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。     

基于HASM方法对气候模式气温降水的降尺度研究——以黑河流域为例

基于空间平稳性分析,引入地理因素结合回归分析及高精度曲面建模方法（HASM）对黑河流域多年平均气温、降水给出了降尺度模拟。基于过去器测资料的验证,提出了CMIP5模式资料的合理降尺度方法。比较了降尺度结果与站点实测值的差异,同时比较了所给出的方法与经典插值方法的模拟精度。最后,基于历史时期T₁（1976—2005年）的降尺度方法结合RCP2.6、RCP4.5及RCP8.5不同情景下未来时段T₂（2011—2040年）、T₃（2041—2070年）、T₄（2071—2100年） CMIP5模式结果,对降尺度方法进行了修正,给出了未来时段气温的降尺度模拟公式,并基于此对上述3种情景下多年平均气温的CMIP5模拟结果进行了降尺度模拟。结果表明：本文所提出的降尺度方法模拟结果与站点观测值具有较好的相关性,且精度高于其他经典插值方法。对未来时段的模拟结果表明,升温最快的是RCP8.5情景,在2071—2100年,除祁连山地区外,大部分地区年平均气温大于10℃。     

国家级自然保护区土地覆盖类型转换趋势

国家为了防止生态系统恶化、保护自然栖息地及其生物多样性,到2010年底已建立2588 个自然保护区,总面积达 149.44×10⁶hm²,超过中国陆地总面积的15%。土地覆盖变化作 为导致生物多样性变化的首要因素,直接影响生态系统的结构和功能。本文选取180个国家级 自然保护,总面积44.71×10⁶hm²,占自然保护区总面积的29.9%,全国陆地面积的4.7%,根 据各保护区的生态系统特征和主要保护对象,将其划分为森林生态系统、草地生态系统、湿 地生态系统、珍稀动物、珍稀植物、地质和古生物遗址、以及荒漠生态系统7类自然保护区类 型,并在此基础上按东北、华北、华东、中南、西北及西南6个大区对其进行空间分析。论文 构建土地覆盖类型转换方向判别指数模型,运用生态多样性模型和斑块连通性模型,对各大 区内各类国家级自然保护区及其核心区、缓冲区和实验区的土地覆盖转换趋势进行计算。结 果显示,在20世纪80年代后期-2005年时段内,180个国家级自然保护区的土地覆盖转换强度 整体呈减缓趋势,西南地区的平均转换强度最大,而华东地区的平均转换强度最小。在各类 国家级自然保护区中,除了森林生态系统保护区外,其他各类型保护区的土地覆盖都存在逆 向转换,但逆向转换速率总体呈减缓趋势。国家级自然保护区的核心区土地覆盖逆向转换的 速度平均为0.16%/10a减少,其土地覆盖景观格局相对于缓冲区的和实验区更为稳定。生态多 样性指数和斑块连通性指数模型计算显示,国家级自然保护区土地覆盖景观格局的生态多样 性和斑块连通性在1995-2005年总体呈上升趋势。另外,各大区国家级自然保护区与非保护区 的土地覆盖转换强度对比显示,保护区土地覆盖转换强度整体上小于非保护区的土地覆盖转 换强度。总之,分析结果表明,国家级自然保护区的土地覆盖转换处于良性变化趋势,尤其是在1995-2005年期间,保护区内的土地覆盖类型及分布逐渐趋于正向转换和稳定态势。     

中国食物供给能力分析

从中国各类型生态系统(农田、草地、水域) 的实际的食物生产能力出发,结合进出口产品中的食物部分,得出全国实际的食物供给能力,根据食物营养成分表中的转化率,将各类食物折算成人类生存所需的3 大营养成分(热量、蛋白质、脂肪) 的产量来表示,并利用ArcGIS 进行草地和农田食物供给的空间分析。以2004 年为例,中国实际食物供给能力为：热量1.601×10¹⁵ kcal,蛋白质6.163×10⁷ t,脂肪2.717×10⁷ t。其中,中国内陆生态系统实际可供给热量1.454×10¹⁵ kcal,蛋白质4.996×10⁷ t,脂肪2.074×10⁷ t,分别达到了陆地生态系统生产潜力的32.46%、38.33 %和41.12%,内陆生态系统食物供给还有较大的增长余地。在小康水平下,中国的食物热量、蛋白质、脂肪分别可以供养人口19.12 亿,20.84 亿和11.03 亿人,按照2010 年营养目标和2020 年全面小康目标,热量和蛋白质的供给已经较为充足,而脂肪的供给有所不足,今后需要注重油脂作物的种植和生产。结果还表明：中国的食物供给能力中,农田占据了绝大部分,不过比例有下降的趋势,从1998 年的84.66%,下降到2004 年的74.72%;草地和水域生态系统所提供的食物所占比例分别为4.83%~5.80%、6.02%~7.51%,波动较小;净进口食物所占比例逐年增长,1998 年仅为4.04%,2004 年增加到13.82%。通过平衡模型计算,在温饱、小康、富裕水平下,2004 年中国可以供养的人口分别为：15.34 亿,15.00 亿和14.11 亿,这表明,如果能够优化种植结构,合理配置植物性食物向动物性食物转化比例,均衡营养消费结构,中国实际食物供给较为充足。     

基于改进HASM方法的中国日照百分率的模拟

日照百分率作为研究日照时数及太阳辐射等的重要因素之一,其模拟结果的好坏,直接关系到相关领域的研究应用。而高精度曲面建模方法（HASM）是近几年发展起来的用于生态建模的高精度曲面模拟方法。首先对现有的HASM进行改进,给出建立在完整理论基础之上、精度更高的曲面建模方法,并记为HASM.MOD;以高斯合成曲面为数值试验对象,验证HASM与HASM.MOD的模拟精度;最后,根据全国1951-2010 年752 个气象站点的月平均日照百分率数据,运用HASM.MOD研究近60 年月平均日照百分率的分布状况,同时比较了HASM.MOD、HASM、Kriging 和IDW法的插值精度。数值试验和实例验证结果表明,HASM.MOD的模拟精度最高。用该方法所提供的日照百分率数据可作为基础地理数据供相关研究应用。     

中国太阳总辐射的气候学计算法研究(英文)

Angstrom-Prescott公式的气候学计算法是应用较广的太阳辐射模拟方法,其系数一般通过线性回归确定。近年来,许多研究显示该系数存在明显的空间变异性,常见的解决方法是将研究区划分子区域逐个拟合。本研究采用1961-2010时段日照时数与太阳辐射站点资料,以天文辐射为起始值,基于地理加权回归得到全国尺度连续变化的Angstrom-Prescott系数。通过高精度曲面建模方法(HASM)构建的日照时数资料和天文辐射曲面,得到国家尺度太阳辐射曲面。空间非平稳和误差比较检验等结果表明,系数存在显著的空间非平稳性;与已有研究相比,本研究的模拟方法效果较好。     

基于Web的资源环境模型元数据管理

模型元数据是资源环境模型共享的重要信息,它有利于促进模型的高效利用。在面向对象的资源环境模型库管理系统中,模型的属性、方法、数据接口和元数据被封装为模型对象,模型元数据用于资源环境模型的辅助管理。通过建立资源环境模型元数据库,开发基于Web的资源环境模型元数据管理系统,使Internet上的一般用户也可以查询到已建立模型的信息,避免了模型的重复构建,促进了资源环境模型信息的共享。目前,模型元数据研究还需要解决以下两个主要问题:①制定资源环境模型元数据的国家标准;②建立面向对象资源环境模型表达的行业规范。     

陆地生态系统碳循环及其机理研究的地球信息科学方法初探

针对陆地生态系统碳汇/源的时空格局、碳循环过程的驱动机制及未来情景等前沿科学问题,提出陆地碳循环研究的地球信息科学方法,采用陆地生态系统碳通量/储量与碳循环过程的综合网络观测、生物过程的适应性实验研究以及河流碳输运过程研究为支撑系统的自下而上途径、与以土地利用/土地覆被变化和对地观测数据生态参量反演为基础的自上而下研究途径、经相互验证和尺度转换模型实现有机结合的研究方法,开展综合观测、调查、比对分析、模拟和评价研究,把握陆地生态系统碳循环的格局与过程规律,辨析自然和人为因素对陆地生态系统碳循环过程的影响,探讨全球气候变化条件下陆地生态系统碳循环过程的演变趋势。     

基于快速傅里叶变换的ASTER与SRTM有效融合研究

为了克服两种向全球开放的、不同数据源(ASTER和SRTM)DEM的获取技术缺陷,以甘肃省东部董志塬某测区为例,研究两种来源DEM的有效融合方案。首先,借助快速傅里叶变换(FFT)将ASTER和SRTM的DEM数据由空域转换到频域;然后,分别基于高通和低通滤波器进行滤波处理,并将滤波后的频域相加;最后,基于FFT逆变换将融合后的频域转换到空域,实现DEM数据的有效融合。误差分析表明:融合后的DEM最小、最大误差较融合前的均有明显降低,中误差也有降低趋势,误差绝对值大于30 m的网格点数占全部网格数的比例均有所下降。     

基于条件随机模拟的DEM误差分析——以董志塬水土流失等级划分为例

DEM是对地球表面的模拟和模型化表达,DEM不可避免的含有误差,且DEM误差具有空间可变性和相关性。常用的DEM误差估算模型为中误差(RMSE),但RMSE为全局变量,无法反映误差的空间性。为了克服RMSE的缺陷,本文采用条件随机模拟实现了DEM误差曲面模拟。通过董志塬水土流失等级划分表明,DEM误差在平坦区域严重影响坡度精度,且坡度最大误差变程大于高程最大误差变程,DEM误差被放大使用概率模型和模糊度模型分析表明,大部分网格点水土流失等级划分均受到DEM误差影响条件随机模型的使用可以让DEM用户更加准确的分析和评价DEM误差对最终决策的影响。