Experimental study of freak waves due to three-dimensional island terrain in random wave

An experimental study is carried out for waves passing an isolated reef terrain in a wave tank. A three-dimensional model of a representative and isolated reef terrain in the West Pacific is built. Random wave trains with various periods and wave heights are generated by a wave maker using the improved JONSWAP spectrum. It is observed that there are different kinds of generation processes and waveforms of freak waves. The freak wave factor Hm/Hs (where Hm is the maximum wave height of wave series, and Hs is significant wave height) is analyzed in detail, in terms of the skewness, kurtosis and water depth, as well as the relationship between freak wave height H& and skewness. The freak wave factor Hm/Hs is found to be in positive correlation with the kurtosis, while larger H[x tends to be related with bigger skewness. The rapid variation of water depth, such as slope and seamount, contributes to the occurrence probability of freak waves.

利用星载激光雷达数据校正森林区DEM误差

在植被区,通过光学遥感或InSAR技术生产的DEM产品不能反映真实林下地形高度。森林区DEM误差主要是植被高引起的系统偏差,植被覆盖度和地形是森林区DEM的主要误差来源。新一代星载激光雷达可以提供大量高精度林下地形控制点产品,为森林区DEM误差的纠正提供了新的契机。鉴于此,文章提出基于机器学习框架下顾及植被覆盖及地形因素的林区DEM误差校正方法。首先,获取高精度星载激光雷达地形控制点与DEM的地形残差;其次,利用光学遥感数据、SAR遥感数据及DEM产品数据计算与植被覆盖和地形有关的特征参数;最后,联合这些特征参数与获取的地形残差点分别建立不同类型DEM产品误差校正模型。选取位于美国田纳西州和北卡罗来纳州交界处的山地林区作为本研究的实验区。研究结果表明,相对原始DEM,校正高程误差后的DEM精度提升超过40%,有效校正了林区DEM误差。

基于正负地形的喀斯特地貌分类研究——以贵州喀斯特区为例

地形因子具有直观性、可视性,常被作为喀斯特地貌分类的主要依据。已有关于喀斯特地貌分类研究所用的地形因子较多且复杂,分类特征不易被公众学习和理解,导致成果的应用和推广难度较大。因此以贵州喀斯特区为研究对象,运用地形开度法和随机森林模型,筛选重要性正负地形指标,探讨喀斯特地貌分类方法。结果表明:1)贵州喀斯特区的蚕食度均值为1.35,深切度均值为215.36 m,平均粗糙度比均值为1.01,负地形面积大于正地形面积,正负地形不规则且破碎度较大,正地形被沟谷深切明显,地貌的异质性强烈。2)蚕食度和深切度2个指标的重要性指数分别为0.93和1.16,能较好地反映喀斯特地貌的差异性。3)根据蚕食度和深切度贵州喀斯特地貌分为23类,分类精度优良达93.33%。在不同的喀斯特地貌区,因为蚕食度和深切度不同,导致水、土、光、热资源丰度不同,因而它们的土地利用方式各异。研究简化了分类判别喀斯特地貌的地形指标,降低了公众对喀斯特地貌的认识和理解难度,并为数字地形技术在喀斯特地貌分类中的推广应用提供参考。

应用无人机可见光影像和面向对象的随机森林模型对城市树种分类

为及时准确的了解城市树种空间分布信息,提升城市居民生活水平和推动城市生态系统可持续发展。以福州市仓山区城市森林为研究对象,应用无人机(UAV)监测城市树种空间分布及其动态变化的可见光影像,根据最佳尺度对影像进行分割,并提取分割对象的光谱、地形、指数、纹理和几何特征。通过对不同类型特征的组合构建不同的分类方案,利用递归特征消除法(RFE)筛选出优选特征子集,利用面向对象方法结合随机森林(RF)模型对城市树种进行分类。结果表明:在随机森林模型分类的过程中,利用光谱特征对树种分类的总体分类精度为82.12%;地形特征对树种分类的贡献度率为14.96%;指数特征和纹理特征的引入,在一定程度提高了树种的分类精度;几何特征的贡献较小,在分类过程中没有明显的贡献。特征优选子集的S10方案分类精度最高,总体精度达92.42%,Kappa系数为0.91。说明特征优选能够降低高维度特征的复杂性,在大幅减少数据冗余的同时提高了分类精度。在最优特征子集下,随机森林(RF)算法分类的总体精度比极致梯度提升(XGBoost)、轻量级梯度提升机(LightGBM)和k最近邻算法(KNN)分别提高了1.15%、1.81%和15.15%,Kappa系数分别提高了1%、2%和17%。

基于环境变量辅助的不同地形单元土壤类型数字制图研究

土壤类型图反映了不同土壤类型的地理分布及其特征,为土壤资源利用、保护和管理提供了科学基础。基于土壤-环境关系的数字土壤制图方法是快速获取高精度、高分辨率土壤空间分布信息的重要手段,但针对不同地形单元的适用性及制度精度仍需进一步探讨。本文以北京市平谷区为研究区,将其划分为山地丘陵区和平原区2个地形单元,基于土壤调查点和随机森林算法,构建土壤-环境变量关系模型,进行不同地形单元的土壤类型数字制图。结果表明,山地丘陵区土类、亚类、土属和土种数字制图总体精度(Overall accuracy,OA)分别为100%、93.1%、89.7%和75.9%;而平原区土类、亚类、土属和土种数字制图OA分别为73.7%、55.3%、52.6%和23.7%。这表明在山地丘陵区,环境变量辅助的土壤类型数字制图具有较好的精度,而在平原区,这种精度会显著降低。随着土壤类型分类单元从土类到土种的精细化,环境变量辅助的土壤类型制图精度也逐渐下降。建议在资源有限的情况下,对于山地丘陵区,可以充分利用易获取的环境变量数据来提升土壤类型制图精度;而对于平原区,则需适当增加土壤类型剖面数量以提高制图精度。研究结果为其他地区土壤类型数字化制图提供了实践案例和技术支持。

SAR回波信号模拟平台设计

快速有效地仿真SAR的原始回波信号是建立SAR仿真系统的一项关键问题。根据机载正侧视SAR系统的工作原理,深入分析了一种SAR回波信号模拟平台的系统结构,利用原始DEM数据构建了随机地表模型的电磁散射单元模型,由雷达电磁散射机理建立了自然地表目标的回波信号数学模型,完成了SAR回波信号仿真平台的设计,为研究SAR回波信号处理等相关领域提供了一个切实有效的人机交互的仿真环境。试验结果表明平台实验结果满足对SAR系统开发预估测试要求。

天然地形的随机生成及其红外辐射特性研究

采用概率统计方法和分形技术两种随机生成方法构造了天然地形的模拟图像 ;运用传热原理建立了天然地形红外热图像计算模型 ,探讨复杂地形红外热图像的简化计算方法 ,并将计算结果附于随机生成的天然地形图像之上 。

无人机快速三维航迹规划算法

针对无人机三维航迹规划的实时性问题,提出了基于快速扩展随机树的三维航迹规划方法。该算法能够根据当前环境快速有效搜索规划空间,通过随机采样点将搜索导向空白区域,使三维航迹规划能够用于实时航迹规划。通过引入航迹距离约束,搜索树将沿着路径距离最短的近似最优航迹的方向进行扩展,克服了基本快速扩展随机树方法随机性强,只能快速获得可行航迹,无法获得较优航迹的缺点。在搜索过程中无人机的航迹约束条件和地形信息得到了充分利用,使算法生成的航迹能够自动回避地形和威胁,同时满足无人机的动力学约束。通过生成的虚拟数字地图对算法进行了仿真验证,仿真结果表明该方法能够快速有效地规划出满意的无人机三维航迹。

分形地形模拟研究

为了重建逼真的具有多分辨率层次的三维地形 ,详细分析了分形理论和分形布朗运动的原理 ,指出其数学模型与真实地貌特征基本吻合 ,对分形布朗运动特征参数 (H ,δ)的物理意义进行了剖析并提出了完整的估算方法 ,最后给出了实现分形地貌的算法思路 .以此为基础 ,作者在微机上用VisualC ++6.0和OPENGL三维图形库结合编程 ,对分形断面和分形地貌的模拟生成进行了可视化实验研究 .结果证实了该方法的有效性和实用性 .

三维可控真实感地形生成方法研究

提出了一种基于分形布朗运动的形状基本可控的真实感地形的生成方法。根据地形上少量特征点的三维坐标,将地形的整个平面区域划分成几个三角形,然后对每个三角形,利用改进的随机中点位移法进行三维地形数据的细分与迭代生成。并在PC机上用VC++6.0结合OpenGL编程,将生成的三维地形数据转化为具有真实感的可视化图形。模拟实验结果表明所提出的算法可以方便生成具有真实感、可控性的多峰山脉地形、一般平缓地形、以及复杂的组合地形,较好地解决了传统分形布朗运动对生成地形的形状无法预测和控制的问题。

分形布朗运动在水下地形模拟中的应用

由于水下地形的高程数据获取困难,如何运用少量的数据生成真实感强、精度高的地形模型是值得研究的问题。运用分形布朗运动(fBm)模型得到水下地形的分形特征参数,结合随机中点位移内插算法,通过Matlab编程实现了三维水下地形的模拟。以长江口深水航道为例,讨论了其运用fBm的可行性,模拟生成了三维航道地形,并与ArcGIS自带的插值方法进行比较,采用等深线重构法对插值结果进行精度分析。比较结果显示,基于fBm模型模拟得到的地形具有丰富的地表细节,反映了地形的复杂性和不规则性,具有很好的可视化效果,同时能保证较好的精度。

地形辅助导航系统的关键技术

地形辅助导航系统被誉为第四代导航系统 ,除了计算机技术外 ,注重讨论了在地形导航系统中利用的数字地图技术、存储技术、地形随机化技术、多模卡尔曼滤波技术和数字相关器 ,对各技术的特点及其有关的参数进行了分析。

划破草皮对祁连山不同地形高寒矮嵩草草甸土壤呼吸特征的影响

以青藏高原东北缘祁连山高寒矮嵩草草甸为对象,用土壤呼吸测量仪分别进行了平地和缓坡地两种地形草甸经划破改良后的土壤呼吸排放速率测定。结果表明:经划破处理的高寒草甸土壤呼吸排放速率呈明显的季节动态,最大值出现在7月。土壤呼吸排放速率与地表温度、5 cm处土壤温度均呈指数正相关关系,与土壤含水量具有拟合度较高的二次多项式相关性,与地上、地下生物量存在正相关关系。土壤呼吸温度敏感性指数Q10显示,划破干扰均增加了两种地形地表温度的Q10值,而5 cm土壤温度仅增加了缓坡地的Q10值。通过随机森林变量重要性评估可知,影响该区域平地土壤呼吸的主导因素为土壤含水量,影响缓坡地土壤呼吸的主导因素为5 cm处土壤温度。因此,在应用划破草皮改良技术时应充分考虑制约条件,因地制宜,才能真正达到改良草地的目的。

随机中点位移法在三维地形插值显示的适用性分析

三维地形模拟技术是当前计算机绘图领域中研究的重点之一。针对粗略地形的格网用分形技术进行插值,通过定量数据分析分形计算效率,预测产生的分析数据量。基于随机中点位移法中的菱形-方形法三维地形模拟;通过统计数据量和效率推求合适的递归次数范围,缓解计算量和地形逼真度之间矛盾的方法,以及用此方法进行三维地形的分析和预测的适用性分析。

复杂地形机械湍流扩散的粒子随机行走模拟

应用粒子随机行走模拟方法模拟了高架点源在中性情况下在复杂地形上的排放，并将模拟结果与风洞实验进行了比较，二者能较好地吻合。虽然将该方法用于复杂地形大气扩散计算在技术上不存在什么困难，但是在确定模式基本参数等方面，还应该慎重考虑。

岛礁地形畸形波演化过程的试验及小波谱分析

为研究某岛礁周边波浪演化过程及其特征,本文选取西太平洋的一个典型岛焦地形为研究对象,在试验水池中建立了礁地形三维模型(1∶100)。造波机输入谱为Goda改进的JONSWANP谱,谱峰升高因子γ取2.0,对不同有效波高和有效周期的定向随机波工况进行了试验。在岛礁周围布置多个浪高仪测定波浪的时间序列,并基于小波变换分析波面序列的小波谱特征。通过分析试验中的波浪演化过程,发现多个工况在地形突变处存在畸形波。通过分析小波能谱发现在畸形波近后方出现波群时,该波群会获得畸形波的能量,导致该波群的波能增大,并生成二次畸形波。试验发现地形突变会增大畸形波发生的概率。畸形波的形成与波浪的群性有关,且单次畸形波与二次畸形波演变特点存在差异。

基于栅格法的智能挖掘机地面建模研究

为了实现挖掘机智能化作业,以山河智能SWE230挖掘机为研究平台,提出了一种基于激光传感器的地面地形建模方法,采用栅格法的极坐标和直角坐标的变换关系对地面环境进行建模。在构建地形的基础上搜索挖掘对象的边界点,并采用RANSAC随机采样一致性算法估计挖掘深度和斜面倾斜度。在已知挖掘范围的基础上,采用聚类分割算法来确定挖掘策略。试验表明以上方法能够有效的测量挖掘对象并确定挖掘策略。

基于随机森林模型的云南元阳梯田地形因子分析

为探究地形因子对梯田空间分布的影响,以云南元阳梯田坝达流域为研究区,运用GeoEye-1遥感卫星数据(2010年,1 m分辨率)和数字高程模型(20 m分辨率),提取梯田空间分布信息以及海拔高程、地形坡度、地形坡向、地面曲率、高程变异系数、地形起伏度、地面粗糙度、地表切割度、到水系距离9个地形因子。采用随机森林(Random Forest)方法建模,结合ROC曲线和AUC值对模型进行精度评价,根据随机置换残差均方减少量和因子作用曲线,探讨地形因子对梯田分布的影响规律。研究结果表明:该流域内梯田总面积1 158395 hm2,模型AUC值为0.947,海拔高度因子的随机置换残差均方减少量为38814,到水系距离因子为199.77,地面坡向因子为80.26,三者占总值的73.45%。由此可见,元阳梯田的空间分布主要受海拔高度、到水系距离、地面坡向3类地形因子的影响,其因子曲线表明梯田分布与地形因子间呈非线性关系。

光裸地表红外辐射统计模型及纹理特征分析

自然地表的红外辐射温度场是生成红外纹理的关键.针对光裸地表红外辐射特性进行统计分析,建立了其红外辐射特性统计计算模型,利用Monte-Carlo方法计算获得其红外辐射温度场参数;结合红外辐射温度场的统计参数,利用Gaussian-Markov随机场模型生成日周期的光裸地表红外纹理.仿真试验的结果表明:该模型和方法能够真实地生成光裸地表的红外纹理,可广泛应用于红外场景仿真中.

面向巡视探测任务的复杂地形信息感知与场景重建

针对复杂地形环境下巡视探测中避障问题,提出了一种基于点云的地形信息感知与场景建模方法。首先对获取的点云数据进行稀疏采样和滤波降噪;然后结合移动机器人越障能力极限与改进的随机采样一致性算法,拟合其自适应基准面作为可通行区域;其后使用基于密度的聚类算法感知地形特征信息,并采用凸包算法提取地形特征轮廓;最后结合自适应基准平面进行快速三维场景重建,为地面观测提供直观快速的巡视器周围三维环境模型。通过对复杂地形环境进行模拟实验,结果表明:该方法可以有效获取复杂地形信息,并可大幅度提高场景重建的效率。