本书全面系统地介绍地理分析与模拟的科学内容。全书共分八章，包括坐标系统与地图投影、全球定位的相关理论知识，地理统计分析中的基本问题与方法，地球表层系统建模基本定理及其推论，模型-数据同化算法的基本公式、机制和特点，并行计算、云计算和快速构建三维仿真地球场景的技术方法等内容。本书注重体现学科的最新成果，每章都有教学及学习目标和导论性文字，便于教师讲授和学生自学。
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中国科学院地理科学与资源研究所研究员、博士生导师、生态环境信息学研究室主任、中国科学院大学生态环境信息学首席教授
目录
“高等院校地理科学类专业系列教材”前言
前言
第1章 坐标系统与地图投影 1
1.1 引言 1
1.2 坐标系统 1
1.2.1 大地水准面与参考椭球 1
1.2.2 空间直角坐标系与大地坐标系 3
1.2.3 站心切平面坐标系 5
1.2.4 天文坐标系 6
1.2.5 我国常用的大地坐标系 8
1.2.6 不同空间直角坐标的转换 11
1.2.7 不同大地坐标的转换 12
1.3 地图投影 15
1.3.1 地图投影的概念 15
1.3.2 地图投影的变形 15
1.3.3 地图投影的分类 16
1.3.4 地图投影的选择 19
1.3.5 高斯投影 20
1.3.6 墨卡托投影 24
1.3.7 等角圆锥投影 25
1.4 地图投影变换 26
1.4.1 地图投影变换基本原理 26
1.4.2 高斯投影和墨卡托投影变换的复变函数表示 27
1.4.3 高斯投影和等角圆锥投影变换的复变函数表示 28
1.4.4 等角圆锥投影和墨卡托投影变换的复变函数表示 29
1.5 应用实例 29
1.5.1 空间直角坐标转换为大地坐标算例 29
1.5.2 高斯投影正解算例 30
扩展阅读 31
思考题 34
第2章 全球定位 36
2.1 引言 36
2.2 定位与导航技术的发展 36
2.3 GNSS定位的基本原理 39
2.4 全球导航卫星定位系统的发展概况 43
2.4.1 美国子午仪卫星导航系统 43
2.4.2 全球定位系统 44
2.4.3 GLONASS系统 46
2.4.4 北斗卫星导航系统 48
2.4.5 欧洲Galileo卫星导航系统 55
2.5 GNSS定位误差分析 64
2.5.1 GNSS卫星有关误差 65
2.5.2 卫星信号传播误差 66
2.5.3 接收设备误差 68
2.5.4 几何精度因子 69
2.6 差分GNSS定位 71
2.6.1 位置差分 72
2.6.2 伪距差分 72
2.6.3 相位平滑伪距差分 74
2.6.4 载波相位差分 75
2.7 GNSS的应用 76
2.7.1 GNSS为民用领域带来巨大的经济效益 77
2.7.2 军事应用历来是GNSS的重要领域 77
2.7.3 我国卫星导航应用展望 77
2.8 应用实例———卫星导航星座模拟 79
扩展阅读 81
思考题 83
第3章 地理统计分析 85
3.1 引言 85
3.2 地理统计分析的基本问题 85
3.2.1 空间自相关 85
3.2.2 空间分异性 86
3.2.3 可变面元问题 87
3.2.4 生态谬误 89
3.3 空间点模式分析 89
3.3.1 概述 89
3.3.2 分布中心与离散度 92
3.3.3 基于密度的点模式分析 93
3.3.4 基于距离的点模式分析 99
3.4 空间面模式分析 116
3.4.1 空间自相关与空间权重矩阵 116
3.4.2 连接数统计量 120
3.4.3 全局空间自相关统计量 122
3.4.4 局部空间自相关统计量 131
3.5 空间回归分析 137
3.5.1 空间自回归模型 138
3.5.2 地理加权回归模型 145
扩展阅读 153
思考题 154
第4章 地球表层系统建模基本定理 158
4.1 引言 158
4.1.1 地球表面形态表达 158
4.1.2 地球气候系统模拟 159
4.1.3 生物圈生态建模 160
4.1.4 模拟分析平台 161
4.1.5 有关国际研究计划 163
4.1.6 有关国际组织 165
4.2 地球表层系统建模存在的主要问题 167
4.2.1 误差问题 167
4.2.2 多尺度问题 167
4.2.3 三维实时可视化问题 168
4.2.4 模拟速度问题 169
4.3 经典曲面建模方法 169
4.4 高精度曲面建模方法 170
4.4.1 系统论 170
4.4.2 最优控制理论 171
4.4.3 曲面论 172
4.4.4 高精度曲面建模方法的数学表达 173
4.5 地球表层系统建模基本定理及推论 174
4.6 讨论 176
思考题 178
第5章 模型-数据同化 179
5.1 引言 179
5.2 数据同化方法 180
5.2.1 三维变分算法 180
5.2.2 四维变分算法 182
5.2.3 卡尔曼滤波算法 183
5.2.4 集合卡尔曼滤波算法 185
5.2.5 粒子滤波算法 186
5.3 基于EnKF的CO2同化应用实例 187
5.3.1 CO2同化框架 187
5.3.2 碳同化方案 188
扩展阅读 191
思考题 191
第6章 三维虚拟地球与仿真 192
6.1 基本理论与发展现状 193
6.1.1 三维虚拟地球概述 193
6.1.2 虚拟现实概述 193
6.1.3 三维虚拟地球与仿真技术现状 194
6.1.4 构建全球虚拟三维地理环境的方法 196
6.2 方法及应用 206
6.2.1 面向仿真画质逼真度的渲染方法 206
6.2.2 精细化地表虚拟环境的快速构建方法 211
6.3 虚拟水域和大气环境快速生成实例 216
6.3.1 虚拟水域环境快速构建 217
6.3.2 虚拟大气环境快速构建 221
扩展阅读 226
思考题 227
第7章 并行计算 228
7.1 引言 228
7.1.1 并行计算的发展 228
7.1.2 并行计算机体系结构 229
7.1.3 并行编程环境 230
7.1.4 并行计算时效测定 231
7.2 MPI 编程基础 232
7.2.1 MPI与MPICH介绍 232
7.2.2 第一个MPI程序 233
7.2.3 常用的六个MPI接口函数 234
7.3 HASM 空间插值算法的并行化 236
7.3.1 HASM-PCG算法介绍 236
7.3.2 HASM-PCG并行算法设计 237
7.3.3 HASM-PCG并行算法效率分析 239
7.4 HASM 空间数据融合算法的并行化 240
7.4.1 HASM-AD算法及其改进 240
7.4.2 HASM-AD改进算法计算效率及精度分析 244
7.4.3 HASM-AD改进算法的并行化设计 245
7.4.4 HASM-AD改进算法并行化后的计算效率分析 247
思考题 247
第8章 云计算 248
8.1 引言 248
8.2 云计算概述 248
8.2.1 云计算的定义 248
8.2.2 云计算的特征 249
8.2.3 云计算的分类 250
8.2.4 云计算的服务类型 251
8.2.5 云计算的架构 252
8.2.6 云计算与相关技术的比较 252
8.2.7 云计算的发展现状 255
8.3 云计算关键技术 257
8.3.1 虚拟化技术 257
8.3.2 海量分布式数据存储技术 259
8.3.3 分布式处理技术编程模型 262
8.3.4 数据管理技术 265
8.3.5 分布式资源管理技术 266
8.3.6 云计算平台管理技术 267
8.4 云计算应用 268
8.4.1 云计算应用分类 268
8.4.2 空间云计算 269
8.4.3 Hadoop云计算环境搭建与应用实例 271
扩展阅读 277
思考题 277
主要参考文献 279
附录 312
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