中性条件下垂直风速廓线及其参数模拟分析

通过对中性条件下裸露土壤表面、均一植被覆盖表面和非均质下垫面水平风速模型的分析发现,粗糙元素的平均高度H、植被覆盖率σ和叶面积指数LAI是垂直风速廓线的最基本参数.据此,以中国科学院地理科学与资源研究所的山东禹城农业综合试验站为案例区,运用2000年小麦生长的实地监测数据、2000年3月30日的轨道号为122-34的LANDSAT-5卫星数据、NOAA-14气象卫星逐旬NDVI数据、1∶1万土地利用数据和1∶1万地形数据,模拟分析了小麦植株高度H、叶面积指数和覆盖率σ变化规律及其与植被指数NDVI的关系;建立了中性条件下禹城农业综合试验站垂直风速廓线模型,对禹城农业综合试验站2000年3月5日21:05至2000年5月24日7:05的4m、60m和1 000m高度处的逐时风速进行了模拟分析,讨论了风速的空间插值问题。

高精度曲面建模:HASM4

为了解决高精度曲面建模方法的速度问题,在大量数值实验的基础上,将模拟迭代方程HASM3改进为HASM4。分析结果表明,HASM4的CPU时间较HASM3有了大幅度的减少,而且随着计算域栅格总数的增加,这种减少幅度呈负幂指数规律;同时,随着计算规模的增大,HASM4达到收敛所需的迭代次数较HASM3达到收敛所需的迭代次数呈直线下降趋势。HASM4减少了模型计算量,提高了模型的运行速度,其模拟精度与HASM3相比也有一定幅度的提高。

高精度曲面建模与误差分析

以曲面论为理论基础,运用格点生成方法和网格计算技术,建立了一个高精度曲面模型(HPSM)。通过比较新建模型HPSM与传统模型TIN对z=2sin(πx)·sin(πy)+1标准曲面的模拟结果发现:HPSM模拟得到的曲面和等高线与实际情况基本吻合;而TIN模型的模拟结果与标准曲面相比有较大的差异,模拟曲面出现了棱角、峰值被削平等不合理现象,等高线图的中心部分本应该近似于同心圆,而TIN模型的模拟结果却是棱形或者其他形状的多边形。误差分析结果表明:对各种计算步长和采样间距,HPSM的绝对误差和相对误差都远小于TIN;而且随着计算步长和采样间距的增加,HPSM误差的增长速度远低于TIN误差的增长速度。HPSM的应用和发展将改进计算机辅助设计系统、解决地理信息系统(GIS)面临的多维功能和尺度转换问题。

生态地理建模中的多尺度问题

本文在分析生态地理建模内涵的基础上 ,讨论了生态地理建模中的尺度转换问题、跨尺度相互作用问题、空间尺度与时间尺度的关联问题和多尺度数据处理问题。由于生态地理问题的非线性、生态环境的异质性和随机事件 ,简单的线性尺度转换方法远不能满足生态地理建模的要求。为了从根本上解决生态地理建模中的时空尺度问题 ,除需要运用微分几何学和等级理论等经典方法外 ,还需要引入格点生成法和网格计算等现代理论和技术手段。

景观连通性模型及其应用沿海地区景观

景观连通性模型可区分为点连通性模型，线连通性模型，网连通性模型和斑块连通性模型。因为点连通性、线连通性和网连通性己有很长的研究历史，相应的连通性模型（连通度）己比较成熟，所以本文的研究焦点是尚不成熟的斑块连通性模型。斑块连通性被定义为斑块中动物迁徙或植物传播运动的平均效率（或最小化运动距离）。斑块连通性模型在黄河三角洲新生湿地的应用研究结果表明，斑块连通性与人类活动强度和景观多样性负相关。

生态系统稳定性研究

本文对生态系统稳定性的有关研究作了归纳和分析。在此基础上,将热力学稳定性理论引入了生态系统的相应研究。在一般意义下,讨论了K型增长种群的稳定性。证明了K型增长种群的局部稳定区为[K/2,K];整体稳定区域为[(1-1/3^(1/3))·K/2,(1+1/3^(1/3))·K/2]。明确了人类生态系统发展的最佳区间为[K/2,(1+1/3^(1/3)·K/2)。并运用这一理论,对甘肃省河西地区的人口及资源承载能力进行了定量分析。

冰斗形态的数学模型

本文借助最小熵产生原理等理论手段,在冰斗的几何形态方面进行了较深入的探讨。同时,为了给出所建模型与实际量测结果的拟合情况,设计了一种曲线拟合度度量指标。

生态多样性与生态系统服务功能的多尺度比较分析——以内蒙古自治区锡林郭勒盟白音锡勒的草地生态系统为例

本文回顾了生态多样性空间尺度效应的研究成果,分析了生态多样性与生态系统服务功能间相互关系研究中存在的方法问题。在此基础上,以内蒙古自治区锡林郭勒盟的白音锡勒草地生态系统为例,运用多尺度多样性模型、香侬模型和辛普森模型对不同空间分辨率和尺度上对生态多样性及其与生态系统服务功能的关系进行了对比分析。结果表明,多尺度多样性模型模拟得到的景观元多样性严格地随着空间分辨率的降低而下降,表现出明显的规律性,说明多尺度多样性模型更适于在多个空间尺度上的运用;空间分辨率的变化对生态多样性与草地最大地上生物量和荒漠化面积之间的相互关系产生非线性影响。

论流域系统稳定性的判别指标——超熵

在“侵蚀流域系统的信息熵”一文中,我们在伊凡诺夫曲线的基础上,将信息熵由侵蚀流域引入了一般流域;而后,在“再论流域系统信息熵”一文中,证明了斯特拉勒曲线在流域系统内外营力作用大致相等时处于瞬时平衡的形态特征,从而将线性平衡态熵引入了流域系统研究。但就一般情况而言,流域系统是远离平衡态的耗散结构,这要求进一步研究流域系统的非线性、非平衡态熵。为了解决这一问题,我们引入了超熵概念。在探讨实际问题时,我们往往会遇到各种复杂的体系,对此,可将它们归并为包含一个子系统的体系和包含多个子系统的体系两种情形,并导出了适合于单子系统体系的超熵表达式: (?)_xP=[-βα~3(α~2-1)]\[α(-β-1)-3]和对多于系统体系适用的超熵表达式: (?)_xP=kP-∑|Pi-P|将它们分别应用于滑坡,泥石流和地震的研究,得出了非常满意的结果。

高精度曲面建模:新一代GIS与CAD的核心模块

在数值实验的基础上,将高精度曲面建模(HPSM)改进为迭代求解微分方程的过程.误差分析 结果表明,改进后的HPSM模型在迭代模拟20次时,其相对误差较TIN模型减小317倍、较Knging模 型减小357倍、较Spline模型减小43倍、较IDW模型减小937倍;其绝对误差较TIN模型减小352倍、 较Kriging模型减小334倍、较Spline模型减小41倍、较IDW模型减小919倍.HPSM精度大幅度提高 的理论根源分析表明:(1)虽然HPSM模型首先需要根据采样数据,运用插值方法计算其数值模拟方程 组的系数矩阵和常数项矩阵,但插值方法的选择并不影响HPSM的模拟精度,只影响HPSM的收敛速 度,好的插值方法,可以减少迭代次数,减少计算量;(2)虽然HPSM在模拟边界时受制于插值方法,但 无论边界有多大振荡,HPSM通过若干次迭代模拟以后,都可以保证区域内部模拟值不再振荡;(3) HPSM只要迭代模拟足够的次数,就可以彻底解决通常数值模拟中的峰值削平现象;(4)数据分辨率几 乎不影响HPSM的模拟精度;(5)采样间距几乎不影响HPSM的模拟精度.HPSM在理论上解决了长期 以来困扰计算机辅助设计系统(CAD)和地理信息系统(GIS)的误差问题及其应用中的多尺度问题.

多源信息融合数字模型

研究结果表明 ,在目前基础条件下 ,多源信息融合数字模型的实现需要解决现行数字地面模型和空间插值模型的误差问题、点—面信息有效融合问题、多尺度转换问题和多维GIS面临的理论问题。建立多源信息融合数字模型的基本步骤可归纳为 :(a)建立基于曲面论数字模型的基本方程 ,(b)运用遥感数据反演数字模型的首次近似表达形式 ,(c)如果有更新信息 ,重复以上过程 。

高精度曲面建模与实时空间模拟

为了弥补地理信息系统不能进行实时动态模拟的缺陷,通过QR矩阵分解,将高精度曲面建模HASM4的矩阵表达转换为求解系数矩阵为上三角矩阵和下三角矩阵的两个方程组。在此基础上,实时空间模拟问题被抽象为动态加点问题和动态减点问题,建立了适用于实时模拟的HASM5。数值实验结果表明,HASM5的加点模拟只需要对新采样点形成的矩阵进行矩阵分解;而HASM5的减点模拟只需要取原有矩阵的子矩阵计算即可。

第四代地理信息系统研究中的尺度转换数字模型

分析了空间插值模型、数字地面模型和它们与地理信息系统集成的研究进展、存在的缺陷和需要解决的理论问题 ,论述了建立基于曲面论和遥感反演方法数字模型及实现其与地理信息系统有效集成的必要性和可行性 .

生物多样性模型的理论分析

本文首先概括了50年代以来公开发表的27个生物多样性模型和有关专家对其中大多数模型的批评。在此基础上,以使用最广泛的Shannon模型为例,剖析了大多数生物多样性模型不能被成功应用于实践研究的根源所在;以基于分维几何学的物种多样性模型为例,从理论上分析了这种综合生物多样性模型的完备性。并以位于中国东北样带(NECT)东部的温带针阔叶混交林地区的8个样地作为案例,对比分析了Shannon模型大样本要求的局限性和基于分维几何学的综合生物多样性模型的实用性。

河西地区水资源利用及耕地面积预测

本文通过对河西地区水资源及其转化的现状分析,在计算机上模拟了水资源农业利用率模型;畜牧业,工业和以环境为主的其它用水的累年叠加增长速度模型,并借助已模拟出的技术进步累年叠加增长速度,对河西地区1990年和2000年的农业利用率,水资源在各部门的分配率和分配量以及耕地面积进行了预测.

北京市人口空间分布的未来情景模拟分析

为了验证YUE-SMPD模型对城市人口研究的实用性,首先模拟分析北京市2000年300m×300m空间分辨率的人口分布,然后将北京市2000年的模拟结果与人口普查数据进行比较,结果表明,YUE-SMPD模型的模拟结果与2000年北京市第五次人口普查数据非常吻合。在此检验结果的基础上,根据2020年北京城市总体规划、北京市绿地系统规划、北京市公路系统规划和北京市铁路系统规划等,模拟分析北京市2020年三种人口分布情景:如果人口允许在国内自由迁移,2020年北京市总人口将达到4662万,旧城人口将达到672万,中心城区将达到3019万;如果2020年北京市总人口控制在1800万之内,并且允许居民在市内自由流动,旧城和中心城区人口将分别为260万和1170万;如果北京城市总体规划和绿地系统规划成功实施,2020年北京市中心城区人口为850万,旧城区人口为110万。

高精度曲面建模与经典模型的误差比较分析

通过数值实验,比较分析了高精度曲面建模(HASM)与TIN,Cubic,Spline,IDW和Kriging等经典模型的模拟误差．误差分析结果表明,当采样间距为2h,迭代次数为64时,HASM的平均绝对误差是TIN的1／47470,Cubic的1／4941,Spline的1／2746,IDW的1／449520,Krig- ing的1／450530;HASM的平均相对误差是TIN的1／52170,Cubic的1／6206,Spline的1／3707, IDW的1／573252,Kriging的1／575049．虽然HASM具有自动捕捉峰值、消除边界振荡和精度高等非常好的数值特点,但存在运算量较大的问题．

生物多样性研究及其问题

围绕生物多样性主要有 3个理论问题需要进一步深入研究 ,( 1 )生物多样性与生态系统稳定性的关系 :本世纪 70年代以前 ,生态学家普遍认为 ,稳定性随生物多样性增加而提高 ;自 70年代初一些理论生态学家向这一普遍看法提出挑战以来 ,在物种多样性层次出现了观点截然不同的两大阵营 ;( 2 )生物多样性和土地生产力的关系 :达尔文 ( 1 872 )的研究表明 ,生物多样性有利于土地生产力的提高 ,这一结论已被许多国家运用于指导农业实践 ;然而 ,本世纪 70年代以来 ,一些生态学家向达尔文的这一观点提出了异议 ;( 3)生物多样性与景观连通性 :本世纪 90年代中期以来 ,一些景观生态学家认为 ,景观连通性与生物多样性有正相关关系 ,但目前为数不多的研究还不能肯定这一结论的正确性。通过总结生物多样性的研究历史 ,发现 ,以上的争论和结论基于 2 7种不同的分析模型 ;并且这些模型中的大多数在理论上是不完善的。认为 ,运用理论上合理的模型、有关概念的统一正确定义和全面系统的实验对以上争论和结论进行更进一步的论证与实证是必要的。

HASM应用中的精度损失问题和解决方案

以往的数值模拟计算结果表明,HASM精度较经典模型提高了多个数量级．然而,在陕西成市阳彬县大佛寺煤矿的应用案例表明,虽然HASM构建的数字高程模型(DEM)精度比其他经典曲面建模方法都高,但仍然存在着较大的精度损失．其主要原因是大多数用于DEM建模的采样点和用于DEM精度分析的采样点不在像元的中心点,但将它们用于DEM建模及其精度分析时,都假设这些采样点位于所在像元的中心点．HASM精度损失问题可归结为空间位置误差问题．为了解决这种空间位置误差问题,文中引入了对模拟曲面在采样点进行Taylor展开的解决方案．数值模拟计算结果表明,Taylor展开可解决HASM模拟中的位置误差问题．

甘肃省河西地区水资源及其分配的动态模型

河西地区有石羊河,黑河和疏勒河三大内陆水系。在此基础上,参照行政区,将河西划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等三个区。根据有关资料,模拟了三个区的技术水平允许农业利用率预测模型,(?)(?)用水(?)年叠加增长速度,畜牧业用水(?)年叠加增长速度和以环境为主的其它用水累年叠加增长速度.并对1990年和2000年的各行用水进行预测。