Efficient Algorithms for Coastal Geographic Problems

The increasing performance of computers has made it possible to solve algorithmically problems for which manual and possibly inaccurate methods have been previously used. Nevertheless, one must still pay attention to the performance of an algorithm if huge datasets are used or if the problem iscomputationally difficult. Two geographic problems are studied in the articles included in this thesis. In the first problem the goal is to determine distances from points, called study points, to shorelines in predefined directions. Together with other in-formation, mainly related to wind, these distances can be used to estimate wave exposure at different areas. In the second problem the input consists of a set of sites where water quality observations have been made and of the results of the measurements at the different sites. The goal is to select a subset of the observational sites in such a manner that water quality is still measured in a sufficient accuracy when monitoring at the other sites is stopped to reduce economic cost. Most of the thesis concentrates on the first problem, known as the fetch length problem. The main challenge is that the two-dimensional map is represented as a set of polygons with millions of vertices in total and the distances may also be computed for millions of study points in several directions. Efficient algorithms are developed for the problem, one of them approximate and the others exact except for rounding errors. The solutions also differ in that three of them are targeted for serial operation or for a small number of CPU cores whereas one, together with its further developments, is suitable also for parallel machines such as GPUs.Tietokoneiden suorituskyvyn kasvaminen on tehnyt mahdolliseksi ratkaista algoritmisesti ongelmia, joita on aiemmin tarkasteltu paljon ihmistyötä vaativilla, mahdollisesti epätarkoilla, menetelmillä. Algoritmien suorituskykyyn on kuitenkin toisinaan edelleen kiinnitettävä huomiota lähtömateriaalin suuren määrän tai ongelman laskennallisen vaikeuden takia. Väitöskirjaansisältyvissäartikkeleissatarkastellaankahtamaantieteellistä ongelmaa. Ensimmäisessä näistä on määritettävä etäisyyksiä merellä olevista pisteistä lähimpään rantaviivaan ennalta määrätyissä suunnissa. Etäisyyksiä ja tuulen voimakkuutta koskevien tietojen avulla on mahdollista arvioida esimerkiksi aallokon voimakkuutta. Toisessa ongelmista annettuna on joukko tarkkailuasemia ja niiltä aiemmin kerättyä tietoa erilaisista vedenlaatua kuvaavista parametreista kuten sameudesta ja ravinteiden määristä. Tehtävänä on valita asemajoukosta sellainen osa joukko, että vedenlaatua voidaan edelleen tarkkailla riittävällä tarkkuudella, kun mittausten tekeminen muilla havaintopaikoilla lopetetaan kustannusten säästämiseksi. Väitöskirja keskittyy pääosin ensimmäisen ongelman, suunnattujen etäisyyksien, ratkaisemiseen. Haasteena on se, että tarkasteltava kaksiulotteinen kartta kuvaa rantaviivan tyypillisesti miljoonista kärkipisteistä koostuvana joukkonapolygonejajaetäisyyksiäonlaskettavamiljoonilletarkastelupisteille kymmenissä eri suunnissa. Ongelmalle kehitetään tehokkaita ratkaisutapoja, joista yksi on likimääräinen, muut pyöristysvirheitä lukuun ottamatta tarkkoja. Ratkaisut eroavat toisistaan myös siinä, että kolme menetelmistä on suunniteltu ajettavaksi sarjamuotoisesti tai pienellä määrällä suoritinytimiä, kun taas yksi menetelmistä ja siihen tehdyt parannukset soveltuvat myös voimakkaasti rinnakkaisille laitteille kuten GPU:lle. Vedenlaatuongelmassa annetulla asemajoukolla on suuri määrä mahdollisia osajoukkoja. Lisäksi tehtävässä käytetään aikaa vaativia operaatioita kuten lineaarista regressiota, mikä entisestään rajoittaa sitä, kuinka monta osajoukkoa voidaan tutkia. Ratkaisussa käytetäänkin heuristiikkoja, jotkaeivät välttämättä tuota optimaalista lopputulosta.Siirretty Doriast