基于高性能计算的SWAT参数敏感度分析并行框架

随着大规模水文模拟需求的不断提高,如何解决计算需求问题逐渐成为水文研究的一个热点.SWAT(soil and water assessment tool)模型在进行大规模水文模拟时有着良好的适应性与准确度,但其敏感度分析模块由于计算量过高,计算时长往往长达数月之久.为了加快SWAT敏感度分析的运行速度,针对SWAT敏感度分析模块的特点,基于MPI提出了一种高效的主—从式并行计算框架,并在此框架的基础上,通过将正演过程并行化,在敏感度分析的主—从并行框架中引入通信子空间的操作,将并行化的正演与主—从式的外层并行框架相结合,得到一种混合式的敏感度分析并行框架,大大提高了对参数集合的敏感度分析速度,将SWAT敏感度分析模块使用的处理器数量从原始的单核串行一跃提升到百核的数量级.最后通过天山北坡流域的模拟验证了此并行框架的可行性.     

淮河沙颍河支流水质预报模型的参数率定

水质模型的参数率定一直是水质预报的难点。由于要求模型计算结果准确，故必须对每个参数反复多次计算才能给出一个较为可用的参数值。用传统的串行计算方法来处理参数率定问题，其计算时间过长，无法快速给出准确的模型。文章利用已有的数据和经验，根据沙颖河具体的水质和应用特点，在国内首次提出了采用基于并行计算技术的高性能计算方法，对沙颖河支流水质模型进行多参数率定的方案，并在曙光系列并行机上得以实现。结果表明：其率定的准确性大大优于常规率定，并缩短了整个模型的建模时间，由此为模型的快速应用提供了可靠的参数依据。     

基于克里金插值的脑电图成像系统

脑电图在医疗诊断中发挥了重要作用,能够快速纪录脑内神经元活动产生的电信号并能在屏幕上清晰地成像。针对16导联设备设计了一种脑电图成像系统,可以有效地支持二维脑电地形图和三维脑电旋转图的显示。对于二维脑电地形图采取了对时域信号的频域变换以及克里金空间插值方法进行填充绘制;对于三维脑电旋转地形图采取了反向映射到二维平面像素点的方法加以实现,该方法的成像效果清晰,并避免使用外部库文件,最后对导联设备增加以及产品的进一步功能发展所面临的挑战作了简要的分析。     

基于半监督学习的克里金插值方法

针对数据量较小时,克里金插值精度低的问题,将克里金插值模型与半监督学习理论相结合,利用未标记样本参与训练改进模型性能,提出基于半监督学习的克里金插值模型,即自训练克里金插值模型（STK）和协同训练克里金插值模型（CTK）。以北京地区2017年4月和5月的PM2.5浓度数据作为实验数据,采用克里金插值模型、STK和CTK进行对比实验。实验结果表明,这两个模型既具有半监督学习的优点,适用于只有少量标记样本的情况,又可以分析空间现象的分布模式。其中CTK采用两个模型协同训练,有效削弱了早期误差对后期训练的影响,利用未标记样本提升了模型的性能。     

基于改进Bayesian-MCMC的突发水污染事件预测模型参数率定方法

预测模型是科学制定应急处置措施的基础.为快速准确地构建突发水污染事件预测模型,将预测模型参数的率定问题视为贝叶斯估计问题,并根据有限差分方法和贝叶斯推理得到参数的后验概率密度函数,再通过改进的Metropolis-Hastings抽样方法得到较为合理的参数值.以发生在某明渠段的突发水污染事件为例,分析讨论等容量控制非均匀流和非等容量控制非均匀流两种情景下不同观测噪声对参数率定值的影响,并与由贝叶斯-马尔科夫链蒙特卡罗方法得到的参数值和真实值进行对比.结果表明:改进Bayesian-MCMC方法在计算精度、适用性和抗噪声等方面优于贝叶斯-马尔科夫链蒙特卡罗方法,能较好地率定模型参数,并为构建突发水污染事件预测模型提供了新思路.     

基于Delaunay三角网的克里金并行算法优化

当采样点数据量较大时, 可以采用Delaunay三角剖分建立三角网来使用局部邻域采样点进行克里金插值. 但是该算法需要对每个插值点拟合半变异函数, 插值点规模大时造成巨大开销. 为此, 本文提出了一种以三角形为单位拟合半变异函数的克里金插值方法, 采用CPU-GPU负载均衡将部分计算优化, 充分考虑不均匀样本对克里金插值效果的影响. 结果表明, 本文算法能够保证不均匀样本集的插值效果, 提升了计算性能且能够保证较高的精度.     

基于克里金空间插值的MODIS积雪覆盖率产品去云方法

由于云与积雪在可见光和远红外波段都具有相似的光谱特征,使得光学遥感监测积雪受到天气的严重干扰,如何消除亚像元尺度上MODIS积雪覆盖率(Snow Cover Fraction,SCF)产品中云的干扰成为了一个亟待解决的难题。通过分析亚像元尺度上SCF分布的空间变异性,提出了一种基于克里金空间插值的MODIS SCF产品去云方法,分别利用普通克里金(Ordinary Kriging,OK)和以海拔为协变量的普通协克里金(Ordinary Co\|Kriging,OCK)进行去云实验。11个不同日期的实验结果表明:OK和OCK方法在MODIS SCF产品去云中均能达到较高的精度,特别是在云覆盖率低于20%的情况下,此时OCK的精度要好于OK;而当云覆盖率大于20%时,OK的精度略高于OCK,但两者的精度都明显低于云覆盖率低于20%的情况,而且平滑效应都比较明显。     

基于时空注意力克里金的边坡形变数据插值方法

山体滑坡每年都会对人们的生命财产安全造成重大损失,是常见的地质灾害之一。为了对山体滑坡进行防控,需要广泛地监测山体表面的沉降过程,但是由于恶劣气候和监测成本等难以克服的困难,山体沉降数据的收集呈现出局部数据不完整、数据采样不均衡和监测点动态变化等特点,使得山体滑坡的防控研究受到阻碍,给数据的采集和分析工作提出了新的要求。现有方法从空间角度对缺失进行补充,但忽略了时间维度的依赖关系。为了解决上述问题,对不完整的INSAR数据填充进行了研究,利用时空掩码矩阵对时空依赖关系进行建模,利用多头注意力对多层次的空间关系进行综合学习,并在克里金法(Kriging)的基础上提出了新的使用时空注意力的克里金插值法,实现了对复杂时空特征的深层理解。在真实数据集上的数据恢复实验验证了该算法可以有效地学习复杂的时空特征,并在3种不同的数据缺失情景下都取得了优于现存插值算法的表现。     

基于种群演化的超参数异步并行搜索

近年来随着深度学习尤其是深度强化学习模型的不断增大,其训练成本即超参数的搜索空间也在不断变大,然而传统超参数搜索算法大部分是基于顺序执行训练,往往需要等待数周甚至数月才有可能找到较优的超参数配置.为解决深度强化学习超参数搜索时间长和难以找到较优超参数配置问题,提出一种新的超参数搜索算法—–基于种群演化的超参数异步并行搜...     

基于混合并行的Kriging插值算法研究

普通Kriging方法是进行空间降水插值的一种有效方法。然而一方面由于海量数据插值计算量大,另一方面该算法的时间复杂度大,为减少空间降水插值的计算时间,采用OpenMP和MPI混合并行技术,实现Kriging并行算法。在Windows操作系统上搭建并行计算环境,实验数据表明,该并行算法能有效地节省计算时间。     

基于OpenMP的Kriging插值算法研究

随着多核处理器的普及,并为了充分利用多核PC机的特性,计算机技术逐渐向多核架构及多核计算技术发展。为提高对湖南地区100mX 100m小网格气温插值的速度,采用以OpenMP为标准的基于共享存储的并行编程模型对Kriging插值算法进行改进。在不同核的多核PC机中,采用100mX 100m小网格和500mX 500m小网格地形数据对平均气温进行插值,不仅有效减少了插值时间和提高了算法的加速比,而且集成到业务系统中大大提升了系统的反应时间及性能。     

基于平面棋盘格标定板的三维空间标定新方法

在总结分析国内外摄像机标定技术研究的基础上,针对体育科研中使用三维立体 框架进行摄像机标定在标定范围、误差、便携性及时效性等方面存在的不足,提出了使用平面 棋盘格标定板进行三维空间标定的新方法。选取了5 m、10 m 和30 m 的拍摄距离,标定参照 物选用传统三维辐射式立体框架和自制二维平面棋盘格标定板,对标准1 m 长度的比例尺进行 三维重建,对两种标定方法进行了精度比较。此外还对标准1 m 板在测量空间的不同位置（测 量画面中间、边缘）进行了误差分布分析。实验结果表明,基于平面棋盘格标定板的摄像机空 间标定方法具有一定的优势,不论从使用方便性还是测量精度方面都克服了三维立体框架在使 用中的不足,理论上能够满足体育科研的需求。     

一种新型的二元函数分段插值误差校正方法

在对仪器系统误差各种校正方法分析的基础上,从二元函数泰勒级数展开式的模型出发,根据测量仪器输入输出的特定关系,提出了一种适用于交流电参量测量仪器系统误差校正的方法:先根据被测输入电压值进行分段插值校正,再根据被测信号的频率值进行分段插值校正.实验证明了该种方法编程容易实现,校准方便且效果好,具有一定的实用性.     

并行Kriging地层电性参数分布估计

为提高突变型地层媒质中电性参数分布预测的计算速度,在建立地层电性参数的Kriging插值模型的基础上,基于MPI开发一种并行Kriging插值算法。在Windows 2000 操作系统上搭建了并行计算环境,统计数据表明该并行算法能有效节省计算时间并具有良好的扩展性。     

基于两条平行线段的摄像机标定

提出了一种基于空间平行线段的摄像机标定算法和理论. 1)当两条平行线段的比值已知时: a)该平行线段的$n$幅图像可提供关于摄像机内参数的2(n-1)个二次约束方程; b)如果图像极点同时也是已知的,则该平行线段的n幅图像可提供关于摄像机内参数的5n-6个约束方程,其中3(n-1)个为二次约束,n-2个为三次约束,n-1个为四次约束. 2)当两条平行线段的比值未知时,则该平行线段的n幅图像可提供关于摄像机内参数的2n-3个约束方程,其中n-2个为四次约束, n-1个为六次约束.在理论分析的基础上,本文给出了摄像机标定的具体算法.模拟实验和真实图像实验均证明了本文方法的可行性.另外,鉴于在很多真实场景中均存在平行线段,因此本文所得到的结果不仅具有理论意义而且也有一定的实用价值.     

基于MapReduce的并行石漠化CA模型

针对石漠化演化模拟预测CA模型在单机上训练和运行时间较长的问题。给出了MapReduce编程模型实现的并行化石漠化CA模型,并在用普通PC搭建的Hadoop集群上进行研究实验。实验结果表明,在Hadoop集群上实现的MapReduce并行化石漠化CA模型具有较好的加速比。     

一种四自由度并联机构的误差分析及其标定补偿

针对一种四自由度并联机构进行了运动学分析,在此基础上以摄动法建立了其误差模型,明确了各误差源对末端位姿的影响．在对并联机构的标定技术进行简单介绍后,说明了对该机构误差模型中的机构参数进行标定的两种方法,介绍了标定装置、标定算法及标定过程．最后采用Matlab对基于逆解的标定方法进行了仿真,并对仿真结果进行了分析．