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海岸线测量
东北大学秦皇岛分校数值分析期中考试实验报告
基于三次样条插值的方法求部分海岸线长度
学院数学与统计学院
专业信息与计算科学
小组成员
楚文玉(5133117)
陆林芳
教师评语:
2015年6月12日
1 绪 论
1.1实验背景
现实世界中, 海岸线是一个国家的海洋边际分界线,有效的管理好自己国家 海岸线有着非常重要的意义。因此,分析研究海岸线是非常有必要的。但是诸如海岸线,行政分界线,等高线之类的并没有规律的曲线,是以不规则曲线呈现出来的。为了保证分析与研究,在操作上,不规则曲线一般是选取样条插值函数来逼近。运用三次样条插值函数近似拟合函数 ,然后运用积分求解曲线的长度。
1.2实验报告主要框架
1. 导入图片,用鼠标读取的方式在选定的海岸线图上读出尽可能多的点;
2. 进行三次样条拟合
3. 计算曲线的长度
2 模型建立与求解
2.1坐标系的选择
导入海岸线图片运用MATLAB中
P=ginput 函数实现自动选取坐标并运用鼠标点击获得尽可能多的实验数据
2.2.1三次样条插值理论基础
定义:设[a,b] 上有插值节点,a=x1<x2<?<xn=b,对应函数值为y1,y2,?yn。若函数S(x) 满足S(xj) = yj ( j = 1,2, ? ,n ), S(x) 在( j =1,2,?,n-1)上都是不高于三次的多项式(为了与其对应j 从1 开始,在Matlab 中元素脚标从1 开始)。当S(x) 在 [a,b] 具有二阶连续导数。则称S(x) 为三次样条插值函数。要求S(x) 只 需 在 每 个子区间上确定 1 个三次多项式,设为:
式(2)、(3)共给出n+3(n-2)=4n-6 个条件,需要待定4(n-1) 个系数,因此要唯一确定三次插值函数,还要附加2 个边界条件。通常由实际问题对三次样条插值在端点的状态要求给出。常用边界的条件有以下3 类。
第 1 类边界条件:给定端点处的一阶导数值,
第 2 类边界条件:给定端点处的二阶导数值,
特殊情况y1=yn=0,称为自然边界条件。
第 3 类边界条件是周期性条件,如果y=f(x)是以b-a 为周期的函数,于是S(x) 在端点处满足条件
下以第 1 边界条件为例,利用节点处二阶导数来表示三次样条插值函数,给出具体的推导过程。
注意到 S(x) 在 (j=1,2,.,n-1)上是三次多项式,于是S(x)在 上是一次多项式,如果S(x) 在 (j=1,2,.,n-1)两端点上的值已知,设
,
则S(x) 的表达式 为 :
其中hj =xj+1-xj
对S(x) 进行两次积分,则得到1 个具有2个任意常数Aj,Bj 的S(x) 表达式。对S(x) 求两次积分得
其中hj=xj+1-xj(j=1,2,?,n-1),
根据插值条件S(xj)=yj,S(xj+1)=y(j+1) 可得:
S(x)在区间上的表达式不同,但由于要保证在结点处的连续性,即
在 xj 左右导数相等,所以:
方程组(11)的系数矩阵是三对角阵且是对角占优阵,故存在唯一解,可用追赶法进行求解,将求得的解代入(7),就可以构造[a, b]上的插值函数。
四、实验原理
(1)中国海岸线长度读取文件程序:
A=imread(F:\百度地图.jpg);
image(A)
P=ginput
三次样条法计算程序:
中国海岸线长度计算程序:
五、实验结果及分析
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