第四章 空間統(tǒng)計(jì)分析初步課件

第四章空間統(tǒng)計(jì)分析甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步本章主要內(nèi)容第一節(jié)探索性空間統(tǒng)計(jì)分析

第二節(jié)地統(tǒng)計(jì)分析方法第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步空間統(tǒng)計(jì)分析,即空間數(shù)據(jù)（spatialdata）的統(tǒng)計(jì)分析，是現(xiàn)代計(jì)量地理學(xué)中一個(gè)快速發(fā)展的方向和領(lǐng)域?？臻g統(tǒng)計(jì)分析，其核心就是認(rèn)識(shí)與地理位置相關(guān)的數(shù)據(jù)間的空間依賴(lài)、空間關(guān)聯(lián)或空間自相關(guān)，通過(guò)空間位置建立數(shù)據(jù)間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系?？臻g統(tǒng)計(jì)分析的任務(wù)，就是運(yùn)用有關(guān)統(tǒng)計(jì)方法，建立空間統(tǒng)計(jì)模型，從凌亂的數(shù)據(jù)中挖掘空間自相關(guān)與空間變異規(guī)律。

空間統(tǒng)計(jì)分析第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步空間數(shù)據(jù)分析與傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析主要有兩大差異：(1)空間數(shù)據(jù)間并非獨(dú)立，而是在維空間中具有某種空間相關(guān)性，且在不同的空間分辨率下呈現(xiàn)不同之相關(guān)程度；(2)地球只有一個(gè)，大多數(shù)空間問(wèn)題僅有一組（空間分布不規(guī)則的）觀測(cè)值，而無(wú)重復(fù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。因此，空間現(xiàn)象的了解與描述是極為復(fù)雜的，而傳統(tǒng)方法，尤其是建立在獨(dú)立樣本上的統(tǒng)計(jì)方法，不適合分析空間數(shù)據(jù)?？臻g統(tǒng)計(jì)VS.經(jīng)典統(tǒng)計(jì)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)：獨(dú)立性、隨機(jī)性假設(shè)空間統(tǒng)計(jì)：自相關(guān)、依賴(lài)性、異質(zhì)性第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步地理學(xué)第一定律（FLG）:everythingisrelatedtoeverythingelse,butnearthingsaremorerelatedthandistantthings(Tobler,1970).空間統(tǒng)計(jì)的基本思想：WaldoTobler（bornin1930）receivingaplaqueforhiscontributionstogeography.OntheeventofhisNovember2000birthday.

Tobler,W.R.(1970)."AcomputermoviesimulatingurbangrowthintheDetroitregion".EconomicGeography,46(2):234-240.FLG的一般性:自然地理、人文地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步空間自相關(guān)是普遍存在的，否則地理分析便沒(méi)有多大意義。

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)：獨(dú)立

空間自相關(guān)的存在，使得經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)所要求的樣本獨(dú)立性假設(shè)不滿(mǎn)足。如果地理學(xué)從根本上值得研究，必然是因?yàn)榈乩憩F(xiàn)象在空間上的變化不是隨機(jī)的。

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)：隨機(jī)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步可以借助空間統(tǒng)計(jì)更好地理解地理現(xiàn)象。

或許學(xué)習(xí)空間統(tǒng)計(jì)最重要的原因是我們不僅僅想知道問(wèn)題“怎么樣”，更想知道“哪里怎么樣”

空間統(tǒng)計(jì)學(xué)可以幫助我們準(zhǔn)確地判斷具體地理模式的原因。

JohnSnow的霍亂地圖

當(dāng)發(fā)現(xiàn)某種病僅僅發(fā)生在靠近河流的村莊時(shí)，河流中的寄生物可能是病源?？臻g統(tǒng)計(jì)學(xué)可以幫助我們處理大的復(fù)雜數(shù)據(jù)集,這是GIS經(jīng)常面對(duì)的事情。為什么要用空間統(tǒng)計(jì)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步霍亂病死者居住分布圖(JohnSnow,1854)1854年8月到9月英國(guó)倫敦霍亂流行時(shí)，當(dāng)局始終找不到發(fā)病的原因，后來(lái)醫(yī)生約翰·斯諾(JohnSnow)參與調(diào)查。他在繪有霍亂流行地區(qū)所有道路、房屋、飲用水機(jī)井等內(nèi)容的1：6500比例尺地圖上，標(biāo)出了每個(gè)霍亂病死者的居住位置，得到了霍亂病死者居住分布圖。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步第1節(jié)探索性空間統(tǒng)計(jì)分析

基本原理與方法

應(yīng)用實(shí)例

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步探索性空間數(shù)據(jù)分析(ESDA)ESDA是指利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理和圖形圖表相結(jié)合對(duì)空間信息的性質(zhì)進(jìn)行分析、鑒別，用以引導(dǎo)確定性模型的結(jié)構(gòu)和解法。ESDA與EDA區(qū)別在于它考慮了數(shù)據(jù)的空間特性，在方法上它將數(shù)據(jù)分解為一般趨勢(shì)和疊加于其上的局部變化兩部分。然后用一定的數(shù)學(xué)函數(shù)去擬合由樣本點(diǎn)產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)變率函數(shù)，進(jìn)行諸如克立格內(nèi)插等空間操作。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

通常定義一個(gè)二元對(duì)稱(chēng)空間權(quán)重矩陣W，來(lái)表達(dá)n個(gè)位置的空間區(qū)域的鄰近關(guān)系，其形式如下式中：Wij表示區(qū)域i與j的臨近關(guān)系，它可以根據(jù)鄰接標(biāo)準(zhǔn)或距離標(biāo)準(zhǔn)來(lái)度量。

一、基本原理與方法

（一）空間權(quán)重矩陣

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步①簡(jiǎn)單的二進(jìn)制鄰接矩陣②基于距離的二進(jìn)制空間權(quán)重矩陣兩種最常用的確定空間權(quán)重矩陣的規(guī)則

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步（二）全局空間自相關(guān)

Moran指數(shù)反映的是空間鄰接或空間鄰近的區(qū)域單元屬性值的相似程度。

Geary系數(shù)與Moran指數(shù)存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

PatrickA.P.Moran（1917-1988）Moran指數(shù)和Geary系數(shù)是兩個(gè)用來(lái)度量空間自相關(guān)的全局指標(biāo)。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

如果是位置（區(qū)域）的觀測(cè)值，則該變量的全局Moran指數(shù)I，用如下公式計(jì)算式中：I為Moran指數(shù)；

；。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步Geary系數(shù)C計(jì)算公式如下

式中：C為Geary系數(shù)；其他變量同上式。如果引入記號(hào)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

則全局Moran指數(shù)I的計(jì)算公式也可以進(jìn)一步寫(xiě)成

Moran指數(shù)I的取值一般在[-1，1]之間,小于0表示負(fù)相關(guān)，等于0表示不相關(guān)，大于0表示正相關(guān)；

Geary系數(shù)C的取值一般在[0，2]之間，大于1表示負(fù)相關(guān)，等于1表示不相關(guān)，而小于1表示正相關(guān)。

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

對(duì)于Moran指數(shù)，可以用標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量Z來(lái)檢驗(yàn)n個(gè)區(qū)域是否存在空間自相關(guān)關(guān)系，Z的計(jì)算公式為

當(dāng)Z值為正且顯著時(shí)，表明存在正的空間自相關(guān)，也就是說(shuō)相似的觀測(cè)值(高值或低值)趨于空間集聚；當(dāng)Z值為負(fù)且顯著時(shí)，表明存在負(fù)的空間自相關(guān)，相似的觀測(cè)值趨于分散分布；當(dāng)Z值為零時(shí)，觀測(cè)值呈獨(dú)立隨機(jī)分布。

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步G系數(shù)探測(cè)高值聚集的能力強(qiáng)于低值聚集;當(dāng)研究范圍內(nèi)同時(shí)存在高值和低值聚集時(shí),G系數(shù)會(huì)受聚集區(qū)域規(guī)模的影響,當(dāng)高值聚集區(qū)域和低值聚集區(qū)域規(guī)模相當(dāng)時(shí),G系數(shù)往往為正數(shù),表明G系數(shù)對(duì)高值敏感;Moran指數(shù)主要受聚集區(qū)域規(guī)模的影響,隨著空間聚集范圍的擴(kuò)展,Moran指數(shù)會(huì)明顯增大。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

（三）局部空間自相關(guān)

局部空間自相關(guān)分析方法包括3種:

空間聯(lián)系的局部指標(biāo)(LISA)；

G統(tǒng)計(jì)量；

Moran散點(diǎn)圖。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步空間聯(lián)系的局部指標(biāo)(LISA)

空間聯(lián)系的局部指標(biāo)（localindicatorsofspatialassociation，縮寫(xiě)為L(zhǎng)ISA）滿(mǎn)足下列兩個(gè)條件：（1）每個(gè)區(qū)域單元的LISA，是描述該區(qū)域單元周?chē)@著的相似值區(qū)域單元之間空間集聚程度的指標(biāo)；（2）所有區(qū)域單元LISA的總和與全局的空間聯(lián)系指標(biāo)成比例。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步LISA包括局部Moran指數(shù)（localMoranindex）和局部Geary指數(shù)（localGearyindex），下面重點(diǎn)介紹和討論局部Moran指數(shù)。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

局部Moran指數(shù)被定義為可進(jìn)一步寫(xiě)成

式中：和是經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化的觀測(cè)值。

局部Moran指數(shù)檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量為

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步G統(tǒng)計(jì)量

全局G統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算公式為對(duì)每一個(gè)區(qū)域單元的統(tǒng)計(jì)量為

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

對(duì)統(tǒng)計(jì)量的檢驗(yàn)與局部Moran指數(shù)相似，其檢驗(yàn)值為

顯著的正值表示在該區(qū)域單元周?chē)哂^測(cè)值的區(qū)域單元趨于空間集聚，而顯著的負(fù)值表示低觀測(cè)值的區(qū)域單元趨于空間集聚,與Moran指數(shù)只能發(fā)現(xiàn)相似值(正關(guān)聯(lián))或非相似性觀測(cè)值(負(fù)關(guān)聯(lián))的空間集聚模式相比，具有能夠探測(cè)出區(qū)域單元屬于高值集聚還是低值集聚的空間分布模式。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步Moran散點(diǎn)圖

以（Wz，z）為坐標(biāo)點(diǎn)的Moran散點(diǎn)圖，常來(lái)研究局部的空間不穩(wěn)定性，它對(duì)空間滯后因子Wz和z數(shù)據(jù)對(duì)進(jìn)行了可視化的二維圖示。全局Moran指數(shù)，可以看作是Wz對(duì)于z的線性回歸系數(shù)，對(duì)界外值以及對(duì)Moran指數(shù)具有強(qiáng)烈影響的區(qū)域單元，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)回歸來(lái)診斷出。由于數(shù)據(jù)對(duì)（Wz，z）經(jīng)過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)化，因此界外值可易由2－sigma規(guī)則可視化地識(shí)別出來(lái)。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步Moran散點(diǎn)圖的4個(gè)象限，分別對(duì)應(yīng)于區(qū)域單元與其鄰居之間4種類(lèi)型的局部空間聯(lián)系形式：第1象限代表了高觀測(cè)值的區(qū)域單元被高值的區(qū)域所包圍的空間聯(lián)系形式；第2象限代表了低觀測(cè)值的區(qū)域單元被高值的區(qū)域所包圍的空間聯(lián)系形式；第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

第3象限代表了低觀測(cè)值的區(qū)域單元被低值的區(qū)域所包圍的空間聯(lián)系形式；第4象限代表了高觀測(cè)值的區(qū)域單元被低值的區(qū)域所包圍的空間聯(lián)系形式。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

與局部Moran指數(shù)相比，其重要的優(yōu)勢(shì)在于能夠進(jìn)一步具體區(qū)分區(qū)域單元和其鄰居之間屬于高值和高值、低值和低值、高值和低值、低值和高值之中的哪種空間聯(lián)系形式。并且，對(duì)應(yīng)于Moran散點(diǎn)圖的不同象限，可識(shí)別出空間分布中存在著哪幾種不同的實(shí)體。將Moran散點(diǎn)圖與LISA顯著性水平相結(jié)合，也可以得到所謂的“Moran顯著性水平圖”，圖中顯示出顯著的LISA區(qū)域，并分別標(biāo)識(shí)出對(duì)應(yīng)于Moran散點(diǎn)圖中不同象限的相應(yīng)區(qū)域。

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步二、應(yīng)用實(shí)例

中國(guó)大陸30個(gè)省級(jí)行政區(qū)人均GDP的空間關(guān)聯(lián)分析。根據(jù)各省（直轄市、自治區(qū)）之間的鄰接關(guān)系，采用二進(jìn)制鄰接權(quán)重矩陣，選取各?。ㄖ陛犑小⒆灾螀^(qū)）1998—2002年人均GDP的自然對(duì)數(shù)，依照公式計(jì)算全局Moran指數(shù)I，計(jì)算其檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量Z（I），結(jié)果如下表所示。年份IZP19980.50014.50350.000019990.50694.55510.000020000.51124.59780.000020010.50594.55320.000020020.50134.53260.0000第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

從表中可以看出，在1998—2002年期間，中國(guó)大陸30個(gè)省級(jí)行政區(qū)人均GDP的全局Moran指數(shù)均為正值；在正態(tài)分布假設(shè)之上，對(duì)Moran指數(shù)檢驗(yàn)的結(jié)果也高度顯著。這就是說(shuō)，在1998—2002年期間，中國(guó)大陸30個(gè)省級(jí)行政區(qū)人均GDP存在著顯著的、正的空間自相關(guān)，也就是說(shuō)各省級(jí)行政區(qū)人均GDP水平的空間分布并非表現(xiàn)出完全的隨機(jī)性，而是表現(xiàn)出相似值之間的空間集聚，其空間聯(lián)系的特征是：較高人均GDP水平的省級(jí)行政區(qū)相對(duì)地趨于和較高人均GDP水平的省級(jí)行政區(qū)相鄰，或者較低人均GDP水平的省級(jí)行政區(qū)相對(duì)地趨于和較低人均GDP水平的省級(jí)行政區(qū)相鄰。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

選取2001年我國(guó)30個(gè)省級(jí)行政區(qū)人均GDP數(shù)據(jù)，計(jì)算局部Gi統(tǒng)計(jì)量和局部Gi統(tǒng)計(jì)量的檢驗(yàn)值Z(Gi)，并繪制統(tǒng)計(jì)地圖如下。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

檢驗(yàn)結(jié)果表明，貴州、四川、云南西部3省的Z值在0.05的顯著性水平下顯著，重慶的Z值在0.1的顯著性水平下顯著，該4省市在空間上相連成片分布，而且從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上來(lái)說(shuō)，與該區(qū)域相鄰的省區(qū)，其人均GDP趨于為同樣是人均GDP低值的省區(qū)所包圍。由此形成人均GDP低值與低值的空間集聚，據(jù)此可認(rèn)識(shí)到西部落后省區(qū)趨于空間集聚的分布特征。

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

東部的江蘇、上海、浙江三省市的Z值在0.05的顯著性水平下顯著，天津的Z值在0.1的顯著性水平下顯著。而東部上海、江浙等發(fā)達(dá)省市趨于為一些相鄰經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較高的省份所包圍，東部發(fā)達(dá)地區(qū)的空間集聚分布特征也顯現(xiàn)出來(lái)。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

以（Wz,z）為坐標(biāo)，進(jìn)一步繪制Moran散點(diǎn)圖可以發(fā)現(xiàn)，多數(shù)?。ㄖ陛犑小⒆灾螀^(qū)）位于第1和第3象限內(nèi)，為正的空間聯(lián)系，屬于低低集聚和高高集聚類(lèi)型，而且位于第3象限內(nèi)的低低集聚類(lèi)型的?。ㄖ陛犑?、自治區(qū)）比位于第1象限內(nèi)的高高集聚類(lèi)型的省（直轄市、自治區(qū)）更多一些。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

上圖進(jìn)一步顯示了30個(gè)省級(jí)行政區(qū)人均GDP局部集聚的空間結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，從人均GDP水平相對(duì)地來(lái)看：高值被高值包圍的高高集聚?。ㄖ陛犑校┯校罕本⑻旖?、河南、安徽、湖北、江西、海南、廣東、福建、浙江、山東、上海、江蘇；低值被低值包圍的低低集聚?。ㄗ灾螀^(qū)）有：黑龍江、內(nèi)蒙古、新疆、吉林、甘肅、山西、陜西、青海、西藏、四川、云南、遼寧、貴州；被低值包圍的高值?。ㄖ陛犑校┯校褐貞c、廣西、河北；被高值包圍的低值省份只有湖南。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步1978、1990、2001和2007年人均GDP的Moran散點(diǎn)圖第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步1978、1990、2001、2007年全國(guó)各省市人均GDP的LISA顯著水平圖第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步上海市1990,2000年人口密度變化自相關(guān)分析第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步第2節(jié)地統(tǒng)計(jì)分析方法地統(tǒng)計(jì)方法的基本原理

應(yīng)用實(shí)例

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步地統(tǒng)計(jì)學(xué)(Geostatistics),又稱(chēng)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)，是法國(guó)著名統(tǒng)計(jì)學(xué)家G.Matheron在大量理論研究基礎(chǔ)上提出的。地統(tǒng)計(jì)學(xué)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以變異函數(shù)為主要工具，研究那些在空間分布上既有隨機(jī)性又有結(jié)構(gòu)性，或空間相關(guān)和依賴(lài)性，或空間格局與變異，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)無(wú)偏內(nèi)插估計(jì)，或模擬這些數(shù)據(jù)的離散性、波動(dòng)性。協(xié)方差函數(shù)和變異函數(shù)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)建立起來(lái)的地統(tǒng)計(jì)學(xué)的兩個(gè)最基本的函數(shù)。地統(tǒng)計(jì)學(xué)的主要方法之一，克立格法就是建立在變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)之上的。

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

當(dāng)一個(gè)變量呈現(xiàn)為空間分布時(shí)，就稱(chēng)之為區(qū)域化變量（regionalizedvariable）。這種變量常常反映某種空間現(xiàn)象的特征，用區(qū)域化變量來(lái)描述的現(xiàn)象稱(chēng)之為區(qū)域化現(xiàn)象。

區(qū)域化變量，亦稱(chēng)區(qū)域化隨機(jī)變量，G.Matheron（1963）將它定義為以空間點(diǎn)x的三個(gè)直角坐標(biāo)為自變量的隨機(jī)場(chǎng)區(qū)域化變量具有兩個(gè)最顯著，而且也是最重要的特征，即隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性。一、地統(tǒng)計(jì)方法的基本原理

（一）區(qū)域化變量

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步區(qū)域化變量是一種在空間上具有數(shù)值的實(shí)函數(shù)，它具有以下屬性：空間局限性連續(xù)性各向異性區(qū)域化變量被限制于一定空間范圍，這稱(chēng)為幾何域。在幾何域內(nèi)，區(qū)域化變量的屬性最為明顯；在幾何域外，不明顯。不同的區(qū)域化變量具有不同程度的連續(xù)性，用區(qū)域化變量的半變異函數(shù)來(lái)描述。當(dāng)區(qū)域化變量在各個(gè)方向上具有相同性質(zhì)時(shí)稱(chēng)各向同性，否則稱(chēng)為各向異性。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步其它屬性：①區(qū)域化變量在一定范圍內(nèi)呈一定程度的空間相關(guān)，當(dāng)超出這一范圍之后，相關(guān)性變?nèi)跎踔料?。②?duì)于任一區(qū)域化變量，特殊的變異性可以疊加在一般的規(guī)律之上。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步隨機(jī)變量隨機(jī)函數(shù)隨機(jī)過(guò)程隨機(jī)場(chǎng)區(qū)域化變量與時(shí)間有關(guān)的隨機(jī)函數(shù)帶有多個(gè)(2個(gè)以上)自變量的隨機(jī)函數(shù)以空間點(diǎn)的三個(gè)直角坐標(biāo)為自變量第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步1962年，法國(guó)學(xué)者M(jìn)atheron提出區(qū)域化變量的理論并創(chuàng)立了地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)，在實(shí)踐中不斷得以完善。1963年，Matheron將區(qū)域化變量定義為：以空間點(diǎn)的三個(gè)直角坐標(biāo)為自變量的隨機(jī)場(chǎng)。ProfessorGeorgesMatheron(1930-2000.8.7)法國(guó)數(shù)學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步區(qū)域化變量的功能：

由于區(qū)域化變量是一種隨機(jī)函數(shù)，因而能同時(shí)反映空間變量的結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性。一方面，當(dāng)空間點(diǎn)x固定后，Z(x)就是一個(gè)隨機(jī)變量，這體現(xiàn)了其隨機(jī)性。另一方面，在空間兩個(gè)不同點(diǎn)x與x+h處的區(qū)域化變量值具有某種程度的相關(guān)性，這體現(xiàn)了其結(jié)構(gòu)性。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步區(qū)域化變量的組成部分

數(shù)據(jù)點(diǎn)結(jié)構(gòu)性可以用均值和常數(shù)趨勢(shì)表示空間相關(guān)數(shù)據(jù)通常呈現(xiàn)正空間相關(guān)性

隨機(jī)性測(cè)量誤差，其他誤差

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步distance

elevation

結(jié)構(gòu)性隨機(jī)性實(shí)際值第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步（二）協(xié)方差函數(shù)

協(xié)方差函數(shù)的概念

區(qū)域化隨機(jī)變量之間的差異，可以用空間協(xié)方差來(lái)表示。在概率論中,隨機(jī)向量X與Y的協(xié)方差被定義為

區(qū)域化變量在空間點(diǎn)x和x+h處的兩個(gè)隨機(jī)變量和的二階混合中心矩定義為Z(x)的自協(xié)方差函數(shù)，即（4.2.2）(4.2.1)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步協(xié)方差函數(shù)的計(jì)算公式

式中：h為兩樣本點(diǎn)空間分隔距離或距離滯后；為在空間位置處的實(shí)測(cè)值；是在處距離偏離h的實(shí)測(cè)值[i=1，2，…，]，是分隔距離為h時(shí)的樣本點(diǎn)對(duì)（paris）總數(shù)，和分別為和的樣本平均數(shù),即(4.2.3)(4.2.4)(4.2.5)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

若==m（常數(shù)），則上式可以改寫(xiě)為

式中：m為樣本平均數(shù)，可由一般算術(shù)平均數(shù)公式求得，即

(4.2.6)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步（三）變異函數(shù)

變異函數(shù)的概念

變異函數(shù)(variograms)，又稱(chēng)變差函數(shù)、變異矩，是地統(tǒng)計(jì)分析所特有的基本工具。在一維條件下變異函數(shù)定義為，當(dāng)空間點(diǎn)x在一維x軸上變化時(shí)，區(qū)域化變量Z(x)在點(diǎn)x和x+h處的值Z(x)與Z(x+h)差的方差的一半為區(qū)域化變量Z(x)在x軸方向上的變異函數(shù)，記為γ(h)，即

(4.2.7)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

在二階平穩(wěn)假設(shè)條件下，對(duì)任意的h有因此，公式可以改寫(xiě)為

從上式可知，變異函數(shù)依賴(lài)于兩個(gè)自變量x和h，當(dāng)變異函數(shù)僅僅依賴(lài)于距離h而與位置x無(wú)關(guān)時(shí)，可改寫(xiě)成，即

(4.2.9)(4.2.8)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步變異函數(shù)的性質(zhì)

設(shè)Z(x)是區(qū)域化變量，在滿(mǎn)足二階平穩(wěn)假設(shè)條件下，變異函數(shù)式具有如下性質(zhì)：

(1)=0，即在h=0處，變異函數(shù)為0；

(2)=，即關(guān)于直線h=0是對(duì)稱(chēng)的，它是一個(gè)偶函數(shù)；

(3)≥0，即只能大于或等于0；第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步(4)|h|→∞時(shí)，→c(0)或=c(0),即當(dāng)空間距離增大時(shí),變異函數(shù)接近先驗(yàn)方差

(5)[-]必須是一個(gè)條件非負(fù)定函數(shù)，由[-]構(gòu)成的變異函數(shù)矩陣在條件時(shí)，為非負(fù)定的。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步變異函數(shù)的計(jì)算公式

設(shè)是系統(tǒng)某屬性Z在空間位置x處的值，為一區(qū)域化隨機(jī)變量，并滿(mǎn)足二階平穩(wěn)假設(shè)，h為兩樣本點(diǎn)空間分隔距離，和分別是區(qū)域化變量在空間位置和處的實(shí)測(cè)值[i=1,2,…,N(h)]，那么，變異函數(shù)的離散計(jì)算公式為(4.2.10)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

這樣對(duì)不同的空間分隔距離h，計(jì)算出相應(yīng)的和值。如果分別以h為橫坐標(biāo)，或?yàn)榭v坐標(biāo)，畫(huà)出協(xié)方差函數(shù)和變異函數(shù)曲線圖，就可以直接展示區(qū)域化變量Z(x)的空間變異特點(diǎn)?？梢?jiàn)，變異函數(shù)能同時(shí)描述區(qū)域化變量的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性，從而在數(shù)學(xué)上對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行嚴(yán)格分析，是空間變異規(guī)律分析和空間結(jié)構(gòu)分析的有效工具。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步例如：假設(shè)某地區(qū)降水量Z(x)（單位：mm）是二維區(qū)域化隨機(jī)變量，滿(mǎn)足二階平穩(wěn)假設(shè)，其觀測(cè)值的空間正方形網(wǎng)格數(shù)據(jù)如圖4.2.1所示（點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離為h=1km）。試計(jì)算其南北方向及西北和東南方向的變異函數(shù)。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步圖4.2.1空間正方形網(wǎng)格數(shù)據(jù)（點(diǎn)間距h=1km）

從圖4.2.1可以看出，空間上有些點(diǎn)，由于某種原因沒(méi)有采集到。如果沒(méi)有缺失值，可直接對(duì)正方形網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算變異函數(shù)；在有缺失值的情況下，也可以計(jì)算變異函數(shù)。只要“跳過(guò)”缺失點(diǎn)位置即可（圖4.2.2）。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步圖1

空間正方形網(wǎng)格數(shù)據(jù)（點(diǎn)間距h=100m）

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

首先計(jì)算南北方向上的變異函數(shù)值，由變異函數(shù)的計(jì)算公式可得

=385/72=5.35圖4.2.2缺失值情況下樣本數(shù)對(duì)的組成和計(jì)算過(guò)程

☉為缺失值

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

同樣計(jì)算出最后，得到南北方向和西北—東南方向上的變異函數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表。同樣可以計(jì)算東西方向上的變異函數(shù)。

方向

南北

方向

西北—東南

h12345h1.412.824.245.657.07N(h)

362721135N(h)

322113825.359.2617.5525.6922.907.0612.9530.8558.1350.00第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步變異函數(shù)的參數(shù)

變異函數(shù)有4個(gè)非常重要的參數(shù)，即基臺(tái)值（sill）、變程（range）或稱(chēng)空間依賴(lài)范圍（rangeofspatialdependence）、塊金值（nugget）或稱(chēng)區(qū)域不連續(xù)性值（localizeddiscontinuity）和分維數(shù)（fractaldimension）。前3個(gè)參數(shù)可以直接從變異函數(shù)圖中得到。它們決定變異函數(shù)的形狀與結(jié)構(gòu)。變異函數(shù)的形狀反映自然現(xiàn)象空間分布結(jié)構(gòu)或空間相關(guān)的類(lèi)型，同時(shí)還能給出這種空間相關(guān)的范圍。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

當(dāng)變異函數(shù)隨著間隔距離h的增大，從非零值達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的常數(shù)時(shí)，該常數(shù)稱(chēng)為基臺(tái)值C0+C。當(dāng)間隔距離h=0時(shí)，γ(0)=C0，該值稱(chēng)為塊金值或塊金方差（nuggetvariance）?；_(tái)值是系統(tǒng)或系統(tǒng)屬性中最大的變異，變異函數(shù)達(dá)到基臺(tái)值時(shí)的間隔距離a稱(chēng)為變程。變程表示在h≥a以后，區(qū)域化變量Z(x)空間相關(guān)性消失。塊金值表示區(qū)域化變量在小于抽樣尺度時(shí)非連續(xù)變異，由區(qū)域化變量的屬性或測(cè)量誤差決定。

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

上述3個(gè)參數(shù)可從變異函數(shù)曲線圖直接得到，或通過(guò)估計(jì)曲線回歸參數(shù)得到。第4個(gè)參數(shù)，即分維數(shù)用于表示變異函數(shù)的特性，由變異函數(shù)和間隔距離h之間的關(guān)系確定分維數(shù)D為雙對(duì)數(shù)直線回歸方程中的斜率，它是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)。分維數(shù)D的大小，表示變異函數(shù)曲線的曲率，可以作為隨機(jī)變異的量度。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步理論變異函數(shù)模型實(shí)踐中，常用的是變異函數(shù)圖：偏基臺(tái)值:C(partialsill)塊金值:C0(nugget)變程:a(range)h基臺(tái)值(sill)notrelatedanymore變程范圍內(nèi)才有結(jié)構(gòu)性變化（有規(guī)律的變化）反映隨機(jī)性大?。褐饕獊?lái)源于區(qū)域化變量Z(x)在小于抽樣尺度h時(shí)所具有的內(nèi)部變異；另外還有抽樣分析誤差。變異函數(shù)是一個(gè)單調(diào)不減函數(shù)。當(dāng)h超過(guò)某一個(gè)范圍，例如變程，變異函數(shù)不再增大，而是趨于一個(gè)極限值，即為基臺(tái)值。實(shí)際上等于區(qū)域化變量的先驗(yàn)方差。即，即基臺(tái)值與塊金值之差，表示數(shù)據(jù)中存在空間相關(guān)性引起的方差變化范圍。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步變異函數(shù)的理論模型

地統(tǒng)計(jì)學(xué)將變異函數(shù)理論模型分為3大類(lèi)：第1類(lèi)是有基臺(tái)值模型，包括球狀模型、指數(shù)模型、高斯模型、線性有基臺(tái)值模型和純塊金效應(yīng)模型；第2類(lèi)是無(wú)基臺(tái)值模型，包括冪函數(shù)模型、線性無(wú)基臺(tái)值模型、拋物線模型；第3類(lèi)是孔穴效應(yīng)模型。下面有代表性地介紹幾種常見(jiàn)的變異函數(shù)理論模型。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

①純塊金效應(yīng)模型:其一般公式為式中：c0>0，為先驗(yàn)方差。該模型相當(dāng)于區(qū)域化變量為隨機(jī)分布，樣本點(diǎn)間的協(xié)方差函數(shù)對(duì)于所有距離h均等于0，變量的空間相關(guān)不存在。

(4.2.11)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步②球狀模型:其一般公式為

式中：c0為塊金（效應(yīng)）常數(shù);c為拱高;c0+c為基臺(tái)值;a為變程。當(dāng)c0=0，c=1時(shí)，稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)球狀模型。球狀模型是地統(tǒng)計(jì)分析中應(yīng)用最廣泛的理論模型，許多區(qū)域化變量的理論模型都可以用該模型去擬合。

(4.2.12)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

③指數(shù)模型:其一般公式為式中：c0和c意義與前相同，但a不是變程。當(dāng)h=3α?xí)r，，即，從而指數(shù)模型的變程約為。當(dāng)c0=0，c=1時(shí)，稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)模型。(4.2.13)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步④高斯模型:其一般公式為式中：c0和c意義與前相同，a也不是變程。當(dāng)時(shí)，，即，因此高斯模型的變程約為。當(dāng)時(shí)，稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)高斯函數(shù)模型。(4.2.14)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步⑤冪函數(shù)模型:其一般公式為式中：θ為冪指數(shù)。當(dāng)θ變化時(shí)，這種模型可以反映在原點(diǎn)附近的各種性狀。但是θ必須小于2，若，則函數(shù)就不再是一個(gè)條件非負(fù)定函數(shù)了，也就是說(shuō)它已經(jīng)不能成為變異函數(shù)了。

(4.2.15)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步⑥對(duì)數(shù)模型:其一般公式為顯然，當(dāng)，這與變異函數(shù)的性質(zhì)不符。因此，對(duì)數(shù)模型不能描述點(diǎn)支撐上的區(qū)域化變量的結(jié)構(gòu)。(4.2.16)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

⑦線性有基臺(tái)值模型:其一般公式為

式中:該模型的變程為a，基臺(tái)值為。

⑧線性無(wú)基臺(tái)值模型:其一般公式為

從式中可以看出，該模型沒(méi)有基臺(tái)值，也沒(méi)有變程。

(4.2.18)(4.2.17)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步例如:某地區(qū)降水量是一個(gè)區(qū)域化變量，其變異函數(shù)的實(shí)測(cè)值及距離h的關(guān)系見(jiàn)下表，下面我們?cè)囉没貧w分析方法建立其球狀變異函數(shù)模型。實(shí)測(cè)值γ(h)距離h實(shí)測(cè)值γ(h)距離h2.10.69.24.94.31.110.35.15.72.210.56.26.52.510.97.57.83.111.29.58.83.812.49.8第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

從上面的介紹和討論，我們知道，球狀變異函數(shù)的一般形式為當(dāng)時(shí)，有第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

如果記，則可以得到線性模型

根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，對(duì)上式進(jìn)行最小二乘擬合，得到

(4.2.20)

計(jì)算可知，上式的顯著性檢驗(yàn)參數(shù)F=114.054，R2=0.962，可見(jiàn)模型的擬合效果是很好的。(4.2.19)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

比較(4.2.20)式與(4.2.19)式，并做簡(jiǎn)單計(jì)算可知：c0=2.048，c=1.154，a=8.353，所以，球狀變異函數(shù)模型為(4.2.21)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步(四)克立格插值方法

克立格（Kriging）插值法，又稱(chēng)空間局部估計(jì)或空間局部插值法，是地統(tǒng)計(jì)學(xué)的主要內(nèi)容之一?？肆⒏穹ㄊ墙⒃谧儺惡瘮?shù)理論及結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)之上的，它是在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量的取值進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法。克立格法適用的條件是，如果變異函數(shù)和相關(guān)分析的結(jié)果表明區(qū)域化變量存在空間相關(guān)性。其實(shí)質(zhì)是利用區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)未采樣點(diǎn)的區(qū)域化變量的取值進(jìn)行線性無(wú)偏、最優(yōu)估計(jì)。從數(shù)學(xué)角度抽象來(lái)說(shuō)，克立格是一種對(duì)空間分布數(shù)據(jù)求最優(yōu)、線性、無(wú)偏內(nèi)插估計(jì)量(BestLinearUnbaiasedEstimation)方法。具體來(lái)說(shuō)，它是根據(jù)待估樣點(diǎn)(或待估塊段)有限鄰域內(nèi)若干已測(cè)定的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，在認(rèn)真考慮樣點(diǎn)的形狀、大小和空間相互位置關(guān)系，它們與待估樣點(diǎn)相互空間位置關(guān)系，以及變異函數(shù)提供的結(jié)構(gòu)信息之后，對(duì)該待估樣點(diǎn)值進(jìn)行的一種線性無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

克立格插值（kriginginterpolation)是根據(jù)變異函數(shù)模型而發(fā)展起來(lái)的一系列地統(tǒng)計(jì)的空間插值方法，包括：普通克立格法（ordinarykriging）;

泛克立格法（universalkriging）;

指示克立格法（indicatorkriging）;

析取克立格法（disjunctivekriging）;

協(xié)同克立格法（cokriging）等。下面僅對(duì)普通克立格法作一些簡(jiǎn)單介紹。第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

首先假設(shè)區(qū)域化變量滿(mǎn)足二階平穩(wěn)假設(shè)和本征假設(shè)，其數(shù)學(xué)期望為m，協(xié)方差函數(shù)及變異函數(shù)存在。即

假設(shè)在待估計(jì)點(diǎn)（x）的臨域內(nèi)共有n個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)，即x1，x2，…，xn，其樣本值為。那么，普通克里格法的插值公式為

(4.2.22)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

其中為權(quán)重系數(shù)，表示各空間樣本點(diǎn)處的觀測(cè)值對(duì)估計(jì)值的貢獻(xiàn)程度?？梢?jiàn)，克立格插值的關(guān)鍵就是計(jì)算權(quán)重系數(shù)。顯然，權(quán)重系數(shù)的求取必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件：一是使的估計(jì)是無(wú)偏的，即偏差的數(shù)學(xué)期望為零；二是最優(yōu)的，即使估計(jì)值和實(shí)際值之差的平方和最小。為此，需要滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步(1)無(wú)偏性。要使成為的無(wú)偏估計(jì)量，即。

當(dāng)時(shí)，也就是當(dāng)時(shí)，則有這時(shí)，為的無(wú)偏估計(jì)量。（2）最優(yōu)性。在滿(mǎn)足無(wú)偏性條件下，估計(jì)方差為(4.2.23)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

使用協(xié)方差函數(shù)表達(dá)，它可以進(jìn)一步寫(xiě)為

(4.2.24)

為使估計(jì)方差最小，根據(jù)拉格朗日乘數(shù)原理，令

(4.2.25)

求F對(duì)和的偏導(dǎo)數(shù)，并令其為0，得克立格方程組

(4.2.26)

?????íì=--=??=--=????==niiijinjjiFxxcxxcF110)1(202),(2),(2lmmll第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步(4.2.27)(4.2.28)整理后得

解線性方程組(4.2.27)式,求出權(quán)重系數(shù)λi和拉格朗日系數(shù)μ,代入公式(4.2.24),可得克立格估計(jì)方差第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

在變異函數(shù)存在的條件下，根據(jù)協(xié)方差與變異函數(shù)的關(guān)系：

或，也可以用變異函數(shù)表示普通克立格方程組和克立格估計(jì)方差，即

(4.2.29)

解線性方程組(4.2.27)式，求出權(quán)重系數(shù)和拉格朗日乘數(shù)μ，代入公式(4.2.24)，可得克立格估計(jì)方差，即

(4.2.30)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步上述過(guò)程也可用矩陣形式表示，令

則普通克立格方程組為

(4.2.31)解方程組(4.2.31)式，可得

(4.2.32)其估計(jì)方差為

(4.2.33)

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

也可以將克立格方程組和估計(jì)方差用變異函數(shù)寫(xiě)成上述矩陣形式。令

在以上的介紹中，區(qū)域化變量的數(shù)學(xué)期望可以是已知或未知的。如果m是已知常數(shù)，稱(chēng)為簡(jiǎn)單克立格法；如果m是未知常數(shù)，稱(chēng)為普通克立格法。不管是哪一種方法，均可根據(jù)方法計(jì)算權(quán)重系數(shù)和克立格估計(jì)量。

(4.2.34)(4.2.35)(4.2.36)第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

以圖4.2.1為例，4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)x1，x2，x3，x4的觀測(cè)值分別為Z(x1)=37、Z(x2)=42、Z(x3)=36、Z(x4)=35，如果假設(shè)降水量的變異函數(shù)是向同性（即變異函數(shù)在各個(gè)方向的變化都相同）的二維球狀模型，其具體形式為（4.2.21）式。現(xiàn)在，我們用普通克立格法估計(jì)觀測(cè)點(diǎn)x0的降水量值Z(x0)。根據(jù)普通克立格法的基本原理，我們知道，Z(x0)估計(jì)的基本公式應(yīng)該是

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

根據(jù)公式(4.2.32)，可知

(4.2.37)

根據(jù)協(xié)方差與變異函數(shù)的關(guān)系以及（4.2.21）式，可得協(xié)方差函數(shù)

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

當(dāng)時(shí)，根據(jù)克立格矩陣的對(duì)稱(chēng)性，當(dāng)時(shí)，，由此計(jì)算可得

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步將以上計(jì)算結(jié)果代入克立格方程組（4.2.31），得

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

即克立格權(quán)重系數(shù)分別為：λ1=0.287，λ2=0.210,λ3=0.202,λ4=0.301，μ=-0.473，所以觀測(cè)點(diǎn)的降水量的克立格估計(jì)值為：根據(jù)普通克立格法的基本原理，我們知道，Z(x0)估計(jì)的基本公式應(yīng)該是

37.25（mm）。

克立格估計(jì)方差為

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步二、應(yīng)用實(shí)例

年降水量和蒸發(fā)量，既服從地帶性規(guī)律，同時(shí)又受隨機(jī)性因素的影響，因此它們是典型的區(qū)域化變量。我們以甘肅省53個(gè)氣象臺(tái)站多年平均降水量和蒸發(fā)量數(shù)據(jù)（見(jiàn)教材表3.1.2）為實(shí)測(cè)值，擬合了年降水量和蒸發(fā)量的半變異函數(shù)理論模型，并采用普通克立格法和雙變量協(xié)同克里格法，做了空間插值計(jì)算，結(jié)論如下。

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

（一）半變異函數(shù)半變異函數(shù)模型，是克立格空間插值的前提條件，同時(shí)它也決定著空間插值的精度。一般情況下，半變異函數(shù)模型是根據(jù)半變異函數(shù)云圖的分布，選擇合適的理論模型，按照估計(jì)方差最小的原則，運(yùn)用最小二乘法求得。圖4.2.4和圖4.2.5分別給出了年降水量和年蒸發(fā)量的半變異函數(shù)云圖。

圖4.2.4年降水量的半變異函數(shù)云圖

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

圖4.2.5年蒸發(fā)量的半變異函數(shù)云圖

從圖4.2.4和圖4.2.5可以看出，年降水量和年蒸發(fā)量的塊金效應(yīng)都不明顯，這是因?yàn)闃颖军c(diǎn)是各個(gè)氣象站點(diǎn)的實(shí)測(cè)值，空間分辨率可以忽略不計(jì)，另外實(shí)驗(yàn)誤差和人為誤差基本上都很小。我們選擇各種不同的半變異函數(shù)理論模型，經(jīng)過(guò)多次擬合計(jì)算和對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)指數(shù)模型比較好地描述了年降水量的空間變異規(guī)律。其變異函數(shù)的具體形式如下：第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步(4.2.38)

(4.2.38)式擬合的適度系數(shù)為。我們選擇各種不同的半變異函數(shù)理論模型，經(jīng)過(guò)多次擬合計(jì)算和對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)球狀模型比較好地描述了年蒸發(fā)量的空間變異規(guī)律。其變異函數(shù)的具體形式如下

(4.2.39)(4.2.39)式擬合的適度系數(shù)為。

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步（二）空間插值結(jié)果基于半變異函數(shù)的理論模型(4.2.38)和(4.2.39)，對(duì)甘肅省范圍內(nèi)的年降水量和蒸發(fā)量，用普通克立格法進(jìn)行空間插值計(jì)算，得到的結(jié)果分別如圖4.2.4和圖4.2.5。（三）結(jié)果討論從圖4.2.6可以看出，在甘肅省范圍內(nèi)，年降水量的空間分布格局總體上是東南多西北少，并且呈現(xiàn)從東南方向到西北方向逐漸過(guò)渡，梯度變化明顯；山地多，平地少，南北方向從南部祁連山脈向北部的沙漠戈壁逐漸減少。

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步年降水量的空間變程很大，最多的東南部是最少的西北部的近10倍，其中，甘南東南部瑪曲和祿曲、隴南東南部以及平?jīng)龊挽`臺(tái)東南地區(qū)，年降水量達(dá)到691.59～786.75mm之間。400mm等降水線靠近蘭州附近，而到了西北端，幾乎整個(gè)酒泉市、嘉峪關(guān)市和張掖市的西北部，年降水量只有59.17～102.08mm。圖4.2.6甘肅省年降水量的普通克立格空間插值結(jié)果第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

圖4.2.7甘肅省年蒸發(fā)量的普通克立格空間插值結(jié)果從圖4.2.7可以看出，年蒸發(fā)量的空間格局，恰好與年降水量的空間格局相反：西北多、東南少，呈現(xiàn)出由西北向東南逐漸減少的變化趨勢(shì)，梯度變化明顯。

第四章+空間統(tǒng)計(jì)分析初步

年蒸發(fā)量的空間變程雖然小于年降水量，但仍然較大，在西北端的酒泉大部分地區(qū)以及民勤北部的騰格里沙漠地區(qū)，年蒸發(fā)量可以達(dá)到293