第十四章 空间插值
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空间插值算法:1、距离倒数乘方法(Inverse Distance to a Power)距离倒数乘方格网化方法是一个加权平均插值法,可以进行确切的或者圆滑的方式插值。
方次参数控制着权系数如何随着离开一个格网结点距离的增加而下降。
对于一个较大的方次,较近的数据点被给定一个较高的权重份额,对于一个较小的方次,权重比较均匀地分配给各数据点。
计算一个格网结点时给予一个特定数据点的权值与指定方次的从结点到观测点的该结点被赋予距离倒数成比例。
当计算一个格网结点时,配给的权重是一个分数,所有权重的总和等于1.0。
当一个观测点与一个格网结点重合时,该观测点被给予一个实际为 1.0 的权重,所有其它观测点被给予一个几乎为0.0 的权重。
换言之,该结点被赋给与观测点一致的值。
这就是一个准确插值。
距离倒数法的特征之一是要在格网区域内产生围绕观测点位置的"牛眼"。
用距离倒数格网化时可以指定一个圆滑参数。
大于零的圆滑参数保证,对于一个特定的结点,没有哪个观测点被赋予全部的权值,即使观测点与该结点重合也是如此。
圆滑参数通过修匀已被插值的格网来降低"牛眼"影响。
2、克里金法(Kriging)克里金法是一种在许多领域都很有用的地质统计格网化方法。
克里金法试图那样表示隐含在你的数据中的趋势,例如,高点会是沿一个脊连接,而不是被牛眼形等值线所孤立。
克里金法中包含了几个因子:变化图模型,漂移类型和矿块效应。
3、最小曲率法(Minimum Curvature)最小曲率法广泛用于地球科学。
用最小曲率法生成的插值面类似于一个通过各个数据值的,具有最小弯曲量的长条形薄弹性片。
最小曲率法,试图在尽可能严格地尊重数据的同时,生成尽可能圆滑的曲面。
使用最小曲率法时要涉及到两个参数:最大残差参数和最大循环次数参数来控制最小曲率的收敛标准。
4、多元回归法(Polynomial Regression)多元回归被用来确定你的数据的大规模的趋势和图案。
克里格法(Kriging)是地统计学的主要内容之一,从统计意义上说,是从变量相关性和变异性出发,在有限区域内对区域化变量的取值进行无偏、最优估计的一种方法;从插值角度讲是对空间分布的数据求线性最优、无偏内插估计一种方法。
克里格法的适用条件是区域化变量存在空间相关性。
克里格法,基本包括普通克里格方法(对点估计的点克里格法和对块估计的块段克里格法)、泛克里格法、协同克里格法、对数正态克里格法、指示克里格法、折取克里格法等等。
随着克里格法与其它学科的渗透,形成了一些边缘学科,发展了一些新的克里金方法。
如与分形的结合,发展了分形克里金法;与三角函数的结合,发展了三角克里金法;与模糊理论的结合,发展了模糊克里金法等等。
应用克里格法首先要明确三个重要的概念。
一是区域化变量;二是协方差函数,三是变异函数一、区域化变量当一个变量呈空间分布时,就称之为区域化变量。
这种变量反映了空间某种属性的分布特征。
矿产、地质、海洋、土壤、气象、水文、生态、温度、浓度等领域都具有某种空间属性。
区域化变量具有双重性,在观测前区域化变量Z(X)是一个随机场,观测后是一个确定的空间点函数值。
区域化变量具有两个重要的特征。
一是区域化变量Z(X)是一个随机函数,它具有局部的、随机的、异常的特征;其次是区域化变量具有一般的或平均的结构性质,即变量在点X与偏离空间距离为h的点X+h 处的随机量Z(X)与Z(X+h)具有某种程度的自相关,而且这种自相关性依赖于两点间的距离h与变量特征。
在某种意义上说这就是区域化变量的结构性特征。
二、协方差函数协方差又称半方差,是用来描述区域化随机变量之间的差异的参数。
在概率理论中,随机向量X与Y 的协方差被定义为:区域化变量在空间点x和x+h处的两个随机变量Z(x)和Z(x+h)的二阶混合中心矩定义为Z(x)的自协方差函数,即区域化变量Z(x) 的自协方差函数也简称为协方差函数。
一般来说,它是一个依赖于空间点x 和向量h 的函数。
空间插值算法:1、距离倒数乘方法(Inverse Distance to a Power)距离倒数乘方格网化方法是一个加权平均插值法,可以进行确切的或者圆滑的方式插值。
方次参数控制着权系数如何随着离开一个格网结点距离的增加而下降。
对于一个较大的方次,较近的数据点被给定一个较高的权重份额,对于一个较小的方次,权重比较均匀地分配给各数据点。
计算一个格网结点时给予一个特定数据点的权值与指定方次的从结点到观测点的该结点被赋予距离倒数成比例。
当计算一个格网结点时,配给的权重是一个分数,所有权重的总和等于1.0。
当一个观测点与一个格网结点重合时,该观测点被给予一个实际为 1.0 的权重,所有其它观测点被给予一个几乎为0.0 的权重。
换言之,该结点被赋给与观测点一致的值。
这就是一个准确插值。
距离倒数法的特征之一是要在格网区域内产生围绕观测点位置的"牛眼"。
用距离倒数格网化时可以指定一个圆滑参数。
大于零的圆滑参数保证,对于一个特定的结点,没有哪个观测点被赋予全部的权值,即使观测点与该结点重合也是如此。
圆滑参数通过修匀已被插值的格网来降低"牛眼"影响。
2、克里金法(Kriging)克里金法是一种在许多领域都很有用的地质统计格网化方法。
克里金法试图那样表示隐含在你的数据中的趋势,例如,高点会是沿一个脊连接,而不是被牛眼形等值线所孤立。
克里金法中包含了几个因子:变化图模型,漂移类型和矿块效应。
3、最小曲率法(Minimum Curvature)最小曲率法广泛用于地球科学。
用最小曲率法生成的插值面类似于一个通过各个数据值的,具有最小弯曲量的长条形薄弹性片。
最小曲率法,试图在尽可能严格地尊重数据的同时,生成尽可能圆滑的曲面。
使用最小曲率法时要涉及到两个参数:最大残差参数和最大循环次数参数来控制最小曲率的收敛标准。
4、多元回归法(Polynomial Regression)多元回归被用来确定你的数据的大规模的趋势和图案。
克里金插值方法-Kriging 插值-空间统计-空间分析1.1 Kriging 插值克里金插值(Kriging 插值)又称为地统计学,是以空间自相关为前提,以区域化变量理论为基础,以变异函数为主要工具的一种空间插值方法。
克里金插值的实质是利用区域化变量的原始数据和变异函数的结构特点,对未采样点的区域化变量的取值进行线性无偏、最优估计。
克里金插值包括普通克里金插值、泛克里金插值、指示克里金插值、简单克里金插值、协同克里金插值等,其中普通克里金插值是最为常用的克里金插值方法。
以下介绍普通克里金插值的原理。
包括普通克里金方法在内的各种克里金插值方法的使用前提是空间数据存在着显著的空间相关性。
判断数据空间相关性是否显著的工具是半变异函数(semi-variogram ),该函数以任意两个样本点之间的距离h 为自变量,在h 给定的条件下,其函数值估计方法如下:2||||1()[()()]2()i j i j s s h h z s z s N h γ-==-∑其中()N h 是距离为h 的样本点对的个数。
()h γ最大值与最小值的差m a x m i n γγ-可以度量空间相关性的强度。
max min γγ-越大,空间相关性越强。
如果()h γ是常数,即max min 0γγ-=,则说明无论样本点之间的距离是多少,样本点之间的差异不变,也就是说样本点上的值与其周围样本点的值无关。
在实际操作中,会取一些离散的h 值,当||s s ||i j -接近某个h 时,即视为||||i j s s h -=。
然后会通过这些离散点拟合成连续的半变异函数。
拟合函数的形式有球状、指数、高斯等。
在数据存在显著的空间相关性的前提下,可以采用普通克里金方法估计未知点上的值。
普通克里金方法的基本公式如下:01ˆ()()()n i ii Z s w s Z s ==∑普通克里金方法的基本思想是:通过调整i s 的权重()i w s ,使未知点的估计值0ˆ()Z s 满足两个要求:1.0ˆ()Z s 是无偏估计,即估计误差的期望值为0,2.估计误差的方差达到最小。
空间插值方法一、空间插值方法概述空间插值方法是指在给定的有限点数据集合上,通过某种数学模型,对未知位置的数值进行估计或预测的方法。
它广泛应用于地理信息系统、遥感、气象、环境监测等领域中,是一种重要的数据处理和分析手段。
常见的空间插值方法包括:反距离权重法、克里金法、径向基函数插值法等。
二、反距离权重法1. 原理反距离权重法是一种基于距离加权平均的插值方法。
其基本思想是:对于未知点,用已知点到未知点之间的距离作为权重系数,将已知点的观测值按照这些系数进行加权平均,得到未知点的估计值。
该方法假设空间变量在空间上具有连续性,并且与其邻近区域内观测值相关。
2. 步骤(1)确定待插值点和邻近观测点(2)计算待插值点与邻近观测点之间的欧式距离或曼哈顿距离等(3)根据距离计算每个邻近点的权重系数(4)将邻近点的观测值按照权重系数进行加权平均,得到待插值点的估计值3. 优缺点反距离权重法简单易懂,计算速度快,适用于数据密度较小、空间变异性较大的情况。
但其估计结果容易受到邻近点数量和距离的影响,可能出现插值误差较大的情况。
三、克里金法1. 原理克里金法是一种基于统计学原理的空间插值方法。
其基本思想是:通过对已知点之间的空间关系进行建模,利用半方差函数来描述变量在空间上的相关性,并通过最小二乘法求解出半方差函数中未知参数,从而得到未知位置处的预测值。
该方法假设空间变量在空间上具有稳定性,并且与其邻近区域内观测值相关。
2. 步骤(1)确定待插值点和邻近观测点(2)计算待插值点与邻近观测点之间的欧式距离或曼哈顿距离等(3)根据距离和半方差函数计算每个邻近点的权重系数(4)利用最小二乘法求解半方差函数中的未知参数(5)将邻近点的观测值按照权重系数进行加权平均,得到待插值点的估计值3. 优缺点克里金法能够考虑空间变异性和空间相关性,插值结果较为准确,但需要对半方差函数进行拟合,模型复杂度较高,计算量大。
四、径向基函数插值法1. 原理径向基函数插值法是一种基于核函数的空间插值方法。