高精度曲面建模的一种快速算法

 高精度曲面建模(HASM)是一种全新的曲面建模方法,其整个过程可分为偏微分方程的离散、采样方程建立和代数方程组求解3个阶段。目前所采用的求解对称正定方程组的方法主要是共轭梯度法。为了解决HASM的计算速度问题,本文给出了2种新的预处理共轭梯度算法,分别为不完全Cholesky分解共轭梯度法和对称逐步超松弛预处理共轭梯度法。实验表明,不完全Cholesky分解共轭梯度法收敛速度最快,且这2种预处理方法均比其他方法具有更快的收敛速度。     

改进的HASM-AD算法及在空间变量模拟的应用分析

高精度曲面建模(HASM)可以显著提高空间曲面模拟的精度,但是计算速度低限制了该模型的进一步应用。为了提高HASM模型的计算效率,本文对HASM-AD算法作了改进,通过在计算过程中为采样点添加索引,避免了计算过程中对采样点信息的重复查找操作;同时,在遍历独立计算单元时实时计算第一类、第二类基本量及克式符号,避免了全局存储上述变量所需要的额外内存消耗。数值试验表明,由于将全局线性方程组求解问题转化为局部独立计算单元(5×5栅格)内的方程组求解,改进的HASM-AD算法显著提高了计算效率,同时降低了模型运行过程中的内存消耗。最后,本文以全国陆地降水空间分布模拟分析作为实例,验证改进的HASM-AD算法模拟精度及计算效率,模拟结果表明,改进的HASM-AD算法模拟结果精度优于其他HASM算法(以HASM-PCG为例),并且计算效率优势更为明显,实现全国10km分辨率的降水分布模拟耗时仅为4s。表明改进的HASM-AD算法提高了计算速度,并且适于大尺度的空间变量模拟应用。     

基于TRMM降水数据的空间降尺度模拟

本研究以黑河流域为例,通过在不同空间尺度上建立降水与影响因素的关系并选择最优尺度以此进行降尺度,建立了基于地理加权回归（GWR）与高精度曲面建模方法（HASM）相结合的跨尺度统计降尺度方法,对TRMM降水数据进行了降尺度模拟。最后,结合站点观测数据采用交叉验证法对降尺度结果进行了验证。结果表明,与传统的降尺度方法相比,考虑最优尺度的降尺度方法在一定程度上提高了降尺度结果的精度,同时表明对跨尺度过程中产生的误差进行修正可进一步提高结果精度。本研究所提出的方法可用于粗分辨率降水数据的降尺度模拟,可为站点稀疏地区或地形复杂地区高分辨率高精度降水数据的获取提供方法上的支持。     

室内地磁基准图构建的优化算法研究

对比分析4种室内地磁基准图的构建算法,选取两种场景进行实验,并采用均方差、交叉验证法、积分均方误差等评价指标进行分析。结果表明,协同克里金插值算法有更高的精度,但构建速度较慢;标准高斯过程回归有更快的构建速度,但精度略低。因此,对于有高精度需求的场合可采用协同克里金算法;对于实时性要求高的情况,标准高斯过程回归更能满足需求。     

散乱数据插值的HASM方法

本文运用高精度曲面建模(HASM)方法,研究了空间散乱数据插值算法,并以陕西咸阳彬县大佛寺煤矿区的实测数据为案例,使用交叉统计检验方法比较分析HASM方法与地理信息系统(GIS)领域中常用传统插值方法的空间插值结果。结果表明,HASM方法具有较高的精度。本文还分析了传统常用插值方法的一些统计结果,得出一些结论,这些结论对于使用常用传统GIS空间插值方法的研究者有很好的参考作用。     

趋势面分析中曲面拟合的优化

曲面拟合在数学地质中应用广泛。本文讨论用多项式函数对离散点观测值进行曲面拟合的优化过程。采用Gram—Schmidt正交化方法计算实矩阵的Moore-penrose型广义逆矩阵;并给出方程组的最短最小二乘解。优化后的曲面拟合方法降低了中间计算结果中坐标值的方次,因而计算出高阶趋势面系数时精度较高,也可以得到较高的多项式趋势面方程。     

修正的Benjamin-Bona-Mahoney方程的精确解

基于齐次平衡法的思想,利用高效的G′G展开法,求解了修正的Benjamin-Bona-Mahoney(BBM)方程。修正的BBM方程是一个同时含有耗散和色散的非线性偏微分方程,求解难度大。利用对方程解的合理假设和G′G展开法可以将其约化为一个复杂的非线性代数方程组,借助数学软件Maple符号运算功能的帮助成功地求解了该非线性代数方程组,从而求得修正的BBM方程的精确解。这些解中包含3组更具有一般性质的精确解,它们分别是双曲函数解、三角函数周期解、有理数解。这些解对于研究方程的物理性质及物理现象有很重要的意义。为了能够更直观地理解这几组行波解,给出了相应的解的数值模拟图。     

利用三元组稀疏矩阵技术改进HASM算法——以全球平均气温模拟为例

 采用预处理共轭梯度法(PCG)进行求解的高精度曲面建模(HASM)算法的计算过程需要大量矩阵计算,采用稀疏矩阵方式可以压缩存储空间。三元组稀疏矩阵存储是较为传统的稀疏矩阵存储结构,这种存储结构的稀疏矩阵技术已被广泛使用。根据HASM-PCG的特点,本文通过改进三元组稀疏矩阵的部分计算方式,调整HASM-PCG算法中的部分计算顺序,从而舍弃部分不需要存储的非零元素,提高了计算效率。根据全球1998-2008年的近3000个气象观测台站的气温观测数据,以及全球DEM数据,对20世纪末至21世纪初的11年来5、6、7、8月份的全球平均气温进行数字模拟。数值结果表明,采用改进的三元组稀疏矩阵技术有效地提高了HASM方法的模拟效率。     

基于GPU的HASM动态模拟与实时渲染方法

 基于微分几何曲面论的高精度曲面模拟(high accuracy surface modeling, HASM)需要大量的复杂密集计算,在CPU上模拟极为耗时,使得在现有的硬件条件下,实时动态模拟曲面并实时可视化极具挑战性。论文提出了GPU加速的HASM方法,充分利用现代显示适配器(graphic processor unit, GPU)技术,运用GPU最新发展起来的并行计算能力,使用并行化的预处理共轭梯度方法解算曲面,完成曲面模拟,并同时利用GPU的高速缓存架构,对渲染操作进行充分优化,以实现高效实时可视化。HASM需要的有限差分离散和高速解算操作,均充分利用现代GPU架构,所具有的多处理器和众多的流处理器所产生的强大并行计算能力,可视化也用GPU高速缓存技术和三角条带方法进行充分优化。数值实验和实际项目区高程模拟实验均表明, 在GPU为NVIDIA quadro 2000和CPU为DualCore Intel Core 2 Duo E8400的硬件配置下,GPU并行化的曲面模拟方法比普通方法速度提高了约10倍,使得动态模拟与可视化算法可以达到交互式的帧速及实时可视化的要求。     

结合TRMM数据的区域降水高精度曲面建模研究

高精度曲面建模方法（High Accuracy Surface Modeling, HASM）,从理论上解决了传统方法在插值过程中峰值削平和边界震荡等问题。其模拟精度相对于经典插值方法有很大提高,已成功应用于人口密度、土壤属性,以及气候要素等领域的空间制图。然而,由于地面气象站点数量和分布的限制,使得HASM仅依靠站点数据难以得到高精度的空间降水估计数据,因此,本文以地貌与气候类型复杂多样的我国中西部地区2010年年降水量空间分布模拟为例,采用混合插值法进行HASM区域降水模拟。结果表明,TRMM作为背景场的HASM模拟的年降水量精度,在全局和局部明显优于IDW、Spline和Kriging等经典插值方法的结果,作为背景场的HASM模拟精度,MAE和RMSE分别为125.15 mm和155.80 mm,其他方法最好的模拟结果比其误差值分别高出53.6%和54.5%;其模拟误差在不同子区域都较小;各种方法在平原的精度都高于山区的精度。     

地表CO2浓度分布模拟试验及分析

如何获取CO₂浓度时空分布特征,是气候变化研究中的一个关键问题。本文基于中国碳卫星在吉林航飞试验区的地面观测数据,分析地表CO₂浓度与环境变量的相关关系,运用多元线性回归与HASM高精度曲面建模相结合的方法,模拟航飞区地表CO₂浓度分布格局。结果表明：CO₂浓度空间分布受气象条件的影响较大,短波辐射是影响CO₂浓度的重要因素;第1时段整体浓度最高,特别是在西部区域;第2时段CO₂浓度高值区东移,呈现西低东高的分布特点;第3时段浓度空间分布与第2时段有类似的特征,但细节存在差异,且高值区缩小;精度对比显示在采样点较少及采样密度不大的情况下,HASM方法的模拟误差小于Kriging方法。因此,这种使用多元线性回归模型通过引入环境变量获得高分辨率趋势面,结合HASM模型进行修正残差提高模拟结果精度的手段,可作为模拟地表CO₂浓度时空分布的有效方法。     

高精度曲面建模的中国气候降尺度模型

 与站点统计降尺度插值和动力降尺度相比,高精度曲面建模(HASM)降尺度,具有不需大尺度预报因子,直接从GCM结果构建区域上高空间分辨率的未来气候模拟曲面的优势。HASM降尺度将未来气候,分为历史观测拟合的气候基准值和GCM未来气候变化值进行模拟,精度明显高于传统方法,但常系数全局拟合的气候基准值忽略了降水分布的空间非平稳性,导致降水模拟受到较大影响。为增强降水降尺度的气候背景值的描述能力,通过分析全国尺度降水的非线性非平稳性特点,提出耦合空间变系数气候基准值的HASM空间变系数降尺度模型(HASM-SVDM)以改进HASM对非平稳要素的降尺度能力,并以1961-2010年全国气温降水观测数据结合地形特征信息,利用HASM降尺度方法对HadCM3的A1Fi、A2a和B2a 3种情景的1961-1990、2010-2039、2040-2069和2070-2099时段的全国未来气温与降水进行降尺度模拟。分析表明,耦合全局线性模型的HASM常系数降尺度模型适合全国气温的降尺度模拟,而耦合空间变系数拟合的HASM-SVDM增强了空间非平稳背景值的描述能力,模拟的空间分布更能体现降水总体的非均匀分布趋势,适合全国降水的降尺度模拟。     

基于HASM方法的黑河流域潜在蒸发量的模拟

潜在蒸发作为研究蒸发及区域水循环的重要因素之一,其模拟结果对相关领域的研究应用具有重要影响。利用 2000-2009年“黑河流域每日四次常规气象观测数据集”所提供的12个气象站点的潜在蒸发数据,对黑河流域潜在蒸发量进行模拟。首先针对潜在蒸发的特点,分析影响研究区域潜在蒸发的气象因素、地理及地形因素,使用多项式回归和逐步回归的方法对研究区域潜在蒸发进行了背景趋势模拟,选出影响潜在蒸发的最优影响因素组合,在此基础上采用高精度曲面建模（HASM）方法,结合站点实测数据,对去掉趋势后的残差进行精度修正。本文使用kriging法、IDW法和Spline法插值所得潜在蒸发数据,以及“黑河流域1980-2010年3 km 6 h模拟气象强迫数据”作为对照,比较验证模拟精度。模拟结果表明：HASM方法模拟精度最高,模拟结果分布合理,表明该方法在潜在蒸发模拟中具有应用前景。该方法所得到的潜在蒸发数据可作为基础地理数据供相关研究应用。     

基于OCO-2卫星观测模拟高精度XCO2的空间分布

本文首次基于OCO-2卫星观测数据,采用高精度曲面建模（High Accuracy Surface Modeling, HASM）的方法来模拟大范围高精度的二氧化碳柱浓度（XCO₂）的空间分布。首先,探讨分析HASM方法应用于模拟OCO-2卫星观测XCO₂的空间分布的可行性。从2014年9月至2015年8月OCO-2观测的12个月的XCO₂数据中,分别随机选取其各个月90%的XCO₂数据用于空间插值,剩余10%作为精度验证点。自验证结果表明,12个月的平均绝对值误差为0.34 ppm。由此可见,HASM适用于模拟OCO-2卫星观测XCO₂的空间分布。然后,采用HASM对OCO-2在2014年9月至2015年8月的各个月观测数据进行空间插值,获取空间分辨率为0.5°×0.5°的各个月均值XCO₂的空间分布,同时基于地基观测TCCON( Total Carbon Column Observing Network)站的XCO₂数据对HASM模拟结果进行交叉验证。验证结果表明,HASM模拟的XCO₂与TCCON站对应观测数据相比,其平均绝对值误差为0.81 ppm,相关系数为0.88。因此,HASM在模拟OCO-2卫星观测的XCO₂空间分布上具有很大的优势。     

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