空间插值分析课件

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前者反应地理要素的宏观分布规律,属于确定性因素作 用的结果;
后者则对应微观区域,被认为是随机因素影响的结果。
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4.趋势面法
趋势面法分析
趋势面分析是通过回归分析原理,运用最小二乘法拟合一 个非线性函数。
主要是模拟地理要素在空间上的分布规律,展示地理要素 在地域空间上的变化趋势。
在气象要素空间插值计算中,数据往往是二维或者多维的 ,在这种情况下趋势面方程需要用二元二次或者高次多项 式表示,其中二元一次趋势面、二元二次趋势面、二元三 次趋势面方程分别表达为:
5m-10m的间隔下的半方差图
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6.克里金法
半变率图的组成
块金值(c0,Nuddget): 当h = 0时
的非零变率,由不可解释的原因
引起 ;
空间自相关部分:C/(c0+c)
基台值(c0+c;sill): 半变率曲线变 平缓时的变率值,表明在某个距 离上样本点不再存在相关性,通 常等于数据集的方差;
交叉验证
对每种插值方法重复下面的步骤,实现对不同插值方法的 比较: 从数据集中除去一个已知点的测量值; 用剩余的点估计除去点的值; 比较原始值和估计值,计算出估计值的预测误差。
针对每个已知点,进行上述步骤,然后评价不同插值方法 的精确度。常用的评价指标是均方根(RMS):
RMS
1 n
n i1
如何控制反距离加权的参数—权重??
可利用一线状和面状数据集来限制样点的搜索。线状数 据集可作为平坦地表的悬崖或脊状障碍物,并且只有位 于同侧的样点才符合要求。
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3.距离反比法
W = 2, R = 150
W = 2, R = 230
W = 2, R = 600
W = 4, R = 600
不同权重系数(W)和搜索半径(R)的影响
行区域插值(区域赋值)。因此,用最近点属性值代替, 即泰森多边形内的插值点都是用其中心点的属性值代替。

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2.最近邻法
基本原理
泰森多边形按数据点位置将区域分割成子区域,每个子区 域包含一个数据点,各子区域到其内数据点的距离小于任 何到其它数据点的距离,并用其内数据点进行赋值。
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2.最近邻法
把B、C、D三点的坐标带入上式,联 立就可以解出 三 三个系数,从 而求出A的内插值。
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空间插值分析
概述 最近邻法 距离反比法 趋势面法 样条法 克里金法 精度评定及方法选择
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3.距离反比法
基本原理
距离反比插值方法最早由 Shepard 提出的,并逐步得到发 展和推广应用。
每个采样对插值结果的影响随距离增加而减弱,因此距离 目标点较近的样点赋予的权重较大。
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4.趋势面法
趋势面法的多项式
一次多项式
二次多项式
三次多项式
一般地讲,N值越大,拟合精度越高。拟合精度C以下式 表示,通常C为60%~70%时,该多项式就能够揭示空 间趋势。
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4.趋势面法
趋势面法的优缺点 优点
产生平滑的曲面; 结果点很少通过原始数据点,只是对整个研究曲
产生最佳拟合面; 优点是易于理解便于计算。
最近邻法的适用性
分布均匀时效果好
分布差异性多大时不适用于最近邻插值?
用于只有少数缺失值时,对缺失值进行填补
数据缺失到什么程度,不能 采用最近邻插值方法?
可插值性问题!
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2.最近邻法
最近邻法的优点与不足
优点
插值结果图变化只发生在边界上,在边界内都是均质的和无 变化的;
适用于较小Biblioteka Baidu区域内,变量空间变异性不是很明显的情况; 快速插值,符合人们思维习惯; 不需其他前提条件,方法简单,效率高。
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5.样条法
样条法的实际应用
1998年全国年平均降水数据
样条法插值结果
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空间插值分析
概述 最近邻法 距离反比法 趋势面法 样条法 克里金法 精度评定及方法选择
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6.克里金法
克里金插值(Kriging)
克里金插值由南非采矿工程师克里格(D. G. Krige) 于1951年首次提出,故命名为“克里金”法,后经法 国著名地理数学学家G. Matheron发展深化。
已知数据
插值
0123456789
7
7
6
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
0
0123456789
未知数据
4
1.概述
空间插值需要顾及什么因素?
距离衰减效应
空间位置上越靠近的点,越可能具有相似的观察值;而距离 越远的点,其特征值相似的可能性越小。
地理学第一定律
地理事物或属性在空间分布上互为相关,存在集聚、随机、 规则分布。 无论用哪种插值方法,根据统计学假设可知,样本点越多越 好,而样本的分布越均匀越好。
不足
精度一般,受样本点的影响较大; 实际应用中,效果常不十分理想。
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2.最近邻法
最近邻法实际应用
1998年全国年平均降水数据
最近邻法插值结果
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2.最近邻法
最近邻法评价
特征:用泰森多边形插值方法得到的结果图变化只发生在边 界上,在边界内都是均质的和无变化的;
适用于较小的区域内,变量空间变异性也不很明显的情况; 符合人思维习惯,距离近的点比距离远的点更相似,对插值
简便易行; 可为变量值变化很大的数据集提供一个合理的插值结果,不会
出现无意义的插值结果; 全局最大和最小变量值都散布于数据之中。
不足
对权重函数的选择十分敏感;易受数据点集群的影响,结果常 出现一种孤立点数据明显高于周围数据点的“牛眼”分布模式;
距离反比很少有预测的特点,内插得到的插值点数据在样点数 据取值范围内。
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1.概述
空间插值的分类
整体插值和局部插值 确定性插值和地统计插值 精确插值和近似插值
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1.概述
整体插值和局部插值
整体插值:用研究区所有采样点数据进行全区特征拟合。
整个区域的数据都会影响单个插值点,单个数据点变量值 的增加、减少或者删除,都对整个区域有影响。
典型例子:全局趋势面分析
ARCGIS 全局趋势面分析
各种插值方法得到的插值结果与样本点数据比较。 “实际”验证
将部分已知变量值的样本点作为“训练数据集”,用于插值计算; 另一部分样点 “验证数据集”,该部分站点不参加插值计算。
然后利用“训练数据集” 样点进行内插,插值结果与“训练数据集 ”验证样点的观测值对比,比较插值的效果。
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7.精度评定及方法选择
近似插值:插值产生的曲面不通过所有观测点。
当数据存在不确定性时,应该使用近似插值,由于估计值替代 了已知变量值,近似插值可以平滑采样误差。
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空间插值分析
概述 最近邻法 距离反比法 趋势面法 样条法 克里金法 精度评定及方法选择
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2.最近邻法
基本原理
最近邻点法由A. H. Thiessen提出,又叫泰森多边形方法。 它采用一种极端的边界内插方法,即只用最近的单个点进
1998年全国年平均降水数据
克立金法插值结果
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空间插值分析
概述 最近邻法 距离反比法 趋势面法 样条法 克里金法 精度评定及方法选择
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7.精度评定及方法选择
精度评定
交叉验证
交叉验证法(cross-validation),首先假定每一测点的要素值未 知,而采用周围样点的值来估算,然后计算所有样点实际观测值与 内插值的误差,以此来评判估值方法的优劣。
点的影响也更明显; 优点:不需其他前提条件,方法简单,效率高; 缺点:受样本点的影响较大,只考虑距离因素,对其他空间
因素和变量所固有的某些规律没有过多地考虑。实际应用中 ,效果常不十分理想。
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2.最近邻法
最近邻法的拓展-线性插值法
此方法适用于三角网网格内的插值。假设ABCD为一平面,三 顶点(x, y, z)坐标已知,现求A点的插值 。插值函数为:
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1.概述
整体插值和局部插值
局部插值:只使用邻近的数据点来估计未知点的值。
样条函数插值法 距离倒数插值 Kriging插值(空间自由协方差最佳内插)
全国气象监测站点分布
IDW局部插值结果
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1.概述
确定性方法和地统计方法
确定性方法 基于未知点周围点的值和特定的数学公式,来直接生成 平滑的曲面;
搜索半径-可变 设定参与计算的样点数是固定的,则搜索的半径是可 变的。这样对每个插值点的搜索半径可能都不同,因 为要达到规定的点数所需要搜索的区域是不一样的。
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3.距离反比法
控制反距离加权的参数—权重
权重过高,较近点的影响较大,拟合表面更细致(不光 滑);
权重过低,较远点的影响增加,拟合表面更光滑。
地统计方法 基于自相关性 (测量点的统计关系),根据测量数据的统 计特征产生曲面; 由于建立在统计学的基础上,因此不仅可以产生预测曲 面,而且可以产生误差和不确定性曲面,用来评估预测 结果的好坏。
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1.概述
精确插值和近似插值
精确插值:产生通过所有观测点的曲面。
在精确插值中,插值点落在观测点上,内插值等于估计值。
(Zi,act
Zi,est )2
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7.精度评定及方法选择
交叉验证
计算某种插值方法的平 均RMS
选择某种插值方法
1
2
3
4
5
?
?
?
?
?
计算每个点 的RMS
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7.精度评定及方法选择
插值方法的选择
精确性: 参数的敏感性:
有些方法对参数的选择相当敏感,而有些方法对变量值敏感。后 者对不同的数据集会有截然不同的插值结果。
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3.距离反比法
反距离加权法(IDW)的实际应用
1998年全国年平均降水数据
IDW法插值结果
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3.距离反比法
控制反距离加权的参数—搜索半径
搜索半径-固定 对固定型半径,搜索距离一定,所有在该半径内的样 点参与计算。 可预先设定一个阈值,当给定半径内搜索到的点小于 该值时可扩大搜索半径,直到达到该阈值为止。
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3.距离反比法
反距离加权法(IDW)的一个改进
? ---按方位取点!
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空间插值分析
概述 最近邻法 距离反比法 趋势面法 样条法 克里金法 精度评定及方法选择
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4.趋势面法
趋势面法分析
把实际的地理曲面分解为趋势面和剩余面两部分,具体地 ,趋势面法将样本点的实测点Zi变换分解为两部分,表达 为:
缺点
高次多项式在数据区外围产生异常高值或低值; 空间采样选择会影响结果。
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4.趋势面法
趋势面法的实际应用
1998年全国年平均降水数据
趋势面法插值结果
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空间插值分析
概述 最近邻法 距离反比法 趋势面法 样条法 克里金法 精度评定及方法选择
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5.样条法
样条法原理
样条插值的目标就是寻找一
靠的越近越 相似!
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3.距离反比法
反距离加权法(IDW)基本原理
输入原始数据点值; 确定插值点平面坐标; 寻找与插值点最近的几个原始数据点,同时求出他们与插
值点的距离,即 根据下式计算插值点值,即
重复上述各个步骤,求出所有插值点的值。
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3.距离反比法
反距离加权法(IDW)的优缺点
优点
变差值(range): 当基台值出现时的 h值 (sill 95% 时的h值).
重要的是原点附近半变率图的形
状,越是最近的点对插值结果的
影响越大。
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6.克里金法
半方差拟合模型
球面模型
线性模型
指数模型
高斯模型
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6.克里金法
各向异性
某个方向有更高的空间自相关性存在。
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6.克里金法
克里金插值(Kriging)
最优无偏估计插值 优点是便于估算精度 缺点是计算量大
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6.克里金法
半方差:定量描述区域性变化的第一步,它为空间插值、 优化采样方案提供了有益信息。半方差的估算公式:
半方差图: 拟合后半方差图的用途是确定局部内插需要的 参数
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6.克里金法
间隔容差的影响
2.5m-5m的间隔下的半方差图
表面s(t),使它满足最优平
滑原则; 利用样本点拟合光滑曲线,
使表面曲率最小; 优点是简单计算量小,保留
局部细节; 缺点是估计误差困难,样本
点稀少时效果差,不适用于 在短距离内属性有较大变化 的地区。
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5.样条法
样条法评价
不适用于在短距离内属性有较大变化的地区,否则估计结 果偏大。
样条内插的误差不能直接估算,同时在实践中要解决的问 题是样条块的定义以及如何在三维空间中将这些块拼成复 杂曲面而又不至于引入原始曲面中所没有的异常现象等问 题。
空间分析
空间插值分析
概述 最近邻法 距离反比法 趋势面法 样条法 克里金法 精度评定及方法选择
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1.概述
什么情况下需要空间插值?
观测站数据由于意外而缺失 一些点的数据无法观测而获得 由离散点到空间连续曲面
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1.概述
空间插值能解决什么问题?
离散点数据转换成连续的表面数据 修补数据中的缺失采样点数据 空间分布建模
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