高精度曲面建模与误差分析

以曲面论为理论基础,运用格点生成方法和网格计算技术,建立了一个高精度曲面模型(HPSM).通过比较新建模型HPSM与传统模型TIN对z=2sin(πx)·sin(πy) 1标准曲面的模拟结果发现:HPSM模拟得到的曲面和等高线与实际情况基本吻合;而TIN模型的模拟结果与标准曲面相比有较大的差异,模拟曲面出现了棱角、峰值被削平等不合理现象,等高线图的中心部分本应该近似于同心圆,而TIN模型的模拟结果却是棱形或者其他形状的多边形.误差分析结果表明:对各种计算步长和采样间距,HPSM的绝对误差和相对误差都远小于TIN;而且随着计算步长和采样间距的增加,HPSM误差的增长速度远低于TIN误差的增长速度.HPSM的应用和发展将改进计算机辅助设计系统、解决地理信息系统(GIS)面临的多维功能和尺度转换问题.  

高精度曲面建模:新一代GIS与CAD的核心模块

在数值实验的基础上,将高精度曲面建模(HPSM)改进为迭代求解微分方程的过程.误差分析结果表明,改进后的HPSM模型在迭代模拟20次时,其相对误差较TIN模型减小317倍、较Kriging模型减小357倍、较Spline模型减小43倍、较IDW模型减小937倍;其绝对误差较TIN模型减小352倍、较Kriging模型减小334倍、较Spline模型减小41倍、较IDW模型减小919倍.HPSM精度大幅度提高的理论根源分析表明:(1)虽然HPSM模型首先需要根据采样数据,运用插值方法计算其数值模拟方程组的系数矩阵和常数项矩阵,但插值方法的选择并不影响HPSM的模拟精度,只影响HPSM的收敛速度,好的插值方法,可以减少迭代次数,减少计算量;(2)虽然HPSM在模拟边界时受制于插值方法,但无论边界有多大振荡,HPSM通过若干次迭代模拟以后,都可以保证区域内部模拟值不再振荡;(3)HPSM只要迭代模拟足够的次数,就可以彻底解决通常数值模拟中的峰值削平现象;(4)数据分辨率几乎不影响HPSM的模拟精度;(5)采样间距几乎不影响HPSM的模拟精度.HPSM在理论上解决了长期以来困扰计算机辅助设计系统(CAD)和地理信息系统(GIS)的误差问题及其应用中的多尺度问题.  

高精度曲面建模与经典模型的误差比较分析

通过数值实验， 比较分析了高精度曲面建模（HASM）与TIN，Cubic，Spline，IDW和Kriging等经典模型的模拟误差. 误差分析结果表明， 当采样间距为2h，迭代次数为64时， HASM的平均绝对误差是TIN的1/47470，Cubic的1/4941，Spline的1/2746，IDW的1/449520，Kriging的1/450530； HASM的平均相对误差是TIN的1/52170，Cubic的1/6206，Spline的1/3707，IDW的1/573252，Kriging的1/575049. 虽然HASM具有自动捕捉峰值、消除边界振荡和精度高等非常好的数值特点，但存在运算量较大的问题.  

对流占优扩散问题的一种特征差分方法

用基于一般的 L agrange插值的特征差分方法求解对流占优扩散问题 ,会出现较大的数值扩散或者数值振荡等困难 ,高阶单调插值又计算复杂。该文采用 A.A .Sam arskii构造差分格式的方法 ,建立了一种新的特征差分方法。先对对流扩散方程的扩散项进行修改 ,然后再进行特征差分。此方法具有较高精度 ,并消除了非物理振荡。证明了方法的无条件稳定性。数值结果表明 ,该方法可成功求解对流占优扩散问题。  

对流扩散方程的二次单调插值特征差分方法

特征差分方法适合于求解对流占优扩散问题,但也存在着精度低或非物理振荡等缺点.为克服其不足,建立和研究了二次单调插值特征差分方法.此方法具有较高精度并消除了非物理振荡.方法是无条件稳定的.用交替分组显式(AGE)方法求解了差分方程,方法便于并行计算.数值结果表明,方法可成功地求解对流占优扩散问题.  

HASM应用中的精度损失问题和解决方案

以往的数值模拟计算结果表明,HASM精度较经典模型提高了多个数量级．然而,在陕西成市阳彬县大佛寺煤矿的应用案例表明,虽然HASM构建的数字高程模型(DEM)精度比其他经典曲面建模方法都高,但仍然存在着较大的精度损失．其主要原因是大多数用于DEM建模的采样点和用于DEM精度分析的采样点不在像元的中心点,但将它们用于DEM建模及其精度分析时,都假设这些采样点位于所在像元的中心点．HASM精度损失问题可归结为空间位置误差问题．为了解决这种空间位置误差问题,文中引入了对模拟曲面在采样点进行Taylor展开的解决方案．数值模拟计算结果表明,Taylor展开可解决HASM模拟中的位置误差问题．  

非结构四面体网格上三维非线性扩散方程的有限体积法

为了有效地数值模拟科学和工程中有广泛应用的非线性扩散方程,在三维线性扩散方程非结构四面体网格的有限体积法的基础上,提出了一个计算非结构四面体网格上非线性扩散方程的有限体积法。方法采用网格单元中心作为计算节点,相对于网格点的方法,计算量减少了一半。用L agrange因子法得到网格点上的值,考虑了网格中心点和网格点的相对位置,更适应大变形的网格。利用算子分裂,使计算更加简单。用N ew ton-B iCG STAB法来求解得到非线性方程组。数值结果表明:该方法具有二阶精度、保持通量守恒、对大变形的网格适应性强。  

基于语义的生物学专业搜索引擎设计

在分析生物学数据的特点、生物学家的检索需求和通用搜索引擎的局限性的基础上,引入语义树的思想,提出一种以XML作为数据接口的、基于语义的生物学专业搜索引擎的设计方案,从而为生物学研究工作者提供了一个专业的、个性化的海量信息检索工具.  

三维扩散方程非正交六面体网格的有限体积差分法

三维扩散方程非正交网格的差分方法是计算流体力学和数值热传导中一个基础性的课题。该文在二维扩散方程的有限体积差分方法的基础上,研究了在非正交六面体网格下三维扩散方程的有限体积差分方法,提出了一个计算精度很高、通量守恒且适应大变形网格的有限体积差分格式。取单元中心作为计算节点,减小了计算量;利用通量守恒条件确定界面中心的函数值,保证方法的守恒性;对网格点采用了Lagrange因子插值法,考虑了各插值点的相对位置,因此更适应非正交网格的计算;采用不完全三角分解预处理Bi-CGSTAB方法求解线性代数方程组。不同Z网格上的数值实验结果表明该算法是有效的。  

网格环境下蛋白质多重结构比对的架构及其实现

针对蛋白质多重结构比对需要大量运算的问题,基于渐进式成对结构比对策略,设计了并行化的蛋白质多重结构比对架构及其在网格计算环境下的实现机制.实验结果表明并行算法大大提高了比对效率,减少了比对时间,提高了重用性.该并行蛋白质多重结构比对架构及实现方法可应用于其他的多重结构比对.