地球表层系统模拟分析原理与方法PDF电子书下载

第一部分 HASM基本原理 3

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 地球表面形态表达 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 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 面论基本定理 20

3.2.4 HASM停机准则 22

3.3 高精度曲面建模方法 22

3.4 HASM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

4.2 HASM直接算法 47

4.2.1 HASM高斯消去法 51

4.2.2 HASM的平方根法（HASM-SR） 52

4.2.3 数值实验 53

4.3 HASM迭代法及其系数矩阵结构 53

4.3.1 HASM迭代表达 53

4.3.2 系数矩阵结构 55

4.3.3 HASM高斯-赛德尔算法和HASM预处理高斯-赛德尔算法 57

4.3.4 HASM共轭梯度法和HASM预处理共轭梯度法 63

4.4 结论 66

第5章 理论型HASM方程组求解方法 68

5.1 HASM快速算法 68

5.1.1 基于不完全Cholesky分解的预处理共轭梯度法（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

5.2 HASM迭代格式 72

5.3 数值实验 76

5.3.1 HASM最佳算法 76

5.3.2 HASMab与HASMabc比较 78

5.3.3 HASM驱动场问题 78

5.3.4 HASM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

7.2.2 HASM系数矩阵的分解 96

7.2.3 HASM动态加点问题 97

7.2.4 HASM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高时效算法 111

第8章 HASM多重网格法 111

8.1 引言 111

8.2 HASM多重网格表达 111

8.3 数值实验 113

8.4 实证研究 114

8.5 结论与展望 116

第9章 HASM适应算法 117

9.1 引言 117

9.2 HASM适应算法 117

9.2.1 HASM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

10.2 HASM平差计算 129

10.3 HASM-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

10.4 HASM-AC误差控制 137

10.4.1 计算模型与数据精度的匹配 137

10.4.2 HASM-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

11.2 HASM-AC的并行算法 150

11.2.1 HASM-AC并行算法架构 150

11.2.2 HASM-AC并行算法 151

11.3 HASM-AC并行算法实现 153

11.3.1 MPI与C语言联合编程 153

11.3.2 并行处理中的进程映射 154

11.3.3 HASM-AC方法并行计算中的进程同步 156

11.3.4 HASM-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应用研究 163

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

12.3 SRTM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

13.1.2 LiDAR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

13.2 HASM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

14.4.1 DTM降尺度 193

14.4.2 DTM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

16.2 CMIP5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

16.3 CMIP5精度分析 225

16.3.1 CMIP5基准数据与气象台站观测数据比较分析 225

16.3.2 RCPs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

17.2.2 HLZ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

18.3.7 pH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

20.2.1 HLZ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

20.3.2 HLZ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 数据与方法 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