目錄
第一部分HASM基本原理
第1章地球表層建模的概念與問題 3
1.1地球表層建模研究進(jìn)展 3
1.1.1地球表面形絲達(dá) 3
1.1.2地球氣候系統(tǒng)模擬 3
1.1.3生態(tài)建模 4
1.1.4地球表層模擬系統(tǒng) 5
1.2有關(guān)國際研究計(jì)劃 6
1.3地球表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(shí)時(shí)可視化問題 9
1.3.4地球表層模擬速度問題 9
1.4撰寫本書的目的 9
第2章經(jīng)典曲面建模方法 11
2.1經(jīng)典曲面建模方法的發(fā)展及其誤差問題 11
2.2經(jīng)典曲面建模方法的數(shù)學(xué)表達(dá) 13
2.2.1趨勢(shì)面分析法 13
2.2.2反距離權(quán)重法 13
2.2.3不規(guī)則三角網(wǎng)法 13
2.2.4克里金法 14
2.2.5樣條函數(shù)法 14
2.2.6薄板樣條函數(shù)法 15
2.3討論 15
第3章高精度曲面建模方法的基本理論體系 17
3.1曲面建模方法探索與曲線等同度指數(shù) 17
3.2基本原理 18
3.2.1控制論 18
3.2.2微分幾何學(xué)原理 19
3.2.3曲面論基本定理 20
3.2.4HASM停機(jī)準(zhǔn)則 22
3.3高精度曲面建模方法 22
3.4HASM算法設(shè)計(jì)與比較分析 30
3.4.1驅(qū)動(dòng)場選擇對(duì)算法精度的影響分析 30
3.4.2差分離散格式對(duì)算法精度的影響分析 34
3.4.3主方程選擇對(duì)算法計(jì)算效率的影響分析 37
3.4.4采樣方式對(duì)HASM收斂速度的影響分析 37
3.4.5采樣方式對(duì)HASM精度的影響分析 39
3.5曲面復(fù)雜度與HASM模擬精度關(guān)聯(lián)性分析 40
3.6討論 44
第4章應(yīng)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(shù)值實(shí)驗(yàn) 53
4.3HASM迭代法及其系數(shù)矩陣結(jié)構(gòu) 53
4.3.1HASM迭代表達(dá) 53
4.3.2系數(shù)矩陣結(jié)構(gòu) 55
4.3.3HASM高斯-賽德爾算法和HASM預(yù)處理高斯-賽德爾算法 57
4.3.4HASM共扼梯度法和HASM預(yù)處理共扼梯度法 63
4.4結(jié)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基于不完全Cholesky分解的預(yù)處理共輒梯度法（ICCG) 70
5.1.2基于對(duì)稱逐步超松弛的預(yù)處理共軛梯度法（SSORCG) 71
5.2HASM迭代格式 72
5.3數(shù)值實(shí)驗(yàn) 76
5.3.1HASM最佳算法 76
5.3.2HASMab與HASMabc比較 78
5.3.3HASM驅(qū)動(dòng)場問題 78
5.3.4HASM邊界值問題 79
5.3.5運(yùn)算速度、占用內(nèi)存與模擬精度的權(quán)衡 80
5.4討論 80
第6章HASM的高階處理和復(fù)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(fù)雜邊界下的HASM算法 89
6.4討論 93
第7章HASM實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)算法 94
7.1引言 94
7.2靜止窗口實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬的HASM算法 95
7.2.1數(shù)學(xué)表達(dá)及其求解 95
7.2.2HASM系數(shù)矩陣的分解 96
7.2.3HASM動(dòng)態(tài)加點(diǎn)問題 97
7.2.4HASM動(dòng)態(tài)減點(diǎn)問題 98
7.2.5數(shù)值實(shí)驗(yàn) 99
7.3移動(dòng)窗口實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬的HASM算法 101
7.4討論 108
第二部分HASM高對(duì)故算法
第8章HASM多重網(wǎng)格法 111
8.1引言 111
8.2HASM多重網(wǎng)格表達(dá) 111
8.3數(shù)值實(shí)驗(yàn) 113
8.4實(shí)驗(yàn)研究 114
8.5結(jié)論與展望 116
第9章HASM適應(yīng)算法 117
9.1引言 117
9.2HASM適應(yīng)算法 117
9.2.1HASM適應(yīng)算法主方程表達(dá) 117
9.2.2誤差估值器 118
9.2.3格網(wǎng)細(xì)化 118
9.2.4誤差指示器 119
9.3應(yīng)用案例 119
9.3.1案例區(qū)及其數(shù)據(jù)獲取 119
9.3.2董志塬數(shù)字高程模型構(gòu)建 120
9.4討論 123
第10章HASM平差計(jì)算 124
10.1平差計(jì)算 124
10.1.1參數(shù)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(dú)立條件平差 127
10.2HASM平差計(jì)算 129
10.3HASM-AC時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度 136
10.3.1時(shí)間復(fù)雜度 136
10.3.2空間復(fù)雜度 136
10.4HASM-AC誤差控制 137
10.4.1計(jì)算模型與數(shù)據(jù)精度的匹配 137
10.4.2HASM-AC誤差控制 138
10.4.3數(shù)值實(shí)驗(yàn) 138
10.5實(shí)證研究 139
10.5.1誤差表達(dá) 139
10.5.2精度數(shù)值實(shí)驗(yàn) 139
10.5.3精度交叉驗(yàn)證 141
10.5.4計(jì)算效率分析 144
10.6結(jié)論 144
第11章HASM并行算法 146
11.1引言 146
11.1.1并行計(jì)算的發(fā)展 146
11.1.2并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 147
11.1.3并行編程環(huán)境 148
11.1.4并行計(jì)算時(shí)間效率測(cè)定 149
11.2HASM-AC的并行算法 150
11.2.1HASM-AC并行算法架構(gòu) 150
11.2.2HASM-AC并行算法 151
11.3HASM-AC并行算法實(shí)現(xiàn) 153
11.3.1MPI與C語言聯(lián)合編程 153
11.3.2并行處理中的進(jìn)程映射 154
11.3.3HASM-AC方法并行計(jì)算中的進(jìn)程同步 156
11.3.4HASM-AC并行計(jì)算的文件輸出 156
11.4并行計(jì)算驗(yàn)證 157
11.5結(jié)論 159
第三部分HASM啟用研究
第12章數(shù)字地面模型構(gòu)建 163
12.1引言 163
12.2數(shù)字地面模型構(gòu)建 164
12.2.1基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)字地面模型 164
12.2.2高程異常曲面模擬 165
12.2.3考慮地形特征點(diǎn)的數(shù)字地面模型模擬 168
12.3SRTM數(shù)字地面模型空缺填補(bǔ) 171
12.3.1數(shù)據(jù)與方法 171
12.3.2空缺填補(bǔ)結(jié)果分析 173
12.4討論 175
第13章LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)HASM算法 176
13.1引言 176
13.1.1濾波算法 177
13.1.2LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間插值 178
13.1.3地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合 178
13.2HASM算法 180
13.3數(shù)字地面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(shù)字地面模型HASM尺度轉(zhuǎn)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(shí)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(shì)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(wěn)性分析 199
15.2趨勢(shì)面模擬與空間平穩(wěn)性分析方法 200
15.2.1趨勢(shì)面模擬 200
15.2.2空間平穩(wěn)性分析方法 202
15.3空間非平穩(wěn)和空間平穩(wěn)氣候要素分類 205
15.3.1數(shù)據(jù) 205
15.3.2國家尺度年平均氣溫空間平穩(wěn)性分析 206
15.3.3國家尺度的年平均降水空間非平穩(wěn)性分析 208
15.4氣候要素空間插值結(jié)果 213
15.4.1年平均氣溫變化趨勢(shì)分析 213
15.4.2年平均降水變化趨勢(shì)分析 215
15.5不同時(shí)期各區(qū)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(jié)論 219
15.6.1方法 219
15.6.2氣候變化趨勢(shì) 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(wěn)性分析與降尺度模型表達(dá) 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(zhǔn)數(shù)據(jù)與氣象臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)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(tài)系統(tǒng)響應(yīng)模擬分析 241
17.1引言 241
17.2氣候變化模擬誤差及生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)模擬分析 242
17.2.1氣候模擬誤差分析 242
17.2.2HLZ生態(tài)系統(tǒng)模擬對(duì)氣候變化插值誤差的響應(yīng) 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(tài)系統(tǒng)變化趨勢(shì) 251
17.4.1生態(tài)系統(tǒng)分布與面積變化 251
17.4.2生態(tài)系統(tǒng)平均中心移動(dòng) 253
17.5結(jié)論 254
17.5.1生態(tài)系統(tǒng)模擬結(jié)果對(duì)氣候模擬誤差的響應(yīng) 254
17.5.2森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)實(shí)際氣候變化的響應(yīng) 254
第18章土壤質(zhì)量空間模擬分析實(shí)驗(yàn) 256
18.1引言 256
18.2數(shù)據(jù)與方法 257
18.2.1研究區(qū)域 257
18.2.2數(shù)據(jù)獲取 258
18.2.3基于內(nèi)梅羅指數(shù)的土壤質(zhì)量評(píng)估方法 259
18.2.4模擬精度分析方法 261
18.3模擬結(jié)果對(duì)比分析 261
18.3.1有機(jī)質(zhì)模擬結(jié)果對(duì)比 261
18.3.2全氮模擬結(jié)果對(duì)比 263
18.3.3堿解氮模擬結(jié)果對(duì)比 266
18.3.4全磷模擬結(jié)果對(duì)比 268
18.3.5有效磷模擬結(jié)果對(duì)比 270
18.3.6速效鉀模擬結(jié)果對(duì)比 272
18.3.7pH模擬結(jié)果對(duì)比 274
18.3.8碳氮比和氮磷比模擬結(jié)果對(duì)比 276
18.3.9綜合肥力模擬結(jié)果對(duì)比 280
18.4討論 284
第19章中國土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià) 285
19.1引言 285
19.2數(shù)據(jù)與方法 285
19.2.1土壤數(shù)據(jù) 285
19.2.2環(huán)境數(shù)據(jù) 286
19.2.3研究方法 287
19.3典型土壤剖面統(tǒng)計(jì)特征 290
19.3.1土壤pH 290
19.3.2土壤有機(jī)質(zhì) 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表層土壤厚度 300
19.4土壤性質(zhì)模擬分析 301
19.4.1主成分分析 301
19.4.2回歸分析 302
19.4.3中國表層土壤主要指標(biāo)模擬結(jié)果 305
19.4.4中國表層土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果 311
19.5討論 311
第20章陸地生態(tài)系統(tǒng)變化模擬分析 313
20.1引言 313
20.2方法 313
20.2.1HLZ分類系統(tǒng) 313
20.2.2生態(tài)空間分布模型 314
20.3國家尺度潛在陸地生態(tài)系統(tǒng)模擬 315
20.3.1中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的變化趨勢(shì) 315
20.3.2HLZ生態(tài)系統(tǒng)的面積變化趨勢(shì) 317
20.3.3生態(tài)多樣性和斑塊連通性 320
20.3.4平均中心移動(dòng) 320
20.4國家尺度的HLZ生態(tài)系統(tǒng)情景分析 323
20.4.1中國HLZ生態(tài)系統(tǒng)面積變化的未來情景 323
20.4.2平均中心移動(dòng) 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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)變化 347
21.5土地覆蓋類型平均中心移動(dòng)趨勢(shì) 352
21.6討論 355
第22章中國碳儲(chǔ)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(jī)理模型 359
22.2數(shù)據(jù)劫法 360
22.2.1國家森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù) 360
22.2.2方法 361
22.2.3模型評(píng)價(jià) 365
22.3模型不確定性分析 367
22.4結(jié)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(tài)閾值 371
23.2.2陸地生態(tài)系統(tǒng)食物供給潛力模型 374
23.3數(shù)據(jù) 375
23.3.1陸地生態(tài)系統(tǒng)的分類數(shù)據(jù) 375
23.3.2計(jì)算食物供給潛力的數(shù)據(jù) 375
23.4陸地生態(tài)系統(tǒng)的食物供給潛力 375
23.4.1農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng) 375
23.4.2草地生態(tài)系統(tǒng) 377
23.4.3林地生態(tài)系統(tǒng) 377
23.4.4水生生態(tài)系統(tǒng) 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(shì) 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(zhèn)化 386
24.3耕地食物產(chǎn)量及其變化 387
24.3.1作物產(chǎn)量 387
24.3.2食物營養(yǎng)產(chǎn)量 388
24.4草地食物生產(chǎn)力 391
24.5水產(chǎn)食物 393
24.6進(jìn)出口食物 394
24.7人口供養(yǎng)能力分析 396
24.8討論 397
第25章人口空間分布變化趨勢(shì)與未來情景模擬分析 399
25.1引言 399
25.2人口分布曲面建模方法 400
25.3人口增長態(tài)勢(shì)分析 401
25.4人口空間分布曲面建模方法 403
25.4.1人口空間分布?xì)v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(jié)論與展望 416
參考文獻(xiàn) 419