胡丹桂+舒紅
摘要:以東北三?。帧⒑邶埥⑦|寧)38.90°-52.97°N,119.70°-132.97°E區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)區(qū),利用東北三省1970-2009年氣象站的空氣相對(duì)濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)的40年平均值,采用普通克里金和協(xié)同克里金空間內(nèi)插方法,估計(jì)試驗(yàn)區(qū)的空氣濕度分布情況。結(jié)果表明,空氣相對(duì)濕度和降水量具有顯著相關(guān)關(guān)系。當(dāng)選取其中46個(gè)觀測(cè)值時(shí),引入了降水量作為協(xié)變量的協(xié)同克里金的插值方法比采用46個(gè)觀測(cè)值的普通克里金的插值方法的均方根誤差(RMSE值)降低了7.66%;當(dāng)采用同樣的協(xié)變量(77個(gè)降水量站點(diǎn)數(shù)據(jù)),46個(gè)濕度觀測(cè)值的協(xié)同克里金比77個(gè)濕度觀測(cè)值的協(xié)同克里金的精度更高,均方根誤差降低了20.58%。因此,引入了降水量作為協(xié)變量的協(xié)同克里金插值方法提高了插值精度,并且使用協(xié)同克里金插值方法可以適度減少觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)量。
關(guān)鍵詞:協(xié)同克里金;插值;濕度;降水量
中圖分類號(hào):P333文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2014)09-2045-05
Air Humidity Based on CoKriging Interpolation
HU Dan-gui1,2,SHU Hong1
(1. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079,China; 2. Department of Computer Technology and Software Engineering, Wuhan Polytechnic, Wuhan 430074, China)
Abstract: The three Provinces of Northeastern China located between 38.90°-52.97°N and 119.70°-132.97°E were taken as the studying area. Forty-year mean relative air humidity observed in meteorological stations from 1970 to 2009 was used. The ordinary Kriging and CoKriging interpolation methods were used for interpolation. The results were compared with each other in terms of its accuracies. Results showed that the air relative humidity and precipitation was significantly correlated. CoKriging had more accurate results than that of ordinary Kriging. It is indicated that the root-mean-square error produced based on CoKriging decreased by 7.66% in comparison with the ordinary Kriging, using the 46 observations.CoKriging with 46 observations got a higher accuracy than that with 77 observations using the same secondary variable (77) with the relative reduction of RMSE of 20.58%.Therefore, CoKriging interpolation method with precipitation as a covariate can improve accuracy.
Key words: CoKriging; interpolation;humidity; precipitation
東北地區(qū)是中國(guó)最大的商品糧基地和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最具發(fā)展?jié)摿Φ牡貐^(qū)之一,同時(shí)也是中國(guó)重要的工業(yè)和能源基地。東北地區(qū)位于北半球的中高緯度,是我國(guó)緯度最高的地區(qū),是世界著名的溫帶季風(fēng)氣候區(qū),是典型的氣候脆弱區(qū)和受氣候變暖影響最為敏感的地區(qū)[1,2]。近年來(lái)針對(duì)東北地區(qū)氣候變化已展開(kāi)不少研究。已有研究較多地關(guān)注氣溫、降水等方面,李莎等[3]將時(shí)空Kriging方法應(yīng)用于東北地區(qū)氣溫空間插值研究中;賀偉等[4]將Morlet小波分析應(yīng)用于東北地區(qū)氣溫和降水變化趨勢(shì)研究中;孫力等[5]針對(duì)東北地區(qū)夏季降水變化的時(shí)空分布及變化規(guī)律進(jìn)行研究。這些研究對(duì)于正確認(rèn)識(shí)東北地區(qū)氣候變化規(guī)律具有重要意義。但是以往的研究大多都是基于氣溫或降水的單一氣象要素,而對(duì)東北地區(qū)空氣相對(duì)濕度的研究卻較少。在氣候資源中,氣溫、降水和濕度與農(nóng)作物及生物的生長(zhǎng)發(fā)育有密切關(guān)系。氣溫和降水固然是氣候資源中最主要的兩個(gè)因子,但也不能忽視空氣濕度這個(gè)氣候因子??諝鉂穸鹊拇笮∈切纬商鞖庋葑冎饕蛩刂唬c生產(chǎn)、生活有密切關(guān)系,如農(nóng)作物病蟲(chóng)害的發(fā)生直接取決于濕度的大??;空氣濕度過(guò)大或過(guò)小對(duì)人體健康也有很大影響等。
本研究對(duì)東北三?。ê邶埥?、吉林、遼寧)的空氣相對(duì)濕度進(jìn)行空間插值,利用有限的空氣濕度站點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)估算未知點(diǎn)的空氣濕度。目前已發(fā)展了較多空間內(nèi)插方法,如泰森多邊形[6]、克里金(Kriging)內(nèi)插法[7]、反距離加權(quán)平均法[8]、趨勢(shì)面分析法[9]、多項(xiàng)式回歸法[10]等。這些方法只是局限于觀測(cè)站點(diǎn)的濕度值,沒(méi)有考慮到降水量、氣溫、地形地貌、大氣環(huán)流等因素對(duì)空氣濕度的影響。而空氣濕度與降水量具有直接的關(guān)系,我國(guó)一般通過(guò)降水量來(lái)劃分濕潤(rùn)區(qū)和干旱區(qū)。800 mm的年降水量為濕潤(rùn)區(qū)與半濕潤(rùn)區(qū)界線,400 mm的年降水量為半濕潤(rùn)和半干旱區(qū)界線,200 mm的年降水量為半干旱與干旱區(qū)界線。因此,在進(jìn)行空氣濕度插值時(shí),考慮降水量的影響可以提高插值精度。為此,本研究針對(duì)空氣相對(duì)濕度,選取不同的樣本數(shù),結(jié)合降水量的觀測(cè)值,采用協(xié)同克里金方法對(duì)空氣相對(duì)濕度進(jìn)行插值,并對(duì)插值結(jié)果的精度與普通克里金插值方法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析與探討,同時(shí)對(duì)不同樣本數(shù)的插值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
1研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)處理
1.1研究區(qū)域
研究的是中國(guó)東北三?。福穫€(gè)氣象站點(diǎn),站點(diǎn)地處38.90°-52.97°N,119.70°-132.97°E之間。地面觀測(cè)臺(tái)站所觀測(cè)的資料來(lái)自1970-2009年?yáng)|北三省日空氣相對(duì)濕度和日降水量。由于氣象臺(tái)站觀測(cè)資料不可避免存在缺測(cè),本研究剔除了缺測(cè)較多的臺(tái)站,共選擇77個(gè)資料較好的觀測(cè)臺(tái)站。空氣相對(duì)濕度選用不同的樣本數(shù),選用兩種不同數(shù)量的觀測(cè)值分別是77個(gè)和46個(gè),而降水量共選用77個(gè)臺(tái)站的觀測(cè)值。具體情況如圖1所示。
1.2數(shù)據(jù)處理
結(jié)合降水量對(duì)東北三省空氣相對(duì)濕度進(jìn)行插值,以得到更加豐富和準(zhǔn)確的空氣濕度信息。利用數(shù)據(jù)相對(duì)較全的1970-2009年的空氣相對(duì)濕度觀測(cè)數(shù)據(jù),也就是對(duì)觀測(cè)站的空氣濕度的40年平均值分別進(jìn)行普通克里金插值和協(xié)同克里金插值,并分別選取不同的樣本數(shù)量,對(duì)不同樣本數(shù)量的兩種不同空間插值方法進(jìn)行比較。
40年的平均空氣相對(duì)濕度分別選?。矗秱€(gè)樣本數(shù)和77個(gè)樣本數(shù)時(shí)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)。從表1中可以看到,通過(guò)Kolmogorov-Smirnov法[11]對(duì)兩種不同樣本數(shù)的平均空氣相對(duì)濕度分別進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)的p-value分別為0.236 0和0.287 9,均大于0.05,因此認(rèn)為符合正態(tài)分布。
當(dāng)選擇多個(gè)變量信息進(jìn)行插值時(shí),第一信息有限時(shí),合理有效地選擇第二信息輔助插值是提高預(yù)測(cè)精度的關(guān)鍵。輔助因子的選擇需要符合較易獲取、與第一信息關(guān)聯(lián)度強(qiáng)等特點(diǎn)[12]。根據(jù)研究目的,將空氣濕度作為主變量,降水量作為輔助變量,將空氣濕度和降水量這兩種變量進(jìn)行Person相關(guān)系數(shù)分析。從表1可以看到,當(dāng)空氣濕度選?。罚穫€(gè)觀測(cè)值時(shí),這兩種變量的相關(guān)系數(shù)為0.548,同時(shí)達(dá)到了0.01顯著水平;當(dāng)空氣濕度選?。矗秱€(gè)觀測(cè)值時(shí),這兩種變量的相關(guān)系數(shù)為0.596,并且達(dá)到了0.01的顯著水平,因而空氣濕度與降水量密切相關(guān),可以將降水量作為提高空氣濕度插值精度的輔助變量。
2克里金插值及降水量信息利用
空間插值是通過(guò)已知樣本值估計(jì)未知點(diǎn)的屬性值或由不規(guī)則觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)生成連續(xù)表面或等值線。它的本質(zhì)是根據(jù)給定的一組或多組離散點(diǎn)的屬性值與空間位置擬合一個(gè)函數(shù),該函數(shù)能充分反映樣本點(diǎn)屬性值與空間位置間的數(shù)學(xué)關(guān)系,從而推斷研究區(qū)域范圍內(nèi)未知空間點(diǎn)的屬性值。空間插值結(jié)果的精度受到插值模型、模型算法、尺度范圍和樣本代表性等多種因素的影響。
2.1區(qū)域化變量
當(dāng)一個(gè)變量呈空間分布時(shí),就稱之為區(qū)域化變量。這種變量反映了空間某種屬性的分布特征。地質(zhì)、海洋、土壤、氣象、水文、生態(tài)等領(lǐng)域都具有某種空間屬性。區(qū)域化變量具有雙重性,在觀測(cè)前區(qū)域化變量Z(x)是一個(gè)隨機(jī)場(chǎng),觀測(cè)后是一個(gè)確定的空間結(jié)構(gòu)函數(shù)值。
區(qū)域化變量具有兩個(gè)最顯著的特征,即隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性。一是區(qū)域化變量Z(x)是一個(gè)隨機(jī)函數(shù),多數(shù)時(shí)候它具有局部的、隨機(jī)的、異常的特征;其次是區(qū)域化變量具有一般的或平均的結(jié)構(gòu)性質(zhì),即變量在點(diǎn)X與偏離空間距離為h的點(diǎn)X+h處的隨機(jī)量Z(x)與Z(x+h)具有某種程度的自相關(guān)性,而且這種自相關(guān)性依賴于兩點(diǎn)間的距離h與變量其他結(jié)構(gòu)特征。在某種意義上說(shuō)這就是區(qū)域化變量的結(jié)構(gòu)性特征。
2.2普通克里金方法
克里金法[13]是地統(tǒng)計(jì)學(xué)的主要內(nèi)容之一,從統(tǒng)計(jì)意義上說(shuō),是從變量相關(guān)性和變異性出發(fā),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;從插值角度講是對(duì)空間分布的數(shù)據(jù)求線性最優(yōu)、無(wú)偏內(nèi)插估計(jì)的一種方法。首先假設(shè)區(qū)域化變量Z(x)滿足二階平穩(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)c(h)及變異函數(shù)?酌(h)存在。即
E[Z(x)]=m(1)
c(h)=E[Z(x)Z(x+h)]-m2 (2)
?酌(h)=■E[Z(x)-Z(x+h)]2 (3)
假設(shè)在待估計(jì)點(diǎn)x0的臨域內(nèi)共有n個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn),即x1,x2,…,xn。那么,普通克里金法(Ordinary Kriging)的插值公式:
Z*(x0)=■?姿iZ(xi) (4)
式中,Z*(x0)為待估計(jì)空氣濕度柵格值;n為用于空氣濕度插值站點(diǎn)數(shù);Z(xi)為第i個(gè)站點(diǎn)平均濕度值;?姿i為賦予第i個(gè)站點(diǎn)平均濕度的一組權(quán)重系數(shù)。引入拉格朗日系數(shù)u進(jìn)行推導(dǎo)可得:
■?姿i?酌(xi-xj)+u=(xj-x0), j=1,…,n
■?姿i=1 (5)
因此,權(quán)重系數(shù)(?姿i,i=1,…,n)和拉格朗日乘數(shù)u可由以上式(5)求得,從而由式(4)可得研究區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)的插值估計(jì)。
2.3引入降水量信息的協(xié)同克里金方法
協(xié)同克里金法(CoKriging)[13]是普通克里金法的擴(kuò)展,把區(qū)域化變量的最佳估值方法從單一屬性發(fā)展到兩個(gè)或兩個(gè)以上的協(xié)同區(qū)域化屬性,用一個(gè)或多個(gè)輔助變量對(duì)所感興趣的變量進(jìn)行插值估算,這些輔助變量與主要變量都有相關(guān)關(guān)系,并且假設(shè)變量之間的相關(guān)關(guān)系能用于提高主要預(yù)測(cè)值的精度。當(dāng)研究區(qū)內(nèi)的輔助信息(如降水量)較容易獲取且變化平穩(wěn)時(shí),可將這類信息作為輔助影響因素引入?yún)f(xié)同克里金方法,用協(xié)同克里金法對(duì)東北三省年均濕度進(jìn)行插值時(shí),將年均降水量作為一個(gè)協(xié)變量有利于區(qū)域估值的結(jié)果,在計(jì)算中要用到兩屬性各自的變異函數(shù)和協(xié)變異函數(shù)[14]。在二階平穩(wěn)假設(shè)下,其期望為:
E[Z2(x)]=m2(6)
協(xié)變異函數(shù)為:
?酌12(h)=E{[Z1(x+h)-Z1(x)][Z2(x+h)-Z2(x)]}(7)
協(xié)同克里金法的插值公式:
Z2,CK*(x0)=■?姿1iZ1(x1i)+■?姿2jZ2(x2j)(8)
式中,Z2,CK*(x0)為x0處空氣濕度估算值;Z2(x2j)為各點(diǎn)空氣濕度;?姿2j為賦予各個(gè)站點(diǎn)空氣濕度的一組權(quán)重系數(shù);Z1(x1i)為各點(diǎn)降水量;?姿1i為賦予各個(gè)站點(diǎn)降水量的一組權(quán)重系數(shù);N1、N2分別為降水量和空氣濕度用于濕度插值站點(diǎn)數(shù),其中N1>N2。引入兩個(gè)拉格朗日系數(shù)u1和u2進(jìn)行推導(dǎo)可得:
■?姿1i?酌11(x1i-x1)+■?姿2j?酌21(x2j-x1)+u1=?酌21(x0-x1),
i=1,2,…,N1
■?姿1i?酌21(x1i-xJ)+■?姿2j?酌22(x2j-xJ)+u2=?酌22(x0-xJ),
j=1,2,…,N2
■?姿1i=0,■?姿2j=1(9)
式中?酌11和?酌22分別是Z1和Z2的變異函數(shù)模型,?酌12和?酌21是這兩個(gè)變量的變異函數(shù)模型,其中,?酌12(h)=?酌21(h)
求解線性方程組式(9)即可獲得權(quán)重系數(shù)(?姿1i,i=1,2,…,N1;?姿2j,j=1,2,…,N2)以及兩個(gè)拉格朗日乘數(shù)u1和u2可由以上兩式求得,從而由(8)式可得研究區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)的插值估計(jì)。
2.4估值精度評(píng)價(jià)方法
采用交叉驗(yàn)證(Cross-validation)比較不同模型和尋找最佳的插值結(jié)果[15]。在交叉驗(yàn)證過(guò)程中, 首先將觀測(cè)值Z(xi)暫時(shí)去除, 然后通過(guò)其他觀察值Z(x1),…,Z(xn)和變異函數(shù)模型來(lái)預(yù)測(cè)Z(xi)值, 最后將預(yù)測(cè)值放回到原始數(shù)據(jù)中去, 重復(fù)以上過(guò)程直到對(duì)所有觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行估值, 所以在所有的觀測(cè)點(diǎn)處既有實(shí)際觀測(cè)值又有估計(jì)值,用統(tǒng)計(jì)方法一一比較實(shí)際值和預(yù)測(cè)值。均方根誤差(RMSE)可以用來(lái)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值的接近程度。利用協(xié)同克里金(COK)相對(duì)于普通克里金(OK)的均方根誤差(RMSE)減少的百分?jǐn)?shù)(RRMSE)表示預(yù)測(cè)精度的提高程度。
RMSE=■ (10)
RRMSE=■×100%(11)
式中,Z(xi)和Z*(xi)分別為在xi處的測(cè)量值和預(yù)測(cè)值;n為樣點(diǎn)數(shù)。
3結(jié)果與分析
從表2可以看出,當(dāng)空氣濕度觀測(cè)值個(gè)數(shù)為46時(shí),協(xié)同克里金的RMSE值比采用了全部觀測(cè)值(77個(gè))的協(xié)同克里金的RMSE值降低了20.58%;比普通克里金的RMSE值降低了7.66%。試驗(yàn)證明,引入降水量作為協(xié)變量的協(xié)同克里金與普通克里金相比可以提高插值精度。同時(shí),也可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)空氣濕度樣本數(shù)為46個(gè)時(shí),比樣本數(shù)為77個(gè)的插值結(jié)果要好。因此,在樣本采樣存在困難時(shí),可以采用協(xié)同克里金插值,減少采樣點(diǎn)個(gè)數(shù),從而節(jié)省人力、物力和財(cái)力。
圖2a是選?。罚穫€(gè)站點(diǎn),經(jīng)普通克里金內(nèi)插的東北三省平均濕度分布圖,圖2b是選取77個(gè)站點(diǎn),由協(xié)同克里金插值后的東北三省平均濕度分布圖。圖3a是選?。矗秱€(gè)站點(diǎn),經(jīng)普通克里金內(nèi)插的東北三省平均濕度分布圖,圖3b是選取46個(gè)站點(diǎn),由協(xié)同克里金插值后的東北三省平均濕度分布圖。由圖中可以看出,本試驗(yàn)區(qū)內(nèi)最大空氣濕度值集中分布在東北平原,并沿東、西、北逐漸降低。最小值則集中在西邊的大興安嶺一帶。
降水量作為協(xié)變量來(lái)進(jìn)行CoKriging的插值,從表2可以看到,與Ordinary Kriging相比可以提高插值精度。當(dāng)空氣濕度的樣本數(shù)為77個(gè)觀測(cè)值時(shí),CoKriging方法比Ordinary Kriging的插值方法的均方根誤差RMSE值降低了2.02%;當(dāng)減少主變量的樣本數(shù),空氣濕度的樣本數(shù)從中選取較完整的46個(gè)站點(diǎn)時(shí),CoKriging方法比Ordinary Kriging的插值方法的均方根誤差RMSE值降低了7.66%。從中可以發(fā)現(xiàn),引入了高程作為協(xié)變量的協(xié)同克里金插值方法效果更佳。另一方面,減少了主變量的(只選?。矗秱€(gè)站點(diǎn)的觀測(cè)值)的CoKriging方法比77個(gè)站點(diǎn)的CoKriging方法均方根誤差RMSE降低了20.58%,插值結(jié)果更好。因此,試驗(yàn)結(jié)果表明,CoKriging不但可以提高插值精度,而且可以在一定程度上減少實(shí)地觀測(cè)樣本數(shù),從而可以省時(shí)省力節(jié)省資金。
4小結(jié)與討論
以東北三省東經(jīng) 119.7°~132.97°,北緯 38.9°~52.97°區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)。利用該地區(qū)1970-2009 年全年氣象站的空氣相對(duì)濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)的40年平均值, 分別采用普通克里金和協(xié)同克里金空間內(nèi)插方法,對(duì)兩種不同方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。而且選用不同的樣本數(shù)量來(lái)估計(jì)該區(qū)的空氣濕度,對(duì)不同樣本數(shù)量的空氣濕度的協(xié)同克里金的插值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明,CoKriging不但可以提高插值精度,而且可以在一定程度上減少實(shí)地觀測(cè)樣本數(shù),從而可以節(jié)省人力財(cái)力和物力。
由于空氣濕度不僅與降水量有關(guān),還與氣溫、日照時(shí)間、經(jīng)度緯度、海拔等都有關(guān)系,要想提高空氣相對(duì)濕度的插值精度,還要進(jìn)一步考慮這些因素的影響。同時(shí),由于氣象臺(tái)站分布稀疏,且空間分布不均勻,而且不可避免的存在缺測(cè),導(dǎo)致局部地區(qū)誤差較大,對(duì)空間插值而言,要想提高精度,能夠反映數(shù)據(jù)空間變化趨勢(shì)和周期的合理的采樣設(shè)計(jì)是必要的前提。在后續(xù)研究中,對(duì)缺測(cè)數(shù)據(jù),可以先進(jìn)行填補(bǔ)再進(jìn)行插值,或者采用專門針對(duì)這種復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的統(tǒng)計(jì)模型來(lái)進(jìn)行研究。而且東北地區(qū)冬天干燥夏天濕潤(rùn),在下一步研究中還可以考慮時(shí)間的周期性,在空間插值過(guò)程中將時(shí)間結(jié)合起來(lái),以解決空氣濕度的時(shí)空分布問(wèn)題。
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[5] 孫力,安剛,丁立,等.中國(guó)東北地區(qū)夏季降水異常的氣候分析[J].氣象學(xué)報(bào),2000,58(1):70-82.
[6] 閆慶武,卞正富,王紅.利用泰森多邊形和格網(wǎng)平滑的人口密度空間化研究——以徐州市為例[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2011,36(8):987-990.
[7] OLIVER M A,WEBSTER R. Kriging: A method of interpolation for geographical information systems[J]. International Journal of Geographical Information Systems,1990,4(3):313-332.
[8] LOUIS D E. Pollution models and inverse distance weighting: Some critical remarks[J]. Computers & Geosciences,2013,52:459-469.
[9] 胡緒福,唐瑋,王博,等.趨勢(shì)面分析法應(yīng)用效果研究——以YL油田某區(qū)塊為例[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010, 7(3):536-538.
[10] 劉小飛,張寄陽(yáng),劉祖貴,等.噴灌大田土壤水分不同空間插值方法對(duì)比分析[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào),2008,27(4):116-118.
[11] 薛毅,陳立萍.R統(tǒng)計(jì)建模與R軟件[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2007.
[12] 鄧羽,劉盛和,姚峰峰,等.基于協(xié)同克里格的基準(zhǔn)地價(jià)評(píng)估及空間結(jié)構(gòu)分析[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2009,42(3):403-408.
[13] 張仁鐸.空間變異理論及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)技術(shù)出版社,2005.
[14] 龐夙,李廷軒,王永東.縣域農(nóng)田土壤銅含量的協(xié)同克里格插值及采樣數(shù)量?jī)?yōu)化[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,42(8):2828-2836.
[15] GOOVAERTS P. Geostatistics for Natural Resources Evaluation[M]. New York:Oxford University Press,1997.
圖2a是選?。罚穫€(gè)站點(diǎn),經(jīng)普通克里金內(nèi)插的東北三省平均濕度分布圖,圖2b是選?。罚穫€(gè)站點(diǎn),由協(xié)同克里金插值后的東北三省平均濕度分布圖。圖3a是選?。矗秱€(gè)站點(diǎn),經(jīng)普通克里金內(nèi)插的東北三省平均濕度分布圖,圖3b是選?。矗秱€(gè)站點(diǎn),由協(xié)同克里金插值后的東北三省平均濕度分布圖。由圖中可以看出,本試驗(yàn)區(qū)內(nèi)最大空氣濕度值集中分布在東北平原,并沿東、西、北逐漸降低。最小值則集中在西邊的大興安嶺一帶。
降水量作為協(xié)變量來(lái)進(jìn)行CoKriging的插值,從表2可以看到,與Ordinary Kriging相比可以提高插值精度。當(dāng)空氣濕度的樣本數(shù)為77個(gè)觀測(cè)值時(shí),CoKriging方法比Ordinary Kriging的插值方法的均方根誤差RMSE值降低了2.02%;當(dāng)減少主變量的樣本數(shù),空氣濕度的樣本數(shù)從中選取較完整的46個(gè)站點(diǎn)時(shí),CoKriging方法比Ordinary Kriging的插值方法的均方根誤差RMSE值降低了7.66%。從中可以發(fā)現(xiàn),引入了高程作為協(xié)變量的協(xié)同克里金插值方法效果更佳。另一方面,減少了主變量的(只選?。矗秱€(gè)站點(diǎn)的觀測(cè)值)的CoKriging方法比77個(gè)站點(diǎn)的CoKriging方法均方根誤差RMSE降低了20.58%,插值結(jié)果更好。因此,試驗(yàn)結(jié)果表明,CoKriging不但可以提高插值精度,而且可以在一定程度上減少實(shí)地觀測(cè)樣本數(shù),從而可以省時(shí)省力節(jié)省資金。
4小結(jié)與討論
以東北三省東經(jīng) 119.7°~132.97°,北緯 38.9°~52.97°區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)。利用該地區(qū)1970-2009 年全年氣象站的空氣相對(duì)濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)的40年平均值, 分別采用普通克里金和協(xié)同克里金空間內(nèi)插方法,對(duì)兩種不同方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。而且選用不同的樣本數(shù)量來(lái)估計(jì)該區(qū)的空氣濕度,對(duì)不同樣本數(shù)量的空氣濕度的協(xié)同克里金的插值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明,CoKriging不但可以提高插值精度,而且可以在一定程度上減少實(shí)地觀測(cè)樣本數(shù),從而可以節(jié)省人力財(cái)力和物力。
由于空氣濕度不僅與降水量有關(guān),還與氣溫、日照時(shí)間、經(jīng)度緯度、海拔等都有關(guān)系,要想提高空氣相對(duì)濕度的插值精度,還要進(jìn)一步考慮這些因素的影響。同時(shí),由于氣象臺(tái)站分布稀疏,且空間分布不均勻,而且不可避免的存在缺測(cè),導(dǎo)致局部地區(qū)誤差較大,對(duì)空間插值而言,要想提高精度,能夠反映數(shù)據(jù)空間變化趨勢(shì)和周期的合理的采樣設(shè)計(jì)是必要的前提。在后續(xù)研究中,對(duì)缺測(cè)數(shù)據(jù),可以先進(jìn)行填補(bǔ)再進(jìn)行插值,或者采用專門針對(duì)這種復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的統(tǒng)計(jì)模型來(lái)進(jìn)行研究。而且東北地區(qū)冬天干燥夏天濕潤(rùn),在下一步研究中還可以考慮時(shí)間的周期性,在空間插值過(guò)程中將時(shí)間結(jié)合起來(lái),以解決空氣濕度的時(shí)空分布問(wèn)題。
參考文獻(xiàn):
[1] 姜曉燕,劉樹(shù)華,馬明敏,等.東北地區(qū)近百年降水時(shí)間序列變化規(guī)律的小波分析[J].地理研究,2009,28(2):354-362.
[2] 吳正方,靳英華,劉吉平,等.東北地區(qū)植被分布全球氣候變化區(qū)域響應(yīng)[J].地理科學(xué),2003,23(5):564-570.
[3] 李莎,舒紅,徐正全.利用時(shí)空Kriging進(jìn)行氣溫插值研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2012,37(2):237-241.
[4] 賀偉,布仁倉(cāng),熊在平,等.1961-2005年?yáng)|北地區(qū)氣溫和降水變化趨勢(shì)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(2):519-531.
[5] 孫力,安剛,丁立,等.中國(guó)東北地區(qū)夏季降水異常的氣候分析[J].氣象學(xué)報(bào),2000,58(1):70-82.
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[10] 劉小飛,張寄陽(yáng),劉祖貴,等.噴灌大田土壤水分不同空間插值方法對(duì)比分析[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào),2008,27(4):116-118.
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降水量作為協(xié)變量來(lái)進(jìn)行CoKriging的插值,從表2可以看到,與Ordinary Kriging相比可以提高插值精度。當(dāng)空氣濕度的樣本數(shù)為77個(gè)觀測(cè)值時(shí),CoKriging方法比Ordinary Kriging的插值方法的均方根誤差RMSE值降低了2.02%;當(dāng)減少主變量的樣本數(shù),空氣濕度的樣本數(shù)從中選取較完整的46個(gè)站點(diǎn)時(shí),CoKriging方法比Ordinary Kriging的插值方法的均方根誤差RMSE值降低了7.66%。從中可以發(fā)現(xiàn),引入了高程作為協(xié)變量的協(xié)同克里金插值方法效果更佳。另一方面,減少了主變量的(只選?。矗秱€(gè)站點(diǎn)的觀測(cè)值)的CoKriging方法比77個(gè)站點(diǎn)的CoKriging方法均方根誤差RMSE降低了20.58%,插值結(jié)果更好。因此,試驗(yàn)結(jié)果表明,CoKriging不但可以提高插值精度,而且可以在一定程度上減少實(shí)地觀測(cè)樣本數(shù),從而可以省時(shí)省力節(jié)省資金。
4小結(jié)與討論
以東北三省東經(jīng) 119.7°~132.97°,北緯 38.9°~52.97°區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)。利用該地區(qū)1970-2009 年全年氣象站的空氣相對(duì)濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)的40年平均值, 分別采用普通克里金和協(xié)同克里金空間內(nèi)插方法,對(duì)兩種不同方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。而且選用不同的樣本數(shù)量來(lái)估計(jì)該區(qū)的空氣濕度,對(duì)不同樣本數(shù)量的空氣濕度的協(xié)同克里金的插值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明,CoKriging不但可以提高插值精度,而且可以在一定程度上減少實(shí)地觀測(cè)樣本數(shù),從而可以節(jié)省人力財(cái)力和物力。
由于空氣濕度不僅與降水量有關(guān),還與氣溫、日照時(shí)間、經(jīng)度緯度、海拔等都有關(guān)系,要想提高空氣相對(duì)濕度的插值精度,還要進(jìn)一步考慮這些因素的影響。同時(shí),由于氣象臺(tái)站分布稀疏,且空間分布不均勻,而且不可避免的存在缺測(cè),導(dǎo)致局部地區(qū)誤差較大,對(duì)空間插值而言,要想提高精度,能夠反映數(shù)據(jù)空間變化趨勢(shì)和周期的合理的采樣設(shè)計(jì)是必要的前提。在后續(xù)研究中,對(duì)缺測(cè)數(shù)據(jù),可以先進(jìn)行填補(bǔ)再進(jìn)行插值,或者采用專門針對(duì)這種復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的統(tǒng)計(jì)模型來(lái)進(jìn)行研究。而且東北地區(qū)冬天干燥夏天濕潤(rùn),在下一步研究中還可以考慮時(shí)間的周期性,在空間插值過(guò)程中將時(shí)間結(jié)合起來(lái),以解決空氣濕度的時(shí)空分布問(wèn)題。
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[1] 姜曉燕,劉樹(shù)華,馬明敏,等.東北地區(qū)近百年降水時(shí)間序列變化規(guī)律的小波分析[J].地理研究,2009,28(2):354-362.
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[10] 劉小飛,張寄陽(yáng),劉祖貴,等.噴灌大田土壤水分不同空間插值方法對(duì)比分析[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào),2008,27(4):116-118.
[11] 薛毅,陳立萍.R統(tǒng)計(jì)建模與R軟件[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2007.
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