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。

遥感降水降尺度高精度校正及不确定性分析方法

为消除降水场同质部分影响,提升统计降水降尺度结果精度,提出了基于贝叶斯高精度曲面建模(Bayes-HASM)算法的遥感降水降尺度高精度校正方法。该方法通过引入模拟精度更高的高精度曲面建模方法,并结合贝叶斯优化算法,实现了模型参数自动优化选择和高精度降尺度校正,解决了现有降尺度残差校正方法存在的误差和多尺度问题。结果表明:贝叶斯优化使高精度曲面建模的不确定性显著减少;经过Bayes-HASM残差校正后,降尺度结果的散点分布更加接近1∶1线,年、季、月和旬尺度的精度指标均得到了显著的改善,CC和IA指标提高至0.9左右,RMSE下降明显,RB也显著改善。本方法能显著降低模型的不确定性并起到消除降水场同质部分影响的作用,有效提升降水降尺度结果精度。

高精度曲面建模方法的系统构建

高精度曲面建模方法(HASM)是一种基于微分几何学曲面理论的曲面建模方法。大量数值实验表明,HASM的模拟精度高于Kriging、IDW、Spline等经典的插值方法,并已成功应用于土壤属性曲面建模、气温要素、DEM构建及生态系统变化趋势等领域。由于目前的HASM程序大多是用Matlab、C++、Fortran等语言开发的,受开发工具的限制,尚没有便于使用的图形界面,阻碍了方法的推广应用。针对这个问题,利用C#语言,在Visual Studio中构建了基于windows窗体的HASM模型系统,并做了一定的数值测试实验,结果表明了该系统的有效性。

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。

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．

高精度曲面建模方法在气象要素场估测中的应用研究——以江西省为例

为更精确地模拟复杂地区气象要素场的结构及特征,得到高精度气象要素数据,以江西省为例,利用WRF区域模式模拟江西省2019年夏季近地表气温场、2 m比湿场、10 m风速场的结构及日变化特征,并利用HASM-WRF方法将WRF模式模拟结果与气象观测台站数据进行融合,以提高WRF模拟近地面气象要素数据的精度和准确性,并讨论WRF模式及HASM-WRF数据融合方法对近地面气象要素的估测表现。结果表明,WRF模式能较准确地再现江西地区近地面气象场及时间变化特征,其中气温的模拟效果最好,比湿次之,风场的误差较大,WRF模式对江西地区近地面的气温、比湿和风速的模拟准确率分别为82.88%、64.58%、47.85%。WRF模式模拟的比湿偏低,风速偏高,存在系统性偏差,经过HASM-WRF数据融合方法的订正,气温、比湿和风速的准确率分别提高到了95.27%、95.54%和49.42%,说明HASM-WRF数据融合方法对WRF模式模拟结果有明显改善。

高精度曲面建模最佳表达形式的数值实验分析

高精度曲面建模的发展过程在理论上可归结为对高斯方程组中单个方程不同组合的数值模拟分析比较和检验过程。数值实验分析结果表明,因有限差分所带来的数值困难,高斯方程组中的交叉项方程是影响高精度曲面建模误差和模拟速度的关键因素,高精度曲面建模的最佳数学表达是除交叉项方程之外的其他两个方程的组合。

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.

GPU加速的高精度数字地面模型建模方法

以曲面轮为基础发展的高精度曲面建模方法(HASM)可以建立具有高精度的数字高程模型,但使用该方法需要求解偏微分方程离散产生的大规模线性方程组,计算量巨大,严重制约了对大规模数据的模拟应用;而现代GPU技术的发展使GPU越来越广泛地应用于通用计算加速。为了提高HASM方法的模拟速度,把高精度曲面模拟与GPU通用技术相结合,提出了GPU加速的高精度曲面建模方法。把HASM模拟过程中的有限差分离散、离散后的大规模线性系统求解分别使用GPU进行分解,使用共轭梯度(CG)和预处理共轭梯度方法(PCG)将求解任务分解为可以并行处理的独立的多任务,使得计算任务并行化,同时并行运行大规模线程,每个线程执行一个独立的任务,充分利用了现代GPU强大的通用计算能力,并行处理以获得加速。利用并行化加速的高精度曲面建模算法使用英伟达公司的统一计算开发架构(CUDA)编程实现,GPU采用该公司的Quadro2000。分别应用该算法进行了数值实验和实际项目区数字高程模型(DEM)模拟实验。实验结果表明,充分利用GPU的并行处理能力加速后的HASM方法,在保证达到相同曲面模拟的精度条件下,和传统的CPU方法相比,算法可以获得超过一个数量级的加速。

矿山高精度DEM建模方法研究

随着我国社会经济的快速发展,对矿山高精度DEM数据的要求越来越高,本文提出一种基于多源数据融合的高精度DEM建模方法.这种方法主要是在矿山地貌特征分析的基础上进行的,使用过程中融合了矿山地形框架、机载激光扫描等多源数据,根据一定的规则将这些数据进行融合,覆盖整个区域的不规则三角网,从而有效降低DEM成本,提高DEM的精度与模型的精细程度,解决我国矿产开发众多复杂地形的三维问题.

由等高线重构曲面的HASMOC方法应用研究

HASM优化控制方法(High Accuracy Surface Modeling-Optimal Control,HASMOC)是在高精度曲面建模(HASM)方法的基础上,增加更多约束条件方程后形成的一种方法。通过对等高线间格网点高程范围的约束优化控制,最小化HASM基本方程的模,HASMOC方法既能保证地形曲面的整体光滑性,又保证地形曲面对于原始等高线数据的忠实性。实际案例表明,HASMOC方法得到的地形曲面结果优于TIN方法的地形曲面模拟结果;比较分析地形曲面的回放等高线、地形光滑程度和地形曲面的高程分布频率等,可以看出,HASMOC方法能较好地克服TIN的缺点。

基于HASM模型的高分辨率珊瑚礁地形建模

机载激光测深系统在珊瑚礁栖息地的调查研究中发挥着重要的作用,能够为复杂珊瑚礁系统的地图制图和信息量化提供高精度的海洋地理信息数据。为此,将高精度曲面模型算法(HASM)应用于珊瑚礁栖息地的曲面建模,建立了基于HASM算法的高分辨率珊瑚礁栖息地地形模型;然后,将其与传统地理信息建模方法(克里金插值、样条插值)进行了对比。实验结果表明:该模型的精度更高,反映的地形特性更逼近真实情况,具有更好的地形建模效果。

基于BIM技术的空间双曲面赛道毫米级精度控制方法研究

国家雪车雪橇中心赛道建设中,以BIM参数化建模为基础,辅以测量技术的应用,研究一种空间双曲面赛道功能面毫米级精度的控制方法。雪车雪橇赛道是各断面不规则变化的长线形曲面结构,功能面为运动员竞技滑道。赛道按固定间距提供设计断面定位坐标,使用Rhino软件做设计深化,再通过全站仪和三维影像扫描仪对实体进行多步骤高精度测量,结合模型、坐标值和实测数据的比对实现赛道毫米级精度控制和功能面在线调整。

高精度曲面建模方法研究进展与分类

高精度曲面建模方法(HASM)作为新一代的曲面模拟方法,经过20多年的发展,其理论体系不断完善,算法体系不断丰富,应用领域不断拓广。然而,目前HASM方法尚未建立科学的分类体系,仅依据求解算法为标准进行简单区分,忽视了HASM所研究问题本质上的差异,阻碍了HASM方法在相关领域的进一步应用。为此,本文在总结HASM方法发展过程的基础上,按照研究问题的本质特点,以输入数据的类型为依据,将HASM分为空间插值方法和空间数据融合方法。其中,HASM空间插值方法是根据离散采样点得到目标曲面,而HASM空间数据融合方法则是融合多源数据,并综合各个数据源优势而得到新曲面的过程。该分类科学、合理,为今后HASM方法的进一步应用提供了理论指导。最后本文叙述了应用两种HASM方法求解问题时的一般步骤,同时还对两种方法的发展前景进行了展望。

高风险重金属污染土壤识别研究方法综述

高风险的重金属污染土壤的识别和探测是土壤健康风险评价及管理的基础,也是有效控制土壤污染、保障环境安全和农业可持续发展的重要前提。本文综述了高风险重金属污染土壤识别的方法及各自优缺点,主要包括元素剖面分布对比、与环境标准和背景值对比、同位素示踪、探索性统计分析、GIS制图和空间分析、多元统计分析、地统计学、空间统计分析和高精度曲面建模方法。将高精度曲面建模(HASM)与GIS空间分析、多元统计分析以及空间统计分析相结合,不仅可为土壤和土地资源普查和污染调查提供方法和理论上的借鉴,而且还可直接为土壤污染现状评价和风险管理、区域环境质量改善和土地利用规划等提供科学依据,是未来高风险重金属污染土壤识别研究的重要方向之一。

离心泵的有限元建模研究

在进行离心泵叶轮、泵体等零件三维复杂形状有限元分析时,首先遇到的是如何高精度地建立有限元模型的问题,同时模型的建立还要能快速、高效地完成。本文通过离心泵零件网格划分的研究,得到了一种精确、高效、实用的有限元建模方法。

高精度、高速度曲面建模方法研究进展

经典曲面建模方法包括反距离差值法（IDW）、三角网（TIN）、克利根法（KRIGING）和样条函数法（SPLINE）。由于这些经典方法的理论缺陷，误差问题一直是困扰曲面建模的疑难问题（见表1）。

基于地学信息的土壤属性高精度曲面建模

目前土壤属性的曲面建模面临两大问题,一是缺乏足够多的采样点进行模拟,二是采样点的土壤属性与环境变量间存在非线性关系。高精度曲面建模(HASM)方法在如何融合地学信息对土壤属性进行空间插值,尚需深入研究。本文提出高精度曲面建模与地学信息相结合的土壤属性空间插值方法(High accuracy surface modeling for soil properties,HASM-SP),分别基于研究区的土壤类型、土地利用类型和母岩类型,模拟了江西省典型红壤丘陵区土壤的速效磷(AP)、锂(Li)、pH、碱解氮(AN)、全钾(K)和铬(Cr)6种土壤属性的空间分布。将HASM-SP与普通克立格(OK)、OK与地学信息相结合的方法(OK-Geo)和分层克立格(SK)相对比,结果表明:结合地学信息可以使插值方法(HASM-SP和OK-Geo)模拟结果的平均误差更趋近于0;相对于其他3种方法,HASM-SP具有较小的平均绝对误差和均方根误差。从模拟的空间分布图上来看,HASM-SP获得了由于地学要素类型突变导致的土壤属性空间变异的细节信息。因此,基于地学信息的土壤属性高精度曲面建模方法(HASM-SP)与传统插值方法相比,不仅提高了土壤属性空间分布的模拟精度,还能更好地刻画突变边界处土壤属性的空间变异,使土壤属性分布图更好地符合地学规律和实际情况。HASM-SP的提出对于丰富土壤属性的高精度曲面建模理论具有重要意义,并为土壤管理、精准农业的实施以及区域环境规划等提供科学依据。

高精度曲面建模的中国气候降尺度模型

与站点统计降尺度插值和动力降尺度相比,高精度曲面建模(HASM)降尺度,具有不需大尺度预报因子,直接从GCM结果构建区域上高空间分辨率的未来气候模拟曲面的优势。HASM降尺度将未来气候,分为历史观测拟合的气候基准值和GCM未来气候变化值进行模拟,精度明显高于传统方法,但常系数全局拟合的气候基准值忽略了降水分布的空间非平稳性,导致降水模拟受到较大影响。为增强降水降尺度的气候背景值的描述能力,通过分析全国尺度降水的非线性非平稳性特点,提出耦合空间变系数气候基准值的HASM空间变系数降尺度模型(HASM-SVDM)以改进HASM对非平稳要素的降尺度能力,并以1961-2010年全国气温降水观测数据结合地形特征信息,利用HASM降尺度方法对HadCM3的A1Fi、A2a和B2a3种情景的1961-1990、2010-2039、2040-2069和2070-2099时段的全国未来气温与降水进行降尺度模拟。分析表明,耦合全局线性模型的HASM常系数降尺度模型适合全国气温的降尺度模拟,而耦合空间变系数拟合的HASM-SVDM增强了空间非平稳背景值的描述能力,模拟的空间分布更能体现降水总体的非均匀分布趋势,适合全国降水的降尺度模拟。

1951-2010年中国季平均降水高精度曲面建模分析

利用1951-2010年中国711个气象观测站的月降水资料,对多年季平均降水根据中国农业气候类型进行分区模拟。针对中国降水特点,首先分析了影响各分区降水的地理、地形因素及局部地形因素,利用多项式回归和逐步回归的方法对各分区降水进行了趋势拟合;在此基础上,采用改进的高精度曲面建模(HASM)方法,对各模拟区域去掉趋势后的残差进行迭代修正,并比较验证了模拟效果。同时,为保证HASM在边界附近的模拟精度,根据区域内站点间的距离,对每一分区设置一个缓冲区,将HASM实际插值区域扩展为缓冲区内的部分。模拟结果表明:HASM方法的模拟精度在不同区域不同季节内均比经典的插值方法模拟精度高。利用上述方法分析了同一季节各分区降水的分布特点,并模拟了不同季节内多年平均降水的空间分布状况,模拟结果符合我国降水的实际分布特点。