“模”术大师岳天祥-为地球建模,不是简单画个球体

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 “模 ”术大师岳天祥:为地球建模,不是 简单画个球体 建模，就是建立模型，是指利用 算机描述一个系统的行为，也是将一 个实际系统模型化的过程。这一技术是 研究系统的重要手段和前提，在许多行 业都有所应用，比如建筑行业，每栋大 楼建立前，设计师都需要建模。家装设 计行业，设计师也需要建模，这样才方 便客户看效果。游戏行业，游戏里的场 景、人物等也是要建模的。影视行业， 许多科幻大片的场景同样也要通过建模 实现。 中国论文网 /8/view-12952304.htm 科研领域有需要应用建模技术的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 研究吗？答案是肯定的。比如，地球系 统科学和生态环境信息学等，很多时候 就需要对地球系统 进行建模。 为地球系统建模，那不就是画个 球体，应该没难度吧？ 作为资源环境模型与系统模拟研 究方向学术带头人，中科院地理科学与 资源研究所研究员岳天祥会告诉你，为 地球系统建模，可不是“ 画个球体 ”能简 单了事的。 众所周知，地球是个球体，因而 在为它建模时，很多时候往往要进行曲 面建模，这是地球系统科学合作计划和 全球综合观测战略的重要内容之一。然 而，就是“曲面建模 ”这看似简单的四个 字，其蕴含的难度和挑战，却困扰业界 达半个世纪之久。 岳天祥团队针对这一难题发起攻 关，将地球表层系统及其环境要素栅格 化描述抽象为数学“ 曲面”，并以微分几 何学和控制论为基础，开创性地建立了 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 高精度曲面建模（HASM）方法，从理 论上解决了曲面建模的误差问题和计算 效率问题。 什么是曲面建模？ 曲面建模是通过对物体的各个表 面或曲面进行描述而构成曲面的一种建 模方法，也是地理信息系统和计算机辅 助设计研究的最基础问题之一。 据资料记载，曲线、曲面设计的 发展可以追溯到较远的年代。二战期间， 迫于航空产品设计和生产方面的压力， 画法几何中的作图法在产品设计中得到 实际应用。二战后，随着计算机的发明 和应用，人们以解析曲线特别是圆锥曲 线为基础，采用计算机代替之前大量的 手工绘图，这可以被看作是曲面建模发 展的雏形。 岳天祥表示，经典曲面建模方法 主要有反距离加权模型（IDW） 、三角 网模型（TIN ） 、克里格模型 （KRIGING） ，以及样条插值 （SPLINE）等，或基于地统计学理论， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 或基于邻域相关性建设，或基于弹性力 学机制，在建模中没有同时考虑曲面的 内蕴量和外蕴量对曲面的约束作用。 因此，在实际应用中，经典方法 都显示出了不同程度的缺陷，比如：反 距离加权法忽视了空间结构信息和邻域 以外的信息联系，三角网模型法丢弃了 非线性信息和空间结构信息，克里格法 所要求的理想目标在实际操作中很难达 到。 岳天祥表示：“ 地理要素的精确 表达与分析是地理信息科学研究的重要 内容，同时也是最基本的地学分析模型。 但是，由于曲面建模经典方法的理论缺 陷，导致在曲面拟合过程中，建模误差 变得难以控制，成了一个无法逾越的鸿 沟，对相关研究造成了严重影响。 ” 毫无疑问，探索新的曲面建模方 法，是解决这一难题的关键。岳天祥团 队以此为目标，全面总结分析了经典曲 面建模方法的理论缺陷，以及能够克服 这些缺陷的现代数学理论，在此基础上 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 创新性地建立了基于曲面论基本定律与 优化控制论有机结合的高精度曲面建模 方法，也就是 HASM 方法。 这是一种新的可用于空间插值和 预测，以及空间数据融合的方法。岳天 祥介绍说，HASM 法以全局性近似数据 （包括遥感数据和全球模型粗分辨率模 拟数据）为驱动场，以局地高精度数据 （包括监测网数据和调查采样数据）为 优化控制条件，集星地一体化，有效解 决了困扰曲面建模达半个世纪之久的误 差问题，模拟精度较经典模型提高了 3 倍以上。 作为一种新方法，HASM 方法凭 何“俘获”众科研人员的心？这就要说到 HASM 的两个特点，也是它的两大优势。 首先，体现在基本理论上。据岳 天祥介绍，HASM 方法以曲面论基本定 律和优化控制论为理论基础，结合第一 类基本量和第二类基本量才合成了现在 的高精度曲面建模方程。需要说明的是， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 第一类基本量主要用于“ 在地球表面上 ” 测量计算地球表面的集合属性，而第二 类基本量则用于“ 在地球之外 ”测量计算 地球表面的局部扭曲等变化，两者都是 克服曲面建模误差的关键因素。 其次，体现在高效算法上。过去， 曲面建模过程一直存在内存需求大、计 算速度慢的难题。为提升 HASM 运算 速度和对海量数据的处理能力，岳天祥 带领团队建立了 HASM 多重网格法 （HASM-MG ） 、自适应法（HASM- AM） 、修正的共轭梯度法（HASM- PCG） 、平差算法（HASM-AC） ，有效 解决了以上两个难题。 岳天祥还强调，利用多重网格法， 求解 HASM 模型的偏微分主方程组， 求解过程计算时间随栅格总数线性增长， 解决了传统 HASM 模型运算量栅格总 数呈几何增长的问题。而自适应法根据 模拟区域的复杂度和精度要求，调整网 格分辨率，在保证模拟精度的同时，极 大地减少了计算时间，降低了存储量， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 很好地解决了全局模拟和局部模拟的问 题。 2012 年初，岳天祥团队将高斯 柯达齐次方程组引入 HASM 求解过程， 解决了 HASM 运算过程的智能化问题。 目前，HASM 已经达到了在 84.45 秒内 完成 14 公里空间分辨率全球气候空间 格局模拟的运算能力，实现了多尺度数 据的快速融合，为 HASM 的广泛应用 和三维动态实时可视化奠定了坚实基础。 HASM 发展至今，经历了 4 个阶 段，不仅解决了多尺度问题和大内存需 求，而且还大幅提高了精度，这些都在 后续的实际应用中得到了验证。岳天祥 表示，目前为止，HASM 方法已经在数 字高程、数字高程空缺填补、基于 LiDAR 点云数据的碳储量模拟、中国气 候变化趋势及其未来情景、气候变化对 生态系统模拟的影响、土壤污染模拟分 析、土壤属性空间模拟、碳卫星二氧化 碳浓度反演结果的空间插值、人口模拟、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 人口承载能力、食物供给能力、生态多 样性等各种生态系统服务功能的模拟分 析中成功应用，精度和速度都达到相当 高的水平，受到了广泛好评和肯定。 近 30 年来，岳天祥团队一直致力于更 深入的曲面建模方法探索和研究。他们 不断发展和改进 HASM 方法，在该方 法基础上，又进一步归纳提炼形成了地 球表层建模基本定理及其关于空间插值、 多尺度转换、数据融合和数据同化的推 论，为生态环境信息学的发展奠定了方 法基础。 如何理解地球表层建模基本定理？ 岳天祥解释说：“ 地球表层及其环境要 素曲面由外蕴量和内蕴量共同唯一决定， 在空间分辨率足够细的条件下，地球表 层及其环境要素的高精度曲面就可以运 用集成外蕴量和内蕴量的恰当方法来构 建。HASM 就是 恰当方法之一。 ” 目前，地球表层建模基本定理及 其有关推论已经作为要点内容，被纳入 联合国“生物多样性与生态系统服务政 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 府间科学与政策平台（IPBES） ”的情景 分析与建模指导性文件。而 HASM 方 法也被国际生态学大百科全书收录， 并被命名为 YUE-HASM 方法。 值得一提的是，岳天祥团队对 HASM 方法进行了系统、全面的总结， 并形成了相对完整的陆地表层模拟分析 理论方法体系，相关系统性著作 Surface Modeling：High Accuracy and High Speed Methods于 2011 年被 Taylor&Francis 出版集团出版。而其他 与 HASM 方法相关的论文也都相继在 国内外著名期刊上发表，在业界引起强 烈反响。 现如今，生产生活中用到曲面建 模的领域有很多医疗行业制作器官 的精确模型时会用到它；影视行业制作 活动人物、物体及现实电影场景时会用 到它；科研领域制作化合物精确模型时 会用到它；建筑行业展示建筑物或景观 时会用到它；工程界设计新设备、新结 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 构时也会用到它。岳天祥所在的地球科 学领域，最近几十年开始构建三维地球 系统模型，同样也要用到曲面建模。 这些都说明一个问题既然曲 面建模应用领域如此广泛，那么研究出 一个好用、实用的建模方法非常有必要， 而且也会有很好的市场前景。这也是国 内外众多研究人员专注于曲面建模方法 探索的原因之一，可以想象这一领域的 竞争有多激烈。 竞争虽烈，但关起门来做研究显 然也不明智。岳天祥之所以能够成功探 索出 HASM 方法，除了扎实的专业知 识、过硬的科研实力，同时也与他不放 过任何学习交流的机会有关。自 2000 年以来，岳天祥持续参加了联合国组织 的千年生态系统评估（MA）和生物多 样性与生态系统服务政府间科学与政策 平台（IPBES ）的相关报告起草。 2016 年，岳天祥出席了在法国蒙 彼利埃市举行的“ 生物多样性与生态系 统服务决策支持情景与模型”研讨会， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 作了题为生物多样性与生态系统服务 曲面建模的大会特邀报告，并参加了 生物多样性与生态系统情景与模型方 法评估面向政策制定者的总结概要发 布仪式。 岳天祥还透露，目前，他正在积 极参与 IPBES 全球评估报告的起草及相 关研究。有人或许会问，去参加这些学 术交流，还有时间做研究吗？答案当然 是肯定。岳天祥对参加对外学术交流， 有自己的一番认识体会。 他认为，这样的学术交流活动， 一方面可以听到来自不同国家、不同人 士的观点、理论，还能了解、学习最新 动向和最前沿的研究方向，开拓研究视 野，丰富知识储备。而且，正所谓“知 己知彼，百战不殆” ，只有了解竞争对 手的动向，及时调整自己的方向，才可 能先发制人。 另一方面，这也是让外界了解中 国科研进展，彰显中国科研实力的好机 会。更重要的是，不同观点、理论的碰 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 撞，往往会发生奇妙的化学作用，是推 动相关领域进步和发展的最好动力之一。 HASM 方法如今在算法和理论两 方面都取得了长足进展。但岳天祥清楚， 随着应用领域的不断扩展，它也不可避 免地会显现出缺陷。所以，岳天祥团队 必须紧跟应用需求，不断对曲面建模方 法进行更深入、全面的调整和完善。 现在，他们正在发展以遥感数据 或模拟数据为驱动场、以地面观测数据 或空间采样数据为优化控制条件的星空 地一体化 HASM 方法论体系，以满足 地球系统科学、生态环境信息学等学科 日益增长的应用需求。 即便建模技术已经达到了“大师” 级别，但岳天祥在谈论为地球系统建模 时，仍然严肃地告诫年轻一辈，失之毫 厘，差之千里。一误差难题就可以 困扰业界半个世纪之久，为地球建模可 不是画个球体那么简单！ 人物简介 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 岳天祥，中国科学院地理科学与 资源研究所研究