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展 3
1.1.1地球表面形絲達 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有關國際研究計劃 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
1.3.3三維實時可視化問題 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章經典曲面建模方法 11
2.1經典曲面建模方法的發(fā)展及其誤差問題 11
2.2經典曲面建模方法的數學表達 13
2.2.1趨勢面分析法 13
2.2.2反距離權重法 13
2.2.3不規(guī)則三角網法 13
2.2.4克里金法 14
2.2.5樣條函數法 14
2.2.6薄板樣條函數法 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 17
3.2基本原理 18
3.2.1控制論 18
3.2.2微分幾何學原理 19
3.2.3曲面論基本定理 20
3.2.4HASM停機準則 22
3.3高精度曲面建模方法 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曲面復雜度與HASM模擬精度關聯(lián)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迭代法及其系數矩陣結構 53
4.3.1HASM迭代表達 53
4.3.2系數矩陣結構 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基于不完全Cholesky分解的預處理共輒梯度法（ICCG) 70
5.1.2基于對稱逐步超松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(tài)算法 94
7.1引言 94
7.2靜止窗口實時動態(tài)模擬的HASM算法 95
7.2.1數學表達及其求解 95
7.2.2HASM系數矩陣的分解 96
7.2.3HASM動態(tài)加點問題 97
7.2.4HASM動態(tài)減點問題 98
7.2.5數值實驗 99
7.3移動窗口實時動態(tài)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多重網格表達 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適應算法主方程表達 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(qū)及其數據獲取 119
9.3.2董志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誤差控制 137
10.4.1計算模型與數據精度的匹配 137
10.4.2HASM-AC誤差控制 138
10.4.3數值實驗 138
10.5實證研究 139
10.5.1誤差表達 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并行算法 146
11.1引言 146
11.1.1并行計算的發(fā)展 146
11.1.2并行計算機體系結構 147
11.1.3并行編程環(huán)境 148
11.1.4并行計算時間效率測定 149
11.2HASM-AC的并行算法 150
11.2.1HASM-AC并行算法架構 150
11.2.2HASM-AC并行算法 151
11.3HASM-AC并行算法實現 153
11.3.1MPI與C語言聯(lián)合編程 153
11.3.2并行處理中的進程映射 154
11.3.3HASM-AC方法并行計算中的進程同步 156
11.3.4HASM-AC并行計算的文件輸出 156
11.4并行計算驗證 157
11.5結論 159
第三部分HASM啟用研究
第12章數字地面模型構建 163
12.1引言 163
12.2數字地面模型構建 164
12.2.1基于實測數據的數字地面模型 164
12.2.2高程異常曲面模擬 165
12.2.3考慮地形特征點的數字地面模型模擬 168
12.3SRTM數字地面模型空缺填補 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點云數據HASM算法 176
13.1引言 176
13.1.1濾波算法 177
13.1.2LiDAR點云數據空間插值 178
13.1.3地面實測數據、衛(wèi)星遙感數據和LiDAR點云數據融合 178
13.2HASM算法 180
13.3數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章數字地面模型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(wěn)性分析 199
15.2趨勢面模擬與空間平穩(wěn)性分析方法 200
15.2.1趨勢面模擬 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數據 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(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(wěn)性分析與降尺度模型表達 222
16.2.3降尺度方法精度比較 223
16.3CMIP5精度分析 225
16.3.1CMIP5基準數據與氣象臺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(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)響應模擬分析 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(tài)系統(tǒng)變化趨勢 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 253
17.5結論 254
17.5.1生態(tài)系統(tǒng)模擬結果對氣候模擬誤差的響應 254
17.5.2森林生態(tài)系統(tǒng)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(qū)域 257
18.2.2數據獲取 258
18.2.3基于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綜合肥力模擬結果對比 280
18.4討論 284
第19章中國土壤質量綜合評價 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(huán)境數據 286
19.2.3研究方法 287
19.3典型土壤剖面統(tǒng)計特征 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表層土壤厚度 300
19.4土壤性質模擬分析 301
19.4.1主成分分析 301
19.4.2回歸分析 302
19.4.3中國表層土壤主要指標模擬結果 305
19.4.4中國表層土壤質量綜合評價結果 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 315
20.3.2HLZ生態(tài)系統(tǒng)的面積變化趨勢 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 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 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國家森林資源連續(xù)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(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數據 375
23.3.1陸地生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)的食物供給潛力 375
23.4.1農田生態(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 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耕地食物產量及其變化 387
24.3.1作物產量 387
24.3.2食物營養(yǎng)產量 388
24.4草地食物生產力 391
24.5水產食物 393
24.6進出口食物 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人口空間分布歷史反演 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