区域土壤侵蚀模型系统设计与开发

发布时间：2023-04-26 17:42

　　中国作为世界第一大农业大国,当前我国的土壤侵蚀问题已严重制约了我国农业的发展和社会经济的可持续发展。科学、有效地开展水土流失动态监测工作,可掌握水土流失动态变化情况。然而传统的水土流失监测手段需要花费大量的时间和精力,因此,基于现有的土壤侵蚀相关领域的研究成果,利用前沿的3S技术和计算机技术等手段,实现一套功能完善的区域土壤侵蚀模型系统对于定量揭示土壤侵蚀的过程和机理显得尤为重要,对进一步指导水土保持建设的科学实施具有重要的意义。本文以刘宝元等学者提出的中国土壤流失方程(China Soil Erosion Equation,简称CSLE)为理论基础,分析了土壤侵蚀的过程和机理,并基于用户的需求,设计并实现了一套不依赖于任何商业软件的区域土壤侵蚀模型系统。此外,以计算统一设备架构(Compute Unified Device Architecture,简称CUDA)为技术手段,分析了克里金插值算法的原理和流程,设计并实现了一套基于CUDA的并行克里金插值算法,并且将该算法与区域土壤侵蚀模型系统集成,在一定程度上提高了整个系统数据处理的效率。本文取得的主要研究成果可以概括如下:(1)根据...

【文章页数】：100 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 研究现状
        1.2.1 土壤侵蚀模型研究现状
        1.2.2 土壤侵蚀模型与空间插值
        1.2.3 存在的问题
    1.3 本文主要研究内容与组织结构
        1.3.1 研究内容
        1.3.2 论文组织结构
    1.4 本章小结
第二章 土壤侵蚀模型理论基础
    2.1 土壤侵蚀模型概述
    2.2 中国土壤流失方程简介
    2.3 土壤侵蚀因子及侵蚀模数计算
        2.3.1 土壤侵蚀因子计算
            2.3.1.1 降雨侵蚀力因子R
            2.3.1.2 土壤可蚀性因子K
            2.3.1.3 坡长因子L和坡度因子S
            2.3.1.4 植被覆盖与生物措施因子B
            2.3.1.5 水土保持工程措施因子E
            2.3.1.6 耕作措施因子T
        2.3.2 土壤侵蚀模数计算
    2.4 克里金插值在中国土壤流失方程中的应用
        2.4.1 克里金插值算法原理
            2.4.1.1 普通克里金插值基本原理
            2.4.1.2 变差函数的概念
            2.4.1.3 变差函数的理论模型
        2.4.2 克里金插值算法流程
    2.5 GPU并行计算技术
        2.5.1 并行计算技术简介
        2.5.2 GPU体系架构
        2.5.3 CUDA编程模型
            2.5.3.1 主机与设备
            2.5.3.2 线程结构
    2.6 本章小结
第三章 区域土壤侵蚀模型系统需求分析与设计
    3.1 系统需求分析
        3.1.1 系统功能需求
            3.1.1.1 用户管理需求
            3.1.1.2 数据管理需求
            3.1.1.3 数据预处理需求
            3.1.1.4 模型计算需求
            3.1.1.5 数据可视化需求
            3.1.1.6 日志管理需求
        3.1.2 系统非功能需求
            3.1.2.1 易操作性需求
            3.1.2.2 高稳定性需求
            3.1.2.3 高安全性需求
            3.1.2.4 易维护性需求
            3.1.2.5 可扩展性需求
        3.1.3 设计约束
    3.2 系统设计
        3.2.1 系统环境设计
            3.2.1.1 系统开发环境
            3.2.1.2 系统运行环境
        3.2.2 系统架构设计
            3.2.2.1 数据访问层
            3.2.2.2 业务逻辑层
            3.2.2.3 视图层
        3.2.3 系统功能模块设计
            3.2.3.1 用户管理功能模块
            3.2.3.2 数据管理功能模块
            3.2.3.3 数据预处理功能模块
            3.2.3.4 模型计算功能模块
            3.2.3.5 数据可视化功能模块
            3.2.3.6 日志管理功能模块
    3.3 本章小结
第四章 基于CUDA的克里金插值算法设计与实现
    4.1 克里金插值算法在土壤侵蚀模型中的应用
    4.2 克里金插值算法的总体实现思路
        4.2.1 克里金插值算法流程
        4.2.2 克里金插值算法的串行实现
    4.3 克里金插值算法的并行实现
        4.3.1 基于OpenMP的普通克里金插值算法实现
        4.3.2 基于CUDA的普通克里金插值算法实现
        4.3.3 算法性能分析
            4.3.3.1 实验条件
            4.3.3.2 实验结果
            4.3.3.3 算法性能分析
    4.4 结果验证
        4.4.1 实验区概况
        4.4.2 实验结果
    4.5 本章小结
第五章 区域土壤侵蚀模型系统实现
    5.1 系统主界面
        5.1.1 标题栏
        5.1.2 菜单栏
        5.1.3 工具栏
        5.1.4 工作显示区
        5.1.5 状态栏
    5.2 用户管理功能
        5.2.1 用户管理
        5.2.2 权限管理
    5.3 数据管理功能
        5.3.1 模型输入参数管理
            5.3.1.1 区域边界设置
            5.3.1.2 计算起止时间设置
            5.3.1.3 模型投影和几何信息设置
        5.3.2 模型输入地理要素管理
            5.3.2.1 模型动态监测区域设置
            5.3.2.2 降雨数据管理
            5.3.2.3 土地利用数据管理
            5.3.2.4 土壤数据管理
            5.3.2.5 DEM数据管理
    5.4 数据预处理功能
        5.4.1 区域边界数据预处理
        5.4.2 降雨数据预处理
        5.4.3 土地利用类型数据预处理
        5.4.4 土壤类型数据预处理
    5.5 模型计算功能
        5.5.1 土壤侵蚀因子计算
        5.5.2 土壤侵蚀模数计算
    5.6 数据可视化功能
        5.6.1 地图数据可视化
        5.6.2 属性数据可视化
    5.7 日志管理功能
    5.8 本章小节
第六章 系统测试
    6.1 系统测试
        6.1.1 测试目的
        6.1.2 测试环境
        6.1.3 测试流程
        6.1.4 软件测试
            6.1.4.1 用户管理功能测试
            6.1.4.2 数据管理功能测试
            6.1.4.3 数据预处理功能测试
            6.1.4.4 模型计算功能测试
            6.1.4.5 数据可视化功能测试
            6.1.4.6 日志管理功能测试
            6.1.4.7 系统性能测试
        6.1.5 测试结果分析
    6.2 本章小结
第七章 全文总结与展望
    7.1 结论
    7.2 研究中的不足与展望
致谢
参考文献
攻读硕士期间取得的研究成果



本文编号：3801918