超高阶全球地形球谐系数模型的构建方法与实现

针对10800阶地形球谐系数模型构建的计算精度、计算稳定性及超大规模运算量等问题,本文首先通过比较分析矩形离散积分方法、Gauss-Legendre积分方法和Driscoll/Healy积分方法,验证了Driscoll/Healy积分方法具有更高的计算精度。然后,给出了改进的Belikov公式,将完全正常化缔和勒让德函数在全球范围内以优于10^(-12)精度高效、稳定递推至10800阶;提出了联合FFT和基于OpenMP的多核并行方法求解超高阶球谐系数的优化策略,显著提高了球谐系数模型构建的计算效率。最后,利用Earth2014_TBI与全球海底地形模型STO_IEU2020格网数据建立了全球10800阶地形球谐系数模型sph.10800_IEU,总体精度与Earth2014_TBI2014.shc相当,在试验海域的相对精度略优于模型Earth2014_TBI2014.shc。

基于调和分析法的全球地形球谐系数模型构建

针对当前全球地形球谐系数模型构建表达精度不高、计算效率较低等问题,研究推导了Gauss-Legendre积分法、矩形离散积分法求解球谐系数公式,提出了联合FFT技术和基于OpenMP多核并行技术的计算优化策略,实现了全球2160阶地形球谐系数模型的高效构建。利用模型Earth2012对两种方法进行了对比分析,结果表明:Gauss-Legendre积分法能以20 m量级的标准差还原地形高程信息,较矩形离散积分法精度更高,且高纬度地区地形表达效果更优,但两种方法描绘地形变化剧烈区域能力均显不足。研究成果可为提升球谐系数模型构建效率、丰富高阶地形球谐模型构建方法选择、完善地形球谐系数模型评价体系提供借鉴与参考。

几款全球海底地形模型比较分析

近几十年,随着卫星测高技术和相关数据精密处理技术发展,依托卫星测高技术业已成为快速获取全球海底地形数据的可靠手段,国内外相关组织机构已发布了一系列全球海底地形模型。整理评述了多款全球海底地形的基本情况,以及相互间的内在联系,包括DBDB系列模型、ETOPO系列模型、Sandwell系列模型、GEBCO系列模型、SRTM+系列模型、EARTH地形球谐系数模型、BAT_VGG模型、BAT_WHU2020模型、STO_IEU2020模型等。通过对全球海底地形模型的认识和梳理,以期为下一步全球海底地形模型高效、低成本构建提供方法参考。

异构并行算法快速构建全球扰动重力梯度全张量图

扰动重力梯度是扰动重力位的二阶导数,相对于其他重力场元素能更多地反映变化的不规则地球产生的高频信息。在使用高阶次球谐系数模型获取大范围高分辨率的扰动重力梯度数据时,存在重复运算多、计算效率低下、耗时较长的问题。针对该问题,推导了简化计算公式,将中间变量提取出来作为全局参数和局部参数单独进行计算、存储,从而有效减少重复运算;并在简化公式的基础上,提出了扰动重力梯度张量快速异构并行算法,利用CUDA(compute unified device architecture)实现了梯度全张量在GPU端的并行计算。根据T_(xx)、T_(yy)、T_(zz)三个分量满足Laplace条件验证了算法可靠性,并与传统串行算法进行了计算效率对比,实验结果表明,相较于串行算法,所提算法可减少90%以上计算耗时,可将计算效率提高60倍以上。最后利用该算法基于2 190阶EIGEN-6C4模型快速构建了5′×5′分辨率的全球扰动重力梯度全张量图,计算结果显示了扰动重力梯度同地形、地球质量分布变化的相关性及其在全球范围内的数值特征。

全球/区域地形和重力异常间相干性分析

利用卫星测高重力场数据仅可恢复有限频段海底地形信息。为定量描述重力-地形间频谱特征,使用EGM2008/EIGEN-6C4全球重力场位系数模型和DTM2006/EARTH2012全球地形球谐系数模型,以及某3°×3°(12°N~15°N,112°E~115°E)真实海域海底地形数据和卫星测高重力异常数据,采用全球/区域地形-重力相干性分析方法,解算分析了全球/区域地形和重力异常表现强相干性频段参考范围。计算结果表明,全球范围地形-重力在120阶~1000阶左右表现强相干性,对应频段范围是25.45 km~210.61 km。同时,重力场元信噪比、非线性项海底地形和地壳均衡均会影响干扰区域地形-重力相干性结果。研究结果可为利用卫星测高重力数据恢复海底地形信息截止频段的确定提供参考与借鉴。

计算低空扰动引力的模型方法比较

针对不同模型方法在低空扰动引力计算中的适用问题,该文选取我国某山地区域,分析比较球谐位系数模型法、点质量模型法和Stokes积分法在低空不同高度的扰动引力计算精度及效率;并且分析误差来源和个别改进办法。结果表明:点质量模型计算低空扰动引力精度较高,且速度最快;去奇异点的Stokes积分法可以解决低空积分时数值溢出的问题,但精度较低;球谐位系数模型法原理简单,但计算速度最慢。