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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pH290

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