地球表层系统模拟分析原理与方法
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作者岳天祥等著
出版社科学出版社
ISBN9787030529534
出版时间2016-08
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货号8993927
上书时间2024-10-27
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目录
第一部分HASM基本原理
第1章地球表层建模的概念与问题 3
1.1地球表层建模研究进展 3
1.1.1地球表面形絲达 3
1.1.2地球气候系统模拟 3
1.1.3生态建模 4
1.1.4地球表层模拟系统 5
1.2有关国际研究计划 6
1.3地球表层建模存在的主要问题 8
1.3.1误差问题 8
1.3.2多尺度问题 8
1.3.3三维实时可视化问题 9
1.3.4地球表层模拟速度问题 9
1.4撰写本书的目的 9
第2章经典曲面建模方法 11
2.1经典曲面建模方法的发展及其误差问题 11
2.2经典曲面建模方法的数学表达 13
2.2.1趋势面分析法 13
2.2.2反距离权重法 13
2.2.3不规则三角网法 13
2.2.4克里金法 14
2.2.5样条函数法 14
2.2.6薄板样条函数法 15
2.3讨论 15
第3章高精度曲面建模方法的基本理论体系 17
3.1曲面建模方法探索与曲线等同度指数 17
3.2基本原理 18
3.2.1控制论 18
3.2.2微分几何学原理 19
3.2.3曲面论基本定理 20
3.2.4HASM停机准则 22
3.3高精度曲面建模方法 22
3.4HASM算法设计与比较分析 30
3.4.1驱动场选择对算法精度的影响分析 30
3.4.2差分离散格式对算法精度的影响分析 34
3.4.3主方程选择对算法计算效率的影响分析 37
3.4.4采样方式对HASM收敛速度的影响分析 37
3.4.5采样方式对HASM精度的影响分析 39
3.5曲面复杂度与HASM模拟精度关联性分析 40
3.6讨论 44
第4章应用型HASM方程组求解方法 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数值实验 53
4.3HASM迭代法及其系数矩阵结构 53
4.3.1HASM迭代表达 53
4.3.2系数矩阵结构 55
4.3.3HASM高斯-赛德尔算法和HASM预处理高斯-赛德尔算法 57
4.3.4HASM共扼梯度法和HASM预处理共扼梯度法 63
4.4结论 66
第5章理论型HASM方程组求解方法 68
5.1HASM快速算法 68
5.1.1基于不完全Cholesky分解的预处理共辄梯度法（ICCG) 70
5.1.2基于对称逐步超松弛的预处理共轭梯度法（SSORCG) 71
5.2HASM迭代格式 72
5.3数值实验 76
5.3.1HASM最佳算法 76
5.3.2HASMab与HASMabc比较 78
5.3.3HASM驱动场问题 78
5.3.4HASM边界值问题 79
5.3.5运算速度、占用内存与模拟精度的权衡 80
5.4讨论 80
第6章HASM的高阶处理和复杂边界问题 82
6.1非均匀步长的HASM方法 82
6.2采样矩阵的高阶处理 83
6.3复杂边界下的HASM算法 89
6.4讨论 93
第7章HASM实时动态算法 94
7.1引言 94
7.2静止窗口实时动态模拟的HASM算法 95
7.2.1数学表达及其求解 95
7.2.2HASM系数矩阵的分解 96
7.2.3HASM动态加点问题 97
7.2.4HASM动态减点问题 98
7.2.5数值实验 99
7.3移动窗口实时动态模拟的HASM算法 101
7.4讨论 108
第二部分HASM高对故算法
第8章HASM多重网格法 111
8.1引言 111
8.2HASM多重网格表达 111
8.3数值实验 113
8.4实验研究 114
8.5结论与展望 116
第9章HASM适应算法 117
9.1引言 117
9.2HASM适应算法 117
9.2.1HASM适应算法主方程表达 117
9.2.2误差估值器 118
9.2.3格网细化 118
9.2.4误差指示器 119
9.3应用案例 119
9.3.1案例区及其数据获取 119
9.3.2董志塬数字高程模型构建 120
9.4讨论 123
第10章HASM平差计算 124
10.1平差计算 124
10.1.1参数平差 125
10.1.2条件平差126
10.1.3逐次条件平差 126
10.1.4逐次独立条件平差 127
10.2HASM平差计算 129
10.3HASM-AC时间复杂度和空间复杂度 136
10.3.1时间复杂度 136
10.3.2空间复杂度 136
10.4HASM-AC误差控制 137
10.4.1计算模型与数据精度的匹配 137
10.4.2HASM-AC误差控制 138
10.4.3数值实验 138
10.5实证研究 139
10.5.1误差表达 139
10.5.2精度数值实验 139
10.5.3精度交叉验证 141
10.5.4计算效率分析 144
10.6结论 144
第11章HASM并行算法 146
11.1引言 146
11.1.1并行计算的发展 146
11.1.2并行计算机体系结构 147
11.1.3并行编程环境 148
11.1.4并行计算时间效率测定 149
11.2HASM-AC的并行算法 150
11.2.1HASM-AC并行算法架构 150
11.2.2HASM-AC并行算法 151
11.3HASM-AC并行算法实现 153
11.3.1MPI与C语言联合编程 153
11.3.2并行处理中的进程映射 154
11.3.3HASM-AC方法并行计算中的进程同步 156
11.3.4HASM-AC并行计算的文件输出 156
11.4并行计算验证 157
11.5结论 159
第三部分HASM启用研究
第12章数字地面模型构建 163
12.1引言 163
12.2数字地面模型构建 164
12.2.1基于实测数据的数字地面模型 164
12.2.2高程异常曲面模拟 165
12.2.3考虑地形特征点的数字地面模型模拟 168
12.3SRTM数字地面模型空缺填补 171
12.3.1数据与方法 171
12.3.2空缺填补结果分析 173
12.4讨论 175
第13章LiDAR点云数据HASM算法 176
13.1引言 176
13.1.1滤波算法 177
13.1.2LiDAR点云数据空间插值 178
13.1.3地面实测数据、卫星遥感数据和LiDAR点云数据融合 178
13.2HASM算法 180
13.3数字地面模型与树高模拟分析 181
13.3.1样地尺度案例 181
13.3.2小流域尺度案例 181
13.4讨论 186
第14章数字地面模型HASM尺度转换 187
14.1引言 187
14.2降尺度算法 188
14.3升尺度算法 190
14.4实证研究 193
14.4.1DTM降尺度 193
14.4.2DTM升尺度 194
14.5讨论 198
第15章中国气候空间插值与变化趋势模拟分析 199
15.1引言 199
15.1.1空间插值 199
15.1.2空间非平稳性分析 199
15.2趋势面模拟与空间平稳性分析方法 200
15.2.1趋势面模拟 200
15.2.2空间平稳性分析方法 202
15.3空间非平稳和空间平稳气候要素分类 205
15.3.1数据 205
15.3.2国家尺度年平均气温空间平稳性分析 206
15.3.3国家尺度的年平均降水空间非平稳性分析 208
15.4气候要素空间插值结果 213
15.4.1年平均气温变化趋势分析 213
15.4.2年平均降水变化趋势分析 215
15.5不同时期各区最大年平均温度变化和最大年平均降水量变化 217
15.5.1年平均温度 217
15.5.2年平均降水量 218
15.6结论 219
15.6.1方法 219
15.6.2气候变化趋势 220
第16章中国气候未来情景降尺度模拟分析 221
16.1引言 221
16.2CMIP5年平均气温、降水的降尺度模型 222
16.2.1气候情景 222
16.2.2空间平稳性分析与降尺度模型表达 222
16.2.3降尺度方法精度比较 223
16.3CMIP5精度分析 225
16.3.1CMIP5基准数据与气象台站观测数据比较分析 225
16.3.2RCPs情景误差分析 227
16.4气候情景模拟分析 230
16.4.1年平均气温 231
16.4.2年平均降水 234
16.5讨论 237
第17章气候变化及森林生态系统响应模拟分析 241
17.1引言 241
17.2气候变化模拟误差及生态系统响应模拟分析 242
17.2.1气候模拟误差分析 242
17.2.2HLZ生态系统模拟对气候变化插值误差的响应 246
17.3气候变化 248
17.3.1年平均气温变化 248
17.3.2年平均降水变化 249
17.3.3气候变化 250
17.4生态系统变化趋势 251
17.4.1生态系统分布与面积变化 251
17.4.2生态系统平均中心移动 253
17.5结论 254
17.5.1生态系统模拟结果对气候模拟误差的响应 254
17.5.2森林生态系统对实际气候变化的响应 254
第18章土壤质量空间模拟分析实验 256
18.1引言 256
18.2数据与方法 257
18.2.1研究区域 257
18.2.2数据获取 258
18.2.3基于内梅罗指数的土壤质量评估方法 259
18.2.4模拟精度分析方法 261
18.3模拟结果对比分析 261
18.3.1有机质模拟结果对比 261
18.3.2全氮模拟结果对比 263
18.3.3碱解氮模拟结果对比 266
18.3.4全磷模拟结果对比 268
18.3.5有效磷模拟结果对比 270
18.3.6速效钾模拟结果对比 272
18.3.7pH模拟结果对比 274
18.3.8碳氮比和氮磷比模拟结果对比 276
18.3.9综合肥力模拟结果对比 280
18.4讨论 284
第19章中国土壤质量综合评价 285
19.1引言 285
19.2数据与方法 285
19.2.1土壤数据 285
19.2.2环境数据 286
19.2.3研究方法 287
19.3典型土壤剖面统计特征 290
19.3.1土壤pH 290
19.3.2土壤有机质 291
19.3.3土壤全氮 292
19.3.4土壤全磷 294
19.3.5土壤全钾 295
19.3.6土壤碱解氮 296
19.3.7土壤有效磷 297
19.3.8土壤速效钾 299
19.3.9表层土壤厚度 300
19.4土壤性质模拟分析 301
19.4.1主成分分析 301
19.4.2回归分析 302
19.4.3中国表层土壤主要指标模拟结果 305
19.4.4中国表层土壤质量综合评价结果 311
19.5讨论 311
第20章陆地生态系统变化模拟分析 313
20.1引言 313
20.2方法 313
20.2.1HLZ分类系统 313
20.2.2生态空间分布模型 314
20.3国家尺度潜在陆地生态系统模拟 315
20.3.1中国陆地生态系统的变化趋势 315
20.3.2HLZ生态系统的面积变化趋势 317
20.3.3生态多样性和斑块连通性 320
20.3.4平均中心移动 320
20.4国家尺度的HLZ生态系统情景分析 323
20.4.1中国HLZ生态系统面积变化的未来情景 323
20.4.2平均中心移动 334
20.5讨论 338
第21章土地覆被变化未来情景模拟分析 339
21.1引言 339
21.2土地覆盖分类及其概率转移矩阵 339
21.3土地覆盖空间分布未来情景 341
21.4土地覆盖结构变化 347
21.5土地覆盖类型平均中心移动趋势 352
21.6讨论 355
第22章中国碳储量模拟分析 357
22.1引言 357
22.1.1全球研究概况 357
22.1.2中国研究概况 358
22.1.3机理模型 359
22.2数据劫法 360
22.2.1国家森林资源连续清查数据 360
22.2.2方法 361
22.2.3模型评价 365
22.3模型不确定性分析 367
22.4结论 369
第23章中国人口承载力模拟分析 370
23.1引言 370
23.1.1土地承载力概念 370
23.1.2全球人口承载力估算 370
23.2中国土地人口承载力估算方法 371
23.2.1生态阈值 371
23.2.2陆地生态系统食物供给潜力模型 374
23.3数据 375
23.3.1陆地生态系统的分类数据 375
23.3.2计算食物供给潜力的数据 375
23.4陆地生态系统的食物供给潜力 375
23.4.1农田生态系统 375
23.4.2草地生态系统 377
23.4.3林地生态系统 377
23.4.4水生生态系统 381
23.4.5中国陆地人口承载力 382
23.5讨论 383
第24章中国食物供给变化趋势 385
24.1引言 385
24.2耕地变化 385
24.2.1退耕还林还草工程 385
24.2.2城镇化 386
24.3耕地食物产量及其变化 387
24.3.1作物产量 387
24.3.2食物营养产量 388
24.4草地食物生产力 391
24.5水产食物 393
24.6进出口食物 394
24.7人口供养能力分析 396
24.8讨论 397
第25章人口空间分布变化趋势与未来情景模拟分析 399
25.1引言 399
25.2人口分布曲面建模方法 400
25.3人口增长态势分析 401
25.4人口空间分布曲面建模方法 403
25.4.1人口空间分布历史反演 403
25.4.2未来情景模拟分析 409
25.5讨论 415
第26章结论与展望 416
参考文献 419
内容摘要
靠前部分HASM基本原理
靠前章地球表层建模的概念与问题
地球表层是岩石圈、大气圈、水圈和生物圈的交界面，它包括上至大气对流层顶层，在极地上空约8km，赤道上空约17km，平均约10km;下至岩石圈的上部，在陆地上深5~6km，海洋下平均深4km(钱学森，1983)。地球表层包括相互嵌套的4个空间尺度层次：局地（local)、区域（regional)、国家（national)和优选（global)。太阳辐射是地球表层的主要能源，地球接受的太阳辐射能总计1.73xl017W；太阳辐射能占地球表层所获取能量的99.98%。太阳辐射能进人地球表层后推动大气循环，优选的大气环流模式就是能量稳定的对流传递的方式；太阳辐射能引起的水循环，带动了地球表层大量物质的循环运动，形成地形地貌的侵蚀堆积过程。有机体固定的太阳辐射能是地球表层全部生命运动的能量基础（浦汉昕，1983)。近年来，一些学者（周俊，2004;张猛刚、雷祥义，2005)将地球表层的空间范围外延为包括地球表面上下的岩石圈、水圈、大气圈、生物圈和近地物理（能量）场及其相关作用在内的地球空间，其下界为软流圈，其上界为大气圈很外层。
1.1地球表层建模研究进展
1.1.1地球表面形态表达
地球表面形态是地球表层研究的核心，它与人类活动、生物学、生物化学、地球化学、地质学、水文学、地貌学和大气动力学密切相关(Murray et al， 2009)。地表起伏是几乎所有地理科学分析的一个关键参数（Dedi，2005)。数字地面模型和地形数据质量对认识地表过程尤为重要(Tarolli et al.， 2009 )。
地表高程在空间受重力的约束，不可能无限大或无限小，地球表面一般服从专享性、连续性、光滑性 和有限性条件。对破坏光滑性条件的地形，如不连续性裂缝、悬崖、陡峰、窑洞和深渊等地表属性，可以 作为个例进行特别处理。1937年，de Gbaaff-Hunter首先根据地面重力场描述了地表的形态。1965年，Bragard根据地表重力通过求解两个积分方程，计算了地球的表面形态。1977年，Petrovskaya探索了通过球谐函数中地势向地表外扩的广义化，构建了潜在膨胀的可能性。
由于高性能计算机和空间位置明确数据的局限性，在20世纪80年代之前的主要进展包括小尺度趋势面分析(Ahlberg et al.， 1967; Schroeder and Sjoquist， 1976; Legendre and Legendre， 1983 )、数字地面模型（Stott，1977)和地表逼近模拟（Long，1980)。1993年，牛文元应用均衡河流剖面的规律，从理论上推演了地表海拔-面积分布的宏观趋势。为了表达地球表面形态，俄罗斯科学院构建了F逼近法和S逼近法。地球表面形态的F逼近法基于线性积分的Strakhov方法(Strakhov et al.， 1999 ); S逼近法基于谐和函数的基本公式 (Stepanova， 2007 )。谐和函数用于模拟优选定位系统可捕捉到位移发生时的地球表面（Ionescu and Volkov， 2008)。俄罗斯科学院将地球表面形态表达为z = f(x，y)，其中，z为位置处的海拔（Kerimov，2009)。
1.1.2地球气候系统模拟
地球气候系统可通过地球表层环境要素来表达。优选气候变化的原因包括地球生命中太阳常数的逐渐 增加、板块运动、海洋环流、海平面变化、温室气体排放、地表反照率变化、轨道参数变化、火山爆发等 随机事件及自然变异（Budyko and Izreal，1991)。
地球气候系统研究可追溯到20世纪初。1904年，Bjerknes抢先发售讨论了预测问题有理解的充分必要条件。1905年，Ekman发现了风对冰和水速的影响。1922年，Richardson发表了他运用观测数据预测小范围气候 的方法。1925年，Walker讨论了南方涛动，发现了包括东南太平洋高压和印度洋、西太平洋附近区域低压 的交替气压型。1929年，Alt研究了地球表层的热量平衡。1939年，Rossby及其合作者发现了保证涡度平 流与大尺度波动的关系。在20世纪40年代后期的主要进展包括斜压和正压不稳定性理论(Chamey， 1947) 和等量正压分布概念(Chamey and Eliassen， 1949)等。
1950年，Chamey等运用正压方程成功预测了 24小时天气。1953年，三层绝热准向地性模型被成功用于模拟1950年11月美国上空观测到的暴风雨发展过程(Chamey and Phillips， 1953 ) D 1956年，Black模拟了太阳辐射在地球表面的空间分布。Phillips(1956)运用准地转近似方程进行了抢先发售大气环流实验。1957年，Burdecki分析了地表人射辐射和大气热力场。1957年，Chapman在探测月球对地球大气引力的基础上，发表了地球大气模型的思路。1958年，Mintz提出了Mintz-Arakawa模型的基本思路，这个模型包括太阳辐射的季节变化和长波冷却效应。1959年，Phillips证明了非线性计算的不稳定性发生在非发散正压涡度方程的求解过程
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