Principper for modellering af jordens overfladesystemer og deres øko-miljøkomponenter

Et rasterudtryk af en region eller en af ​​dens øko-miljøegenskaber kan abstraheres til en matematisk overflade. Den matematiske overflade er entydigt defineret af de iboende og ydre egenskaber i form af den grundlæggende sætning af overflader. De iboende egenskaber kan indsamles fra lokal information, som kan komme fra detaljerede jordobservationer og rumlig prøvetagning. De ydre egenskaber kan indsamles fra satellitobservationer og simuleringsresultater af rumlige modeller i stor skala. Det haster med og nødvendigheden af ​​at integrere de ydre og iboende egenskaber er blevet diskuteret i forskellige skalaer

Overflademodellering er en proces til at konstruere en overflademodel til dynamisk at beskrive et jordoverfladesystem eller en specifik komponent af jordens overflademiljø. Forskellige metoder er blevet udviklet til overflademodellering siden 1950'erne. De inkluderer Kriging-pakken af ​​geostatistiske metoder, spline funktion, uregelmæssigt trekantet netværk og omvendt afstandsvægtning, for hvilke fejl- og skalaproblemer er langsigtede udfordringer.

For at finde løsninger på fejlen og multi-skala problemer, en metode til højpræcisionsoverflademodellering (HASM) er blevet udviklet siden 1986, som integrerer de ydre og iboende egenskaber. Behovet for at kombinere ydre information med indre information er et ofte diskuteret emne i øko-miljøoverflademodellering. For eksempel, jordobservation kan opnå data med høj nøjagtighed ved observationspunkter, men observationerne ved faste positioner er begrænset til nogle begrænsede spredningspunkter. Satellit-fjernmåling kan ofte levere overfladeinformation om øko-miljøprocesser, men fjernmålingsbeskrivelse er ikke i stand til direkte at opnå procesparametre. Satellit- og jordobservationer giver to forskellige typer information om Jordens overflade. Globale modeller og jordobservationer giver rigelig information, men ingen af ​​dem giver det fuldstændige billede. En global model, at være så præcis som muligt, skal supplere oplysninger fra de aktuelt tilgængelige jordobservationer.

Selvom HASM løste fejlen og problemerne i flere skalaer, det kunne kun bruges med små områder, fordi det skal bruge masterligningssættet til at simulere hvert gitter på en overflade, hvilket medfører store beregningsomkostninger. For at fremskynde beregningen af ​​HASM, forfatterne udviklede en multi-grid-metode af HASM (HASM-MG), en adaptiv metode til HASM (HASM-AM), en justeringsberegning af HASM (HASM-AC), og en forudkonditioneret konjugeret gradientalgoritme af HASM (HASM-PCG). Disse algoritmer løste problemer med lav beregningshastighed og store hukommelseskrav.

HASM blev med succes anvendt til at konstruere digitale højdemodeller, udfylde hulrum i Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) datasættet, simulering af klimaændringer, estimering af kulstoflagre, sammensmeltning af satellitobservationer og Total Carbon Column Observing Network (TCCON) målinger af den kolonnegennemsnitlige tør luft molfraktion af CO ₂ (XCO ₂₎ , udfylde hulrum på fjernregistrerede XCO2-overflader, modellering af overfladejordegenskaber og jordforurening, og analysere økosystemers reaktioner på klimaændringer. I alle disse applikationer, HASM producerede mere nøjagtige resultater end de klassiske metoder.

Grundsætningen for jordoverfladesystemmodellering (FTESM) blev foreslået på grundlag af udvikling af HASM-metoderne og deres vellykkede anvendelser. FTESM er baseret på en kombination af overfladeteori, systemteori, og optimal kontrolteori. FTESM-konsekvenserne af rumlig interpolation og datafusion blev brugt i den metodologiske vurderingsrapport om scenarier og modeller for biodiversitet og økosystemtjenester (IPBES, 2016). Rollen af ​​denne metodologiske vurdering er defineret af Plenary of Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services (IPBES) som "vejleder brugen af ​​scenarieanalyse og modellering i alt arbejde under IPBES for at sikre den politiske relevans af dets leverancer". FTESM var, på tur, refereret af The Global Assessment Report on Biodiversity and Ecosystem Services (IPBES, 2019).

Imidlertid, den terminologi, der anvendes af FTESM, stemmer ikke overens med IPBES' konceptuelle system. Dermed, et grundlæggende teorem for øko-miljøoverflademodellering (FTEEM) er blevet udviklet til øko-miljøoverflademodellering, hvoraf flere følger er blevet udledt, svarende til rumlig interpolation, rumlig opskalering, rumlig nedskalering, datafusion og model-data assimilering, henholdsvis. De øko-miljømæssige overflader omfatter overflader af naturen, overflader af naturens bidrag til mennesker, og overflader af drivkræfterne for naturlige forandringer. Naturen omfatter biodiversitet og økosystemer samt jordsystem. Naturens bidrag til mennesker består af økosystemtjenester og naturens gaver. Drivkræfter i naturens forandring blev klassificeret i direkte drivkræfter og indirekte drivkræfter. FTEEM og FTESM har samme betydning med hensyn til den underliggende teori, men udtrykkene betyder, at dette let kan forstås af forskellige forskningsfelter.

Tidligere præsident for The International Society for Ecological Modeling (ISEM), Perof. Sven Erik Jørgensen, udtalte:"Fejlproblemer og problemer med langsom beregningshastighed er de to kritiske udfordringer, som Geographical Information Systems (GIS) og Computer-Aided Design Systems (CADS) står over for. Metoder med høj nøjagtighed og høj hastighed til overflademodellering (HASM) levere løsninger på disse problemer, der længe har generet GIS og CADS." (Jørgensen, 2011)

Tidligere formand for International Association of Ecology, Prof. Wolfgang Haber, påpegede, at "Alle resultaterne ovenfor beskrev den væsentlige betydning af både ydre og indre information, men udfordringen er, hvordan man kombinerer disse to slags informationer. FTESM og FTEEM giver en løsning på denne udfordring. FTEEM og FTESM samt deres følger for interpolation, opskalering, nedskalering, data fusion and model-data assimilation together form the theoretical basis of eco-environmental informatics. I am convinced that the publication of "a fundamental theorem for eco-environmental surface modeling and its applications" (Yue et al., 2020) will serve as a landmark paper in the development of the theoretical underpinnings for a science of eco-environmental informatics moving forward." (Haber, 2020)

"Så vidt vi ved, " wrote the 39 researchers, "this work first represents the fundamental theorem for eco-environmental surface modeling, which is serving as a landmark paper in the development of the theoretical underpinnings for a science of eco-environmental informatics moving forward. "