基于高精度曲面模型的高程异常曲面模拟

从误差理论角度确定了高精度曲面模型对高程异常曲面模拟的格网分辨率,从而有效地解决了HASM模拟计算以及精度分析的空间位置误差问题。使用HASM模拟某测区高程异常曲面的结果表明,HASM的模拟精度有大幅度提高。

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。

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。

基于多重网格法求解的高精度曲面建模模型

以曲面论为理论基础的高精度曲面建模模型(HASM)从理论上解决了曲面模拟的误差问题,但是计算量大,存储要求高。为了解决这一问题,应用多重网格法(MG法)来求解HASM模型离散得到的线性方程组。数值试验结果表明,MG法在保持求解精度的前提下大幅度提高了HASM模型的模拟速度,同时解决了HASM模型存储要求高等问题。

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。

结合TRMM数据的区域降水高精度曲面建模研究

高精度曲面建模方法(High Accuracy Surface Modeling,HASM),从理论上解决了传统方法在插值过程中峰值削平和边界震荡等问题。其模拟精度相对于经典插值方法有很大提高,已成功应用于人口密度、土壤属性,以及气候要素等领域的空间制图。然而,由于地面气象站点数量和分布的限制,使得HASM仅依靠站点数据难以得到高精度的空间降水估计数据,因此,本文以地貌与气候类型复杂多样的我国中西部地区2010年年降水量空间分布模拟为例,采用混合插值法进行HASM区域降水模拟。结果表明,TRMM作为背景场的HASM模拟的年降水量精度,在全局和局部明显优于IDW、Spline和Kriging等经典插值方法的结果,作为背景场的HASM模拟精度,MAE和RMSE分别为125.15 mm和155.80 mm,其他方法最好的模拟结果比其误差值分别高出53.6%和54.5%;其模拟误差在不同子区域都较小;各种方法在平原的精度都高于山区的精度。

土壤连续属性空间插值方法及其精度的研究进展

作为土壤变化的时空定量监测方法,土壤属性空间插值方法及其精度是计量土壤学和"数字土壤"领域的重要研究内容。文章首先介绍了土壤属性空间插值的常用方法,包括克立格插值法(Kriging)、反距离权重法(IDW)、样条插值法(Spline)、贝叶斯最大熵(BME)、地理加权回归(GWR)以及高精度曲面建模方法(HASM);其次阐述了土壤属性空间插值精度验证的方法和指标;再次总结了能够提高土壤属性插值精度的6种途径,包括合理选择插值方法、准确设定插值方法参数、合理设计采样数目和密度、注意空间自相关程度和范围的影响、科学安排实验分析顺序以及结合辅助信息进行插值;最后从插值方法的选择、验证指标的选取以及辅助信息的结合三个方面指出了土壤属性空间插值方法及其精度的未来研究方向。

基于HASM方法对气候模式气温降水的降尺度研究——以黑河流域为例

基于空间平稳性分析,引入地理因素结合回归分析及高精度曲面建模方法(HASM)对黑河流域多年平均气温、降水给出了降尺度模拟。基于过去器测资料的验证,提出了CMIP5模式资料的合理降尺度方法。比较了降尺度结果与站点实测值的差异,同时比较了所给出的方法与经典插值方法的模拟精度。最后,基于历史时期T1(1976—2005年)的降尺度方法结合RCP2.6、RCP4.5及RCP8.5不同情景下未来时段T2(2011—2040年)、T3(2041—2070年)、T4(2071—2100年)CMIP5模式结果,对降尺度方法进行了修正,给出了未来时段气温的降尺度模拟公式,并基于此对上述3种情景下多年平均气温的CMIP5模拟结果进行了降尺度模拟。结果表明:本文所提出的降尺度方法模拟结果与站点观测值具有较好的相关性,且精度高于其他经典插值方法。对未来时段的模拟结果表明,升温最快的是RCP8.5情景,在2071—2100年,除祁连山地区外,大部分地区年平均气温大于10℃。

结合HASM和GWR方法的省级尺度近地表气温估算

卫星遥感反演得到的地表温度可用于近地表气温的估算,但现有方法的估算精度仍有进一步提升的空间。为了获取空间上连续且精度较高的近地表气温,本研究以四川省为例,首次将高精度曲面建模(HASM)用于遥感和气温实测数据的融合,并将综合了气温、地表温度、海拔、坡度、坡向的地理加权回归(GWR)拟合结果作为HASM模型的初始温度场,进而采用此种结合HASM和GWR的求解算法(HASM-GWR),融合MOD11C3地表温度产品与190个气象台站的气温实测数据,开展省级尺度近地表气温估算,并通过比较HASM-GWR、GWR以及普通线性回归(OLS)3种方法的估算精度,评估各模型对近地表气温的估算效果。结果表明,相比于传统估算模型,采用HASM-GWR数据融合方法能有效提高近地表气温的估算精度。采用该方法的近地表气温估算残差,72%介于-1~1℃,90%介于-2~2℃;且与GWR和OLS模型相比,估算结果的均方根误差(RMSE)分别降低了25.42%和39.83%。

方差-尺度规律在DEM插值方法评价中的应用

提出基于方差-尺度规律的新型插值方法评价体系,根据"在给定研究区域内,变量的统计方差随尺度增大而减小"的理论规律,提出三项预设的评价准则。以DEM插值应用为例,选取高精度曲面模型、样条插值、克里金插值、反距离权重插值4种方法进行对比评价。数值实验表明,方差-尺度递变趋势的评价准则值得存疑。两组DEM插值案例表明,地形的复杂特性、插值算子的光滑效应以及尺度的综合效应致使理论的渐变规律无法达到。引入采样方差值后,不同采样密度下仍可以将方差变化趋势及方差的整体大小作为精度评价准则,在对第二、第三条预设评价准则修缮后确立三项评价准则。综合所有案例可知,此评价体系原理简单、操作方便,为DEM插值方法评价提供了一套新的标准和框架,并且可针对不同采样密度条件提出完善的插值方法适用性建议。