P14第十四章 空間插值

1、已知數(shù)據(jù)函數(shù)關(guān)系式未知數(shù)據(jù)012345678901234567890123456701234567012345678901234567（1）規(guī)則采樣（2）隨機(jī)采樣（4）成層隨機(jī)采樣（5）聚集采樣（3）斷面采樣（6）等值線采樣其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： ievv 其中ev表示待估點(diǎn)變量值，iv表示 i點(diǎn)的變量值。 i點(diǎn)必須滿足如下條件： ),min(21eneeeidddd 其中 22jijiijyyxxd 表示點(diǎn) i(xi, yi)與點(diǎn) j(xj, yj)間的歐幾里德距離。 圖2-2 最近鄰插值的實(shí)現(xiàn) 坐標(biāo)數(shù)據(jù) 變量值數(shù)據(jù) 插值： 尋求距待估點(diǎn)距離最近的點(diǎn) 插值區(qū)域或點(diǎn)坐標(biāo) 選點(diǎn)方式 插值結(jié)果 其數(shù)學(xué)表

2、達(dá)式為： iievnv1 其中ev表示待估點(diǎn)變量值，iv 表示i 點(diǎn)的變量值。是給定的區(qū) 域，n 是給定區(qū)域內(nèi)點(diǎn)的數(shù)目。 其 數(shù) 學(xué) 表 達(dá) 式 為 ： njjjevwv1 其 中 ve（ j=1, ,n） 是 點(diǎn) （ xj, yj） 的 變 量 值 ， wj是 其 對(duì) 應(yīng) 的 權(quán) 重 系 數(shù) 權(quán) 重 系 數(shù) wj一 般 由 下 式 給 出 ： niejejjdfdfw1)( 其 中 n 是 已 知 點(diǎn) 數(shù) ，ejdf 表 示 對(duì) 于 插 值 點(diǎn) (xe, ye) 與 已 知 點(diǎn) (xj, yj) 之 間 距 離ejd的 權(quán) 重 函 數(shù) 。 ejdf最常用的一種形式是： bejejddf1 b

3、 是合適的常數(shù)。當(dāng) b 取值為 1 或 2 時(shí)，對(duì)應(yīng)的是距離倒數(shù)插值和距離倒數(shù)平方插值。b 也可以對(duì)不同的已知點(diǎn)選擇不同的值，即 bj。 nieiiedcv1mkeekkeyxav1),( ve為待估點(diǎn)（xe, ye）的變量值，ak為第k項(xiàng)系數(shù)，k(xe,ye)為依據(jù)坐標(biāo)xe, ye的第k項(xiàng)，m是由擬和次數(shù)決定的多項(xiàng)式總項(xiàng)數(shù)。 次數(shù)第k項(xiàng)表達(dá)式k(x ,y)總數(shù)011112月3日x y324月6日x2 xy y2637月10日x3 x2y xy2 y310411月15日x4 x3y x2y2 xy3 y415516-20 x5 x4y x3y2 x2y3 xy4 y520221ppP0b 平

4、面 ybxbb210 斜 平 面 25423210ybxybxbybxbb 二 次 曲 面 1pnQpUF同多元回歸分析一樣，可用F分布進(jìn)行檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為：njjjevwv1上式的插值誤差為： njjjeeevwvvv12varvar 圖 2-7 最優(yōu)插值實(shí)現(xiàn) 坐標(biāo)數(shù)據(jù) 變量值數(shù)據(jù) 插值： 求權(quán)重系數(shù) 插值區(qū)域或點(diǎn)坐標(biāo) 選點(diǎn)方 式 插值結(jié) 果 空間相關(guān)函數(shù)模型 克里金插值：認(rèn)為任何在空間連續(xù)性變化的屬性是非常不規(guī)則的，不能用簡(jiǎn)單平滑數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行模擬，可以用隨機(jī)表面給予較恰當(dāng)?shù)拿枋?。目的：提供確定權(quán)重系數(shù)最優(yōu)的方法和并能描述誤差信息理論假設(shè)：任何變量的空間變化表現(xiàn)為三個(gè)主要成分的和：A.與

5、恒定均值或趨勢(shì)有關(guān)的結(jié)構(gòu)性成分；B.與空間變化有關(guān)的隨機(jī)變量，即區(qū)域性變量；C.與空間無(wú)關(guān)的隨機(jī)噪聲項(xiàng)或剩余誤差項(xiàng)。即差異的穩(wěn)定性和可變性，一旦結(jié)構(gòu)性成分確定后，剩余的差異變化屬于同質(zhì)變化，不同位置之間的差異僅是距離的函數(shù)。 公式1:u半方差：定量描述區(qū)域性變化的第一步，它為空間插值、優(yōu)化采樣方案提供了有益信息。同時(shí)為了得到半方差圖，必須先得到擬合半方差的理論模型: 球面模型、指數(shù)模型和線性模型等；半方差的估算公式: u半方差圖：“梁(Sill)、變程(Range)與核(Nugget)方差” 擬合后半方差圖的用途是確定局部?jī)?nèi)插需要的權(quán)重因i 其過(guò)程與加權(quán)移動(dòng)插值類似，但不是按一種固定的函數(shù) 計(jì)

6、算i，而是按采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的半方差圖的統(tǒng)計(jì)分析原理 計(jì)算。r(h) = var Z(x) Z(x+h) = E Z(x) Z(x+h)2 2,1212)(1jiNEggNs74. 2)2830()3435()3833()2929()3532()3336()4037()3641()3633()3738()4137()3739()3330()3834()3737()3938()3939()3735()3835()3935()4042()3535()3536()4237()4243()3637()3738()4337()3538()3836()3735(311,121222222222222222222

7、22222222222222NEss如下：u計(jì)算搜索范圍內(nèi)已知數(shù)據(jù)點(diǎn)的距離矩陣；u將所得數(shù)值代入球面模型，得到相應(yīng)的半方差矩陣A、b;u計(jì)算得A-1，由公式A-1 b=( )得權(quán)重；u這些數(shù)據(jù)點(diǎn)與未知點(diǎn)之間的距離矩陣；u計(jì)算未知點(diǎn)插值后數(shù)值；u估計(jì)方差。 塊克里金插值：克服克里金點(diǎn)模型的缺點(diǎn)，估算方差結(jié)果小于點(diǎn)克里金插值，生成的平滑插值表面不會(huì)發(fā)生凹凸現(xiàn)象。 ESRICaveat: we are treating IDW like weighted mean, and the standard deviation like a weighted standard deviation. In r

8、eality, you shouldnt develop confidence intervals for data that is autocorrelatedPower = 2, search = 150Power = 2, search = 600Power = 4, search = 600Power = 2, search = 230 ESRI ESRI Paul Bolstad, GIS Fundamentals Paul Bolstad, GIS Fundamentals ESRIUniversalExponentialCircular ESRI, ArcView Help1d1

9、FeTstTgstNENE%6 .413 .32,12131,05.1,12131,05.bggNshjihh22)(121 N(h)1i2h) Z(xiZ(xi)2N(h)1Variogram models must be “positive definite” so that the covariance matrix based on it can be inverted (which occurs in the kriging process). Because of this, only certain models can be used.We can enter some num

10、bers in Mathcad and see how the variogram changes.Variogram with a lag size of 5m and a lag tolerance of 2.5m. Variogram with a lag size of 10m and a lag tolerance of 5m. ArcGIS Geostatistical AnalystPractical Geostatistics 2000Z(x) = m(x) + g(h) + ”3 components: structural (constant mean), random s

11、patially correlated component and residual error. Descriptive StatisticsN.W. CornerIDWVariogramKrigingMean36.34039.93741.2Limits30-4234-4534.7 - 4532-4237.6 - 44.6Range-12-11-10.3-10-7SplineIDWSoil_K Paul Bolstad, GIS FundamentalsThe Entire Process Can Now Be Performed Automatically,With Little to No Human Interaction1Clark and Harper Practical Geostatistics 2000. Ecosse North America, Llc1Clark and Harper Practical Geostatistics 2000. Ecosse North America, LlcWhat happens if our sample data is not Normal?Basically, make the data n