Yo pwopoze yon metòd aprantisaj san sipèvizyon pou detèmine pwovens ekolojik maren mondyal yo (ekolojik-pwovens) ki baze sou estrikti kominote plankton ak done flux eleman nitritif yo.Metòd sistematik pwovens ekolojik entegre (SAGE) ka idantifye pwovens ekolojik nan modèl ekosistèm ki pa lineyè.Yo nan lòd yo adapte yo ak kovarians ki pa Gauss nan done yo, SAGE itilize t owaza vwazen embedding (t-SNE) diminye dimansyon an.Avèk èd aplikasyon bri ki baze sou algorithm nan gwoupman espasyal ki baze sou dansite (DBSCAN), plis pase yon santèn pwovens ekolojik ka idantifye.Sèvi ak kat jeyografik koneksyon ak diferans ekolojik kòm yon mezi distans, yon pwovens ekolojik solid (AEP) defini objektivman atravè pwovens ekolojik enbrike.Lè l sèvi avèk AEP yo, yo te eksplore kontwòl pousantaj rezèv eleman nitritif sou estrikti kominote a.Ekolojik-pwovens ak AEP inik epi yo ka ede entèpretasyon modèl.Yo ka fasilite konparezon ant modèl yo epi yo ka amelyore konpreyansyon ak siveyans ekosistèm maren yo.
Pwovens yo se rejyon kote byoyografi konplèks sou lanmè a oswa tè òganize an zòn ki aderan ak sans (1).Pwovens sa yo trè enpòtan pou konpare ak diferansye kote yo, karakterize obsèvasyon, siveyans ak pwoteksyon.Entèraksyon konplèks ak ki pa lineyè ki pwodui pwovens sa yo fè metòd aprantisaj machin san sipèvizyon (ML) trè apwopriye pou detèmine pwovens objektivman, paske kovarians nan done yo se konplèks epi ki pa Gaussian.Isit la, yo pwopoze yon metòd ML, ki sistematikman idantifye pwovens ekolojik inik maren (ekolojik-pwovens) apati de modèl fizik/ekosistèm mondyal ki genyen twa dimansyon (3D) Darwin (2).Yo itilize tèm "inik" la pou endike zòn ki idantifye a pa ase sipèpoze ak lòt zòn.Metòd sa a rele metòd Pwovens Ekolojik Integrated System (SAGE).Yo nan lòd yo fè klasifikasyon itil, yon metòd algorithm bezwen pèmèt (i) klasifikasyon mondyal ak (ii) analiz milti-echèl ki ka enbrike / agrégées nan espas ak tan (3).Nan rechèch sa a, yo te pwopoze metòd SAGE an premye epi yo te diskite sou pwovens ekolojik yo idantifye yo.Eko-pwovens yo ka ankouraje konpreyansyon sou faktè ki kontwole estrikti kominote a, bay enfòmasyon itil pou estrateji siveyans, epi ede swiv chanjman nan ekosistèm nan.
Anjeneral, pwovens terès yo klase dapre resanblans nan klima (presipitasyon ak tanperati), tè, vejetasyon, ak fon, epi yo itilize pou jesyon oksilyè, rechèch divèsite biyolojik, ak kontwòl maladi (1, 4).Pwovens maren yo pi difisil pou defini.Pifò òganis yo mikwoskopik, ak limit likid.Longhurst et al.(5) Bay youn nan premye klasifikasyon mondyal Ministè Oseyanografi ki baze sou kondisyon anviwònman an.Definisyon pwovens "Longhurst" sa yo gen ladan varyab tankou vitès melanje, stratifikasyon, ak irradiance, ansanm ak anpil eksperyans Longhurst kòm yon oseanograf maren, ki gen lòt kondisyon enpòtan pou ekosistèm maren yo.Longhurst te itilize anpil, pa egzanp, pou evalye pwodiksyon prensipal ak koule kabòn, ede lapèch, epi planifye aktivite obsèvasyon in situ (5-9).Pou yo ka defini pwovens yo pi objektivman, yo te itilize metòd tankou lojik flou ak gwoupman/estatistik rejyonal san sipèvizyon (9-14).Objektif metòd sa yo se idantifye estrikti ki gen sans ki ka idantifye pwovens nan done obsèvasyon ki disponib yo.Pa egzanp, pwovens marin dinamik (12) sèvi ak kat oto-òganize pou diminye bri, epi sèvi ak gwoupman yerarchize (ki baze sou pye bwa) pou detèmine pwodwi koulè maren ki sòti nan satelit rejyonal yo [klowofil a (Chl-a), wotè liy Fluoresans nòmalize ak matyè òganik ki gen koulè ki fonn] ak jaden fizik (tanperati sifas lanmè ak salinite, topografi dinamik absoli ak glas lanmè).
Estrikti plankton nan kominote a se yon enkyetid paske ekoloji li gen yon gwo enfliyans sou pi wo nivo eleman nitritif, absòpsyon kabòn ak klima.Men, se toujou yon objektif ki difisil e ki difisil pou detèmine yon pwovens ekolojik mondyal ki baze sou estrikti kominote plankton an.Satelit koulè maren kapab potansyèlman bay apèsi sou klasifikasyon koryas fitoplankton oswa sijere avantaj ki genyen nan gwoup fonksyonèl (15), men yo kounye a pa kapab bay enfòmasyon detaye sou estrikti kominote a.Sondaj ki sot pase yo [eg Tara Ocean (16)] ap bay mezi san parèy nan estrikti kominote a;kounye a, gen sèlman kèk obsèvasyon in-situ sou yon echèl mondyal (17).Syans anvan yo te lajman detèmine "Biogeochemical Pwovens" (12, 14, 18) ki baze sou detèminasyon resanblans byochimik (tankou pwodiksyon prensipal, Chl ak limyè ki disponib).Isit la, modèl nimerik la itilize pou pwodiksyon [Darwin(2)], epi pwovens ekolojik la detèmine dapre estrikti kominote a ak flux eleman nitritif.Modèl nimerik yo itilize nan etid sa a gen pwoteksyon mondyal epi yo ka konpare ak done jaden ki deja egziste (17) ak jaden deteksyon aleka (Remak S1).Done modèl nimerik yo itilize nan etid sa a gen avantaj pwoteksyon mondyal la.Ekosistèm modèl la konsiste de 35 espès fitoplankton ak 16 espès zooplankton (tanpri al gade nan materyèl ak metòd).Kalite plankton ki gen konpòtman egzanplè kominike yon fason ki pa lineyè ak estrikti covariance ki pa Gauss, kidonk metòd dyagnostik senp yo pa apwopriye pou idantifye modèl inik ak konsistan nan estrikti kominote k ap parèt yo.Metòd SAGE prezante isit la bay yon fason roman pou tcheke pwodiksyon modèl Darwin konplèks.
Kapasite pwisan transfòmasyon nan syans done / ML teknoloji ka pèmèt solisyon modèl akablan konplèks pou revele estrikti konplèks men solid nan kovarans done.Yon metòd solid defini kòm yon metòd ki ka fidèlman repwodui rezilta yo nan yon seri erè bay yo.Menm nan sistèm senp, detèmine modèl solid ak siyal ka yon defi.Jiskaske yo detèmine rezon ki mennen nan modèl obsève a, konpleksite kap parèt la ka sanble konplike/difisil pou rezoud.Pwosesis kle pou fikse konpozisyon ekosistèm lan pa lineyè nan lanati.Egzistans nan entèraksyon ki pa lineyè ka konfonn klasifikasyon gaya, kidonk li nesesè pou fè pou evite metòd ki fè sipozisyon fò sou distribisyon an estatistik debaz nan kovarans done.Done ki gen gwo dimansyon ak done ki pa lineyè yo komen nan oseyanografi epi yo ka gen yon estrikti kovarians ak topoloji konplèks, ki pa Gauss.Malgre ke done ki gen yon estrikti kovarians ki pa Gauss yo ka anpeche klasifikasyon solid, metòd SAGE a se nouvo paske li fèt pou idantifye grap ak topoloji abitrè.
Objektif metòd SAGE a se pou idantifye objektivman modèl k ap parèt ki ka ede plis konpreyansyon ekolojik.Apre yon workflow ki baze sou gwoup ki sanble ak (19), yo itilize varyab ekolojik ak eleman nitritif pou detèmine sèl gwoup la nan done yo, yo rele pwovens ekolojik la.Metòd SAGE yo pwopoze nan etid sa a (Figi 1) premye diminye dimansyon nan soti nan 55 a 11 dimansyon lè yo rezime gwoup fonksyonèl plankton yo defini a priori (gade Materyèl ak Metòd).Lè l sèvi avèk metòd t-random vwazen embedding (t-SNE), gwosè a ap redwi plis lè yo pwojte pwobabilite a nan espas 3D la.Gwoupman san sipèvizyon ka idantifye zòn ekolojik ki fèmen yo [gwoupman espasyal ki baze sou dansite (DBSCAN) pou aplikasyon ki baze sou bri].Tou de t-SNE ak DBSCAN aplikab pou done modèl nimerik nannan ki pa lineyè ekosistèm yo.Lè sa a, repwojekte pwovens ekolojik ki kapab lakòz sou tè a.Plis pase yon santèn pwovens ekolojik inik yo te idantifye, apwopriye pou rechèch rejyonal yo.Yo nan lòd yo konsidere modèl ekosistèm globalman ki konsistan, metòd SAGE yo itilize pou rasanble pwovens ekolojik yo nan pwovens ekolojik total (AEP) pou amelyore efikasite pwovens ekolojik yo.Nivo agrégasyon (ki rele "konpleksite") ka ajiste nan nivo detay ki nesesè yo.Detèmine konpleksite minimòm yon AEP solid.Konsantre seleksyon an se metòd SAGE ak eksplore ka AEP ki pi piti yo pou detèmine kontwòl estrikti kominote ijans lan.Lè sa a, modèl yo ka analize pou bay Sur ekolojik.Metòd ki prezante isit la ka itilize tou pou konparezon modèl plis anpil, pou egzanp, lè w evalye kote pwovens ekolojik ki sanble yo te jwenn nan diferan modèl pou mete aksan sou diferans ak resanblans, konsa tankou konpare modèl yo.
(A) Dyagram chema flux travay la pou detèmine pwovens ekolojik la;lè l sèvi avèk sòm total la nan gwoup la fonksyonèl diminye done orijinal 55-dimansyon yo nan yon pwodiksyon modèl 11-dimansyon, ki gen ladan byomass la nan sèt fonksyonèl / eleman nitritif plankton ak kat pousantaj rezèv eleman nitritif.Valè neglijab ak zòn kouvèti glas dirab.Done yo te estandadize ak estandadize.Bay algorithm t-SNE done 11 dimansyon pou mete aksan sou konbinezon karakteristik estatistik ki sanble.DBSCAN pral ak anpil atansyon chwazi gwoup la pou mete valè paramèt la.Finalman pwojè done yo tounen nan pwojeksyon latitid/lonjitid.Tanpri sonje ke pwosesis sa a repete 10 fwa paske yon ti kras owaza ka pwodwi lè w aplike t-SNE.(B) eksplike kijan pou jwenn AEP a lè w repete workflow la nan (A) 10 fwa.Pou chak nan 10 enplemantasyon sa yo, yo te detèmine matris diferans ant pwovens Bray-Curtis (BC) baze sou byomass 51 kalite fitoplankton.Detèmine diferans BC ant pwovens yo, soti nan konpleksite 1 AEP rive nan konpleksite konplè 115. Longhurst Province tabli referans BC a.
Metòd SAGE a sèvi ak pwodiksyon modèl nimerik 3D fizik/ekosistèm mondyal la pou defini pwovens ekolojik la [Darwin (2);gade Materyèl ak Metòd ak Nòt S1].Konpozan yo nan ekosistèm nan konpoze de 35 espès fitoplankton ak 16 espès zooplankton, ak sèt gwoup fonksyonèl predefini: prokaryot ak ekaryot adapte nan anviwònman ki pa gen anpil nitritif, coccidia ak yon kouch kabonat kalsyòm, ak fikse nitwojèn lou Eleman nitritif azòt (anjeneral ki manke). eleman nitritif enpòtan), ak kouvri silice, ka fè lòt fotosentèz plankton ak patiraj melanje flagellate eleman nitritif ak gadò zooplankton.Span nan gwosè se 0.6 a 2500μm ekivalan dyamèt esferik.Distribisyon modèl gwosè fitoplankton ak gwoupman fonksyonèl kaptire karakteristik jeneral yo wè nan obsèvasyon satelit ak an plas (gade Figi S1 jiska S3).Resanblans ki genyen ant modèl nimerik la ak oseyan obsève a endike ke pwovens ki defini nan modèl la ka aplikab nan oseyan an plas.Tanpri sonje ke modèl sa a sèlman kaptire sèten divèsite nan fitoplankton, ak sèlman sèten chenn fòs fizik ak chimik nan oseyan an situ.Metòd SAGE ka pèmèt moun yo konprann pi byen mekanis kontwòl rejyonal modèl estrikti kominote a.
Lè yo enkli sèlman sòm byomass sifas (ak yon tan mwayèn 20 ane) nan chak gwoup fonksyonèl plankton, dimansyon done yo ka redwi.Apre etid anvan yo te montre wòl kle yo nan etabli estrikti kominote a, li te gen ladan tou tèm sous sifas pou flux eleman nitritif (pwovizyon nitwojèn, fè, fosfat ak asid silik) [eg (20, 21)].Somasyon gwoup fonksyonèl diminye pwoblèm nan soti nan 55 (51 plankton ak 4 flux eleman nitritif) a 11 dimansyon.Nan premye etid sa a, akòz kontrent yo enfòmatik enpoze pa algorithm la, pwofondè ak tan varyab pa te konsidere.
Metòd SAGE a kapab idantifye relasyon enpòtan ant pwosesis ki pa lineyè ak karakteristik kle nan entèraksyon ant byomass gwoup fonksyonèl ak flux eleman nitritif.Sèvi ak done ki genyen 11 dimansyon ki baze sou metòd aprantisaj a distans Euclidean (tankou K-vle di) pa ka jwenn pwovens serye ak repwodiktif (19, 22).Sa a se paske pa gen okenn fòm Gaussian yo jwenn nan distribisyon debaz la nan kovarians nan eleman kle ki defini pwovens ekolojik la.K-mwayen nan selil Voronoi (liy dwat) pa ka kenbe distribisyon debaz ki pa Gauss la.
Byomass sèt gwoup fonksyonèl plankton ak kat flux eleman nitritif fòme yon vektè x 11 dimansyon.Kidonk, x se yon jaden vektè sou kadriyaj modèl la, kote chak eleman xi reprezante yon vektè 11 dimansyon defini sou kadriyaj orizontal modèl la.Chak endèks i inikman idantifye yon pwen kadriyaj sou esfè a, kote (lon, lat) = (ϕi, θi).Si byomass la nan inite gri modèl la se mwens pase 1.2 × 10-3mg Chl / m3 oswa to kouvèti glas la depase 70%, yo itilize boutèy demi lit la nan done byomass epi jete.Done yo nòmalize ak estandadize, kidonk tout done yo nan ranje [0 a 1], yo retire mwayen an epi echèl nan divèjans inite yo.Sa a se fè pou karakteristik yo (Biomass ak flux eleman nitritif) yo pa limite pa kontras la nan seri a nan valè posib.Clustering ta dwe pran relasyon chanjman nan distans kle pwobabilite ant karakteristik yo olye ke distans jeyografik la.Lè yo mezire distans sa yo, karakteristik enpòtan yo parèt, pandan y ap jete detay ki pa nesesè yo.Soti nan yon pwen de vi ekolojik, sa nesesè paske kèk kalite fitoplankton ki gen ti byomass ka gen pi gwo efè byojeochimik, tankou fiksasyon nitwojèn pa bakteri dyazotwofik.Lè estandadize ak nòmalize done yo, kalite kovaryè sa yo pral make.
Lè yo mete aksan sou pwoksimite karakteristik nan espas ki gen gwo dimansyon nan reprezantasyon ki ba dimansyon, yo itilize algorithm t-SNE pou fè rejyon ki deja egziste yo pi klè.Travay anvan yo te vize a bati rezo neral gwo twou san fon pou aplikasyon pou deteksyon aleka yo te itilize t-SNE, ki te pwouve konpetans li nan separe karakteristik kle yo (23).Sa a se yon etap nesesè pou idantifye gwoupman solid nan done karakteristik yo pandan y ap evite solisyon ki pa konvèjan (nòt S2).Sèvi ak nwayo Gaussian, t-SNE prezève pwopriyete estatistik done yo lè li mete kat objè ki gen gwo dimansyon nan yon pwen nan espas faz 3D a, kidonk asire ke pwobabilite pou objè menm jan an nan direksyon ki wo ak ki ba yo wo anpil. espas dimansyon (24).Bay yon seri N objè ki gen gwo dimansyon x1,...,xN, algorithm t-SNE diminye lè w minimize divèjans Kullback-Leibler (KL) (25).KL divergence se yon mezi ki jan diferan yon distribisyon pwobabilite se ak yon dezyèm distribisyon pwobabilite referans, epi li ka efektivman evalye posibilite pou korelasyon ant reprezantasyon ki ba dimansyon nan karakteristik wo dimansyon.Si xi se objè i-yèm nan espas N-dimansyon, xj se objè j-yèm nan espas N-dimansyon, yi se objè i-yèm nan espas ki gen dimansyon ba, ak yj se objè a j-yèm nan espas ki ba. espas -dimansyon, Lè sa a, t -SNE defini pwobabilite resanblans ppj∣i = exp(-∥xi-xj∥2/2σi2)∑k≠iexp(-∥xi-xk∥2/2σi2), ak pou seri rediksyon dimansyon. q∣j = (1+ ∥ yi-yj∥2)-1∑k≠i(1 +∥yj-yk∥2)-1
Figi 2A montre efè redwi byomass ak vektè flux eleman nitritif konbinezon 11 dimansyon nan 3D.Motivasyon pou aplike t-SNE ka konpare ak motivasyon analiz eleman prensipal (PCA), ki itilize atribi divèjans la pou mete aksan sou zòn/atribi done yo, kidonk diminye dimansyon yo.Metòd t-SNE te jwenn siperyè pase PCA nan bay rezilta serye ak repwodiktif pou Ekolojik-Ministè a (gade Nòt S2).Sa a ka paske sipozisyon an orthogonality nan PCA se pa apwopriye pou idantifye entèraksyon kritik ant karakteristik entèaktif trè ki pa lineyè, paske PCA konsantre sou estrikti lineyè covariance (26).Sèvi ak done deteksyon remote, Lunga et al.(27) montre kouman pou itilize metòd SNE pou mete aksan sou karakteristik espèk konplèks ak ki pa lineyè ki devye ak distribisyon Gaussiyen an.
(A) Yon to modèl ekipman nitritif, fitoplankton ak zooplankton gwoup fonksyonèl byomass trase pa algorithm t-SNE a epi koulè pa pwovens lè l sèvi avèk DBSCAN.Chak pwen reprezante yon pwen nan espas ki gen gwo dimansyon, jan yo montre nan Figi 6B, pifò pwen yo kaptire.Arbr yo refere a gwosè "t-SNE" 1, 2 ak 3. (B) Pwojeksyon jewografik pwovens DBSCAN jwenn sou kadriyaj latitid-longitudite orijin lan.Koulè a ta dwe konsidere kòm nenpòt koulè, men yo ta dwe koresponn ak (A).
Pwen yo nan grafik dispèsyon t-SNE nan Figi 2A yo asosye respektivman ak latitid ak lonjitid.Si de pwen yo nan Figi 2A yo pre youn ak lòt, se paske byomass yo ak flux eleman nitritif yo sanble, pa paske yo te pwoksimite jeyografik.Koulè yo nan Figi 2A yo se grap dekouvri lè l sèvi avèk metòd DBSCAN (28).Lè w ap chèche obsèvasyon dans, algorithm DBSCAN itilize distans ki genyen nan reprezantasyon 3D ant pwen yo (ϵ = 0.39; pou enfòmasyon sou chwa sa a, gade Materyèl ak Metòd), epi kantite pwen ki sanble yo oblije defini gwoup la (isit la. 100 pwen, tanpri gade pi wo a).Metòd DBSCAN pa fè okenn sipozisyon sou fòm oswa kantite grap nan done yo, jan yo montre anba a:
3) Pou tout pwen yo idantifye kòm nan distans ki anndan an, repete etap 2 a yon fason iteratif pou detèmine fwontyè gwoup la.Si kantite pwen yo pi gran pase valè minimòm fikse a, li deziyen kòm yon grap.
Done ki pa satisfè minimòm manm gwoup la ak distans ϵ metrik yo konsidere kòm "bri" epi yo pa bay yon koulè.DBSCAN se yon algorithm rapid ak évolutive ak pèfòmans O(n2) nan ka ki pi mal la.Pou analiz aktyèl la, li pa aktyèlman o aza.Se yon evalyasyon ekspè ki detèmine kantite minimòm pwen yo.Apre ajiste distans la apre, rezilta a pa estab ase nan seri a nan ≈±10.Distans sa a etabli lè l sèvi avèk koneksyon (Figi 6A) ak pousantaj kouvèti oseyan (Figi 6B).Koneksyon defini kòm kantite konpoze grap yo epi li sansib a paramèt ϵ la.Koneksyon ki pi ba yo endike yon seri ensifizan, atifisyèlman gwoupe rejyon yo ansanm.Koneksyon segondè endike overfitting.Li se posib yo sèvi ak yon minimòm ki pi wo, men si minimòm nan depase ca, li enposib reyalize yon solisyon serye.135 (Pou plis detay, gade Materyèl ak Metòd).
115 grap yo idantifye nan Figi 2A yo pwojte tounen sou tè a nan Figi 2B.Chak koulè koresponn ak yon konbinezon aderan de faktè byojeochimik ak ekolojik DBSCAN idantifye.Yon fwa yo detèmine grap yo, yo itilize asosyasyon chak pwen nan Figi 2A ak yon latitid ak lonjitid espesifik pou pwojte grap yo tounen nan zòn jeyografik la.Figi 2B montre sa ak koulè gwoup menm jan ak Figi 2A.Koulè menm jan an pa ta dwe entèprete kòm resanblans ekolojik, paske yo asiyen nan lòd nan ki grap yo dekouvri pa algorithm la.
Zòn nan Figi 2B ka kalitatif sanble ak yon zòn etabli nan fizik ak/oswa byojeochimik oseyan an.Pou egzanp, grap yo nan Oseyan Sid la se zòn-simetrik, ak toubiyon oligotwofik parèt, ak tranzisyon an byen file endike enfliyans nan van komès.Pou egzanp, nan Pasifik ekwatoryal la, yo wè diferan rejyon ki gen rapò ak ogmantasyon an.
Yo nan lòd yo konprann anviwònman ekolojik la nan ekolojik-pwovens lan, yon varyasyon nan Bray-Curtis (BC) endèks diferans (29) yo te itilize pou evalye ekoloji a nan gwoup la.Endikatè BC a se yon done estatistik yo itilize pou quantifier diferans nan estrikti kominote ant de sit diferan.Mezi BC a aplikab a byomass 51 espès fitoplankton ak zooplankton BCninj = 1-2CninjSni + Snj
BCninj refere a resanblans ki genyen ant konbinezon ni ak konbinezon nj, kote Cninj se valè minimòm yon sèl kalite byomass ki egziste nan tou de konbinezon ni ak nj, epi Sni reprezante sòm tout byomas ki egziste nan tou de konbinezon ni ak Snj.Diferans BC a se menm jan ak mezi distans la, men opere nan espas ki pa Euclidean, ki gen plis chans yo dwe pi apwopriye pou done ekolojik ak entèpretasyon li yo.
Pou chak gwoup ki idantifye nan Figi 2B, yo ka evalye resanblans ant pwovens ak entè-pwovens BC.Diferans BC nan yon pwovens refere a diferans ki genyen ant valè mwayèn pwovens lan ak chak pwen nan pwovens lan.Diferans ki genyen ant pwovens BC refere a resanblans ki genyen ant yon pwovens ak lòt pwovens.Figi 3A montre yon matris BC simetrik (0, nwa: konplètman korespondan; 1, blan: konplètman diferan).Chak liy nan graf la montre yon modèl nan done yo.Figi 3B montre siyifikasyon jeyografik rezilta BC nan Figi 3A pou chak pwovens.Pou yon pwovens nan yon zòn ki pa gen anpil nitrisyon ak yon zòn ki pa gen anpil nitrisyon, Figi 3B montre ke simetri gwo zòn alantou ekwatè a ak Oseyan Endyen an se fondamantalman menm jan an, men latitid ki pi wo yo ak zòn upwelling yo siyifikativman diferan.
(A) Degre diferans BC evalye pou chak pwovens ki baze sou mwayèn mondyal sifas mondyal 20 ane 51 plankton.Remake simetri yo te espere nan valè yo.(B) Pwojeksyon espasyal yon kolòn (oswa ranje).Pou yon pwovens nan yon sèk distrofik, yo te evalye distribisyon mondyal mezi resanblans BC, epi yo te evalye mwayèn mondyal 20 ane a.Nwa (BC = 0) vle di menm zòn nan, ak blan (BC = 1) vle di pa gen resanblans.
Figi 4A montre diferans nan BC nan chak pwovens nan Figi 2B.Detèmine lè w itilize konbinezon mwayèn zòn mwayèn nan yon gwoup, epi detèmine diferans ki genyen ant BC a ak mwayèn chak pwen kadriyaj nan pwovens lan, li montre ke metòd SAGE a ka byen separe 51 espès ki baze sou resanblans ekolojik la. done modèl.An jeneral, diferans mwayèn gwoup BC nan tout 51 kalite yo se 0.102±0.0049.
(A, B, ak D) Yo evalye diferans BC nan pwovens lan kòm diferans mwayèn BC ant chak kominote pwen kadriyaj ak pwovens mwayèn, epi konpleksite a pa redwi.(2) Diferans mwayèn mondyal ant pwovens BC se 0.227±0.117.Sa a se referans nan klasifikasyon ki baze sou motivasyon ekolojik travay sa a pwopoze [liy vèt nan (C)].(C) Mwayèn diferans ant pwovens BC: Liy nwa a reprezante diferans ant pwovens BC ak konpleksite ogmante.2σ soti nan 10 repetisyon pwosesis idantifikasyon ekolojik-pwovens lan.Pou konpleksite total pwovens yo dekouvri pa DBSCAN, (A) montre ke diferans BC nan pwovens lan se 0.099, ak klasifikasyon konpleksite pwopoze pa (C) se 12, sa ki lakòz yon diferans BC nan pwovens lan 0.200.jan foto a montre.(D).
Nan Figi 4B, yo itilize byomass 51 tip plankton pou reprezante diferans ekivalan BC nan pwovens Longhurst.Mwayèn an jeneral nan chak pwovens se 0.227, ak devyasyon estanda nan pwen yo kadriyaj ak referans a diferans lan nan pwovens BC se 0.046.Sa a pi gwo pase gwoup ki idantifye nan Figi 1B.Olye de sa, lè l sèvi avèk sòm sèt gwoup fonksyonèl yo, diferans mwayèn ant sezon BC nan Longhurst ogmante a 0.232.
Kat jeyografik eko-pwovens mondyal la bay detay konplike sou entèraksyon ekolojik inik ak amelyorasyon yo te fè nan itilize tout estrikti ekosistèm Longhurst Pwovens la.Ministè Ekoloji espere bay yon insight sou pwosesis kontwòl ekosistèm modèl nimerik la, e insight sa a pral ede eksplorasyon travay sou teren an.Pou rezon rechèch sa a, li pa posib pou montre konplètman plis pase yon santèn pwovens.Seksyon kap vini an prezante metòd SAGE ki rezime pwovens yo.
Youn nan objektif pwovens lan se ankouraje konpreyansyon sou kote ak jesyon pwovens lan.Pou detèmine sitiyasyon ijans, metòd ki nan Figi 1B montre nidifikasyon nan pwovens ekolojik ki sanble.Ekolojik-pwovens yo gwoupe ansanm dapre resanblans ekolojik, ak gwoupman sa yo nan pwovens yo rele AEP.Mete yon "konpleksite" reglabl ki baze sou kantite total pwovens yo dwe konsidere.Yo itilize tèm "konpleksite" paske li pèmèt nivo atribi ijans yo dwe ajiste.Yo nan lòd yo defini agrégasyon siyifikatif yo, yo itilize mwayèn diferans ant pwovens BC nan 0.227 soti nan Longhurst kòm referans.Anba referans sa a, pwovens konbine yo pa konsidere itil ankò.
Jan yo montre nan Figi 3B, pwovens ekolojik mondyal yo aderan.Sèvi ak diferans ant pwovens BC, li ka wè ke kèk konfigirasyon yo trè "komen".Enspire pa jenetik ak metòd teyori graf, yo itilize "graf ki konekte" pou klase > 100 pwovens ki baze sou pwovens ki pi sanble ak yo.Paramèt "koneksyon" isit la detèmine lè l sèvi avèk diferans ant pwovens BC (30).Kantite pwovens ki gen yon espas pi gwo pou klasifikasyon > 100 pwovens ka refere yo nan la a kòm konpleksite.AEP se yon pwodwi ki kategorize plis pase 100 pwovens kòm pwovens ekolojik ki pi dominan/pi pre.Chak pwovens ekolojik plase nan pwovens ekolojik dominan/trè konekte ki pi sanble ak yo.Agregasyon sa a detèmine pa diferans BC pèmèt yon apwòch enbrike nan ekoloji mondyal la.
Konpleksite a chwazi a ka nenpòt ki valè soti nan 1 a konpleksite konplè FIG.2A.Nan pi ba konpleksite, AEP ka dejenere akòz etap rediksyon pwobabilite dimansyon (t-SNE).Dejeneresans vle di ke pwovens ekolojik yo ka asiyen nan diferan AEP ant iterasyon, kidonk chanje zòn jeyografik ki kouvri yo.Figi 4C montre pwopagasyon diferans ki genyen ant BC nan pwovens yo nan AEP ki ogmante konpleksite atravè 10 aplikasyon (ilustrasyon nan Figi 1B).Nan Figi 4C, 2σ (zòn ble) se yon mezi degradasyon nan 10 aplikasyon, ak liy vèt la reprezante referans Longhurst la.Reyalite yo te pwouve ke konpleksite a nan 12 ka kenbe diferans lan BC nan pwovens ki anba a referans Longhurst nan tout aplikasyon epi kenbe yon degradasyon relativman ti 2σ.An rezime, konpleksite minimòm rekòmande a se 12 AEP, ak diferans mwayèn BC nan pwovens yo evalye lè l sèvi avèk 51 tip plankton se 0.198±0.013, jan yo montre nan Figi 4D.Sèvi ak sòm sèt gwoup fonksyonèl plankton, diferans mwayèn BC nan pwovens lan se 2σ olye de 0.198±0.004.Konparezon ant diferans BC yo kalkile ak byomass total sèt gwoup fonksyonèl yo oswa byomass tout kalite 51 plankton yo montre ke byenke metòd SAGE aplikab a sitiyasyon 51 dimansyon, li se pou byomass total sèt gwoup fonksyonèl yo. Pou fòmasyon.
Tou depan de objektif nenpòt rechèch, diferan nivo konpleksite ka konsidere.Etid rejyonal yo ka mande pou tout konpleksite (sa vle di, tout 115 pwovens).Kòm yon egzanp ak pou klè, konsidere konpleksite minimòm rekòmande a nan 12.
Kòm yon egzanp sou itilite metòd SAGE a, 12 AEP ak yon konpleksite minimòm de 12 yo itilize isit la pou eksplore kontwòl estrikti kominote ijans la.Figi 5 montre Sur ekolojik gwoupe pa AEP (soti nan A rive L): Nan estekiometri Redfield, limit jeyografik (Figi 5C), konpozisyon byomass gwoup fonksyonèl (Figi 5A) ak rezèv eleman nitritif (Figi 5B) yo fèt pa N Zoomed.Yo montre rapò a (N:Si:P:Fe, 1:1:16:16×103).Pou dènye panèl la, P miltipliye pa 16 ak Fe miltipliye pa 16×103, kidonk graf ba a ekivalan a kondisyon nitrisyonèl fitoplankton.
Pwovens yo klase nan 12 AEPs A a L. (A) Byomass (mgC/m3) nan ekosistèm nan 12 pwovens.(B) To flux eleman nitritif azòt inòganik ki fonn (N), fè (Fe), fosfat (P) ak asid silik (Si) (mmol/m3 pa ane).Fe ak P yo miltipliye pa 16 ak 16 × 103, respektivman, pou bann yo estandadize nan kondisyon fitoplankton estekiometri.(C) Remake diferans ki genyen ant rejyon polè, siklòn subtropikal ak gwo rejyon sezon/ap monte.Estasyon siveyans yo make jan sa a: 1, SEAT;2, ALOHA;3, estasyon P;ak 4, BATS.
AEP idantifye a inik.Gen kèk simetri alantou ekwatè a nan Oseyan Atlantik ak Pasifik la, ak yon zòn ki sanble men elaji egziste nan Oseyan Endyen an.Gen kèk AEP ki anbrase bò lwès kontinan an ki asosye ak monte a.Kouran sikonpolè Pol Sid la konsidere kòm yon gwo karakteristik zòn.Siklòn subtropikal se yon seri konplèks AEP oligotwofik.Nan pwovens sa yo, modèl abitye nan diferans byomass ant toubiyon oligotwofik domine plankton ak rejyon polè ki rich ak diatom se evidan.
AEP ki gen yon byomass fitoplankton total ki sanble anpil ka gen estrikti kominotè trè diferan epi kouvri diferan zòn jeyografik, tankou D, H, ak K, ki gen menm jan biomass fitoplankton total.AEP H sitou egziste nan ekwatoryal Oseyan Endyen an, e gen plis bakteri dyazotwofik.AEP D yo jwenn nan plizyè basen, men li patikilyèman enpòtan nan Pasifik la ozalantou zòn ki gen gwo rannman alantou upwelling ekwatoryal la.Fòm nan pwovens Pasifik sa a se okoumansman de yon tren vag planetè.Gen kèk dyazobakteri nan AEP D, ak plis kòn.Konpare ak de lòt pwovens yo, AEP K sèlman jwenn nan mòn yo nan Oseyan Aktik la, e gen plis diatom ak mwens plankton.Li se vo anyen ke kantite plankton nan twa rejyon sa yo tou trè diferan.Pami yo, abondans plankton AEP K relativman ba, pandan ke AEP D ak H relativman wo.Se poutèt sa, malgre byomas yo (ak Se poutèt sa menm jan ak Chl-a), pwovens sa yo byen diferan: Tès pwovens ki baze sou Chl ka pa kaptire diferans sa yo.
Li evidan tou ke kèk AEP ak byomass trè diferan ka sanble an tèm de estrikti kominote fitoplankton.Pa egzanp, sa vizib nan AEP D ak E. Yo pre youn ak lòt, ak nan Oseyan Pasifik la, AEP E se tou pre AEPJ ki trè pwodiktif.Menm jan an tou, pa gen okenn lyen klè ant byomass fitoplankton ak abondans zooplankton.
AEP ka konprann an tèm de eleman nitritif yo bay yo (Figi 5B).Dyatom egziste sèlman kote ki gen ase rezèv asid silicik.Anjeneral, pi wo rezèv la nan asid silik, se pi wo a byomass nan diatom.Dyatom yo ka wè nan AEP A, J, K ak L. Se rapò a nan byomass diatom parapò ak lòt fitoplankton detèmine pa N, P ak Fe yo bay an parapò ak demann lan diatom.Pou egzanp, AEP L domine pa diatom.Konpare ak lòt eleman nitritif, Si gen rezèv ki pi wo a.Kontrèman, malgre pi wo pwodiktivite, AEP J gen mwens diatom ak mwens rezèv Silisyòm (tout ak relatif ak lòt eleman nitritif).
Bakteri dyazonyòm gen kapasite pou ranje nitwojèn, men grandi tou dousman (31).Yo ansanm ak lòt fitoplankton, kote fè ak fosfò yo twòp parapò ak demann pou eleman nitritif ki pa dyazonyòm (20, 21).Li se vo anyen ke byomass dyazotwofik la relativman wo, ak rezèv la nan Fe ak P se relativman gwo relatif ak rezèv la nan N. Nan fason sa a, byenke byomass total la nan AEP J pi wo, byomass la dyazonium nan AEP H se pi gwo pase sa ki nan J. Tanpri sonje ke AEP J ak H yo jeyografikman trè diferan, epi H sitiye nan ekwatoryal Oseyan Endyen an.
Si estrikti inik ekosistèm lan pa divize an pwovens, konesans yo te jwenn nan modèl ki pi ba konpleksite 12 AEP a pa pral tèlman klè.AEP ki te pwodwi pa SAGE fasilite konparezon aderan ak similtane enfòmasyon konplèks ak gwo dimansyon ki soti nan modèl ekosistèm yo.AEP efektivman mete aksan sou poukisa Chl se pa yon bon metòd altènatif pou detèmine estrikti kominote a oswa abondans zooplankton nan pi wo nivo eleman nitritif.Yon analiz detaye sou sijè rechèch kontinyèl yo depase sijè ki abòde lan atik sa a.Metòd SAGE bay yon fason yo eksplore lòt mekanis nan modèl la ki pi fasil pou okipe pase gade pwen-a-pwen.
Yo pwopoze metòd SAGE a pou ede klarifye done ekolojik ki trè konplèks ki soti nan modèl nimerik fizik/byojeochimik/ekosistèm mondyal yo.Pwovens ekolojik la detèmine pa total byomass gwoup fonksyonèl kwa-plankton, aplikasyon algorithm rediksyon pwobabilite t-SNE ak gwoupman lè l sèvi avèk metòd ML san sipèvizyon DBSCAN.Teyori diferans/graf entè-pwovens BC pou metòd nidifikasyon yo aplike pou derive yon AEP solid ki ka itilize pou entèpretasyon global.An tèm de konstriksyon, Eco-Province ak AEP yo inik.Nidifikasyon AEP a ka ajiste ant konpleksite konplè pwovens ekolojik orijinal la ak papòt minimòm rekòmande 12 AEP.Nidifikasyon ak detèmine konpleksite minimòm AEP yo konsidere kòm etap kle, paske pwobabilite t-SNE dejenere AEP ki gen <12 konpleksite.Metòd SAGE a mondyal, ak konpleksite li varye ant > 100 AEP a 12. Pou senplisite, konsantre aktyèl la se sou konpleksite 12 AEP mondyal yo.Rechèch nan lavni, espesyalman syans rejyonal yo, ka jwenn yon ti sou-ansanm espasyal nan ekolojik-pwovens mondyal yo itil, epi yo ka rasanble nan yon zòn ki pi piti pou pran avantaj de menm insight ekolojik yo diskite isit la.Li bay sijesyon sou fason pwovens ekolojik sa yo ak konesans yo jwenn nan yo ka itilize pou plis konpreyansyon ekolojik, fasilite konparezon modèl, ak potansyèlman amelyore siveyans ekosistèm maren yo.
Pwovens ekolojik la ak metòd SAGE idantifye AEP yo baze sou done ki nan modèl nimerik la.Dapre definisyon, modèl nimerik la se yon estrikti senplifye, ap eseye pran sans nan sistèm sib la, ak modèl diferan pral gen diferan distribisyon plankton.Modèl nimerik yo itilize nan etid sa a pa ka totalman kaptire kèk nan modèl yo obsève (pa egzanp, nan estimasyon Chl pou rejyon ekwatoryal la ak Oseyan Sid la).Se sèlman yon ti pati nan divèsite nan oseyan reyèl la te kaptire, ak meso ak sub-mesoscales yo pa ka rezoud, ki ka afekte flux eleman nitritif ak estrikti kominote pi piti-echèl.Malgre enpèfeksyon sa yo, li sanble ke AEP trè itil nan ede konprann modèl konplèks.Lè yo evalye kote pwovens ekolojik ki sanble yo jwenn, AEP bay yon potansyèl zouti konparezon modèl nimerik.Modèl nimerik aktyèl la kaptire modèl jeneral fitoplankton deteksyon aleka Chl-a konsantrasyon ak distribisyon gwosè plankton ak gwoup fonksyonèl (Remak S1 ak Figi S1) (2, 32).
Jan yo montre nan liy kontou 0.1 mgChl-a/m-3, AEP divize an zòn oligotwofik ak zòn mesotwofik (Figi S1B): AEP B, C, D, E, F ak G se zòn oligotwofik, ak zòn ki rete yo se sitiye pi wo Chl-a.AEP montre kèk korespondans ak Pwovens Longhurst (Figi S3A), pou egzanp, Oseyan Sid la ak Pasifik ekwatoryal la.Nan kèk rejyon, AEP kouvri plizyè rejyon Longhurst, ak vis vèrsa.Piske entansyon pou delimite pwovens nan zòn sa a ak nan Longhurst diferan, li espere ke pral genyen diferans.Plizyè AEP nan yon pwovens Longhurst endike sèten zòn ki gen byojeochimik ki sanble ka gen estrikti ekosistèm trè diferan.AEP montre yon sèten korespondans ak eta fizik yo, jan yo revele lè l sèvi avèk aprantisaj san sipèvizyon (19), tankou nan eta gwo upwelling (pa egzanp, Oseyan Sid la ak Pasifik ekwatoryal la; Figi S3, C ak D).Korespondans sa yo endike estrikti kominotè plankton an enfliyanse anpil pa dinamik oseyan yo.Nan zòn tankou Atlantik Nò, AEP travèse pwovens fizik yo.Mekanis ki lakòz diferans sa yo ka gen ladan pwosesis tankou transpò pousyè, ki ka mennen nan pwogram nitrisyonèl konplètman diferan menm nan kondisyon fizik menm jan an.
Ministè Ekoloji ak AEP fè remake ke lè l sèvi avèk Chl pou kont li pa ka idantifye eleman ekolojik, jan kominote a ekoloji maren te deja reyalize.Sa a se wè nan AEPs ak byomass menm jan an men siyifikativman diferan konpozisyon ekolojik (tankou D ak E).Kontrèman, AEP tankou D ak K gen byomass trè diferan men konpozisyon ekolojik menm jan an.AEP mete aksan sou ke relasyon ki genyen ant byomass, konpozisyon ekolojik ak abondans zooplankton se konplèks.Pou egzanp, byenke AEP J kanpe an tèm de fitoplankton ak biomass plankton, AEP a ak L gen biomass plankton menm jan an, men A gen yon abondans plankton ki pi wo.AEP mete aksan sou ke byomass fitoplankton (oswa Chl) pa ka itilize pou predi byomass zooplankton.Zooplankton se fondasyon chèn alimantè lapèch la, epi estimasyon ki pi egzak yo ka mennen nan pi bon jesyon resous yo.Satelit koulè marin nan lavni [pa egzanp, PACE (plankton, aerosol, nwaj, ak ekosistèm maren)] ka pi byen pozisyone pou ede estime estrikti kominotè fitoplankton.Sèvi ak prediksyon AEP kapab potansyèlman fasilite estimasyon zooplankton nan espas.Metòd tankou SAGE, makonnen ak nouvo teknoloji, ak plis ak plis done jaden ki disponib pou sondaj laverite tèren (tankou Tara ak rechèch swivi), ka ansanm pran yon etap nan direksyon satelit ki baze sou siveyans sante ekosistèm.
Metòd SAGE a bay yon fason pratik pou evalye kèk mekanis ki kontwole karakteristik pwovens yo, tankou byomass/Chl, pwodiksyon primè nèt, ak estrikti kominote a.Pou egzanp, se yon dezekilib nan rezèv la nan Si, N, P, ak Fe ki tabli kantite diatom relatif nan kondisyon fitoplankton esteyyometrik yo.Nan yon pousantaj ekipman balanse, kominote a domine pa diatom (L).Lè to rezèv la dezekilib (ki se, rezèv la nan Silisyòm se pi ba pase demann lan eleman nitritif nan diatom), diatom kont pou sèlman yon ti pòsyon Share (K).Lè rezèv la nan Fe ak P depase rezèv la nan N (pa egzanp, E ak H), bakteri dyazotwofik yo ap grandi kouray.Atravè kontèks AEP bay, eksplorasyon mekanis kontwòl yo ap vin pi itil.
Ekolojik-pwovens la ak AEP se zòn ki gen estrikti kominotè menm jan an.Seri tan ki soti nan yon sèten kote nan yon pwovens ekolojik oswa AEP ka konsidere kòm yon pwen referans epi yo ka reprezante zòn ki kouvri pa pwovens ekolojik la oswa AEP.Estasyon siveyans alontèm sou plas yo bay seri tan sa yo.Ansanm done ki alontèm nan plas yo ap kontinye jwe yon wòl enkapabl.Soti nan pèspektiv nan siveyans estrikti kominote a, metòd SAGE a ka wè kòm yon fason pou ede detèmine kote ki pi itil nan nouvo sit.Pa egzanp, seri tan ki soti nan evalyasyon abita oligotwofik alontèm (ALOHA) se nan AEP B nan zòn oligotwofik la (Figi 5C, etikèt 2).Paske ALOHA pre fwontyè yon lòt AEP, seri tan an gendwa pa reprezante tout zòn nan, jan yo te sijere deja (33).Nan menm AEP B a, seri tan SEATS (Sidès Azyatik Tan Series) sitiye nan sidwès Taiwan (34), pi lwen nan limit lòt AEP yo (Figi 5C, etikèt 1), epi yo ka itilize kòm yon pi bon kote pou kontwole. AEPB.Seri tan BATS (Etid Seri Tan Atlantik Bermuda) (Figi 5C, etikèt 4) nan AEPC se trè pre fwontyè ant AEP C ak F, ki endike ke siveyans AEP C lè l sèvi avèk seri tan BATS ka dirèkteman gen pwoblèm.Estasyon P nan AEP J (Figi 5C, etikèt 3) se lwen fwontyè AEP a, kidonk li pi reprezantatif.Ekolojik-Province a ak AEP ka ede etabli yon kad siveyans ki apwopriye pou evalye chanjman mondyal yo, paske pèmisyon pwovens yo pou evalye kote echantiyon sou plas la ka bay enfòmasyon kle.Metòd SAGE a ka devlope plis pou aplike nan done klima pou evalye varyab pou ekonomize tan.
Siksè metòd SAGE la reyalize grasa aplikasyon ak anpil atansyon metòd syans done/ML ak konesans espesifik nan domèn.Espesyalman, t-SNE yo itilize pou fè rediksyon dimansyon, ki prezève estrikti kovarians done ki gen gwo dimansyon epi fasilite vizyalizasyon topoloji kovarians.Done yo ranje sou fòm bann ak kovarians (Figi 2A), ki endike ke mezi piman ki baze sou distans (tankou K-vle di) yo pa apwopriye paske yo anjeneral itilize yon distribisyon baz Gaussian (sikilè) (diskite nan Nòt S2) .Metòd DBSCAN apwopriye pou nenpòt topoloji kovarians.Osi lontan ke ou peye atansyon sou anviwònman paramèt, yo ka bay idantifikasyon serye.Pri enfòmatik algorithm t-SNE a wo, sa ki limite aplikasyon aktyèl li a nan yon pi gwo kantite done, ki vle di li difisil pou aplike nan jaden pwofon oswa tan ki varye.Travay sou évolutivité t-SNE ap fèt.Depi distans KL fasil pou paralelize, algorithm t-SNE a gen yon bon potansyèl pou ekspansyon nan tan kap vini an (35).Jiskaprezan, lòt metòd rediksyon dimansyon pwomèt ki ka pi byen redwi gwosè a gen ladan teknik apwoksimasyon manifoul inifye ak pwojeksyon (UMAP), men evalyasyon nan kontèks done oseyan yo nesesè.Siyifikasyon an nan pi bon évolutivité se, pou egzanp, klasifye klima mondyal oswa modèl ki gen diferan konpleksite sou yon kouch melanje.Zòn ki pa klase pa SAGE nan nenpòt pwovens ka konsidere kòm pwen nwa ki rete yo nan Figi 2A.Jeyografikman, zòn sa yo se sitou nan zòn ki trè sezonye, ki sijere ke kaptire pwovens ekolojik ki chanje sou tan pral bay pi bon pwoteksyon.
Pou konstwi metòd SAGE, yo te itilize lide ki soti nan sistèm konplèks/syans done yo, lè l sèvi avèk kapasite pou detèmine gwoup gwoup fonksyonèl (posibilite pou yo trè pre nan yon espas 11 dimansyon) epi detèmine pwovens.Pwovens sa yo montre volim espesifik nan espas faz 3D t-SNE nou an.Menm jan an tou, pati Poincaré a ka itilize pou evalye "volim" nan espas eta a okipe pa trajectoire la pou detèmine konpòtman "nòmal" oswa "chaotic" (36).Pou pwodiksyon modèl estatik 11 dimansyon, volim okipe apre done yo konvèti nan yon espas faz 3D ka eksplike menm jan an.Relasyon ki genyen ant zòn jeyografik ak zòn nan espas faz 3D se pa senp, men li ka eksplike an tèm de resanblans ekolojik.Pou rezon sa a, pi konvansyonèl mezi diferans BC pi pito.
Travay nan lavni pral reitilize metòd SAGE pou done ki chanje sezonyelman pou evalye varyasyon espasyal pwovens yo idantifye ak AEP yo.Objektif la nan lavni se sèvi ak metòd sa a pou ede detèmine ki pwovens yo ka detèmine atravè mezi satelit (tankou Chl-a, refleksyon teledeteksyon ak tanperati sifas lanmè).Sa a pral pèmèt evalyasyon teledeteksyon eleman ekolojik ak siveyans trè fleksib nan pwovens ekolojik ak varyasyon yo.
Objektif rechèch sa a se prezante metòd SAGE, ki defini yon pwovens ekolojik atravè estrikti inik plankton kominote li a.Isit la, yo pral bay plis enfòmasyon detaye sou modèl fizik/biogeochimique/ekosistèm ak seleksyon paramèt algoritm t-SNE ak DBSCAN yo.
Konpozan fizik modèl la soti nan estimasyon sikilasyon oseyan ak klima [ECCOv4;(37) estimasyon eta mondyal ki dekri nan (38).Rezolisyon nominal estimasyon eta a se 1/5.Metòd pi piti kare ak metòd miltiplikatè Lagranjyen yo itilize pou jwenn kondisyon inisyal ak fwontyè yo ak paramèt modèl entèn yo ajiste pa obsèvasyon, kidonk jenere yon modèl sik jeneral MIT (MITgcm) (39), modèl la Apre optimize, rezilta yo kapab. dwe swiv ak obsève.
Biogeochemistry/ekosistèm nan gen yon deskripsyon pi konplè (sa vle di ekwasyon ak valè paramèt) nan (2).Modèl la kaptire sikilasyon C, N, P, Si ak Fe atravè letan inòganik ak òganik.Vèsyon an itilize isit la gen ladan 35 espès fitoplankton: 2 espès mikroprokaryot ak 2 espès mikroeukaryot (apwopriye pou anviwònman ki pa gen anpil nitritif), 5 espès Cryptomonas sphaeroides (ak kouch kabonat kalsyòm), 5 espès dyazonyòm (Ka ranje nitwojèn, kidonk). li pa limite) disponiblite azòt inòganik ki fonn), 11 diatom (ki fòme yon kouvèti silice), 10 flagellat vejetatif melanje (ka fè fotosintez epi manje lòt plankton) ak 16 Zooplankton (graze sou lòt plankton).Yo rele sa yo "gwoup fonksyonèl biogeochemical" paske yo gen diferan efè sou biogeochemistry maren (40, 41) epi yo souvan itilize nan obsèvasyon ak etid modèl.Nan modèl sa a, chak gwoup fonksyonèl konpoze de plizyè plankton nan diferan gwosè, ak yon span nan 0.6 a 2500 μm ekivalan dyamèt esferik.
Paramèt ki afekte kwasans fitoplankton, patiraj ak koule yo gen rapò ak gwosè, e gen diferans espesifik ant sis gwoup fonksyonèl fitoplankton yo (32).Malgre diferan kad fizik yo, rezilta 51 konpozan plankton modèl la te itilize nan yon kantite etid resan (42-44).
Soti nan 1992 rive 2011, modèl kouti fizik/biogeochimique/ekosistèm lan te kouri pou 20 ane.Pwodiksyon modèl la gen ladan biomass plankton, konsantrasyon eleman nitritif ak pousantaj ekipman pou eleman nitritif (DIN, PO4, Si ak Fe).Nan etid sa a, yo te itilize mwayèn 20 ane rezilta sa yo kòm opinyon Pwovens Ekolojik la.Chl, distribisyon an nan biomass plankton ak konsantrasyon eleman nitritif ak distribisyon an nan gwoup fonksyonèl yo konpare ak obsèvasyon satelit ak nan plas [gade (2, 44), Remak S1 ak figi.S1 rive S3].
Pou metòd la SAGE, sous prensipal la nan o aza soti nan etap la t-SNE.Randomness anpeche repetibilite, ki vle di ke rezilta yo pa fyab.Metòd SAGE teste solidè a lè li detèmine yon seri paramèt t-SNE ak DBSCAN, ki ka toujou idantifye grap yo lè yo repete.Detèmine "perplexity" nan paramèt t-SNE la ka konprann kòm detèmine degre nan ki kat la soti nan gwo a ba dimansyon ta dwe respekte karakteristik lokal yo oswa mondyal nan done yo.Te rive nan konfizyon 400 ak 300 iterasyon.
Pou algorithm clustering DBSCAN, gwosè minimòm ak distans metrik pwen done yo nan gwoup la bezwen detèmine.Se kantite minimòm ki detèmine anba pedagojik ekspè yo.Konesans sa a konnen ki sa ki adapte aktyèl kad modèl nimerik ak rezolisyon an.Nimewo minimòm nan se 100. Yo ka konsidere yon valè minimòm ki pi wo (mwens pase <135 anvan limit siperyè vèt la vin pi laj), men li pa ka ranplase metòd agrégasyon ki baze sou diferans BC.Se degre nan koneksyon (Figi 6A) yo itilize yo mete paramèt la ϵ, ki se fezab nan pi wo pwoteksyon (Figi 6B).Koneksyon defini kòm kantite konpoze grap yo epi li sansib a paramèt ϵ la.Koneksyon ki pi ba yo endike yon seri ensifizan, atifisyèlman gwoupe rejyon yo ansanm.Koneksyon segondè endike overfitting.Overfitting se pwoblèm tou, paske li montre ke inisyal devine o aza ka mennen nan rezilta ki pa repwodwi.Ant de ekstrèm sa yo, yon ogmantasyon byen file (anjeneral yo rele "koud") endike pi bon ϵ.Nan Figi 6A, ou wè yon ogmantasyon byen file nan zòn plato a (jòn,> 200 grap), ki te swiv pa yon diminisyon byen file (vèt, 100 grap), jiska apeprè 130, ki te antoure pa trè kèk grap (ble, <60 grap) ).Nan omwen 100 zòn ble, swa yon gwoup domine tout oseyan an (ϵ <0.42), oswa pi fò nan oseyan an pa klase epi yo konsidere kòm bri (ϵ> 0.99).Zòn jòn la gen yon distribisyon grap trè varyab, ki pa repwodiktif.Kòm ϵ diminye, bri a ogmante.Zòn vèt ki ogmante sevè a rele koud.Sa a se yon rejyon pi bon.Malgre ke pwobabilite t-SNE yo itilize, diferans BC nan pwovens lan ka toujou itilize pou detèmine gwoupman serye.Sèvi ak Figi 6 (A ak B), mete ϵ a 0.39.Pi gwo kantite minimòm lan, se pi piti pwobabilite pou rive nan ϵ ki pèmèt klasifikasyon serye, ak pi gwo zòn vèt la ak yon valè ki pi gran pase 135. Elajisman nan zòn sa a endike ke koud la ap pi difisil jwenn oswa ki pa-. ki egziste.
Apre yo fin mete paramèt t-SNE yo, yo pral sèvi ak kantite total grap yo te jwenn kòm yon mezi koneksyon (A) ak pousantaj done ki afekte nan gwoup la (B).Pwen wouj la endike pi bon konbinezon pwoteksyon ak koneksyon.Nimewo minimòm lan tabli dapre kantite minimòm ki gen rapò ak ekoloji.
Pou materyèl siplemantè pou atik sa a, tanpri gade http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/22/eaay4740/DC1
Sa a se yon atik aksè ouvè ki distribye dapre kondisyon Creative Commons Attribution License.Atik la pèmèt itilizasyon, distribisyon, ak repwodiksyon san restriksyon nan nenpòt mwayen anba kondisyon ke travay orijinal la byen site.
Remak: Nou sèlman mande w bay adrès imel ou a pou moun ou rekòmande pou paj la konnen ke ou vle yo wè imel la e ke li pa spam.Nou p ap pran okenn adrès imel.
Kesyon sa a itilize pou teste si ou se yon vizitè epi anpeche otomatik soumèt spam.
Ministè Global Ekoloji Marin detèmine pou rezoud pwoblèm konplèks epi sèvi ak ML san sipèvizyon pou eksplore estrikti kominotè yo.
Ministè Global Ekoloji Marin detèmine pou rezoud pwoblèm konplèks epi sèvi ak ML san sipèvizyon pou eksplore estrikti kominotè yo.
Tan poste: Jan-12-2021