模拟地球表面系统及其生态环境组成部分的原理

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模拟地球表面系统及其生态环境组成部分的原理

一个区域或其生态环境属性的栅格表达式可以抽象为一个数学表面。数学曲面是唯一的定义由内在和外在性质根据基本定理的表面。从详细的地面观测和空间采样的局部信息中可以收集到固有特性。外部特性可以从卫星观测和大尺度空间模型的模拟结果中获得。在不同的尺度上讨论了将内在和外在性质结合的紧迫性和必要性

表面建模是为动态描述地球表面系统或地球表面环境的特定组成部分而建立表面模型的过程。自20世纪50年代以来,各种曲面建模方法得到了发展。它们包括克里格的地质统计学方法、样条函数、不规则三角形网络和反向距离加权,对这些方法来说,误差和尺度问题是长期的挑战。

摘要为了解决误差和多尺度问题,自1986年以来,提出了一种综合内外特性的高精度曲面建模方法。外部信息与内部信息的结合是生态环境表面建模中经常讨论的问题。例如,地面观测可以在观测点获得高精度数据,但在固定位置的观测被限制在一些有限的散布点内。卫星遥感常常能提供生态环境过程的地表信息,但遥感描述不能直接获取过程参数。卫星和地面观测提供了关于地球表面的两种不同类型的信息。全球模型和地面观测提供了丰富的信息,但都不能提供完整的图景。一个尽可能精确的全球模型必须补充现有地面观测资料。

该方法虽然解决了误差和多尺度问题,但由于必须使用主方程集来模拟曲面的每一个格点,计算成本巨大,因此只能用于小区域。为了加快HASM的计算速度,提出了HASM的多网格算法(HASM- mg)、HASM的自适应算法(HASM- am)、HASM的调整算法(HASM- ac)和HASM的预条件共轭梯度算法(HASM- pcg)。这些算法解决了计算速度慢和内存需求大的问题。

对比成功申请建立数字高程模型,填补空洞的航天飞机雷达地形测绘任务(SRTM)数据集,模拟气候变化、碳储量估算,融合卫星观测和总碳列观察网络(TCCON)测量column-averaged干燥的空气的摩尔分数的二氧化碳(XCO2),遥感XCO2表面填充孔隙,建模表面土壤性质和土壤污染,分析生态系统对气候变化的反应。在所有这些应用中,HASM都比经典方法得到了更精确的结果。

在建立地表系统建模方法及其成功应用的基础上,提出了地表系统建模的基本定理。FTESM是基于表面理论、系统理论和最优控制理论的结合。在《生物多样性和生态系统服务的情景和模型方法评估报告》(IPBES, 2016)中使用了空间插值和数据融合的FTESM推论。生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台(IPBES)全体会议将这种方法评估的作用定义为“指导在IPBES下的所有工作中使用情景分析和建模,以确保其成果的政策相关性”。生物多样性和生态系统服务全球评估报告(IPBES, 2019年)引用了FTESM。

但是,FTESM使用的术语与IPBES的概念系统不符。在此基础上,提出了一种适用于生态环境地表建模的基本定理(FTEEM),并由此推导出相应的空间插值、空间上尺度、空间下尺度、数据融合和模型数据同化的若干推论。生态环境面包括自然面、自然对人的贡献面和自然变化驱动力面。自然包括生物多样性和生态系统以及地球系统。大自然对人类的贡献包括生态系统服务和大自然的恩赐。自然变化的驱动力分为直接驱动力和间接驱动力。就基本理论而言,FTEEM和FTESM具有相同的含义,但这两个术语的含义很容易被不同的研究领域理解。

国际生态建模学会(ISEM)前主席。Sven Erik Jorgensen说:“错误问题和计算速度慢的问题是目前地理信息系统(GIS)和计算机辅助设计系统(CADS)面临的两个关键挑战。高精度和高速的曲面建模方法(HASM)为长期困扰GIS和CADS的这些问题提供了解决方案。(约根森,2011)

国际生态学协会前主席Wolfgang Haber教授指出,“上述所有发现都描述了外在信息和内在信息的本质意义,但挑战在于如何将这两种信息结合起来。”FTESM和FTEEM为这一挑战提供了解决方案。FTEEM和FTESM及其在插值、上尺度、下尺度、数据融合和模型数据同化方面的推论共同构成了生态环境信息学的理论基础。我相信,《生态环境表面建模的基本定理及其应用》(Yue et al., 2020)的发表将成为生态环境信息学发展理论基础的里程碑式论文。(哈伯,2020)

“据我们所知,”39名研究人员写道,“这项工作首先代表了生态-环境表面建模的基本定理,这是一个里程碑式的论文,在发展生态-环境信息学的理论基础上向前推进。””