高精度高速度曲面建模的3维地表模拟和漫游算法

三维真实感地形场景是生态系统模拟、虚拟地理环境和三维GIS不可或缺的要素,而高精度高速度曲面建模方法可以动态实时构建高精度曲面模型。论文引入高精度高速度曲面建模方法,提出了一种可以动态生成地表模型并实时绘制和漫游三维真实感地表的方法。该方法实时动态建立高精度DEM,结合改进的视点依赖多分辨率绘制方法,随视点改变动态重建并绘制当前DEM。首先建立当前可见场景的DEM,然后通过依赖于视点的简化等处理建立层次细节模型,进行实时场景绘制和漫游,随视点改变,在当前场景基础上动态加点和减点更新DEM及层次细节模型,生成当前可见场景,以次循环。实例测试表明,算法可产生真实感较强的场景,实时漫游效率较高,模拟精确。     

高精度曲面建模与实时空间模拟

为了弥补地理信息系统不能进行实时动态模拟的缺陷,通过QR矩阵分解,将高精度曲面建模HASM4的矩阵表达转换为求解系数矩阵为上三角矩阵和下三角矩阵的两个方程组。在此基础上,实时空间模拟问题被抽象为动态加点问题和动态减点问题,建立了适用于实时模拟的HASM5。数值实验结果表明,HASM5的加点模拟只需要对新采样点形成的矩阵进行矩阵分解;而HASM5的减点模拟只需要取原有矩阵的子矩阵计算即可。     

海南岛甲烷浓度空间异质性规律解析

温室气体排放升高对全球气候变暖有重要影响,其浓度分布的空间异质性及与局地气候变化和社会经济的关系是影响温室气体减排策略制定的关键因素.海南岛是国家生态文明建设的试验区,温室气体减排方面也面临着目标考核的压力与责任.本研究使用GHGSat的CH₄浓度产品、气温、降雨、GDP和人口数据集,采用Theil-Sen趋势分析、Mann-Kendall (MK)检验构建地理加权回归(GWR)模型,分析了2020—2021年海南岛CH₄浓度变化趋势及规律.结果表明:1)时空尺度上,2020—2021年海南岛CH₄浓度整体呈下降趋势,CH₄浓度均值为1 848.40×10^-9 mol／mol,8—11月的CH₄浓度低于均值,其余月份均值皆高于均值;海南岛46.42％的区域CH₄浓度呈显著减小趋势,主要集中在海南岛的西部及东部地区.2) CH₄浓度时空分布的异质性规律方面,GWR模拟结果显示,海南岛CH₄浓度与气温回归系数值分布于-114.92~127.80,CH₄浓度与降雨回归系数分布集中于-297.40~399.91,而CH₄浓度与GDP和人口的回归系数较高,分别集中于-4 125.55~4 509.07和-1 751.43~1 556.41,GWR能够揭示像元尺度上CH₄浓度分布对气候与社会经济因子的响应规律.3)拟合方法选择上,基于普通最小二乘法(OLS)与GWR方法对CH₄浓度与气温、降雨、GDP和人口的拟合结果的R²分别为0.14和0.83,表明海南岛CH₄浓度分布受气候和社会经济的局地效应影响显著,GWR方法在解释CH₄浓度分布影响因素方面比OLS的拟合效果更优.本研究揭示了海南岛CH₄浓度变化趋势及其空间变异规律,能够为海南CH₄浓度时空分布的动态评估提供方法参考.     

等高线树构建及高保真DEM构建

研究正负地貌等高线（含未闭合等高线）的空间关系。首先将未闭合等高线分为完全开放等高线和贴边等高线,分别进行自动闭合处理。然后使用多边形叠加分析的方法判断闭合等高线之间的关系,构建等高线树。通过对等高线树结构的遍历,获取格网点高程值的上下界,将上下界输入到高精度曲面建模区域优化控制方法进行约束优化控制模拟,能保证模拟结果的回放等高线与原始等高线的最大距离不超过一个栅格的宽度。最后对高斯合成曲面和扫描矢量化等高线两个实例进行论证。     

第四代地理信息系统研究中的尺度转换数字模型

分析了空间插值模型,数字地面模型和它们与地理信息系统集成的研究进展,存在的缺陷和需要解决的理论问题,论述了建立基于曲面论和遥感反演方法数字模型及实现其与地理信息系统有效集成的必要性和可行性。     

由离散点和特征线构建DEM的优化控制方法

基于拉普拉斯方程和优化控制(OC)理论,提出一种构建地形的OC方法.以极小化拉普拉斯方程左端项平方和为目标函数、采样离散点作为等式约束条件、河流线作为不等式约束条件、格网点附近的离散点集的高程范围为上下界约束条件,形成一个标准的OC问题,求解该问题即可获得融合原始数据中隐含信息的数字高程模型(DEM).通过调节OC的参数值,可以获得不同的DEM.实际案例表明,OC方法既能保证地形曲面的整体光滑性,又能保证DEM结果对于原始数据的忠实性,其模拟结果优于约束不规则三角网方法.     

资源环境模型库系统与GIS综合集成研究——以生态系统的综合评估系统为例

资源环境模型库系统通用平台进行总体设计、研发以及与GIS的有效集成,是充分高效地利用资源环境研究领域已有模型和开发新模型的前提条件,也是研究各种重大资源环境问题的关键性技术手段与支撑平台。论文在对模型库系统研究进展和大量资源环境数学模型构建的模型库进行理论分析的基础上,结合资源环境模型极具综合性与复杂性特点,构建了资源环境模型库系统通用平台的总体框架,并对资源环境模型库系统核心组成部分的功能结构及其与GIS的综合集成进行了设计。作为案例研究的生态系统的综合评估系统,充分有效地集成了大量的空间模型和非空间模型,它实现了生态系统综合评估模型的自动生成,为生态系统综合评估的相关研究问题提供了信息化、智能化的辅助决策支持工具。     

高精度曲面建模优化方案

目的 为了进一步提高高精度曲面建模（HASM）方法的模拟精度和计算速度,进而拓宽该模型的应用领域,提出了新的HASM模型算法。方法 采用新的差分格式计算HASM高斯方程中的一阶偏导数,以HASM预处理共轭梯度算法为例分析改进的差分格式对HASM的优化效果。结果 数值实验表明：在计算耗时及内存需求不变的情况下,采用新的差分格式的HASM算法可以显著提高单次迭代的模拟精度,同时能够降低关键采样点缺失对模拟结果精度的影响。进一步研究发现,当HASM采用新差分格式与原始差分格式（中心差分）交替迭代时,能够快速降低模拟结果的误差。结论 本文算法当达到指定的精度条时能够显著减小计算耗时,同时还能降低关键采样点缺失对模拟结果的影响。     

大气数值模式中FFT算法的设计与实现

大气数值模式中常用到的FFT软件包FFT99由于没有考虑硬件配置和FFT算法的变换参数影响,造成计算效率不高．因此,本文基于FFTw3,根据大气数值模式的特殊需求,设计实现了新的FFT99软件包SC—FFT99．数值试验表明,在FFT计算速度方面,根据新算法设计的SC～FFT99软件包比FFT99有较大的提高．理想情况下,SC—FFT99计算速度比FFT99快2．5到3．5倍．并且SC_FFT99已应用于中国科学院大气物理研究所开发的大气环流模式IAPAGCM4．0的数值模拟,测试结果显示：计算速度比原来的FFT99快0．39倍．     

资源环境模型库管理系统的构建方法研究

模型管理是资源环境研究领域急需解决的难题之一。根据抽象程度的不同,模型可以分为尺度模型、概念模型和数学模型,资源环境模型常表现为数学模型。通过对大量资源环境数学模型的分析和归纳,可以把资源环境模型划分为两个层次：模型类和模型实例,并采用面向对象方法表达资源环境数学模型。在资源环境模型库管理系统需求分析的基础上,采用“视图－模型库－引擎”的结构,在Win32平台下用VC++.net 2003构建了一个资源环境模型库管理系统（REMMS）原型,并提出了REMMS构建中3个关键问题的解决方法：用对象序列化技术实现模型的存储、用流程图构建模型实例、采用资源环境模型库引擎驱动模型实例的运行。