空间数据插值.ppt
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1、空间数据插值空间数据插值现在学习的是第1页,共28页 所谓空间数据插值,即通过探寻收集到的样点/样方数据的规律,外推/内插到整个研究区域为面数据的方法.即根据已知区域的数据求算待估区域值,影响插值精度的主要因素就是插值法的选取.现在学习的是第2页,共28页空间数据插值方法的基本原理空间数据插值方法的基本原理:任何一种空间数据插值法都是基于任何一种空间数据插值法都是基于空间相关性空间相关性的基础上进行的。即空间位置的基础上进行的。即空间位置上越靠近上越靠近,则事物或现象就越相似则事物或现象就越相似,空间位置越远空间位置越远,则越相异或者越不相关,则越相异或者越不相关,体现了事物体现了事物/现象对
2、空间位置的依赖关系。现象对空间位置的依赖关系。(http:/ n由于经典统计建模通常要求因变量是由于经典统计建模通常要求因变量是纯随机独立变量纯随机独立变量,而空间插值,而空间插值则要求插值变量具备某种程度的则要求插值变量具备某种程度的空间自相关性空间自相关性的具随机性和结构性的具随机性和结构性的区域化变量。即区域内部是随机的,与位置无关的,而在整体的的区域化变量。即区域内部是随机的,与位置无关的,而在整体的空间分布上又是有一定的规律可循的,空间分布上又是有一定的规律可循的,这也是不宜用简单的统计分析这也是不宜用简单的统计分析方法进行插值预估的原因。方法进行插值预估的原因。从而空间统计学应用而
3、生。从而空间统计学应用而生。n n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。越均匀越好。现在学习的是第3页,共28页常用的空间数据插值方法之一:趋势面常用的空间数据插值方法之一:趋势面分析分析n n趋势面分析(趋势面分析(Trend analystTrend analyst)。严格来说趋势面分)。严格来说趋势面分析并不是在一种空间数据插值法。它是根据采样点析并不是在一种空间数据插值法。它是根据采样点的地理坐标的地理坐标X X,Y Y值与样点的属性值与样点的属性Z Z值建立多元回值建立多元回
4、归模型,前提假设是,归模型,前提假设是,Z Z值是独立变量且呈正态分值是独立变量且呈正态分布,其回归误差与位置无关。布,其回归误差与位置无关。n n根据自行设置的参数可建立线性、二次根据自行设置的参数可建立线性、二次或或n n次次多项式回归模型,从而得到不同的拟合平面,可以是多项式回归模型,从而得到不同的拟合平面,可以是平面,亦可以是曲面。精度以最小二乘法进行验证。平面,亦可以是曲面。精度以最小二乘法进行验证。现在学习的是第4页,共28页常用的空间数据插值方法之一:趋势面分析常用的空间数据插值方法之一:趋势面分析n n趋势面分析中,将趋势面分析中,将Z Z值分解成如下等式:值分解成如下等式:Z
5、=+Z=+全局趋势局部变异全区的,规模较大的地理过程的反映变化缓慢规模较小的局部区域的地理过程变化较快,局部异常,由于空间数据不具备重复抽样条件,所以通常将后两项合并。趋势值即回归值,而后两项将合并到拟合残差中。在趋势面拟合中,空间位置以平面坐标为佳,即将经纬度坐标转换为以米为单位的平面大地坐标。通常趋势面分析用于分析趋势和异常而不追求高的拟合精度,一般达到60-80%,阶数在1-4之间即可。拟合精度按R2系数和F值检验。随机干扰抽样误差或观测误差,不含系统误差现在学习的是第5页,共28页常用的空间数据插值方法之一:趋势面分常用的空间数据插值方法之一:趋势面分析析 由上述可知,趋势面分析是经典
6、统计学在点数据进行空间展面上的应用,属于全局多项式插值,即对整个研究区域用一个多项式进行拟合。它的缺点在于:当研究区域范围较大,地形很复杂时,需要用高阶多项式拟合以提高精度,但高阶将增加其计算成本,因而需要进行改进。现在学习的是第6页,共28页常用的空间数据插值方法之二:局常用的空间数据插值方法之二:局部多项式插值部多项式插值 局部多项式插值(Local Polynomial Interpolation):用多个多项式进行拟合。每个多项式都只在特定重叠的邻近区域内有效,通过设定搜索半径和方向的来定义邻近区域。显然,局部多项式插值是对全局多项式,即趋势面拟合的一大显然,局部多项式插值是对全局多项
7、式,即趋势面拟合的一大改进。这里涉及到一个搜索邻域的概念。改进。这里涉及到一个搜索邻域的概念。现在学习的是第7页,共28页n n从空间自相关性的概念可知,空间上越靠近,属性就越相似,从空间自相关性的概念可知,空间上越靠近,属性就越相似,相关性也越高。那么,两个样点间在多远的相关性也越高。那么,两个样点间在多远的距离距离内所具备相关内所具备相关性可以不考虑,或者其相关将消失呢?可以根据经验或专业背性可以不考虑,或者其相关将消失呢?可以根据经验或专业背景找出这么一个阈值,作为邻近区域的半径。景找出这么一个阈值,作为邻近区域的半径。n n同时,如果其自相关性在不同的方向上消失的距离值也不同同时,如果
8、其自相关性在不同的方向上消失的距离值也不同的话,将还需要设置一个的话,将还需要设置一个方向值方向值以及以及长短两个半径值,此长短两个半径值,此时的邻近区域将呈椭圆时的邻近区域将呈椭圆。(如当属性值受风向影响较大时,。(如当属性值受风向影响较大时,应当将风向角度设置为搜索方向,即长半径所在的方向)应当将风向角度设置为搜索方向,即长半径所在的方向)空间数据插值之邻近区域:空间数据插值之邻近区域:现在学习的是第8页,共28页空间数据插值之邻近区域:空间数据插值之邻近区域:n n通过通过半径半径和和方向方向可以定义出一个以待估点为中心可以定义出一个以待估点为中心的区域的区域(圆或者椭圆)。(圆或者椭圆
9、)。n n此外,还可以通过限制参与某待估点值进行预测此外,还可以通过限制参与某待估点值进行预测的的样点数样点数来定义邻近区域。即参与某点预测的最多来定义邻近区域。即参与某点预测的最多样点数和最少样点数。样点数和最少样点数。n n在由半径和方向决定的区域内包含到的样点数为在由半径和方向决定的区域内包含到的样点数为0 0时,则扩大搜索区域使其达到最小样点数值。时,则扩大搜索区域使其达到最小样点数值。现在学习的是第9页,共28页空间数据插值之各向异性:空间数据插值之各向异性:在设定邻近区域时,提到了一个在设定邻近区域时,提到了一个方向参数方向参数。即当空间相关性沿各个方向上的消失距离。即当空间相关性
10、沿各个方向上的消失距离都一致时,其邻近区域应该是一个圆,如图都一致时,其邻近区域应该是一个圆,如图a a,叫各向同性。否则,如图,叫各向同性。否则,如图b b,在西,在西南南-东北方向上的消失距离明显小于东南东北方向上的消失距离明显小于东南-西北方向,则其邻近区域应当是一个西北方向,则其邻近区域应当是一个平行于东南平行于东南-西北方向的椭圆,其方向角度西北方向的椭圆,其方向角度(Angle DirectionAngle Direction)设为长轴与设为长轴与X X轴的角轴的角度值。图度值。图b b的现象即的现象即各向异性(各向异性(Anisotropy)Anisotropy)。(图片来源:图
11、片来源:Arcgis Desjktop HelpArcgis Desjktop Help文件文件)图中的图中的RangeRange(变程)(变程)参数,即自相关消失或不予考虑的半径值。图参数,即自相关消失或不予考虑的半径值。图b b中的中的Minor Range,Minor Range,最小变程最小变程,即相关性消失得最快的方向上的半径值,而,即相关性消失得最快的方向上的半径值,而Major RangeMajor Range,最,最大变程大变程即相关性消失最慢的方向上的半径值。即相关性消失最慢的方向上的半径值。图a图b现在学习的是第10页,共28页常用的空间数据插值方法之三:移动平均插常用的空
12、间数据插值方法之三:移动平均插值法(值法(Moving Average)n n移动平均插值法,通过设定邻近区域,取该区域内样移动平均插值法,通过设定邻近区域,取该区域内样点的平均值作为待估点的值。点的平均值作为待估点的值。n n移动平均插值适用于样点分布均匀、密集,而且移动平均插值适用于样点分布均匀、密集,而且变化缓慢的情况下,对缺失值进行填补。变化缓慢的情况下,对缺失值进行填补。n n移动平均主要用于消除随机干扰,即局部降噪功能。移动平均主要用于消除随机干扰,即局部降噪功能。n n移动平均插值的优势在于计算简便快速,但适移动平均插值的优势在于计算简便快速,但适用范围较窄。用范围较窄。现在学习
13、的是第11页,共28页常用的空间数据插值方法之四:线性三常用的空间数据插值方法之四:线性三角网法(角网法(Triangulaion with Linear Interpolation)n n线性三角网法是最佳的Delaunay三角形,连续样点数据间的连线形成三角形,覆盖整个研究区域,所有三角形的边都不相交。(即与构建TIN文件的原理一致)n n线性三角网法将在整个研究区域内均匀分配数据,地图上的稀疏区域会形成截然不同的三角面。现在学习的是第12页,共28页常用的空间数据插值方法之五:最近邻常用的空间数据插值方法之五:最近邻点插值法(点插值法(Nearest Neighbor)n n最近邻点插值
14、法,又称泰森多边形(最近邻点插值法,又称泰森多边形(ThiessenThiessen或或VoronoiVoronoi多边形)分析法。多边形)分析法。即在每个样点数据周边生成一个邻近区域,即即在每个样点数据周边生成一个邻近区域,即ThiessenThiessen多边形,多边形,使得每个使得每个多边形内的任意一点离其内部的样点最近,多边形内的任意一点离其内部的样点最近,在多边形内插值时在多边形内插值时只有其中只有其中心样点参与运算心样点参与运算,如图:,如图:n n最近邻点插值法同样只适用最近邻点插值法同样只适用 于样点分布均匀、紧密完整,于样点分布均匀、紧密完整,且只有少数缺失值时,对缺且只有少
15、数缺失值时,对缺 失值进行填补失值进行填补现在学习的是第13页,共28页常用的空间数据插值方法之六:自然邻常用的空间数据插值方法之六:自然邻近插值法(近插值法(Natural Neighbor)n n自然邻近插值法是对泰森多边形插值法的改进。它对研究区域内各点都赋予一自然邻近插值法是对泰森多边形插值法的改进。它对研究区域内各点都赋予一个权重系数,个权重系数,插值时使用邻点的权重平均值决定待估点的权重。插值时使用邻点的权重平均值决定待估点的权重。每完每完成一次估值就将新值纳入原样点数据集重新计算泰松多边形并重新赋权重,再成一次估值就将新值纳入原样点数据集重新计算泰松多边形并重新赋权重,再对下一待
16、估点进行估值运算。对下一待估点进行估值运算。n n对于由样点数据展面生成栅格数据而言,通过设置栅格大小(对于由样点数据展面生成栅格数据而言,通过设置栅格大小(cell cell size)size)来决定自然邻近插值中的泰森多边形的运行次数来决定自然邻近插值中的泰森多边形的运行次数n n,即,设整个,即,设整个研究区域的面积研究区域的面积areaarea,则有:,则有:n=area/cell sizen=area/cell sizen n可设置各向异性参数可设置各向异性参数 (半径和方向)来辅(半径和方向)来辅 助权重系数的计算。助权重系数的计算。现在学习的是第14页,共28页常用的空间数据插
17、值方法之七:反距离权重插值法常用的空间数据插值方法之七:反距离权重插值法常用的空间数据插值方法之七:反距离权重插值法常用的空间数据插值方法之七:反距离权重插值法(Inverse Distance Weighting,IDW)(Inverse Distance Weighting,IDW)n n反距离权重插值综合了泰森多边形的自然邻近法和多元回归渐变方法的长反距离权重插值综合了泰森多边形的自然邻近法和多元回归渐变方法的长处,在插值时为待估点处,在插值时为待估点Z Z值为值为邻近区域内所有数据点邻近区域内所有数据点都的都的距离加权平均值距离加权平均值,当有各向异性时,还要考虑当有各向异性时,还要考
18、虑方向权重方向权重。n n权重函数与待估点到样点间的距离的权重函数与待估点到样点间的距离的U U次幂成反比,即随着距离增次幂成反比,即随着距离增大,权重呈幂函数递减。且对某待估点而言,其所有邻域的样点数大,权重呈幂函数递减。且对某待估点而言,其所有邻域的样点数的权重和为的权重和为1 1。n n决定反距离权重插值法结果的参数包括决定反距离权重插值法结果的参数包括距离的距离的U U次幂值次幂值的确定,同时还的确定,同时还取决于取决于确定邻近区域确定邻近区域的所使用的方法。此外,为消除样点数据的不均匀的所使用的方法。此外,为消除样点数据的不均匀分布的影响,还可设置引入一个分布的影响,还可设置引入一个
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