大盐湖的水波
通过使用 ImageMesh,这可以把图像片段转换成 BoundaryMeshRegion 对象. 这些网格区域使你可以利用其它领域的函数,比如有限元方法 (FEM).
下面来说明 FEM 方法,先确定犹他州大盐湖表面波的主要模式.
In[1]:=

img = EntityValue[Entity["Lake", "GreatSaltLake::yw8cf"], "Image"]
Out[1]=

用均值漂移滤波器规整图像.
In[2]:=

img2 = MeanShiftFilter[img, 3, 0.1]
Out[2]=

通过区域生长进行图像分割.
In[3]:=

mask = RegionBinarize[img2, \!\(\*
GraphicsBox[
TagBox[RasterBox[CompressedData["
1:eJzt1jEKwkAQQNFdK0uv4C1sLW0VD6AYxSZCFMRzCJ7XiF3SzFb7lf8ggUCK
D8MmM99f1sdJSuk67W/r3X3ZdbvHZtY/bNvr+dQ2h1V7a05Nt9h/Xnv21ytJ
kiRJkiRJkn5H7tVuGLMqzqo4q+KsiuNW8bKsimNWfbNwXVbF5Yzuqp0xZFUB
dBaui5kF/T5AsxJ1jNAsq0qgs3BlOSPDMrMLmvUBDcNnsbqov2x4FrWrdscA
NIu6SjCzoEOEZlGniF5Ta0eMmVXCqjjmCJlV5KzaDWNWxXGreFnMKvAIazeM
MUfIXEmtKsCs8hSWsCrOqjhmlSRJkiRJkvS/3tRrD1M=
"], {{0, 147}, {150,
0}}, {0, 1},
ColorFunction->GrayLevel],
BoxForm`ImageTag["Bit", ColorSpace -> Automatic, Interleaving -> None],
Selectable->False],
DefaultBaseStyle->"ImageGraphics",
ImageSizeRaw->{150, 147},
PlotRange->{{0, 150}, {0, 147}}]\), 1/5]
Out[3]=

提取湖水水面的 BoundaryMeshRegion 对象.
In[4]:=

\[ScriptCapitalR] = ImageMesh[mask]
Out[4]=

生成湖水水面的网格.
In[5]:=

\[CapitalOmega] =
TriangulateMesh[\[ScriptCapitalR], MaxCellMeasure -> 8]
Out[5]=

求解湖水水面的波动方程,先确定湖区内部的拉普拉斯算子的特征函数.
In[6]:=

\[ScriptCapitalL] = -\!\(
\*SubsuperscriptBox[\(\[Del]\), \({x, y}\), \(2\)]\(\[CurlyPhi][x,
y]\)\);
运用边界条件.
In[7]:=

\[ScriptCapitalB] = DirichletCondition[\[CurlyPhi][x, y] == 0, True];
生成特征值为 Λ 的特征函数 Φ 的标准正交基.
In[8]:=

{\[CapitalLambda], \[CapitalPhi]} =
NDEigensystem[{\[ScriptCapitalL], \[ScriptCapitalB]}, \[CurlyPhi][x,
y], {x, y} \[Element] \[CapitalOmega], 64];
显示前六个振荡模式.
In[9]:=

GraphicsGrid[
Partition[
Table[ContourPlot[\[CapitalPhi][[
k]], {x, y} \[Element] \[CapitalOmega], PlotRange -> All,
PlotLabel -> \[CapitalLambda][[k]], PlotTheme -> "Minimal"], {k,
6}],
3
],
ImageSize -> 512
]
Out[9]=

下面给出了衰减的振荡模式随时间的演化.
In[10]:=

\[CapitalTheta][\[Lambda]_, \[Xi]_, t_] = FullSimplify[
DSolveValue[Join[{ \!\(
\*SubscriptBox[\(\[PartialD]\), \(t,
t\)]\(\(TraditionalForm\`\[CurlyTheta]\)[
t]\)\) + \[Xi] \!\(
\*SubscriptBox[\(\[PartialD]\), \(t\)]\(\(TraditionalForm\`\
\[CurlyTheta]\)[
t]\)\) == -\[Lambda] \!\(TraditionalForm\`\[CurlyTheta]\)[
t] }, {\!\(TraditionalForm\`\[CurlyTheta]\)[0] ==
1, \[CurlyTheta]'[0] ==
0} ], \!\(TraditionalForm\`\[CurlyTheta]\)[t], t],
{\[Lambda] > 0, \[Xi] > 0, \[Xi]^2 < 4 \[Lambda], t \[Element] Reals}
]
Out[10]=

将一个初始扰动按特征函数展开,并令其随时间演进,从而获得波在整个湖面传播的仿真结果.
显示完整的 Wolfram 语言输入
