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內容簡介

地球錶層係統在數學上可定義為空間中的一片麯麵。麯麵建模是現實世界中連續地錶的逼近。麯麵建模的精度問題和多尺度問題是地理信息係統領域近20年來的研究熱點。本書介紹瞭作者完成的高精度麯麵建模（HASM）方法，解決瞭長期以來睏擾地球錶層係統模擬的誤差問題和多尺度問題。為瞭解決HASM的計算量大和運算速度慢等理論問題，使其有效地運用於地球錶層係統模擬，作者發展瞭HASM多重網格法和適應算法，並將其應用於地球錶層係統和地球錶層環境要素的模擬分析。本書理論與實際應用相結閤，為地球錶層係統模擬分析提供瞭新的方法和思路。

目錄

目錄
第一部分HASM基本原理
第1章地球錶層建模的概念與問題 3
1.1地球錶層建模研究進展 3
1.1.1地球錶麵形絲達 3
1.1.2地球氣候係統模擬 3
1.1.3生態建模 4
1.1.4地球錶層模擬係統 5
1.2有關國際研究計劃 6
1.3地球錶層建模存在的主要問題 8
1.3.1誤差問題 8
1.3.2多尺度問題 8
1.3.3三維實時可視化問題 9
1.3.4地球錶層模擬速度問題 9
1.4撰寫本書的目的 9
第2章經典麯麵建模方法 11
2.1經典麯麵建模方法的發展及其誤差問題 11
2.2經典麯麵建模方法的數學錶達 13
2.2.1趨勢麵分析法 13
2.2.2反距離權重法 13
2.2.3不規則三角網法 13
2.2.4剋裏金法 14
2.2.5樣條函數法 14
2.2.6薄闆樣條函數法 15
2.3討論 15
第3章高精度麯麵建模方法的基本理論體係 17
3.1麯麵建模方法探索與麯綫等同度指數 17
3.2基本原理 18
3.2.1控製論 18
3.2.2微分幾何學原理 19
3.2.3麯麵論基本定理 20
3.2.4HASM停機準則 22
3.3高精度麯麵建模方法 22
3.4HASM算法設計與比較分析 30
3.4.1驅動場選擇對算法精度的影響分析 30
3.4.2差分離散格式對算法精度的影響分析 34
3.4.3主方程選擇對算法計算效率的影響分析 37
3.4.4采樣方式對HASM收斂速度的影響分析 37
3.4.5采樣方式對HASM精度的影響分析 39
3.5麯麵復雜度與HASM模擬精度關聯性分析 40
3.6討論 44
第4章應用型HASM方程組求解方法 46
4.1引言 46
4.2HASM直接算法 47
4.2.1HASM高斯消去法 51
4.2.2HASM的平方根法(HASM-SR) 52
4.2.3數值實驗 53
4.3HASM迭代法及其係數矩陣結構 53
4.3.1HASM迭代錶達 53
4.3.2係數矩陣結構 55
4.3.3HASM高斯-賽德爾算法和HASM預處理高斯-賽德爾算法 57
4.3.4HASM共扼梯度法和HASM預處理共扼梯度法 63
4.4結論 66
第5章理論型HASM方程組求解方法 68
5.1HASM快速算法 68
5.1.1基於不完全Cholesky分解的預處理共輒梯度法（ICCG) 70
5.1.2基於對稱逐步超鬆弛的預處理共軛梯度法（SSORCG) 71
5.2HASM迭代格式 72
5.3數值實驗 76
5.3.1HASM最佳算法 76
5.3.2HASMab與HASMabc比較 78
5.3.3HASM驅動場問題 78
5.3.4HASM邊界值問題 79
5.3.5運算速度、占用內存與模擬精度的權衡 80
5.4討論 80
第6章HASM的高階處理和復雜邊界問題 82
6.1非均勻步長的HASM方法 82
6.2采樣矩陣的高階處理 83
6.3復雜邊界下的HASM算法 89
6.4討論 93
第7章HASM實時動態算法 94
7.1引言 94
7.2靜止窗口實時動態模擬的HASM算法 95
7.2.1數學錶達及其求解 95
7.2.2HASM係數矩陣的分解 96
7.2.3HASM動態加點問題 97
7.2.4HASM動態減點問題 98
7.2.5數值實驗 99
7.3移動窗口實時動態模擬的HASM算法 101
7.4討論 108
第二部分HASM高對故算法
第8章HASM多重網格法 111
8.1引言 111
8.2HASM多重網格錶達 111
8.3數值實驗 113
8.4實驗研究 114
8.5結論與展望 116
第9章HASM適應算法 117
9.1引言 117
9.2HASM適應算法 117
9.2.1HASM適應算法主方程錶達 117
9.2.2誤差估值器 118
9.2.3格網細化 118
9.2.4誤差指示器 119
9.3應用案例 119
9.3.1案例區及其數據獲取 119
9.3.2董誌塬數字高程模型構建 120
9.4討論 123
第10章HASM平差計算 124
10.1平差計算 124
10.1.1參數平差 125
10.1.2條件平差126
10.1.3逐次條件平差 126
10.1.4逐次獨立條件平差 127
10.2HASM平差計算 129
10.3HASM-AC時間復雜度和空間復雜度 136
10.3.1時間復雜度 136
10.3.2空間復雜度 136
10.4HASM-AC誤差控製 137
10.4.1計算模型與數據精度的匹配 137
10.4.2HASM-AC誤差控製 138
10.4.3數值實驗 138
10.5實證研究 139
10.5.1誤差錶達 139
10.5.2精度數值實驗 139
10.5.3精度交叉驗證 141
10.5.4計算效率分析 144
10.6結論 144
第11章HASM並行算法 146
11.1引言 146
11.1.1並行計算的發展 146
11.1.2並行計算機體係結構 147
11.1.3並行編程環境 148
11.1.4並行計算時間效率測定 149
11.2HASM-AC的並行算法 150
11.2.1HASM-AC並行算法架構 150
11.2.2HASM-AC並行算法 151
11.3HASM-AC並行算法實現 153
11.3.1MPI與C語言聯閤編程 153
11.3.2並行處理中的進程映射 154
11.3.3HASM-AC方法並行計算中的進程同步 156
11.3.4HASM-AC並行計算的文件輸齣 156
11.4並行計算驗證 157
11.5結論 159
第三部分HASM啓用研究
第12章數字地麵模型構建 163
12.1引言 163
12.2數字地麵模型構建 164
12.2.1基於實測數據的數字地麵模型 164
12.2.2高程異常麯麵模擬 165
12.2.3考慮地形特徵點的數字地麵模型模擬 168
12.3SRTM數字地麵模型空缺填補 171
12.3.1數據與方法 171
12.3.2空缺填補結果分析 173
12.4討論 175
第13章LiDAR點雲數據HASM算法 176
13.1引言 176
13.1.1濾波算法 177
13.1.2LiDAR點雲數據空間插值 178
13.1.3地麵實測數據、衛星遙感數據和LiDAR點雲數據融閤 178
13.2HASM算法 180
13.3數字地麵模型與樹高模擬分析 181
13.3.1樣地尺度案例 181
13.3.2小流域尺度案例 181
13.4討論 186
第14章數字地麵模型HASM尺度轉換 187
14.1引言 187
14.2降尺度算法 188
14.3升尺度算法 190
14.4實證研究 193
14.4.1DTM降尺度 193
14.4.2DTM升尺度 194
14.5討論 198
第15章中國氣候空間插值與變化趨勢模擬分析 199
15.1引言 199
15.1.1空間插值 199
15.1.2空間非平穩性分析 199
15.2趨勢麵模擬與空間平穩性分析方法 200
15.2.1趨勢麵模擬 200
15.2.2空間平穩性分析方法 202
15.3空間非平穩和空間平穩氣候要素分類 205
15.3.1數據 205
15.3.2國傢尺度年平均氣溫空間平穩性分析 206
15.3.3國傢尺度的年平均降水空間非平穩性分析 208
15.4氣候要素空間插值結果 213
15.4.1年平均氣溫變化趨勢分析 213
15.4.2年平均降水變化趨勢分析 215
15.5不同時期各區最大年平均溫度變化和最大年平均降水量變化 217
15.5.1年平均溫度 217
15.5.2年平均降水量 218
15.6結論 219
15.6.1方法 219
15.6.2氣候變化趨勢 220
第16章中國氣候未來情景降尺度模擬分析 221
16.1引言 221
16.2CMIP5年平均氣溫、降水的降尺度模型 222
16.2.1氣候情景 222
16.2.2空間平穩性分析與降尺度模型錶達 222
16.2.3降尺度方法精度比較 223
16.3CMIP5精度分析 225
16.3.1CMIP5基準數據與氣象颱站觀測數據比較分析 225
16.3.2RCPs情景誤差分析 227
16.4氣候情景模擬分析 230
16.4.1年平均氣溫 231
16.4.2年平均降水 234
16.5討論 237
第17章氣候變化及森林生態係統響應模擬分析 241
17.1引言 241
17.2氣候變化模擬誤差及生態係統響應模擬分析 242
17.2.1氣候模擬誤差分析 242
17.2.2HLZ生態係統模擬對氣候變化插值誤差的響應 246
17.3氣候變化 248
17.3.1年平均氣溫變化 248
17.3.2年平均降水變化 249
17.3.3氣候變化 250
17.4生態係統變化趨勢 251
17.4.1生態係統分布與麵積變化 251
17.4.2生態係統平均中心移動 253
17.5結論 254
17.5.1生態係統模擬結果對氣候模擬誤差的響應 254
17.5.2森林生態係統對實際氣候變化的響應 254
第18章土壤質量空間模擬分析實驗 256
18.1引言 256
18.2數據與方法 257
18.2.1研究區域 257
18.2.2數據獲取 258
18.2.3基於內梅羅指數的土壤質量評估方法 259
18.2.4模擬精度分析方法 261
18.3模擬結果對比分析 261
18.3.1有機質模擬結果對比 261
18.3.2全氮模擬結果對比 263
18.3.3堿解氮模擬結果對比 266
18.3.4全磷模擬結果對比 268
18.3.5有效磷模擬結果對比 270
18.3.6速效鉀模擬結果對比 272
18.3.7pH模擬結果對比 274
18.3.8碳氮比和氮磷比模擬結果對比 276
18.3.9綜閤肥力模擬結果對比 280
18.4討論 284
第19章中國土壤質量綜閤評價 285
19.1引言 285
19.2數據與方法 285
19.2.1土壤數據 285
19.2.2環境數據 286
19.2.3研究方法 287
19.3典型土壤剖麵統計特徵 290
19.3.1土壤pH 290
19.3.2土壤有機質 291
19.3.3土壤全氮 292
19.3.4土壤全磷 294
19.3.5土壤全鉀 295
19.3.6土壤堿解氮 296
19.3.7土壤有效磷 297
19.3.8土壤速效鉀 299
19.3.9錶層土壤厚度 300
19.4土壤性質模擬分析 301
19.4.1主成分分析 301
19.4.2迴歸分析 302
19.4.3中國錶層土壤主要指標模擬結果 305
19.4.4中國錶層土壤質量綜閤評價結果 311
19.5討論 311
第20章陸地生態係統變化模擬分析 313
20.1引言 313
20.2方法 313
20.2.1HLZ分類係統 313
20.2.2生態空間分布模型 314
20.3國傢尺度潛在陸地生態係統模擬 315
20.3.1中國陸地生態係統的變化趨勢 315
20.3.2HLZ生態係統的麵積變化趨勢 317
20.3.3生態多樣性和斑塊連通性 320
20.3.4平均中心移動 320
20.4國傢尺度的HLZ生態係統情景分析 323
20.4.1中國HLZ生態係統麵積變化的未來情景 323
20.4.2平均中心移動 334
20.5討論 338
第21章土地覆被變化未來情景模擬分析 339
21.1引言 339
21.2土地覆蓋分類及其概率轉移矩陣 339
21.3土地覆蓋空間分布未來情景 341
21.4土地覆蓋結構變化 347
21.5土地覆蓋類型平均中心移動趨勢 352
21.6討論 355
第22章中國碳儲量模擬分析 357
22.1引言 357
22.1.1全球研究概況 357
22.1.2中國研究概況 358
22.1.3機理模型 359
22.2數據劫法 360
22.2.1國傢森林資源連續清查數據 360
22.2.2方法 361
22.2.3模型評價 365
22.3模型不確定性分析 367
22.4結論 369
第23章中國人口承載力模擬分析 370
23.1引言 370
23.1.1土地承載力概念 370
23.1.2全球人口承載力估算 370
23.2中國土地人口承載力估算方法 371
23.2.1生態閾值 371
23.2.2陸地生態係統食物供給潛力模型 374
23.3數據 375
23.3.1陸地生態係統的分類數據 375
23.3.2計算食物供給潛力的數據 375
23.4陸地生態係統的食物供給潛力 375
23.4.1農田生態係統 375
23.4.2草地生態係統 377
23.4.3林地生態係統 377
23.4.4水生生態係統 381
23.4.5中國陸地人口承載力 382
23.5討論 383
第24章中國食物供給變化趨勢 385
24.1引言 385
24.2耕地變化 385
24.2.1退耕還林還草工程 385
24.2.2城鎮化 386
24.3耕地食物産量及其變化 387
24.3.1作物産量 387
24.3.2食物營養産量 388
24.4草地食物生産力 391
24.5水産食物 393
24.6進齣口食物 394
24.7人口供養能力分析 396
24.8討論 397
第25章人口空間分布變化趨勢與未來情景模擬分析 399
25.1引言 399
25.2人口分布麯麵建模方法 400
25.3人口增長態勢分析 401
25.4人口空間分布麯麵建模方法 403
25.4.1人口空間分布曆史反演 403
25.4.2未來情景模擬分析 409
25.5討論 415
第26章結論與展望 416
參考文獻 419
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