Ọna ẹkọ ti ko ni abojuto ni a dabaa lati pinnu awọn agbegbe ilolupo omi okun agbaye (awọn agbegbe agbegbe) ti o da lori eto agbegbe plankton ati data ṣiṣan ounjẹ.Ọna agbegbe ilolupo eleto (SAGE) le ṣe idanimọ awọn agbegbe ilolupo ni awọn awoṣe ilolupo ilolupo ti kii ṣe lainidi pupọ.Lati le ṣe deede si ibaramu ti kii ṣe Gaussian ti data naa, SAGE nlo ifisinu adugbo laileto (t-SNE) lati dinku iwọn.Pẹlu iranlọwọ ti ohun elo ariwo ti o da lori isunmọ-orisun iwuwo (DBSCAN) algorithm, diẹ sii ju ọgọrun awọn agbegbe ilolupo le ṣe idanimọ.Lilo maapu Asopọmọra pẹlu awọn iyatọ ilolupo bi iwọn ijinna kan, agbegbe ilolupo ilolupo ti o lagbara (AEP) jẹ asọye ni imunadoko nipasẹ awọn agbegbe ilolupo ti o ni itẹle.Lilo awọn AEP, iṣakoso ti oṣuwọn ipese ounjẹ lori eto agbegbe ni a ṣawari.Eco-province ati AEP jẹ alailẹgbẹ ati pe o le ṣe iranlọwọ itumọ awoṣe.Wọn le dẹrọ awọn afiwera laarin awọn awoṣe ati pe o le jẹki oye ati ibojuwo ti awọn ilolupo eda abemi omi okun.
Awọn agbegbe jẹ awọn agbegbe nibiti a ti ṣeto itan-akọọlẹ igbesi aye ti o nipọn lori okun tabi ilẹ si awọn agbegbe ibaramu ati ti o nilari (1).Awọn agbegbe wọnyi ṣe pataki pupọ fun ifiwera ati awọn ipo iyatọ, sisọ awọn akiyesi, abojuto ati aabo.Awọn ibaraenisepo eka ati ti kii ṣe laini ti o ṣe agbejade awọn agbegbe wọnyi jẹ ki awọn ọna ikẹkọ ẹrọ ti ko ni abojuto (ML) dara pupọ fun ṣiṣe ipinnu awọn agbegbe ni ifojusọna, nitori ifọkanbalẹ ninu data jẹ eka ati kii ṣe Gaussian.Nibi, ọna ML kan ni a dabaa, eyiti o ṣe afihan ni ọna ṣiṣe idanimọ awọn agbegbe ilolupo oju omi alailẹgbẹ (awọn agbegbe agbegbe) lati Darwin agbaye onisẹpo mẹta (3D) awoṣe ti ara / ilolupo (2).Oro naa “oto” ni a lo lati tọka pe agbegbe ti a damọ ko ni lqkan ni kikun pẹlu awọn agbegbe miiran.Ọna yii ni a pe ni ọna System Integrated Ecological Province (SAGE).Lati le ṣe isọdi ti o wulo, ọna algorithm nilo lati gba laaye (i) iyasọtọ agbaye ati (ii) itupalẹ iwọn-pupọ ti o le jẹ itẹ-ẹiyẹ / ṣajọpọ ni aaye ati akoko (3).Ninu iwadi yii, ọna SAGE ni a kọkọ dabaa ati pe a ti jiroro awọn agbegbe agbegbe ti a mọ.Awọn agbegbe agbegbe le ṣe agbega oye ti awọn nkan ti o ṣakoso igbekalẹ agbegbe, pese awọn oye ti o wulo fun awọn ilana ibojuwo, ati ṣe iranlọwọ orin awọn ayipada ninu ilolupo ilolupo.
Awọn agbegbe ilẹ ni a maa n pin ni ibamu si awọn ibajọra ni oju-ọjọ (ojoriro ati otutu), ile, eweko, ati ẹranko, ati pe a lo fun iṣakoso iranlọwọ, iwadii ipinsiyeleyele, ati iṣakoso arun (1, 4).Awọn agbegbe omi ni o nira sii lati ṣalaye.Pupọ awọn oganisimu jẹ airi, pẹlu awọn aala ito.Longhurst et al.(5) Ti pese ọkan ninu awọn ipin akọkọ agbaye ti Ile-iṣẹ ti Oceanography ti o da lori awọn ipo ayika.Itumọ ti awọn agbegbe “Longhurst” wọnyi pẹlu awọn oniyipada bii iwọn idapọmọra, isọdi, ati irradiance, bakanna bi iriri gigun ti Longhurst gẹgẹbi oluyaworan okun, ti o ni awọn ipo pataki miiran fun awọn ilolupo eda abemi okun.Longhurst ti lo lọpọlọpọ, fun apẹẹrẹ, lati ṣe ayẹwo iṣelọpọ akọkọ ati awọn ṣiṣan erogba, awọn ipeja iranlọwọ, ati ero ni awọn iṣẹ akiyesi ipo (5-9).Lati le ṣalaye awọn agbegbe ni ifojusọna diẹ sii, awọn ọna bii ọgbọn ironu ati ikojọpọ/awọn iṣiro ti ko ni abojuto ti agbegbe ni a ti lo (9-14).Idi ti iru awọn ọna bẹ ni lati ṣe idanimọ awọn ẹya ti o nilari ti o le ṣe idanimọ awọn agbegbe ni data akiyesi ti o wa.Fun apẹẹrẹ, awọn agbegbe omi okun ti o ni agbara (12) lo awọn maapu iṣeto-ara-ẹni lati dinku ariwo, ati lo iṣakojọpọ eto-igi (orisun igi) lati pinnu awọn ọja awọ omi ti o wa lati awọn satẹlaiti agbegbe [chlorophyll a (Chl-a), giga laini Fluorescence deede ati awọ tituka Organic ọrọ] ati ti ara aaye (okun dada otutu ati salinity, idi ìmúdàgba topography ati okun yinyin).
Eto agbegbe ti plankton jẹ ibakcdun nitori ilolupo rẹ ni ipa nla lori awọn ipele ounjẹ ti o ga julọ, gbigba erogba ati afefe.Bibẹẹkọ, o tun jẹ idija ati ibi-afẹde lati pinnu agbegbe ilolupo agbaye kan ti o da lori eto agbegbe ti plankton.Awọn satẹlaiti awọ omi okun le pese awọn oye sinu isọdi-ipin ti phytoplankton tabi daba awọn anfani ti awọn ẹgbẹ iṣẹ (15), ṣugbọn wọn ko lagbara lọwọlọwọ lati pese alaye alaye lori eto agbegbe.Awọn iwadii aipẹ [fun apẹẹrẹ Tara Ocean (16)] n pese awọn wiwọn airotẹlẹ ti eto agbegbe;Lọwọlọwọ, awọn akiyesi ibi-aye nikan lo wa lori iwọn agbaye (17).Awọn ijinlẹ iṣaaju ti pinnu ni pataki “Agbegbe Biogeochemical” (12, 14, 18) ti o da lori ipinnu awọn ibajọra biokemika (gẹgẹbi iṣelọpọ akọkọ, Chl ati ina to wa).Nibi, awoṣe nọmba ni a lo lati ṣejade [Darwin(2)], ati pe agbegbe ilolupo jẹ ipinnu ni ibamu si eto agbegbe ati ṣiṣan ounjẹ.Awoṣe nọmba ti a lo ninu iwadi yii ni agbegbe agbaye ati pe o le ṣe afiwe pẹlu data aaye ti o wa tẹlẹ (17) ati awọn aaye oye jijin (Akiyesi S1).Awọn data awoṣe nọmba ti a lo ninu iwadi yii ni anfani ti agbegbe agbaye.Awoṣe ilolupo eda ni awọn eya 35 ti phytoplankton ati awọn eya 16 ti zooplankton (jọwọ tọka si awọn ohun elo ati awọn ọna).Awọn oriṣi plankton awoṣe ṣe ibaraenisepo lainidi pẹlu awọn ẹya isọdọkan ti kii-Gaussian, nitorinaa awọn ọna iwadii ti o rọrun ko dara fun idamo awọn ilana alailẹgbẹ ati ibaramu ni awọn ẹya agbegbe ti o dide.Ọna SAGE ti a ṣafihan nibi pese ọna aramada lati ṣayẹwo abajade ti awọn awoṣe Darwin eka.
Awọn agbara iyipada ti o lagbara ti imọ-ẹrọ data/imọ-ẹrọ ML le jẹ ki awọn solusan awoṣe ti o ni iwọnju lọpọlọpọ lati ṣafihan idiju ṣugbọn awọn ẹya ti o lagbara ni isomọ data.Ọna ti o lagbara ni asọye bi ọna ti o le ṣe ẹda awọn abajade ni otitọ laarin iwọn aṣiṣe ti a fun.Paapaa ninu awọn ọna ṣiṣe ti o rọrun, ipinnu awọn ilana ti o lagbara ati awọn ifihan agbara le jẹ ipenija.Titi di mimọ ti o yori si apẹẹrẹ ti a ṣe akiyesi, idiju ti n yọ jade le dabi idiju / nira lati yanju.Ilana bọtini ti iṣeto akojọpọ ti ilolupo eda abemi jẹ aiṣedeede ni iseda.Aye ti awọn ibaraẹnisọrọ ti kii ṣe laini le ṣe idamu ipinya to lagbara, nitorinaa o jẹ dandan lati yago fun awọn ọna ti o ṣe awọn arosinu ti o lagbara nipa pinpin iṣiro ipilẹ ti isomọ data.Awọn iwọn-giga ati data aiṣedeede jẹ wọpọ ni oceanography ati pe o le ni eto isomọ pẹlu eka, topology ti kii ṣe Gaussian.Botilẹjẹpe data pẹlu eto isọdọkan ti kii ṣe Gaussian le ṣe idiwọ isọdi ti o lagbara, ọna SAGE jẹ aramada nitori pe o ṣe apẹrẹ lati ṣe idanimọ awọn iṣupọ pẹlu awọn topologies lainidii.
Ibi-afẹde ti ọna SAGE ni lati ṣe idanimọ awọn ilana ti o dide ti o le ṣe iranlọwọ oye imọ-jinlẹ siwaju sii.Ni atẹle iṣan-iṣẹ ti o da lori iṣupọ kan ti o jọra si (19), awọn oniyipada ilolupo eda ati ounjẹ ni a lo lati pinnu iṣupọ nikan ninu data naa, ti a pe ni agbegbe ilolupo.Ọna SAGE ti a dabaa ninu iwadi yii (Nọmba 1) kọkọ dinku iwọn lati 55 si awọn iwọn 11 nipa sisọpọ awọn ẹgbẹ iṣẹ ṣiṣe ti plankton ti ṣalaye iṣaaju (wo Awọn ohun elo ati Awọn ọna).Lilo t-ID aládùúgbò ifibọ (t-SNE) ọna, awọn iwọn ti wa ni siwaju dinku nipa siseto iṣeeṣe sinu 3D aaye.Iṣijọpọ ti ko ni abojuto le ṣe idanimọ awọn agbegbe isunmọ ti ilolupo [iṣupọ-orisun iwuwo (DBSCAN) fun awọn ohun elo orisun ariwo].Mejeeji t-SNE ati DBSCAN jẹ iwulo si data awoṣe onikaki ilolupo ilolupo ti kii ṣe laini.Lẹhinna tun ṣe agbejade agbegbe ilolupo ti o yọrisi si ilẹ-aye.Diẹ ẹ sii ju ọgọrun awọn agbegbe agbegbe alailẹgbẹ ti jẹ idanimọ, o dara fun iwadii agbegbe.Lati le gbero awoṣe ilolupo ilolupo agbaye, ọna SAGE ni a lo lati ṣajọpọ awọn agbegbe ilolupo si awọn agbegbe ilolupo ilolupo (AEP) lati mu imunadoko ti awọn agbegbe ilolupo.Ipele akojọpọ (ti a npe ni "complexity") le ṣe atunṣe si ipele ti alaye ti o nilo.Ṣe ipinnu idiju ti o kere julọ ti AEP ti o lagbara.Idojukọ aṣayan jẹ ọna SAGE ati ṣawari awọn ọran AEP ti o kere julọ lati pinnu iṣakoso ti eto agbegbe pajawiri.Awọn ilana le lẹhinna ṣe atupale lati pese awọn oye ilolupo.Ọna ti a ṣafihan nibi tun le ṣee lo fun lafiwe awoṣe diẹ sii, fun apẹẹrẹ, nipa iṣiro awọn ipo ti awọn agbegbe ilolupo ti o jọra ti a rii ni awọn awoṣe oriṣiriṣi lati ṣe afihan awọn iyatọ ati awọn ibajọra, lati ṣe afiwe awọn awoṣe.
(A) Aworan atọka ti iṣan-iṣẹ fun ṣiṣe ipinnu agbegbe agbegbe;lilo apao ni ẹgbẹ iṣẹ-ṣiṣe lati dinku data atilẹba 55-iwọn si abajade awoṣe onisẹpo 11, pẹlu biomass ti iṣẹ-ṣiṣe meje / plankton onje ati awọn oṣuwọn ipese eroja mẹrin.Ti aifiyesi iye ati ti o tọ yinyin ideri agbegbe.Awọn data ti wa ni idiwon ati idiwon.Pese data onisẹpo 11 si t-SNE algorithm lati ṣe afihan awọn akojọpọ ẹya ti o jọra ni iṣiro.DBSCAN yoo farabalẹ yan iṣupọ lati ṣeto iye paramita naa.Lakotan ṣe akanṣe data naa pada si isọtẹlẹ latitude/longitude.Jọwọ ṣe akiyesi pe ilana yii tun jẹ igba mẹwa 10 nitori aileto diẹ le jẹ ipilẹṣẹ nipasẹ lilo t-SNE.(B) ṣe alaye bi o ṣe le gba AEP nipa atunwi ṣiṣan iṣẹ ni (A) awọn akoko 10.Fun ọkọọkan awọn imuse 10 wọnyi, matrix aiṣedeede inter-provincial Bray-Curtis (BC) jẹ ipinnu da lori baomasi ti awọn oriṣi phytoplankton 51.Ṣe ipinnu iyatọ BC laarin awọn agbegbe, lati idiju 1 AEP si idiju kikun 115. Aṣeto BC ti ṣeto nipasẹ Longhurst Province.
Ọna SAGE nlo abajade ti 3D agbaye ti ara / ilolupo awoṣe nọmba lati ṣalaye agbegbe ilolupo [Darwin (2);wo Awọn ohun elo ati Awọn ọna ati Akọsilẹ S1].Awọn ẹya ara ẹrọ ilolupo jẹ ti awọn ẹya 35 ti phytoplankton ati awọn ẹya 16 ti zooplankton, pẹlu awọn ẹgbẹ iṣẹ ti a ti pinnu tẹlẹ: awọn prokaryotes ati awọn eukaryotes ti a ṣe deede si awọn agbegbe kekere-ounjẹ, coccidia pẹlu ideri kaboneti kalisiomu, ati imuduro nitrogen eru Nitrogen (nigbagbogbo nsọnu). pataki eroja), pẹlu siliceous ibora, le ṣe miiran plankton photosynthesis ati grazing adalu eroja flagellates ati zooplankton darandaran.Iwọn iwọn jẹ 0.6 si 2500μm deede iwọn ila opin iyipo.Pipin awoṣe ti iwọn phytoplankton ati akojọpọ iṣẹ-ṣiṣe n gba awọn abuda gbogbogbo ti a rii ni satẹlaiti ati awọn akiyesi inu-ipo (wo Awọn nọmba S1 si S3).Ijọra laarin awoṣe nọmba ati okun ti a ṣe akiyesi tọkasi pe awọn agbegbe ti a ṣalaye nipasẹ awoṣe le wulo si okun inu-ile.Jọwọ ṣakiyesi pe awoṣe yii nikan gba awọn oniruuru ti phytoplankton, ati awọn sakani ipa ti ara ati kemikali nikan ti okun ni ipo.Ọna SAGE le jẹ ki awọn eniyan ni oye daradara si ilana iṣakoso agbegbe ti eto agbegbe awoṣe.
Nipa pẹlu nikan ni apao ti dada baomasi (pẹlu aropin akoko ti 20 ọdun) ni kọọkan plankton iṣẹ-ṣiṣe ẹgbẹ, awọn iwọn ti awọn data le dinku.Lẹhin awọn ẹkọ iṣaaju fihan ipa pataki wọn ni iṣeto eto agbegbe, o tun pẹlu awọn ofin orisun orisun fun awọn ṣiṣan ounjẹ (ipese ti nitrogen, iron, phosphate and silicic acid) [fun apẹẹrẹ (20, 21)].Akopọ ti awọn ẹgbẹ iṣẹ-ṣiṣe dinku iṣoro naa lati 55 (51 plankton ati awọn ṣiṣan ounjẹ 4) si awọn iwọn 11.Ninu iwadi akọkọ yii, nitori awọn idiwọ iṣiro ti a fi lelẹ nipasẹ algorithm, ijinle ati iyipada akoko ko ni imọran.
Ọna SAGE ni anfani lati ṣe idanimọ awọn ibatan pataki laarin awọn ilana ti kii ṣe lainidi ati awọn ẹya pataki ti awọn ibaraẹnisọrọ laarin biomass ẹgbẹ iṣẹ ati ṣiṣan ounjẹ.Lilo data onisẹpo 11 ti o da lori awọn ọna ikẹkọ ijinna Euclidean (bii K-tumosi) ko le gba igbẹkẹle ati awọn agbegbe ti o le ṣe atunṣe (19, 22).Eyi jẹ nitori pe ko si apẹrẹ Gaussian ti a rii ni pinpin ipilẹ ti isomọ ti awọn eroja pataki ti o ṣalaye agbegbe ilolupo.Awọn ọna K ti awọn sẹẹli Voronoi (awọn laini taara) ko le ṣe idaduro pinpin ipilẹ ti kii-Gaussian.
Biomass ti awọn ẹgbẹ iṣẹ ṣiṣe plankton meje ati awọn ṣiṣan ounjẹ mẹrin jẹ ẹya fekito onisẹpo 11 x.Nitorinaa, x jẹ aaye fekito lori akoj awoṣe, nibiti ipin kọọkan xi ṣe aṣoju fekito onisẹpo 11 ti a ṣalaye lori akoj petele awoṣe.Atọka kọọkan i ṣe idanimọ aaye akoj lori aaye, nibiti (lon, lat) = (ϕi, θi).Ti o ba ti baomasi ti awọn awoṣe akoj kuro jẹ kere ju 1.2×10-3mg Chl/m3 tabi awọn yinyin oṣuwọn agbegbe koja 70%, awọn log ti baomasi data ti wa ni lilo ati ki o sọnu.Awọn data ti wa ni deede ati idiwon, nitorina gbogbo data wa ni ibiti o ti [0 si 1], a ti yọkuro ati iwọn si iyatọ kuro.Eyi ni a ṣe ki awọn ẹya ara ẹrọ (biomass ati ṣiṣan ounjẹ) ko ni opin nipasẹ iyatọ ninu iwọn awọn iye to ṣeeṣe.Pipọpọ yẹ ki o gba ibatan iyipada lati aaye iṣeeṣe bọtini laarin awọn ẹya dipo ijinna agbegbe.Nipa ṣe iwọn awọn ijinna wọnyi, awọn ẹya pataki farahan, lakoko ti awọn alaye ti ko wulo jẹ asonu.Lati oju iwoye ilolupo, eyi jẹ pataki nitori diẹ ninu awọn oriṣi phytoplankton pẹlu baomasi kekere le ni awọn ipa biogeochemical ti o tobi julọ, gẹgẹbi imuduro nitrogen nipasẹ awọn kokoro arun diazotrophic.Nigbati iwọntunwọnsi ati data deede, awọn iru awọn akojọpọ wọnyi yoo jẹ afihan.
Nipa tẹnumọ isunmọ awọn ẹya ni aaye iwọn-giga ni aṣoju iwọn-kekere, t-SNE algorithm ni a lo lati jẹ ki awọn agbegbe ti o jọra ti o wa tẹlẹ ṣe kedere.Iṣẹ iṣaaju ti a pinnu lati kọ awọn nẹtiwọọki nkankikan ti o jinlẹ fun awọn ohun elo oye latọna jijin ti a lo t-SNE, eyiti o ṣe afihan ọgbọn rẹ ni ipinya awọn ẹya bọtini (23).Eyi jẹ igbesẹ to ṣe pataki lati ṣe idanimọ iṣupọ to lagbara ninu data ẹya lakoko ti o yago fun awọn solusan ti kii ṣe iyipada (akọsilẹ S2).Lilo awọn kernels Gaussian, t-SNE ṣe itọju awọn ohun-ini iṣiro ti data nipa ṣiṣe aworan aworan ohun-elo giga kọọkan si aaye kan ni aaye alakoso 3D, nitorinaa rii daju pe iṣeeṣe ti awọn nkan ti o jọra ni awọn itọsọna giga ati kekere jẹ giga ni giga- aaye onisẹpo (24).Fi fun eto N awọn nkan onisẹpo giga x1,…,xN, t-SNE algorithm dinku nipa didinkuro Kullback-Leibler (KL) divergence (25).Iyatọ KL jẹ iwọn ti bii o ṣe yatọ si pinpin iṣeeṣe jẹ lati pinpin iṣeeṣe itọkasi keji, ati pe o le ṣe iṣiro imunadoko iṣeeṣe ibamu laarin awọn aṣoju iwọn-kekere ti awọn ẹya iwọn-giga.Ti xi ba jẹ nkan i-th ni aaye N-dimensional, xj jẹ nkan j-th ni aaye N-iwọn, yi ni ohun i-th ni aaye kekere, ati yj jẹ ohun j-th ni kekere. -dimensional space, lẹhinna t -SNE n ṣalaye iṣeeṣe ibajọra ppj∣i = exp(-∥xi-xj∥2/2σi2)∑k≠iexp(-∥xi-xk∥2/2σi2), ati fun eto idinku iwọn. q∣j = (1+ ∥ yi-yj∥2)-1∑k≠i(1 +∥yj-yk∥2)-1
Olusin 2A n ṣe afihan ipa ti idinku baomasi ati awọn ifọpa ṣiṣan eroja ti apapọ onisẹpo 11 si 3D.Iwuri ti lilo t-SNE ni a le ṣe afiwe pẹlu iwuri ti itupalẹ paati akọkọ (PCA), eyiti o nlo ẹda iyatọ lati tẹnumọ agbegbe / ikasi ti data naa, nitorinaa idinku iwọn.Ọna t-SNE ni a rii pe o ga ju PCA lọ ni pipese awọn abajade ti o gbẹkẹle ati ẹda fun Eco-Ministry (wo Akọsilẹ S2).Eyi le jẹ nitori arosọ orthogonality ti PCA ko dara fun idamo awọn ibaraenisepo to ṣe pataki laarin awọn ẹya ibaraenisepo ti kii ṣe lainidi, nitori PCA dojukọ awọn ẹya isomọ laini (26).Lilo data oye latọna jijin, Lunga et al.(27) ṣe apejuwe bi o ṣe le lo ọna SNE lati ṣe afihan eka ati awọn ẹya aiṣedeede aiṣedeede ti o yapa lati pinpin Gaussian.
(A) Oṣuwọn ipese ounjẹ ti a ṣe apẹrẹ, phytoplankton ati zooplankton iṣẹ ṣiṣe baomasi ti a ya nipasẹ t-SNE algorithm ati awọ nipasẹ agbegbe ni lilo DBSCAN.Ojuami kọọkan jẹ aṣoju aaye kan ni aaye iwọn-giga, bi o ṣe han ni Nọmba 6B, ọpọlọpọ awọn aaye ni a mu.Awọn ọpa tọka si awọn iwọn “t-SNE” awọn iwọn 1, 2 ati 3. (B) Isọtẹlẹ agbegbe ti agbegbe ti a rii nipasẹ DBSCAN lori akoj-gungitude ti ipilẹṣẹ.Awọ yẹ ki o gba bi eyikeyi awọ, ṣugbọn o yẹ ki o ni ibamu si (A).
Awọn ojuami ninu t-SNE tuka Idite ni Figure 2A ti wa ni lẹsẹsẹ ni nkan ṣe pẹlu latitude ati ìgùn.Ti awọn aaye meji ti o wa ni Nọmba 2A ba sunmọ ara wọn, nitori pe biomass wọn ati awọn ṣiṣan ounjẹ jẹ iru, kii ṣe nitori isunmọ agbegbe.Awọn awọ ni olusin 2A jẹ awọn iṣupọ ti a ṣe awari nipa lilo ọna DBSCAN (28).Nigbati o ba n wa awọn akiyesi ipon, DBSCAN algorithm nlo aaye ni aṣoju 3D laarin awọn aaye (ϵ = 0.39; fun alaye nipa yiyan yii, wo Awọn ohun elo ati Awọn ọna), ati pe nọmba awọn aaye ti o jọra ni a nilo lati ṣalaye iṣupọ (nibi 100 ojuami, jọwọ wo loke).Ọna DBSCAN ko ṣe awọn arosinu eyikeyi nipa apẹrẹ tabi nọmba awọn iṣupọ ninu data, bi a ṣe han ni isalẹ:
3) Fun gbogbo awọn aaye ti a mọ bi laarin ijinna laarin, tun ṣe igbesẹ 2 ni igbagbogbo lati pinnu aala iṣupọ.Ti nọmba awọn aaye ba tobi ju iye to kere ju ti a ṣeto lọ, o jẹ apẹrẹ bi iṣupọ kan.
Awọn data ti ko ni ibamu pẹlu ọmọ ẹgbẹ iṣupọ ti o kere julọ ati ijinna ϵ metric ni a gba si “ariwo” ati pe ko ṣe iyasọtọ awọ kan.DBSCAN jẹ algorithm ti o yara ati iwọn pẹlu iṣẹ O (n2) ni ọran ti o buru julọ.Fun awọn ti isiyi onínọmbà, o jẹ ko gangan ID.Nọmba ti o kere julọ ti awọn aaye jẹ ipinnu nipasẹ igbelewọn amoye.Lẹhin ti n ṣatunṣe ijinna lẹhin, abajade ko ni iduroṣinṣin to ni ibiti o ti ≈ ± 10.A ṣeto ijinna yii nipa lilo isopọmọ (Aworan 6A) ati ipin ogorun agbegbe okun (olusin 6B).Asopọmọra jẹ asọye bi nọmba akojọpọ awọn iṣupọ ati pe o ni itara si paramita ϵ.Asopọmọra isalẹ tọkasi ibamu ti ko to, akojọpọ awọn agbegbe lasan papọ.Ga Asopọmọra tọkasi overfitting.O ti wa ni lakaye lati lo kan ti o ga kere, ṣugbọn ti o ba kere koja ca, o jẹ soro lati se aseyori kan gbẹkẹle ojutu.135 (Fun alaye diẹ sii, wo Awọn ohun elo ati Awọn ọna).
Awọn iṣupọ 115 ti a damọ ni Nọmba 2A jẹ iṣẹ akanṣe pada sori ilẹ ni Nọmba 2B.Àwọ̀ kọ̀ọ̀kan ní ìbámu pẹ̀lú àkópọ̀ ìsopọ̀ṣọ̀kan ti kẹ́míkà kẹ́míkà àti àwọn ohun abẹ̀mí tí a dámọ̀sí nípasẹ̀ DBSCAN.Ni kete ti a ti pinnu awọn iṣupọ, idapọ ti aaye kọọkan ni Nọmba 2A pẹlu latitude kan pato ati longitude ni a lo lati ṣe akanṣe awọn iṣupọ pada si agbegbe agbegbe.Olusin 2B ṣe apejuwe eyi pẹlu awọn awọ iṣupọ kanna bi olusin 2A.Awọn awọ ti o jọra ko yẹ ki o tumọ bi ibajọra ilolupo, nitori pe wọn ti sọtọ nipasẹ aṣẹ ti a ṣe awari awọn iṣupọ nipasẹ algorithm.
Agbegbe ti o wa ni Nọmba 2B le jẹ qualitatively iru si agbegbe ti iṣeto ni ti ara ati/tabi biogeochemistry ti okun.Fun apẹẹrẹ, awọn iṣupọ ni Okun Gusu jẹ agbegbe-symmetrical, pẹlu awọn iyipo oligotrophic ti o han, ati iyipada didasilẹ tọkasi ipa ti awọn afẹfẹ iṣowo.Fun apẹẹrẹ, ni equatorial Pacific, awọn agbegbe oriṣiriṣi ti o ni ibatan si dide ni a rii.
Lati le ni oye agbegbe ilolupo ti Eco-Province, iyatọ ti Bray-Curtis (BC) atọka iyatọ (29) ni a lo lati ṣe iṣiro ilolupo eda ni iṣupọ.Atọka BC jẹ data iṣiro ti a lo lati ṣe iwọn iyatọ ninu eto agbegbe laarin awọn aaye oriṣiriṣi meji.Iwọn BC jẹ iwulo si biomass ti awọn ẹya 51 ti phytoplankton ati zooplankton BCninj = 1-2CninjSni + Snj
BCninj n tọka si ibajọra laarin apapo ni ati apapo nj, nibiti Cninj jẹ iye ti o kere ju ti iru baomasi kan ṣoṣo ti o wa ninu awọn akojọpọ mejeeji ni ati nj, ati Sni ṣe aṣoju apao gbogbo awọn baomasi ti o wa ninu awọn akojọpọ mejeeji ni ati Snj.Iyatọ BC jẹ iru si iwọn ijinna, ṣugbọn n ṣiṣẹ ni aaye ti kii ṣe Euclidean, eyiti o ṣee ṣe pe o dara julọ fun data ilolupo ati itumọ rẹ.
Fun iṣupọ kọọkan ti a damọ ni Nọmba 2B, ibajọra ti agbedemeji agbegbe ati laarin agbegbe BC ni a le ṣe ayẹwo.Iyatọ BC laarin agbegbe kan tọka si iyatọ laarin iye apapọ ti agbegbe ati aaye kọọkan ni agbegbe naa.Iyatọ laarin awọn agbegbe BC n tọka si ibajọra laarin agbegbe kan ati awọn agbegbe miiran.Olusin 3A fihan a symmetrical BC matrix (0, dudu: patapata bamu; 1, funfun: patapata dissimilar).Laini kọọkan ninu awọn aworan fihan apẹrẹ kan ninu data naa.Nọmba 3B ṣe afihan pataki agbegbe ti awọn abajade ti BC ni Nọmba 3A fun agbegbe kọọkan.Fun agbegbe kan ni agbegbe ounjẹ kekere ati kekere, olusin 3B fihan pe ifọwọyi ti awọn agbegbe nla ni ayika equator ati Okun India jẹ ipilẹ ti o jọra, ṣugbọn awọn latitude giga ati awọn agbegbe igbega yatọ pupọ.
(A) Iwọn iyatọ BC ti a ṣe iṣiro fun agbegbe kọọkan ti o da lori apapọ 20-ọdun agbaye ni aropin dada agbaye ti 51 plankton.Ṣakiyesi ijẹẹmu ti a nireti ti awọn iye.(B) Isọtẹlẹ aye ti iwe kan (tabi kana).Fun agbegbe kan ninu Circle dystrophic kan, pinpin agbaye ti iwọn ibajọra BC ni a ṣe ayẹwo, ati pe aropin 20-ọdun agbaye ni iṣiro.Dudu (BC = 0) tumo si agbegbe kanna, ati funfun (BC = 1) tumo si ko si ibajọra.
Nọmba 4A ṣe afihan iyatọ ninu BC laarin agbegbe kọọkan ni Nọmba 2B.Ti pinnu nipasẹ lilo apapọ apapọ ti agbegbe apapọ ni iṣupọ kan, ati ipinnu aibikita laarin BC ati itumọ ti aaye akoj kọọkan ni agbegbe naa, o fihan pe ọna SAGE le ya sọtọ awọn ẹya 51 ti o da lori ibajọra ilolupo Iru data awoṣe.Apapọ iṣupọ apapọ BC aibikita ti gbogbo awọn oriṣi 51 jẹ 0.102 ± 0.0049.
(A, B, ati D) Iyatọ BC laarin agbegbe naa jẹ iṣiro bi aropin BC iyatọ laarin agbegbe aaye akoj kọọkan ati agbegbe apapọ, ati pe eka naa ko dinku.(2) Iyatọ laarin agbegbe-agbegbe BC ni agbaye ni 0.227 ± 0.117.Eyi ni aami ipilẹ ti isọdi ti o da lori iwuri ilolupo ti a dabaa nipasẹ iṣẹ yii [laini alawọ ewe ni (C)].(C) Iyatọ laarin agbegbe-ipinlẹ BC ni apapọ: Laini dudu duro fun iyatọ laarin agbegbe BC pẹlu idiju ti o pọ si.2σ wa lati awọn atunwi 10 ti ilana idanimọ agbegbe-ilu.Fun awọn lapapọ complexity ti awọn agbegbe awari nipa DBSCAN, (A) fihan wipe awọn BC dissimilarity ni ekun 0.099, ati complexity classification dabaa nipa (C) 12, Abajade ni a BC dissimilarity pa 0.200 ni ekun.bi aworan fihan.(D).
Ni olusin 4B, baomasi ti awọn oriṣi plankton 51 ni a lo lati ṣe aṣoju iyatọ BC deede ni agbegbe Longhurst.Apapọ apapọ ti agbegbe kọọkan jẹ 0.227, ati iyatọ boṣewa ti awọn aaye akoj pẹlu itọkasi iyatọ ni agbegbe BC jẹ 0.046.Eyi tobi ju iṣupọ ti a damọ ni Nọmba 1B.Dipo, ni lilo apapọ awọn ẹgbẹ iṣẹ meje, aropin laarin-akoko BC aiṣedeede ni Longhurst pọ si 0.232.
Maapu agbegbe ilolupo agbaye n pese awọn alaye inira ti awọn ibaraenisepo ilolupo eda ati awọn ilọsiwaju ti a ti ṣe ni lilo gbogbo eto ilolupo ti Agbegbe Longhurst.Ile-iṣẹ ti Ekoloji ni a nireti lati pese oye si ilana ti iṣakoso ilolupo awoṣe nọmba, ati oye yii yoo ṣe iranlọwọ fun iṣawari ti iṣẹ aaye.Fun idi ti iwadii yii, ko ṣee ṣe lati ṣafihan ni kikun ju awọn agbegbe ọgọrun lọ.Abala ti o tẹle n ṣafihan ọna SAGE ti o ṣe akopọ awọn agbegbe.
Ọkan ninu awọn idi ti agbegbe ni lati ṣe agbega oye ti ipo ati iṣakoso agbegbe naa.Lati pinnu awọn ipo pajawiri, ọna ti o wa ni Nọmba 1B ṣe afihan itẹ-ẹiyẹ ti awọn agbegbe ti o jọra ti ilolupo.Awọn agbegbe agbegbe jẹ akojọpọ papọ da lori ibajọra ilolupo, ati pe iru akojọpọ awọn agbegbe ni a pe ni AEP.Ṣeto “idiju” adijositabulu ti o da lori nọmba lapapọ ti awọn agbegbe lati gbero.Ọrọ naa "iṣoro" ni a lo nitori pe o ngbanilaaye ipele ti awọn abuda pajawiri lati ṣatunṣe.Lati le ṣalaye awọn akojọpọ ti o nilari, aropin laarin agbegbe BC iyatọ ti 0.227 lati Longhurst ni a lo bi ala-ilẹ.Ni isalẹ ala-ilẹ yii, awọn agbegbe apapọ ko ni imọran iwulo mọ.
Gẹgẹbi a ṣe han ni Nọmba 3B, awọn agbegbe ilolupo agbaye jẹ iṣọkan.Lilo awọn iyatọ BC laarin agbegbe, o le rii pe diẹ ninu awọn atunto jẹ “wọpọ”.Atilẹyin nipasẹ awọn Jiini ati awọn ọna ilana ayaworan, “awọn aworan ti o sopọ” ni a lo lati to> awọn agbegbe 100 ti o da lori awọn agbegbe ti o jọra julọ si wọn.Metiriki “Asopọmọra” nibi ti pinnu nipa lilo aibikita laarin agbegbe BC (30).Nọmba awọn agbegbe ti o ni aaye ti o tobi julọ fun isọdi ti> awọn agbegbe 100 ni a le tọka si ninu rẹ bi idiju.AEP jẹ ọja ti o ṣe ipin diẹ sii ju awọn agbegbe 100 bi awọn agbegbe agbegbe ti o ga julọ / ti o sunmọ julọ.Agbegbe ilolupo kọọkan ni a yàn si agbegbe ti o ni agbara / ti o ni asopọ pupọ ti o jọra si wọn.Akopọ yii ti pinnu nipasẹ iyatọ BC ngbanilaaye ọna itẹ-ẹiyẹ si ilolupo agbaye.
Idiju ti a yan le jẹ iye eyikeyi lati 1 si idiju pipe ti FIG.2A.Ni idiju kekere, AEP le dinku nitori igbesẹ idinku iwọn iwọn iṣeeṣe (t-SNE).Ibajẹ tumọ si pe awọn agbegbe ilolupo le jẹ sọtọ si oriṣiriṣi AEPs laarin awọn iterations, nitorinaa yiyipada agbegbe agbegbe ti o bo.Nọmba 4C ṣe afihan itankale awọn iyatọ BC laarin awọn agbegbe ni awọn AEP ti idiju ti o pọ si kọja awọn imuse 10 (apẹẹrẹ ni Nọmba 1B).Ni olusin 4C, 2σ (agbegbe buluu) jẹ iwọn ti ibajẹ ni awọn imuse 10, ati laini alawọ ewe duro fun ala-ilẹ Longhurst.Awọn otitọ ti fihan pe idiju ti 12 le tọju iyatọ BC ni agbegbe ni isalẹ aami ala Longhurst ni gbogbo awọn imuse ati ṣetọju ibajẹ 2σ kekere kan.Ni akojọpọ, idiju ti a ṣe iṣeduro ti o kere julọ jẹ awọn AEPs 12, ati apapọ laarin agbegbe BC iyatọ ti a ṣe ayẹwo nipa lilo awọn iru plankton 51 jẹ 0.198 ± 0.013, bi o ṣe han ni Nọmba 4D.Lilo apapọ awọn ẹgbẹ iṣẹ ṣiṣe plankton meje, aropin BC iyatọ laarin agbegbe jẹ 2σ dipo 0.198± 0.004.Ifiwera laarin awọn iyatọ BC ti a ṣe iṣiro pẹlu biomass lapapọ ti awọn ẹgbẹ iṣẹ meje tabi biomass ti gbogbo awọn oriṣi plankton 51 fihan pe botilẹjẹpe ọna SAGE wulo si ipo iwọn 51, o jẹ fun biomass lapapọ ti awọn ẹgbẹ iṣẹ meje. Fun ikẹkọ.
Ti o da lori idi ti eyikeyi iwadii, awọn ipele oriṣiriṣi ti idiju ni a le gbero.Awọn ẹkọ agbegbe le nilo idiju kikun (ie, gbogbo awọn agbegbe 115).Gẹgẹbi apẹẹrẹ ati fun mimọ, ro idiju iṣeduro ti o kere ju ti 12.
Gẹgẹbi apẹẹrẹ ti IwUlO ti ọna SAGE, 12 AEPs pẹlu idiju ti o kere ju ti 12 ni a lo nibi lati ṣawari iṣakoso ti eto agbegbe pajawiri.Nọmba 5 ṣe apejuwe awọn oye ilolupo ti a ṣe akojọpọ nipasẹ AEP (lati A si L): Ni Redfield stoichiometry, iwọn agbegbe (Nọmba 5C), akopọ baomasi ẹgbẹ iṣẹ-ṣiṣe (Nọmba 5A) ati ipese ounjẹ (Nọmba 5B) ni a ṣe nipasẹ N Zoomed.Ipin (N:Si:P:Fe, 1:1:16:16×103) ti han.Fun ẹgbẹ ti o kẹhin, P pọ nipasẹ 16 ati Fe pupọ nipasẹ 16 × 103, nitorinaa iwọn igi jẹ deede si awọn ibeere ijẹẹmu ti phytoplankton.
Awọn agbegbe ti pin si 12 AEPs A si L. (A) Biomass (mgC/m3) ti awọn ilolupo eda ni awọn agbegbe 12.(B) Oṣuwọn ṣiṣan ounjẹ ti a tuka ti nitrogen inorganic (N), iron (Fe), fosifeti (P) ati silicic acid (Si) (mmol/m3 fun ọdun kan).Fe ati P ti wa ni isodipupo nipasẹ 16 ati 16×103, lẹsẹsẹ, ki awọn ila ti wa ni idiwon to phytoplankton stoichiometry awọn ibeere.(C) Ṣe akiyesi iyatọ laarin awọn agbegbe pola, awọn cyclones subtropical ati awọn agbegbe akoko pataki / dide.Awọn ibudo ibojuwo ti wa ni samisi bi atẹle: 1, SEATS;2, ALOHA;3, ibudo P;ati 4, BATS.
AEP ti a mọ jẹ alailẹgbẹ.Apẹrẹ diẹ wa ni ayika equator ni Okun Atlantiki ati Pacific, ati agbegbe ti o jọra ṣugbọn ti o gbooro wa ni Okun India.Diẹ ninu awọn AEP gba apa iwọ-oorun ti kọnputa ti o ni nkan ṣe pẹlu igoke.Iwayi Pole Circumpolar Gusu ni a gba bi ẹya agbegbe nla kan.Iji-ji-ofurufu jẹ lẹsẹsẹ eka ti AEP oligotrophic.Ni awọn agbegbe wọnyi, ilana ti o faramọ ti awọn iyatọ baomasi laarin awọn iyipo oligotrophic ti o jẹ gaba lori plankton ati awọn agbegbe pola ọlọrọ diatomu jẹ kedere.
Awọn AEP ti o jọra pupọ biomass phytoplankton lapapọ le ni awọn ẹya agbegbe ti o yatọ pupọ ati bo awọn agbegbe agbegbe ti o yatọ, bii D, H, ati K, eyiti o ni iru baomasi phytoplankton lapapọ.AEP H ni pato wa ni Equatorial Okun India, ati pe awọn kokoro arun diazotrophic diẹ sii.AEP D ni a rii ni ọpọlọpọ awọn agbada, ṣugbọn o ṣe pataki julọ ni Pacific ni ayika awọn agbegbe ikore giga ni ayika igbega equatorial.Apẹrẹ ti agbegbe Pacific yii jẹ iranti ti ọkọ oju-irin igbi aye kan.Awọn diazobacteria diẹ wa ni AEP D, ati awọn cones diẹ sii.Ti a ṣe afiwe pẹlu awọn agbegbe meji miiran, AEP K nikan ni a rii ni awọn oke giga ti Okun Arctic, ati pe awọn diatomu diẹ sii ati awọn planktons diẹ.O tọ lati ṣe akiyesi pe iye plankton ni awọn agbegbe mẹta wọnyi tun yatọ pupọ.Lara wọn, opo plankton ti AEP K kere diẹ, nigba ti ti AEP D ati H jẹ giga.Nitorinaa, laibikita biomass wọn (ati nitorinaa iru si Chl-a), awọn agbegbe wọnyi yatọ pupọ: Idanwo agbegbe ti o da lori Chl le ma gba awọn iyatọ wọnyi.
O tun han gbangba pe diẹ ninu awọn AEP ti o yatọ pupọ biomass le jẹ iru ni awọn ofin ti eto agbegbe phytoplankton.Fun apẹẹrẹ, eyi han ni AEP D ati E. Wọn wa ni isunmọ si ara wọn, ati ni Okun Pasifiki, AEP E sunmo AEPJ ti o ga julọ.Bakanna, ko si ọna asopọ ti o daju laarin phytoplankton biomass ati ọpọlọpọ zooplankton.
AEP le ni oye ni awọn ofin ti awọn ounjẹ ti a pese fun wọn (Figure 5B).Diatoms nikan wa nibiti ipese silicic acid wa lọpọlọpọ.Ni gbogbogbo, ti ipese ti silicic acid ba ga julọ, biomass ti diatoms ga.A le rii Diatoms ni AEP A, J, K ati L. Ipin ti diatomu baomasi ni ibatan si phytoplankton miiran jẹ ipinnu nipasẹ N, P ati Fe ti a pese ni ibatan si ibeere diatomu.Fun apẹẹrẹ, AEP L jẹ gaba lori nipasẹ diatomu.Ti a bawe pẹlu awọn ounjẹ miiran, Si ni ipese ti o ga julọ.Ni idakeji, pelu iṣelọpọ ti o ga julọ, AEP J ni awọn diatomu diẹ ati ipese silikoni ti o dinku (gbogbo ati ibatan si awọn eroja miiran).
Awọn kokoro arun Diazonium ni agbara lati ṣatunṣe nitrogen, ṣugbọn dagba laiyara (31).Wọn n gbe pẹlu phytoplankton miiran, nibiti irin ati irawọ owurọ ti pọ ju ni ibatan si ibeere fun awọn ounjẹ ti kii ṣe diazonium (20, 21).O tọ lati ṣe akiyesi pe diazotrophic biomass jẹ iwọn giga, ati ipese Fe ati P jẹ ibatan ti o tobi si ipese N. Ni ọna yii, botilẹjẹpe lapapọ biomass ni AEP J ga julọ, diazonium biomass ni AEP H jẹ ti o tobi ju ti J. Jọwọ ṣakiyesi pe AEP J ati H yatọ pupọ ni agbegbe, ati H wa ni Okun India Equatorial.
Ti eto ilolupo alailẹgbẹ ko ba pin si awọn agbegbe, awọn oye ti a gba lati awọn awoṣe idiju ti o kere julọ ti AEP 12 kii yoo han gbangba.AEP ti ipilẹṣẹ nipasẹ SAGE n ṣe irọrun isomọ ati afiwe nigbakanna ti eka ati alaye iwọn-giga lati awọn awoṣe ilolupo.AEP ni imunadoko tẹnumọ idi ti Chl kii ṣe ọna ti o dara ati yiyan lati pinnu eto agbegbe tabi ọpọlọpọ zooplankton ni awọn ipele ounjẹ ti o ga julọ.Itupalẹ alaye ti awọn akọle iwadii ti nlọ lọwọ kọja ipari ti nkan yii.Ọna SAGE n pese ọna lati ṣawari awọn ilana miiran ni awoṣe ti o rọrun lati mu ju wiwo-si-ojuami lọ.
Ọna SAGE ni a dabaa lati ṣe iranlọwọ lati ṣalaye alaye ilolupo pupọ julọ lati awọn awoṣe ti ara agbaye / biogeochemical/ ilolupo eda.Agbegbe ilolupo jẹ ipinnu nipasẹ apapọ baomasi ti awọn ẹgbẹ iṣẹ ṣiṣe agbelebu-plankton, ohun elo ti t-SNE iṣeeṣe idinku alugoridimu ati iṣupọ nipa lilo ọna ML ti ko ni abojuto DBSCAN.Iyatọ laarin agbegbe BC/aworan atọka fun ọna itẹ-ẹiyẹ ni a lo lati gba AEP ti o lagbara ti o le ṣee lo fun itumọ agbaye.Ni awọn ofin ti ikole, Eco-Province ati AEP jẹ alailẹgbẹ.Titẹle AEP le ṣe atunṣe laarin idiju kikun ti agbegbe ilolupo atilẹba ati iloro ti o kere ju ti a ṣeduro ti 12 AEPs.Itẹ-ẹiyẹ ati ṣiṣe ipinnu idiju ti o kere julọ ti AEP ni a gba bi awọn igbesẹ bọtini, nitori iṣeeṣe t-SNE dinku AEPs ti <12 complexity.Ọna SAGE jẹ agbaye, ati awọn sakani idiju rẹ lati> 100 AEPs si 12. Fun ayedero, idojukọ lọwọlọwọ wa lori idiwọn ti 12 agbaye AEPs.Iwadi ojo iwaju, paapaa awọn ẹkọ agbegbe, le rii ipin aaye kekere ti awọn agbegbe ilolupo agbaye ti o wulo, ati pe o le ṣajọpọ ni agbegbe ti o kere ju lati lo anfani awọn oye ilolupo kanna ti a jiroro nibi.O pese awọn didaba lori bii awọn agbegbe ilolupo wọnyi ati awọn oye ti o gba lati ọdọ wọn ṣe le ṣee lo fun oye ilolupo eda abemi, dẹrọ afiwera awoṣe, ati pe o le ni ilọsiwaju ibojuwo ti awọn ilolupo eda abemi okun.
Agbegbe ilolupo ati AEP ti a damọ nipasẹ ọna SAGE da lori data ninu awoṣe nọmba.Nipa itumọ, awoṣe nọmba jẹ ọna ti o rọrun, ngbiyanju lati mu idi pataki ti eto ibi-afẹde, ati awọn awoṣe oriṣiriṣi yoo ni pinpin oriṣiriṣi ti plankton.Awoṣe nọmba ti a lo ninu iwadi yii ko le gba ni kikun diẹ ninu awọn ilana ti a ṣe akiyesi (fun apẹẹrẹ, ninu awọn iṣiro Chl fun agbegbe equatorial ati Gusu Okun).Nikan apakan kekere ti oniruuru ti o wa ninu okun gidi ni a mu, ati pe meso ati sub-mesoscales ko le ṣe ipinnu, eyiti o le ni ipa lori ṣiṣan ounjẹ ati eto agbegbe ti o kere ju.Pelu awọn ailagbara wọnyi, o han pe AEP wulo pupọ ni iranlọwọ lati ni oye awọn awoṣe eka.Nipa ṣiṣe iṣiro nibiti o ti rii awọn agbegbe ilolupo ti o jọra, AEP n pese irinṣẹ lafiwe awoṣe nọmba ti o pọju.Awoṣe oni nọmba lọwọlọwọ n gba apẹrẹ gbogbogbo ti oye jijin phytoplankton Chl-a fojusi ati pinpin iwọn plankton ati ẹgbẹ iṣẹ (Akiyesi S1 ati Nọmba S1) (2, 32).
Gẹgẹbi a ti fihan nipasẹ 0.1 mgChl-a/m-3 laini contour, AEP ti pin si agbegbe oligotrophic ati agbegbe mesotrophic (Figure S1B): AEP B, C, D, E, F ati G jẹ awọn agbegbe oligotrophic, ati awọn agbegbe to ku jẹ be High Chl-a.AEP ṣe afihan diẹ ninu awọn ifọrọranṣẹ pẹlu Longhurst Province (Figure S3A), fun apẹẹrẹ, Okun Gusu ati Equatorial Pacific.Ni diẹ ninu awọn agbegbe, AEP ni wiwa ọpọlọpọ awọn agbegbe Longhurst, ati ni idakeji.Niwọn igba ti ero ti ipinpinpin awọn agbegbe ni agbegbe yii ati Longhurst yatọ, o nireti pe awọn iyatọ yoo wa.Awọn AEP pupọ ni agbegbe Longhurst tọka si pe awọn agbegbe kan pẹlu biogeochemistry ti o jọra le ni awọn ẹya ilolupo ti o yatọ pupọ.AEP ṣe afihan ifọrọranṣẹ kan pẹlu awọn ipinlẹ ti ara, bi o ti ṣafihan nipa lilo ẹkọ ti ko ni abojuto (19), gẹgẹbi ni awọn ipinlẹ igbega giga (fun apẹẹrẹ, Okun Gusu ati Equatorial Pacific; Nọmba S3, C ati D).Awọn ifọrọwerọ wọnyi tọka pe eto agbegbe ti plankton ni ipa ni agbara nipasẹ awọn agbara agbara okun.Ni awọn agbegbe bii Ariwa Atlantic, AEP kọja awọn agbegbe ti ara.Ilana ti o fa awọn iyatọ wọnyi le pẹlu awọn ilana bii gbigbe eruku, eyiti o le ja si awọn eto ijẹẹmu ti o yatọ patapata paapaa labẹ awọn ipo ti ara ti o jọra.
Ile-iṣẹ ti Ekoloji ati AEP tọka si pe lilo Chl nikan ko le ṣe idanimọ awọn paati ilolupo, nitori agbegbe ilolupo oju omi ti mọ tẹlẹ.Eyi ni a rii ni awọn AEP pẹlu biomass ti o jọra ṣugbọn o yatọ pupọ akojọpọ ilolupo (bii D ati E).Ni idakeji, awọn AEP gẹgẹbi D ati K ni oriṣiriṣi baomasi pupọ ṣugbọn akojọpọ ilolupo.AEP n tẹnuba pe ibatan laarin baomasi, akopọ ilolupo ati ọpọlọpọ zooplankton jẹ eka.Fun apẹẹrẹ, botilẹjẹpe AEP J duro ni awọn ofin ti phytoplankton ati biomass plankton, AEP's A ati L ni iru baomass plankton, ṣugbọn A ni opo plankton ti o ga julọ.AEP tẹnu mọ pe phytoplankton baomass (tabi Chl) ko ṣee lo lati ṣe asọtẹlẹ zooplankton baomasi.Zooplankton jẹ ipilẹ ti pq ounje ipeja, ati pe awọn iṣiro deede diẹ sii le ja si iṣakoso awọn orisun to dara julọ.Awọn satẹlaiti awọ oju omi ti ojo iwaju [fun apẹẹrẹ, PACE (plankton, aerosol, cloud, and tona abemi)] le wa ni ipo ti o dara julọ lati ṣe iranlọwọ ṣe iṣiro eto agbegbe ti phytoplankton.Lilo asọtẹlẹ AEP le ni irọrun dẹrọ iṣiro ti zooplankton lati aaye.Awọn ọna bii SAGE, pẹlu awọn imọ-ẹrọ tuntun, ati siwaju ati siwaju sii data aaye ti o wa fun awọn iwadii otitọ ilẹ (gẹgẹbi Tara ati iwadii atẹle), le ṣe igbesẹ ni apapọ si ibojuwo eto ilolupo ti o da lori satẹlaiti.
Ọna SAGE n pese ọna irọrun lati ṣe iṣiro diẹ ninu awọn ọna ṣiṣe ti o ṣakoso awọn abuda agbegbe, gẹgẹbi biomass/Chl, iṣelọpọ akọkọ net, ati eto agbegbe.Fun apẹẹrẹ, iye ibatan ti diatoms ti ṣeto nipasẹ aiṣedeede ni ipese Si, N, P, ati Fe ni ibatan si awọn ibeere stoichiometric phytoplankton.Ni iwọn ipese iwọntunwọnsi, agbegbe jẹ gaba lori nipasẹ diatoms (L).Nigbati oṣuwọn ipese ko ni iwọntunwọnsi (iyẹn ni, ipese ohun alumọni jẹ kekere ju ibeere ounjẹ ti diatoms), akọọlẹ diatoms fun ipin kekere kan Pin (K).Nigbati ipese Fe ati P ba kọja ipese N (fun apẹẹrẹ, E ati H), awọn kokoro arun diazotrophic yoo dagba ni agbara.Nipasẹ ọrọ-ọrọ ti AEP ti pese, iṣawari ti awọn ilana iṣakoso yoo di iwulo diẹ sii.
Eco-Province ati AEP jẹ awọn agbegbe pẹlu awọn ẹya agbegbe ti o jọra.Awọn jara akoko lati ipo kan laarin agbegbe ilolupo tabi AEP ni a le gba bi aaye itọkasi ati pe o le ṣe aṣoju agbegbe ti agbegbe ti agbegbe tabi AEP ti bo.Awọn ibudo ibojuwo igba pipẹ lori aaye pese iru jara akoko.Awọn eto data inu-igba pipẹ yoo tẹsiwaju lati ṣe ipa ti ko ni iṣiro.Lati oju-ọna ti ibojuwo eto agbegbe, ọna SAGE ni a le rii bi ọna lati ṣe iranlọwọ lati pinnu ipo ti o wulo julọ ti awọn aaye tuntun.Fun apẹẹrẹ, jara akoko lati igbelewọn ibugbe oligotrophic igba pipẹ (ALOHA) wa ni AEP B ti agbegbe oligotrophic (Figure 5C, aami 2).Nitoripe ALOHA ti sunmo si aala ti AEP miiran, jara akoko le ma jẹ aṣoju fun gbogbo agbegbe, gẹgẹbi a ti daba tẹlẹ (33).Ni AEP B kanna, awọn akoko SEATS (Southeast Asia Time Series) wa ni guusu iwọ-oorun Taiwan (34), ti o jinna si awọn aala ti awọn AEPs miiran (Figure 5C, aami 1), ati pe o le ṣee lo bi ipo ti o dara julọ lati ṣe atẹle. AEPB.BATS (Bermuda Atlantic Time Series Study) jara akoko (Figure 5C, aami 4) ni AEPC jẹ isunmọ si aala laarin AEP C ati F, eyiti o tọka si pe ibojuwo AEP C nipa lilo jara akoko BATS le jẹ iṣoro taara.Ibusọ P ni AEP J (Figure 5C, aami 3) jina si aala AEP, nitorina o jẹ aṣoju diẹ sii.Eco-Province ati AEP le ṣe iranlọwọ idasile ilana ibojuwo ti o yẹ fun iṣiro awọn iyipada agbaye, nitori igbanilaaye awọn agbegbe lati ṣe ayẹwo nibiti iṣapẹẹrẹ aaye le pese awọn oye bọtini.Ọna SAGE le ni idagbasoke siwaju sii lati lo si data oju-ọjọ lati ṣe ayẹwo iyipada fifipamọ akoko.
Aṣeyọri ti ọna SAGE jẹ aṣeyọri nipasẹ ohun elo iṣọra ti imọ-jinlẹ data / awọn ọna ML ati imọ-ašẹ kan pato.Ni pataki, t-SNE ni a lo lati ṣe idinku iwọn iwọn, eyiti o ṣe itọju igbekalẹ isomọ ti data iwọn-giga ati irọrun iworan ti topology covariance.Awọn data ti wa ni idayatọ ni irisi awọn ila ati awọn ifọkanbalẹ (Nọmba 2A), ti o nfihan pe awọn iwọn ti o da lori ijinna (gẹgẹbi awọn ọna K) ko yẹ nitori wọn nigbagbogbo lo pinpin ipilẹ Gaussian (ipin) (ti a jiroro ni Akọsilẹ S2) .Ọna DBSCAN dara fun eyikeyi topology covariance.Niwọn igba ti o ba san ifojusi si eto awọn paramita, idanimọ ti o gbẹkẹle le pese.Iye owo iširo ti t-SNE algorithm jẹ giga, eyiti o fi opin si ohun elo lọwọlọwọ si iye data ti o tobi ju, eyiti o tumọ si pe o nira lati lo si awọn aaye ti o jinlẹ tabi akoko-iyipada.Ise lori scalability ti t-SNE wa ni ilọsiwaju.Niwọn igba ti ijinna KL rọrun lati ṣe afiwe, t-SNE algorithm ni agbara to dara fun imugboroosi ni ọjọ iwaju (35).Titi di isisiyi, awọn ọna idinku iwọn-iwọn ti o ni ileri ti o le dinku iwọn dara julọ pẹlu isunmọ isunmọ pupọ ati isunmọ (UMAP), ṣugbọn igbelewọn ni aaye ti data okun jẹ pataki.Itumọ ti iwọn ti o dara julọ jẹ, fun apẹẹrẹ, titọka awọn oju-ọjọ agbaye tabi awọn awoṣe pẹlu iyatọ oriṣiriṣi lori ipele ti o dapọ.Awọn agbegbe ti o kuna lati ni ipin nipasẹ SAGE ni eyikeyi agbegbe ni a le gba bi awọn aami dudu ti o ku ni Nọmba 2A.Ni agbegbe, awọn agbegbe wọnyi jẹ pataki ni awọn agbegbe asiko ti o ga, eyiti o ni imọran pe yiya awọn agbegbe ilolupo ti o yipada ni akoko pupọ yoo pese agbegbe to dara julọ.
Lati le ṣe ọna SAGE, awọn imọran lati awọn ọna ṣiṣe ti o nipọn / imọ-jinlẹ data ti lo, ni lilo agbara lati pinnu awọn iṣupọ ti awọn ẹgbẹ iṣẹ (o ṣeeṣe ti isunmọ pupọ ni aaye iwọn 11) ati pinnu awọn agbegbe.Awọn agbegbe wọnyi ṣe afihan awọn ipele kan pato ni aaye alakoso t-SNE 3D wa.Bakanna, apakan Poincaré le ṣee lo lati ṣe iṣiro “iwọn didun” ti aaye ipinlẹ ti o wa nipasẹ itọpa lati pinnu ihuwasi “deede” tabi “rudurudu” (36).Fun iṣẹjade awoṣe onisẹpo 11 aimi, iwọn didun ti o tẹdo lẹhin data ti yipada si aaye alakoso 3D le ṣe alaye bakanna.Ibasepo laarin agbegbe agbegbe ati agbegbe ni aaye alakoso 3D ko rọrun, ṣugbọn o le ṣe alaye ni awọn ofin ti ibajọra ilolupo.Fun idi eyi, iwọn aibikita BC ti aṣa diẹ sii ni o fẹ.
Iṣẹ iwaju yoo tun lo ọna SAGE fun iyipada data akoko lati ṣe ayẹwo iyatọ aaye ti awọn agbegbe ti a mọ ati AEP.Ibi-afẹde ọjọ iwaju ni lati lo ọna yii lati ṣe iranlọwọ lati pinnu iru awọn agbegbe ti o le pinnu nipasẹ awọn wiwọn satẹlaiti (bii Chl-a, afihan oye jijin ati iwọn otutu oju omi).Eyi yoo gba laaye igbelewọn oye latọna jijin ti awọn paati ilolupo ati ibojuwo rọ pupọ ti awọn agbegbe ilolupo ati iyipada wọn.
Idi ti iwadii yii ni lati ṣafihan ọna SAGE, eyiti o ṣalaye agbegbe ilolupo nipasẹ eto agbegbe alailẹgbẹ ti plankton.Nibi, alaye diẹ sii nipa ti ara/biogeochemical/awoṣe ilolupo ati yiyan paramita ti t-SNE ati DBSCAN algorithms yoo pese.
Awọn ẹya ara ẹrọ ti awoṣe wa lati idiyele ti iṣan omi okun ati afefe [ECCOv4;(37) iṣiro ipinlẹ agbaye ti a ṣalaye nipasẹ (38).Ipinnu ipin ti iṣiro ipinlẹ jẹ 1/5.Ọna onigun mẹrin ti o kere ju pẹlu ọna isodipupo Lagrangian ni a lo lati gba ibẹrẹ ati awọn ipo aala ati awọn awoṣe awoṣe inu inu ti a ṣatunṣe nipasẹ akiyesi, nitorinaa ti n ṣe adaṣe MIT gbogboogbo ọmọ-ọfẹ (MITgcm) (39), awoṣe Lẹhin iṣapeye, awọn abajade le wa ni tọpa ati akiyesi.
Biogeochemistry/ ilolupo eda ni apejuwe pipe diẹ sii (ie awọn idogba ati awọn iye paramita) ni (2).Awoṣe naa ṣe igbasilẹ kaakiri ti C, N, P, Si ati Fe nipasẹ awọn adagun eleto ati Organic.Awọn ẹya ti a lo nibi pẹlu awọn eya 35 ti phytoplankton: 2 eya ti microprokaryotes ati 2 eya ti microeukaryotes (o dara fun awọn agbegbe kekere-ounjẹ), 5 eya ti Cryptomonas sphaeroides (pẹlu calcium carbonate ti a bo), 5 eya ti diazonium (Le fix nitrogen, ki ko ni opin) wiwa ti ni tituka nitrogen inorganic), 11 diatoms (parapo a siliceous ideri), 10 adalu-vegetative flagellates (le photosynthesize ati ki o jẹ miiran plankton) ati 16 Zooplankton (jeun lori miiran plankton).Iwọnyi ni a pe ni “awọn ẹgbẹ iṣẹ ṣiṣe biogeochemical” nitori wọn ni awọn ipa oriṣiriṣi lori biogeochemistry omi okun (40, 41) ati pe wọn lo nigbagbogbo ni akiyesi ati awọn ikẹkọ awoṣe.Ninu awoṣe yii, ẹgbẹ iṣẹ ṣiṣe kọọkan ni ọpọlọpọ awọn planktons ti awọn titobi oriṣiriṣi, pẹlu ipari ti 0.6 si 2500 μm deede iwọn ila opin iyipo.
Awọn paramita ti o ni ipa lori idagbasoke phytoplankton, jijẹ ati jijẹ jẹ ibatan si iwọn, ati pe awọn iyatọ kan pato wa laarin awọn ẹgbẹ iṣẹ ṣiṣe phytoplankton mẹfa (32).Laibikita awọn ilana ti ara ti o yatọ, awọn abajade ti awọn paati plankton 51 ti awoṣe ti a ti lo ni nọmba awọn iwadii aipẹ (42-44).
Lati ọdun 1992 si ọdun 2011, awoṣe isọpọ ti ara / biogeochemical/ ilolupo eda abemi ti ṣiṣẹ fun ọdun 20.Ijade ti awoṣe pẹlu biomass plankton, ifọkansi ounjẹ ati oṣuwọn ipese ounjẹ (DIN, PO4, Si ati Fe).Ninu iwadi yii, aropin 20-ọdun ti awọn abajade wọnyi ni a lo bi igbewọle ti Agbegbe Ekoloji.Chl, pinpin biomass plankton ati ifọkansi ounjẹ ati pinpin awọn ẹgbẹ iṣẹ jẹ akawe pẹlu satẹlaiti ati awọn akiyesi inu-ile [wo (2, 44), Akọsilẹ S1 ati eeya.S1 si S3].
Fun ọna SAGE, orisun akọkọ ti aileto wa lati igbesẹ t-SNE.Randomness idilọwọ awọn repeatability, eyi ti o tumo si wipe awọn esi ti wa ni unreliable.Ọna SAGE ṣe idanwo ni lile nipa ṣiṣe ipinnu ṣeto awọn aye ti t-SNE ati DBSCAN, eyiti o le ṣe idanimọ awọn iṣupọ nigbagbogbo nigbati a tun tun ṣe.Ipinnu “idaamu” ti paramita t-SNE ni a le loye bi ipinnu iwọn si eyiti aworan agbaye lati awọn iwọn giga si kekere yẹ ki o bọwọ fun awọn abuda agbegbe tabi agbaye ti data naa.Ti de iporuru ti 400 ati 300 iterations.
Fun algorithm iṣupọ DBSCAN, iwọn to kere julọ ati metiriki ijinna ti awọn aaye data ninu iṣupọ nilo lati pinnu.Nọmba ti o kere julọ ni ipinnu labẹ itọsọna ti awọn amoye.Imọye yii mọ kini o baamu ilana awoṣe nọmba lọwọlọwọ ati ipinnu.Nọmba ti o kere julọ jẹ 100. Iwọn ti o kere julọ ti o ga julọ (kere ju <135 ṣaaju ki opin oke ti alawọ ewe di gbooro) ni a le ṣe akiyesi, ṣugbọn ko le rọpo ọna apapọ ti o da lori iyatọ BC.Iwọn asopọ (Ọpọtọ 6A) ni a lo lati ṣeto paramita ϵ, eyiti o ṣe iranlọwọ si agbegbe ti o ga julọ (Aworan 6B).Asopọmọra jẹ asọye bi nọmba akojọpọ awọn iṣupọ ati pe o ni itara si paramita ϵ.Asopọmọra isalẹ tọkasi ibamu ti ko to, akojọpọ awọn agbegbe lasan papọ.Ga Asopọmọra tọkasi overfitting.Overfitting jẹ tun iṣoro, nitori ti o fihan wipe ni ibẹrẹ ID guesses le ja si unproducible esi.Laarin awọn iwọn meji wọnyi, ilosoke didasilẹ (eyiti a npe ni “igbowo”) tọkasi ϵ ti o dara julọ.Ni olusin 6A, o rii ilosoke didasilẹ ni agbegbe Plateau (ofeefee,> awọn iṣupọ 200), atẹle nipa idinku didasilẹ (alawọ ewe, awọn iṣupọ 100), to bii 130, yika nipasẹ awọn iṣupọ diẹ pupọ (buluu, <60 iṣupọ) ).Ni o kere ju awọn agbegbe buluu 100, boya iṣupọ kan jẹ gaba lori gbogbo okun (ϵ <0.42), tabi pupọ julọ okun ni a ko pin si ati pe ariwo ni a ka (ϵ> 0.99).Agbegbe ofeefee ni o ni iyipada ti o ga julọ, pinpin iṣupọ ti ko ni atunṣe.Bi ϵ ṣe dinku, ariwo naa n pọ si.Agbegbe alawọ ewe ti o pọ si ni a pe ni igbonwo.Eyi jẹ agbegbe ti o dara julọ.Botilẹjẹpe a ti lo t-SNE iṣeeṣe, aibikita BC laarin agbegbe tun le ṣee lo lati pinnu iṣupọ igbẹkẹle.Lilo olusin 6 (A ati B), ṣeto ϵ si 0.39.Ti o tobi nọmba ti o kere ju, o kere si iṣeeṣe ti de ϵ ti o fun laaye ni iyasọtọ ti o gbẹkẹle, ati pe agbegbe alawọ ewe ti o tobi ju 135 lọ. Ifilelẹ ti agbegbe yii tọkasi pe igbonwo yoo nira sii lati wa tabi kii ṣe- tẹlẹ.
Lẹhin ti ṣeto awọn paramita ti t-SNE, apapọ nọmba awọn iṣupọ ti a rii yoo ṣee lo bi odiwọn ti asopọ (A) ati ipin ogorun data ti a pin si iṣupọ (B).Aami pupa n tọka si apapo ti o dara julọ ti agbegbe ati asopọ.Nọmba ti o kere julọ ti ṣeto ni ibamu si nọmba to kere julọ ti o ni ibatan si ilolupo.
Fun awọn ohun elo afikun fun nkan yii, jọwọ wo http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/22/eaay4740/DC1
Eyi jẹ nkan iraye si ṣiṣi ti a pin kaakiri labẹ awọn ofin ti Iwe-aṣẹ Ifọwọsi Creative Commons.Nkan naa ngbanilaaye lilo ailopin, pinpin, ati ẹda ni eyikeyi alabọde labẹ ipo pe iṣẹ atilẹba ti tọka si daradara.
Akiyesi: A nikan beere lọwọ rẹ lati pese adirẹsi imeeli rẹ ki eniyan ti o ṣeduro si oju-iwe naa mọ pe o fẹ ki wọn rii imeeli ati pe kii ṣe àwúrúju.A kii yoo gba awọn adirẹsi imeeli eyikeyi.
Ibeere yii ni a lo lati ṣe idanwo boya o jẹ alejo ati ṣe idiwọ ifakalẹ àwúrúju laifọwọyi.
Ile-iṣẹ Agbaye ti Imọ-jinlẹ Omi ti pinnu lati yanju awọn iṣoro idiju ati lo ML ti ko ni abojuto lati ṣawari awọn ẹya agbegbe.
Ile-iṣẹ Agbaye ti Imọ-jinlẹ Omi ti pinnu lati yanju awọn iṣoro idiju ati lo ML ti ko ni abojuto lati ṣawari awọn ẹya agbegbe.
Akoko ifiweranṣẹ: Jan-12-2021