确、容易遗漏存在生物区域等一系列难点，为精准计算固碳生物数量提供更加可操作性的方案。