一种Zoophycos遗迹化石分形拓扑模型及其构建方法和应用技术

本发明专利技术属于生物造迹定量分析技术领域，公开了一种Zoophycos遗迹化石分形拓扑模型及其构建方法和应用，建立了Zoophycos遗迹化石的分形拓扑结构。随后发展了一种量化复杂造迹行为的分形维(D)模型并再现了D时空演化趋势。最后，结合δ

A fractal topology model of Zoophycos trace fossils and its construction method and Application

The invention belongs to the field of quantitative analysis technology of biological landmarks, discloses a fractal topological model of Zoophycos fossils and its construction method and application, and establishes the fractal topological structure of Zoophycos fossils. Subsequently, we developed a fractal dimension (D) model for quantifying complex trace behavior and reproduced the trend of D spatiotemporal evolution. Finally, the combination of delta

【技术实现步骤摘要】
一种Zoophycos遗迹化石分形拓扑模型及其构建方法和应用
本专利技术属于生物造迹定量分析
，尤其涉及一种Zoophycos遗迹化石分形拓扑模型及其构建方法和应用。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：如今，分形理论已经成为许多领域中表征静态(容积容量)或者动态(传热传质)目标所具有尺度不变特征的有效的工具。同时，地学对象多为不同尺度、强度的地质事件、外部作用及内部物理化学过程叠合作用的结果，其几何形貌、空间分布异常复杂并表现出尺度不变属性。就地学领域所涉及到的复杂现象而言，一种简单且有效的方式是对目标的观测值和观测尺度求取log-log关系(数量-尺度关系)以获得分形维值来进行属性描述，例如孔隙/粒度大小，孔-固界面面积，曲线长度，矿石品味，水文弯曲度，孔隙度，地质年代，以及各向异性等等。除了该种描述方式之外，分形理论的其他应用方式还包括对各种物理过程的理解，例如地下储层中的油气采收，煤层中的煤层气抽取，地热储层中的蒸汽生成，土壤中的污染物迁移，以及多孔介质中的渗流现象等等。相比之下，分形理论在遗迹学中的应用十分少见，这也在一定程度上阻碍了该领域的量化研究进程。幸运的是，这一主题已经吸引了众多遗迹学家的关注，同时有越来越多的证据显示生物的造迹行为同样满足尺度不变特征。在已知的前期工作中，Jeong和Ekdale发现生物扰动构造及大多数遗迹化石中均表现出自相似性，并指出分形维是定量描述生物行为模式占据空间能力的参数，能够为古生态学的研究提供了客观的量化指标。随后，Baucon证明了遗迹化石的自相似性，他通过使用数量-尺度关系即盒维数法，计算出Zoophycos，Chondrites，Paleodictyon等20多种遗迹化石的分形维，其分形维D分布在[1.45-1.8]范围内。同时，分形几何对遗迹化石复杂形态描述的有效性得以证明。其次，Lehane和Ekdale同样采用盒维数法展现了遗迹化石Graphoglyptid的几何复杂性。该工作为遗迹化石的分形分析提供了一种有效的方法，同时总结出能够对遗迹化石的形态特征进行量化分析的多种数学手段，并再一次认为分形几何是一种独立于几何体，可以用来表征形态复杂度的有力工具。此外，基于遗迹化石在地史时期的分形维演化趋势，又提出了Graphoglyptid造迹生物的造迹行为在显生宙时期的分形演化模式。最近，Fan等再次以同样的方式，分析了遗迹化石Helminthorhaphe的形态特征，使分形拓扑成为一种表征遗迹化石的空间占用能力的重要参数。结果表明，Helminthorhaphe的分形维分布在[1.2,1.8]，其各个下属遗迹种的分形维值随着空间占用的增加而增大。由此可见，对生物扰动构造的量化表征提供了十分重要的见解。综上所述，现有技术存在的问题是：一种好的描述方式应当使得分形行为独立于观测尺度变化(几何或统计特征)，并且能够以确定的方式提供一种定义尺度不变性的数学模型。虽然盒维数法是一种量化复杂度的有效方式，但是它却难以提供关于遗迹化石尺度不变行为的本质理解。具体而言存在如下几点问题：(1)分形理论虽然能有效表征随机、复杂、破碎以及非连续现象，但必须结合造迹行为的特殊性。(2)遗迹化石分形维的计算多采用传统的盒维数法，未能从根源上定义生物造迹的分形行为，这会在一定成程度上阻碍对造迹行为的本质理解。(3)分形维的用途多集中在不同遗迹化石造迹生物属种的分类及单一的造迹行为演化模式分析，并未发挥传统遗迹学在沉积环境分析方面的优势，分形维对于古环境的指示意义被忽略。解决上述技术问题的难度和意义：现有遗迹化石的分析方法总体仍局限于定性层面，这使得对不同遗迹化石的分析相较于定量化手段更加缺乏客观性。同时能够致力于遗迹化石量化研究的分形理论在遗迹学中的应用尚未完全展开，对于遗迹化石分形拓扑结构的研究更是无人涉及。因此，将由分形理论发展而来的分形拓扑理论应用于遗迹学研究将成为一项具有挑战且有意义的工作，能够突破定性研究的固定思维，从数学角度发挥遗迹学优势，对遗迹化石的定量研究及生物扰动储层的定量评估工作具有一定的启发意义，并且为数字遗迹方向提供了新的数学思维。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种Zoophycos遗迹化石分形拓扑模型及其构建方法和应用。本专利技术是这样实现的，一种Zoophycos遗迹化石分形拓扑模型，所述Zoophycos遗迹化石分形拓扑模型为空间拓扑分形维D为：式中L代表了一级蹼层长度，反映造迹生物的活动范围，S和n分别代表了二级蹼层宽度与数量，反映造迹生物的造迹能力。本专利技术的另一目的在于提供一种所述Zoophycos遗迹化石分形拓扑模型的构建方法，所述Zoophycos遗迹化石分形拓扑模型的构建方法包括：步骤一，解析并定义生物造迹行为中的尺度不变属性，构建生物造迹行为的分形拓扑模型，实现遗迹化石几何形貌、空间构型及地质属性空间分布表象的本质定义；步骤二：具体建立针对Zoophycos遗迹化石的分形维计算模型，做到对其分形维的有效计算，以分形维作为量化分析的重要指标，反映遗迹化石中所蕴含的分形行为；步骤三，依托于分形行为与分形维之间的映射关系，推演造迹行为同古环境之间的耦合机制，发掘造迹行为的环境控制因素，反演古环境特征并推断遗迹化石宏观演化规律。进一步，所述步骤二对于分形维的计算以传统数量-尺度关系算法为基础，即：N(G(l))∝l-D＝cl-D；N(G(l))是具有线性尺度特征l的相似体G的数量，c为比例常数；因此D可以写为logl与logN(G(l))的斜率关系形式：我们提出在分形拓扑关系下能够对分形维进行定义的新参数：缩放空隙度P：分形集中相邻两级缩放对象G(li)和G(li+1)特征尺度li与li+1之比；缩放覆盖率F：分形集中相邻两级缩放对象G(li)和G(li+1)的数量之比；理论表明，分形行为决定了分形维D，而一个确定的D却对应着无数对(P,F)，基于以上认识，我们将分形拓扑的概念并标记为Ω(P,F)。依据分形拓扑理论，Ω(P,F)唯一的确定了缩放对象分形拓扑特征，进而确定了分形对象即遗迹化石的分形维D。结合上述公式，D与Ω(P,F)之间的关系写为：F＝PD；因此D的尺度不变定义为：本专利技术的另一目的在于提供一种所述Zoophycos遗迹化石分形拓扑模型的应用，所述Zoophycos遗迹化石分形拓扑模型的应用具体包括：(1)依据生物造迹顺序，二级蹼纹Lsd形成于一级蹼纹Lpr之后，一级蹼纹与二级蹼纹在拓扑特征上呈现明显的递进演化关系，一级蹼层、二级蹼层即为Zoophycos分形拓扑结构的两级缩放对象，P和F定义为：其中，L为一级蹼层长度，l为二级蹼层长度，n为统计意义上的二级蹼层数量；(2)引入虚拟三级蹼层Lvt的概念，存在二级蹼层之后是分形拓扑结构中第三级缩放对象；三个不同的尺度，Lpr，Lsd和Lvt。Lvt分布在Lsd之内，Lsd分布在Lpr中；同时，Lvt的长度记为l’,可以认为它在纵剖面上与Lsd的宽度S呈现出S≈l’的关系；(3)任何连续两级缩放对象特征长度比P应保持不变，得如下关系：其中S取蹼纹宽度的平均值即有：得纵剖面P计算模型为：将P的计算模型代入D的尺度不变定义，得Zoophycos造迹行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Zoophycos遗迹化石分形拓扑模型，其特征在于，所述Zoophycos遗迹化石分形拓扑模型为空间拓扑分形维D为：

【技术特征摘要】
1.一种Zoophycos遗迹化石分形拓扑模型，其特征在于，所述Zoophycos遗迹化石分形拓扑模型为空间拓扑分形维D为：式中L代表了一级蹼纹长度，反映造迹生物的活动范围，S和n分别代表了二级蹼纹宽度与数量，反映造迹生物的造迹能力。2.一种如权利要求1所述Zoophycos遗迹化石分形拓扑模型的构建方法，其特征在于，所述Zoophycos遗迹化石分形拓扑模型的构建方法包括：步骤一，解析并定义生物造迹行为中的尺度不变属性，构建生物造迹行为的分形拓扑模型，实现遗迹化石几何形貌、空间构型及地质属性空间分布表象的本质定义；步骤二：具体建立针对Zoophycos遗迹化石的分形维计算模型，做到对其分形维的有效计算，以分形维作为量化分析的重要指标，反映遗迹化石中所蕴含的分形行为；步骤三，依托于分形行为与分形维之间的映射关系，推演造迹行为同古环境之间的耦合机制，发掘造迹行为的环境控制因素，反演古环境特征并推断遗迹化石宏观演化规律。3.如权利要求2所述的Zoophycos遗迹化石分形拓扑模型的构建方法，其特征在于，所述步骤二对于分形维的计算以传统数量-尺度关系算法为基础：N(G(l))∝l-D＝cl-D；N(G(l))是具有线性尺度特征l的相似体G的数量，c为比例常数；D写为logl与logN(G(l))的斜率关系形式：在分形拓扑关系下能够对分形维进行定义的新参数：缩放空隙度P：分形集中相邻两级缩放对象G(li)和G(li+1)特征尺度li与...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋慧波，金毅，张翔宇，刘顺喜，胡斌，黄志伟，李娟，郑锋利，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南,41