本文選題：數(shù)字地形分析 + 數(shù)字高程模型��； 參考：《南京師范大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：基于DEM的流域地形分析是數(shù)字地形分析的重要組成部分,也是GIS空間分析不可或缺的內(nèi)容,在地貌、土壤、水文和生態(tài)學(xué)等科學(xué)研究及生成建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。目前,隨著空間數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的發(fā)展,大區(qū)域高精度地形數(shù)據(jù)的快速獲取成為現(xiàn)實,為流域地形分析提供了豐富的數(shù)據(jù)源。在這種大數(shù)據(jù)背景下,如何對海量規(guī)模的地形數(shù)據(jù)進行快速有效地處理和分析,使之轉(zhuǎn)化為所需的地學(xué)知識,成為目前GIS遇到的一大難題。并行計算技術(shù)為解決這一難題帶來了機遇。本論文以數(shù)字地形分析理論與方法為基礎(chǔ),從流域地形分析高性能計算出發(fā),系統(tǒng)研究了流域地形分析并行計算的關(guān)鍵技術(shù)及流域地形分析算法并行化方法,以期豐富數(shù)字地形分析理論與方法體系,完善地學(xué)知識挖掘和知識轉(zhuǎn)化平臺,推動大區(qū)域高精度地形分析技術(shù)在數(shù)字流域等領(lǐng)域的有效應(yīng)用。研究成果可望為大數(shù)據(jù)時代高性能GIS空間分析提供理論、方法上的借鑒。本論文的主要內(nèi)容和研究成果如下： (1)綜合流域地形分析問題所涉及的數(shù)據(jù)、任務(wù)、結(jié)構(gòu)三大元素,研究提出了流域地形分析并行算法設(shè)計的量化模型——并行粒度模型,并從數(shù)據(jù)的屬性和數(shù)據(jù)體、任務(wù)的參數(shù)和負(fù)載、及計算平臺的有效內(nèi)存等方面對并行粒度模型三大元素進行了有效的量化統(tǒng)一,為流域地形分析并行算法設(shè)計中任務(wù)分解提供了量化依據(jù)。 (2)從數(shù)據(jù)劃分策略、結(jié)果融合策略及數(shù)據(jù)通信策略等方面,研究了流域地形分析并行策略。根據(jù)數(shù)據(jù)冗余復(fù)制思想和并行粒度模型,構(gòu)建了基于并行粒度模型的行劃分策略和流域式劃分策略——以并行粒度為控制參數(shù)將全局?jǐn)?shù)據(jù)劃分為多個并行子塊,同時,每個并行子塊包含與進程數(shù)相同的進程子域。以此為基礎(chǔ),研究了相應(yīng)的結(jié)果融合策略：對于行劃分策略,可采用進程子域的數(shù)據(jù)錨點進行融合,而流域式劃分策略則采用三元組機制進行融合。分別從通信方式和數(shù)據(jù)壓縮兩方面,研究了流域地形分析并行計算的數(shù)據(jù)通信策略。分析了MPI中點對點通信和組通信的效率,并從轉(zhuǎn)換壓縮和編碼壓縮兩方面,設(shè)計了DEM數(shù)據(jù)內(nèi)存壓縮方法。 (3)基于流域地形分析并行策略,系統(tǒng)研究了顧及并行粒度控制的流域地形分割并行算法。面向基于并行粒度模型的行劃分策略,提出了兩階段并行方法。以此兩階段并行方法為基礎(chǔ),研究了流域地形分割并行算法：設(shè)計了流域邊界生成方法并行算法；分析了基于坡面徑流模擬的子流域劃分方法所存在的問題,針對該問題提出了子流域劃分并行算法；提出了一種顧及子流域拓?fù)潢P(guān)系和面積的改進流域編碼方法,并實現(xiàn)了流域編碼并行算法。實驗結(jié)果表明,在并行粒度控制條件下,流域地形分割并行算法能夠有效提高計算效率和處理數(shù)據(jù)規(guī)模。 (4)利用流域結(jié)構(gòu)特征,研究了顧及并行粒度控制的流域地形特征提取并行算法�；诹饔蚴絼澐植呗缘膬呻A段并行方法,以構(gòu)建的無DEM預(yù)處理過程水流方向生成方法為基礎(chǔ),設(shè)計了流域河流網(wǎng)絡(luò)提取并行算法,并詳細(xì)研究了并行計算過程中子流域合并、負(fù)載平衡與任務(wù)分配,及子流域間的信息傳遞等關(guān)鍵問題；在此基礎(chǔ)上,研究了基于子流域的流域河網(wǎng)密度計算方法,設(shè)計了河網(wǎng)密度計算并行算法,并重點分析了并行計算過程中“雙層”子流域間的信息傳遞方法。通過實驗證明,基于流域式劃分策略的并行算法充分利用了子流域可作為獨立計算單元的特征,大幅度縮短了算法執(zhí)行總時間,同時,并行算法可顧及并行粒度控制并具有較好地并行性能。
[Abstract]:Based on the theory and method of digital terrain analysis , the paper studies the key technology of terrain analysis parallel computing and the parallel method of watershed terrain analysis .

( 1 ) Based on three elements of data , task and structure involved in terrain analysis of integrated watershed , a quantitative model _ parallel granularity model is proposed for the parallel algorithm design of watershed terrain analysis , and the three elements of parallel granularity model are quantified and unified from the attributes of data and data volume , parameters and load of tasks , and effective memory of the computing platform .

( 2 ) Based on the data redundancy copy idea and the parallel granularity model , the data communication strategy based on the parallel granularity model is constructed based on the data redundancy copy idea and the parallel granularity model .

( 3 ) Based on the parallel strategy of watershed terrain analysis , a parallel algorithm for watershed terrain segmentation is studied , which takes into account the parallel granularity control .
This paper analyzes the problems existing in the sub - basin division method based on slope runoff simulation , and puts forward a sub - basin division parallel algorithm for the problem .
This paper presents an improved watershed coding method taking into account the topological relation and area of the sub - basin , and realizes the parallel algorithm of basin coding . The experimental results show that under the condition of parallel granularity control , the watershed terrain segmentation parallel algorithm can effectively improve the computational efficiency and the processing data size .

( 4 ) The parallel algorithm of watershed terrain feature extraction considering parallel granularity control is studied by using basin structure characteristics . Based on the method of watershed segmentation strategy , a parallel algorithm for watershed river network extraction is designed , and the key problems such as merging , load balancing and task allocation , and information transmission between sub - basins are studied in detail .
On the basis of this , the paper studied the calculation of river network density based on the sub - basin , designed the parallel algorithm of river network density , and analyzed the information transfer method between " two - layer " sub - basin in parallel computing .

【學(xué)位授予單位】：南京師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：P208

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1893515