“模”術(shù)大師岳天祥：為地球建模，不是簡(jiǎn)單畫(huà)個(gè)球體

建模，就是建立模型，是指利用計(jì)算機(jī)描述一個(gè)系統(tǒng)的行為，也是將一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)模型化的過(guò)程。這一技術(shù)是研究系統(tǒng)的重要手段和前提，在許多行業(yè)都有所應(yīng)用，比如建筑行業(yè)，每棟大樓建立前，設(shè)計(jì)師都需要建模。家裝設(shè)計(jì)行業(yè)，設(shè)計(jì)師也需要建模，這樣才方便客戶看效果。游戲行業(yè)，游戲里的場(chǎng)景、人物等也是要建模的。影視行業(yè)，許多科幻大片的場(chǎng)景同樣也要通過(guò)建模實(shí)現(xiàn)。

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科研領(lǐng)域有需要應(yīng)用建模技術(shù)的研究嗎？答案是肯定的。比如，地球系統(tǒng)科學(xué)和生態(tài)環(huán)境信息學(xué)等，很多時(shí)候就需要對(duì)地球系統(tǒng)

進(jìn)行建模。

為地球系統(tǒng)建模，那不就是畫(huà)個(gè)球體，應(yīng)該沒(méi)難度吧？

作為資源環(huán)境模型與系統(tǒng)模擬研究方向?qū)W術(shù)帶頭人，中科院地理科學(xué)與資源研究所研究員岳天祥會(huì)告訴你，為地球系統(tǒng)建模，可不是“畫(huà)個(gè)球體”能簡(jiǎn)單了事的。

眾所周知，地球是個(gè)球體，因而在為它建模時(shí)，很多時(shí)候往往要進(jìn)行曲面建模，這是地球系統(tǒng)科學(xué)合作計(jì)劃和全球綜合觀測(cè)戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一。然而，就是“曲面建?！边@看似簡(jiǎn)單的四個(gè)字，其蘊(yùn)含的難度和挑戰(zhàn)，卻困擾業(yè)界達(dá)半個(gè)世紀(jì)之久。

岳天祥團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一難題發(fā)起攻關(guān)，將地球表層系統(tǒng)及其環(huán)境要素柵格化描述抽象為數(shù)學(xué)“曲面”，并以微分幾何學(xué)和控制論為基礎(chǔ)，開(kāi)創(chuàng)性地建立了高精度曲面建模（HASM）方法，從理論上解決了曲面建模的誤差問(wèn)題和計(jì)算效率問(wèn)題。

什么是曲面建模？

曲面建模是通過(guò)對(duì)物體的各個(gè)表面或曲面進(jìn)行描述而構(gòu)成曲面的一種建模方法，也是地理信息系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)研究的最基礎(chǔ)問(wèn)題之一。

據(jù)資料記載，曲線、曲面設(shè)計(jì)的發(fā)展可以追溯到較遠(yuǎn)的年代。二戰(zhàn)期間，迫于航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面的壓力，畫(huà)法幾何中的作圖法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到實(shí)際應(yīng)用。二戰(zhàn)后，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用，人們以解析曲線特別是圓錐曲線為基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)代替之前大量的手工繪圖，這可以被看作是曲面建模發(fā)展的雛形。

岳天祥表示，經(jīng)典曲面建模方法主要有反距離加權(quán)模型（IDW）、三角網(wǎng)模型（TIN）、克里格模型（KRIGING），以及樣條插值（SPLINE）等，或基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，或基于鄰域相關(guān)性建設(shè)，或基于彈性力學(xué)機(jī)制，在建模中沒(méi)有同時(shí)考慮曲面的內(nèi)蘊(yùn)量和外蘊(yùn)量對(duì)曲面的約束作用。

因此，在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)典方法都顯示出了不同程度的缺陷，比如：反距離加權(quán)法忽視了空間結(jié)構(gòu)信息和鄰域以外的信息聯(lián)系，三角網(wǎng)模型法丟棄了非線性信息和空間結(jié)構(gòu)信息，克里格法所要求的理想目標(biāo)在實(shí)際操作中很難達(dá)到。

岳天祥表示：“地理要素的精確表達(dá)與分析是地理信息科學(xué)研究的重要內(nèi)容，同時(shí)也是最基本的地學(xué)分析模型。但是，由于曲面建模經(jīng)典方法的理論缺陷，導(dǎo)致在曲面擬合過(guò)程中，建模誤差變得難以控制，成了一個(gè)無(wú)法逾越的鴻溝，對(duì)相關(guān)研究造成了嚴(yán)重影響?！?/p>

毫無(wú)疑問(wèn)，探索新的曲面建模方法，是解決這一難題的關(guān)鍵。岳天祥團(tuán)隊(duì)以此為目標(biāo)，全面總結(jié)分析了經(jīng)典曲面建模方法的理論缺陷，以及能夠克服這些缺陷的現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地建立了基于曲面論基本定律與優(yōu)化控制論有機(jī)結(jié)合的高精度曲面建模方法，也就是HASM方法。

這是一種新的可用于空間插值和預(yù)測(cè)，以及空間數(shù)據(jù)融合的方法。岳天祥介紹說(shuō)，HASM法以全局性近似數(shù)據(jù)（包括遙感數(shù)據(jù)和全球模型粗分辨率模擬數(shù)據(jù)）為驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，以局地高精度數(shù)據(jù)（包括監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)和調(diào)查采樣數(shù)據(jù)）為優(yōu)化控制條件，集星地一體化，有效解決了困擾曲面建模達(dá)半個(gè)世紀(jì)之久的誤差問(wèn)題，模擬精度較經(jīng)典模型提高了3倍以上。

作為一種新方法，HASM方法憑何“俘獲”眾科研人員的心？這就要說(shuō)到HASM的兩個(gè)特點(diǎn)，也是它的兩大優(yōu)勢(shì)。

首先，體現(xiàn)在基本理論上。據(jù)岳天祥介紹，HASM方法以曲面論基本定律和優(yōu)化控制論為理論基礎(chǔ)，結(jié)合第一類基本量和第二類基本量才合成了現(xiàn)在的高精度曲面建模方程。需要說(shuō)明的是，第一類基本量主要用于“在地球表面上”測(cè)量計(jì)算地球表面的集合屬性，而第二類基本量則用于“在地球之外”測(cè)量計(jì)算地球表面的局部扭曲等變化，兩者都是克服曲面建模誤差的關(guān)鍵因素。

其次，體現(xiàn)在高效算法上。過(guò)去，曲面建模過(guò)程一直存在內(nèi)存需求大、計(jì)算速度慢的難題。為提升HASM運(yùn)算速度和對(duì)海量數(shù)據(jù)的處理能力，岳天祥帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)建立了HASM多重網(wǎng)格法（HASM-MG）、自適應(yīng)法（HASM-AM）、修正的共軛梯度法（HASM-PCG）、平差算法（HASM-AC），有效解決了以上兩個(gè)難題。

岳天祥還強(qiáng)調(diào)，利用多重網(wǎng)格法，求解HASM模型的偏微分主方程組，求解過(guò)程計(jì)算時(shí)間隨柵格總數(shù)線性增長(zhǎng)，解決了傳統(tǒng)HASM模型運(yùn)算量柵格總數(shù)呈幾何增長(zhǎng)的問(wèn)題。而自適應(yīng)法根據(jù)模擬區(qū)域的復(fù)雜度和精度要求，調(diào)整網(wǎng)格分辨率，在保證模擬精度的同時(shí)，極大地減少了計(jì)算時(shí)間，降低了存儲(chǔ)量，很好地解決了全局模擬和局部模擬的問(wèn)題。

2012年初，岳天祥團(tuán)隊(duì)將高斯—柯達(dá)齊次方程組引入HASM求解過(guò)程，解決了HASM運(yùn)算過(guò)程的智能化問(wèn)題。目前，HASM已經(jīng)達(dá)到了在84.45秒內(nèi)完成14公里空間分辨率全球氣候空間格局模擬的運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)了多尺度數(shù)據(jù)的快速融合，為HASM的廣泛應(yīng)用和三維動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)可視化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

HASM發(fā)展至今，經(jīng)歷了4個(gè)階段，不僅解決了多尺度問(wèn)題和大內(nèi)存需求，而且還大幅提高了精度，這些都在后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。岳天祥表示，目前為止，HASM方法已經(jīng)在數(shù)字高程、數(shù)字高程空缺填補(bǔ)、基于LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的碳儲(chǔ)量模擬、中國(guó)氣候變化趨勢(shì)及其未來(lái)情景、氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)模擬的影響、土壤污染模擬分析、土壤屬性空間模擬、碳衛(wèi)星二氧化碳濃度反演結(jié)果的空間插值、人口模擬、人口承載能力、食物供給能力、生態(tài)多樣性等各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的模擬分析中成功應(yīng)用，精度和速度都達(dá)到相當(dāng)高的水平，受到了廣泛好評(píng)和肯定。

近30年來(lái)，岳天祥團(tuán)隊(duì)一直致力于更深入的曲面建模方法探索和研究。他們不斷發(fā)展和改進(jìn)HASM方法，在該方法基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步歸納提煉形成了地球表層建?；径ɡ砑捌潢P(guān)于空間插值、多尺度轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)同化的推論，為生態(tài)環(huán)境信息學(xué)的發(fā)展奠定了方法基礎(chǔ)。

如何理解地球表層建模基本定理？岳天祥解釋說(shuō)：“地球表層及其環(huán)境要素曲面由外蘊(yùn)量和內(nèi)蘊(yùn)量共同唯一決定，在空間分辨率足夠細(xì)的條件下，地球表層及其環(huán)境要素的高精度曲面就可以運(yùn)用集成外蘊(yùn)量和內(nèi)蘊(yùn)量的恰當(dāng)方法來(lái)構(gòu)建。HASM就是‘恰當(dāng)方法之一。”

目前，地球表層建模基本定理及其有關(guān)推論已經(jīng)作為要點(diǎn)內(nèi)容，被納入聯(lián)合國(guó)“生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)政府間科學(xué)與政策平臺(tái)（IPBES）”的情景分析與建模指導(dǎo)性文件。而HASM方法也被國(guó)際《生態(tài)學(xué)大百科全書(shū)》收錄，并被命名為YUE-HASM方法。

值得一提的是，岳天祥團(tuán)隊(duì)對(duì)HASM方法進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的總結(jié)，并形成了相對(duì)完整的陸地表層模擬分析理論方法體系，相關(guān)系統(tǒng)性著作《Surface Modeling：High Accuracy and High Speed Methods》于2011年被Taylor&Francis出版集團(tuán)出版。而其他與HASM方法相關(guān)的論文也都相繼在國(guó)內(nèi)外著名期刊上發(fā)表，在業(yè)界引起強(qiáng)烈反響。

現(xiàn)如今，生產(chǎn)生活中用到曲面建模的領(lǐng)域有很多——醫(yī)療行業(yè)制作器官的精確模型時(shí)會(huì)用到它；影視行業(yè)制作活動(dòng)人物、物體及現(xiàn)實(shí)電影場(chǎng)景時(shí)會(huì)用到它；科研領(lǐng)域制作化合物精確模型時(shí)會(huì)用到它；建筑行業(yè)展示建筑物或景觀時(shí)會(huì)用到它；工程界設(shè)計(jì)新設(shè)備、新結(jié)構(gòu)時(shí)也會(huì)用到它。岳天祥所在的地球科學(xué)領(lǐng)域，最近幾十年開(kāi)始構(gòu)建三維地球系統(tǒng)模型，同樣也要用到曲面建模。

這些都說(shuō)明一個(gè)問(wèn)題——既然曲面建模應(yīng)用領(lǐng)域如此廣泛，那么研究出一個(gè)好用、實(shí)用的建模方法非常有必要，而且也會(huì)有很好的市場(chǎng)前景。這也是國(guó)內(nèi)外眾多研究人員專注于曲面建模方法探索的原因之一，可以想象這一領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)有多激烈。

競(jìng)爭(zhēng)雖烈，但關(guān)起門來(lái)做研究顯然也不明智。岳天祥之所以能夠成功探索出HASM方法，除了扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)、過(guò)硬的科研實(shí)力，同時(shí)也與他不放過(guò)任何學(xué)習(xí)交流的機(jī)會(huì)有關(guān)。自2000年以來(lái)，岳天祥持續(xù)參加了聯(lián)合國(guó)組織的千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估（MA）和生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)政府間科學(xué)與政策平臺(tái)（IPBES）的相關(guān)報(bào)告起草。

2016年，岳天祥出席了在法國(guó)蒙彼利埃市舉行的“生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)決策支持情景與模型”研討會(huì)，作了題為《生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)曲面建?！返拇髸?huì)特邀報(bào)告，并參加了《生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)情景與模型方法評(píng)估》面向政策制定者的總結(jié)概要發(fā)布儀式。

岳天祥還透露，目前，他正在積極參與IPBES全球評(píng)估報(bào)告的起草及相關(guān)研究。有人或許會(huì)問(wèn)，去參加這些學(xué)術(shù)交流，還有時(shí)間做研究嗎？答案當(dāng)然是肯定。岳天祥對(duì)參加對(duì)外學(xué)術(shù)交流，有自己的一番認(rèn)識(shí)體會(huì)。

他認(rèn)為，這樣的學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，一方面可以聽(tīng)到來(lái)自不同國(guó)家、不同人士的觀點(diǎn)、理論，還能了解、學(xué)習(xí)最新動(dòng)向和最前沿的研究方向，開(kāi)拓研究視野，豐富知識(shí)儲(chǔ)備。而且，正所謂“知己知彼，百戰(zhàn)不殆”，只有了解競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的動(dòng)向，及時(shí)調(diào)整自己的方向，才可能先發(fā)制人。

另一方面，這也是讓外界了解中國(guó)科研進(jìn)展，彰顯中國(guó)科研實(shí)力的好機(jī)會(huì)。更重要的是，不同觀點(diǎn)、理論的碰撞，往往會(huì)發(fā)生奇妙的化學(xué)作用，是推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)步和發(fā)展的最好動(dòng)力之一。

HASM方法如今在算法和理論兩方面都取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。但岳天祥清楚，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，它也不可避免地會(huì)顯現(xiàn)出缺陷。所以，岳天祥團(tuán)隊(duì)必須緊跟應(yīng)用需求，不斷對(duì)曲面建模方法進(jìn)行更深入、全面的調(diào)整和完善。

現(xiàn)在，他們正在發(fā)展以遙感數(shù)據(jù)或模擬數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)場(chǎng)、以地面觀測(cè)數(shù)據(jù)或空間采樣數(shù)據(jù)為優(yōu)化控制條件的星空地一體化HASM方法論體系，以滿足地球系統(tǒng)科學(xué)、生態(tài)環(huán)境信息學(xué)等學(xué)科日益增長(zhǎng)的應(yīng)用需求。

即便建模技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了“大師”級(jí)別，但岳天祥在談?wù)摓榈厍蛳到y(tǒng)建模時(shí)，仍然嚴(yán)肅地告誡年輕一輩，失之毫厘，差之千里。一個(gè)誤差難題就可以困擾業(yè)界半個(gè)世紀(jì)之久，為地球建模可不是畫(huà)個(gè)球體那么簡(jiǎn)單！

人物簡(jiǎn)介

岳天祥，中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所研究員、博士生導(dǎo)師、生態(tài)環(huán)境信息學(xué)研究室主任，是我國(guó)資源環(huán)境模型與系統(tǒng)模擬研究方向?qū)W術(shù)帶頭人之一，也是國(guó)家杰出青年基金獲得者，長(zhǎng)期從事地球表層系統(tǒng)建模、生態(tài)環(huán)境信息學(xué)領(lǐng)域的科研與教學(xué)工作。

2001年以來(lái)主持承擔(dān)“973”計(jì)劃項(xiàng)目、“863”計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)際科技合作重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等20余項(xiàng)課題，取得高精度曲面建模方法、變化探測(cè)模型、生態(tài)閾值模型、多尺度多樣性模型和連通性模型等多個(gè)創(chuàng)新成果，在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文200余篇，出版中外文專著6部。