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基于协同克里金空气湿度空间插值研究

湖北农业科学 2014年第9期53卷 2045-2049页

作者：胡丹桂舒红武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室武汉430079 武汉职业技术学院计算机技术与软件工程学院武汉430074

以东北三省(吉林、黑龙江、辽宁)38.90°-52.97°N,119.70°-132.97°E区域为试验区,利用东北三省1970-2009年气象站的空气相对湿度观测数据的40年平均值,采用普通克里金和协同克里金空间内插方法,估计试验区的空气湿度分布情况。结果表... 详细信息

以东北三省(吉林、黑龙江、辽宁)38.90°-52.97°N,119.70°-132.97°E区域为试验区,利用东北三省1970-2009年气象站的空气相对湿度观测数据的40年平均值,采用普通克里金和协同克里金空间内插方法,估计试验区的空气湿度分布情况。结果表明,空气相对湿度和降水量具有显著相关关系。当选取其中46个观测值时,引入了降水量作为协变量的协同克里金的插值方法比采用46个观测值的普通克里金的插值方法的均方根误差(RMSE值)降低了7.66%;当采用同样的协变量(77个降水量站点数据),46个湿度观测值的协同克里金比77个湿度观测值的协同克里金的精度更高,均方根误差降低了20.58%。因此,引入了降水量作为协变量的协同克里金插值方法提高了插值精度,并且使用协同克里金插值方法可以适度减少观测站点数量。

关键词：协同克里金插值湿度降水量

一种协同克里金类变复杂度近似模型辅助的稳健优化算法

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一种协同克里金类变复杂度近似模型辅助的稳健优化算法

作者：徐汉思华中科技大学

学位级别：硕士

稳健性优化设计的目的是在追求系统输出最佳性能的前提下,尽可能地使不确定性对于系统输出值的影响程度最低,在实际生产中具有十分重要的意义。在现代的产品优化设计领域中,仿真模拟已经成为了设计优化领域中必不可少的手段。随着科技... 详细信息

稳健性优化设计的目的是在追求系统输出最佳性能的前提下,尽可能地使不确定性对于系统输出值的影响程度最低,在实际生产中具有十分重要的意义。在现代的产品优化设计领域中,仿真模拟已经成为了设计优化领域中必不可少的手段。随着科技不断发展,仿真能够达到的精度也不断提升,但与之伴随而来的是时间成本与资源消耗的剧增。稳健性优化设计的应用也掣肘于这些实际成本问题。近似模型能够代替昂贵的仿真模拟,同时保证初始问题还原的准确性,能够在一定程度上降低计算成本。其中,变复杂度近似模型通过将低精度样本点和高精度样本点结合起来的手段,能够有效地取得近似模型预测性能和建模成本之间的平衡,在节约计算成本的同时确保更好的模拟效果,因而越来越受到优化设计领域研究者的重视。然而,现存的大多数方法中,很多都将近似模型看作确定性的真实模型来处理,忽略了客观存在的插值不确定性。而考虑了近似模型不确定性的方法,又忽略了其他不确定性,又或者局限于模型的选择。在这篇文章中,一个基于协同克里金的变复杂度近似模型辅助的稳健优化算法被提出用来解决这个问题。本文提出的方法结合了低精度样本点和高精度样本点建立协同克里金变复杂度近似模型,并且对客观存在的不确定性进行了综合量化考虑(同时考虑模型不确定性,设计变量不确定性和参数不确定性)。该方法的有效性在数学算例中得到了验证。该方法进一步完善了近似模型辅助的稳健型设计优化方法,保证了稳健性设计优化最优解的有效性。

关键词：协同克里金变复杂度近似模型稳健性优化不确定性量化

基于随机森林协同克里金法的区域森林地上生物量制图——以粤北森林为例

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南京林业大学学报（自然科学版） 2024年第1期48卷 169-178页

作者：周友锋谢秉楼李明诗南京林业大学林草学院、水土保持学院南方现代林业协同创新中心江苏南京210037 浙江省森林资源监测中心浙江杭州310020

【目的】森林地上生物量(aboveground biomass,AGB)是森林生态系统健康状态和碳汇潜力评估的重要指标,本研究提出了一种快速、准确地获取区域尺度AGB信息的制图方法。【方法】基于Landsat 5 TM、ALOS-1 PALSAR-1、STRM DEM和国家森林资... 详细信息

【目的】森林地上生物量(aboveground biomass,AGB)是森林生态系统健康状态和碳汇潜力评估的重要指标,本研究提出了一种快速、准确地获取区域尺度AGB信息的制图方法。【方法】基于Landsat 5 TM、ALOS-1 PALSAR-1、STRM DEM和国家森林资源清查数据,提取光谱特征、纹理指数、后向散射系数和地形因子等特征因子,采用随机森林进行AGB建模。考虑到AGB是典型的具有空间自相关特性的生物物理参量,针对模型残差,使用以高程为协变量的克里金空间插值法分离残差项中的结构化成分,并将其叠加到随机森林模型预测值上形成最终的AGB预测值,从而提高区域尺度的AGB制图精度。【结果】协同克里金法将高程数据作为协变量,在预测AGB残差结构化成分方面的性能优于普通克里金法,协同克里金法与随机森林协同的AGB预测性能明显提升。经独立AGB数据的模型验证表明,随机森林模型预测的AGB与实际观测的AGB间的决定系数R^(2)为0.46,随机森林结合普通克里金的验证R^(2)提高到了0.51,而随机森林结合协同克里金模型的验证R^(2)为0.57。相应的均方根误差(RMSE)分别从32.48 t/hm^(2)降低到31.58、29.80 t/hm^(2),平均绝对误差(MAE)从27.28 t/hm^(2)降低到26.63、25.12 t/hm^(2),相对改进指数为0.03和0.08。【结论】总体而言,本研究提出的随机森林协同克里金模型提供了一种更准确、可靠地进行复杂地形区域的亚热带森林AGB制图新方法,所生成的AGB专题图有助于发展针对固碳效能的森林经营方法,为全球气候变化背景下的森林碳增汇和森林可持续经营提供参考。

关键词：森林地上生物量随机森林协同克里金 ALOS-1 PALSAR-1 Landsat 5 TM 国家森林资源连续清查粤北地区

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黄淮海平原不同土地利用方式下土壤呼吸空间变异预测

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水土保持研究 2024年第2期31卷 101-109,121页

作者：李键薛澄杨扬谢梦姣彭正萍王洋河北农业大学资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室河北保定071000 河北农业大学国土资源学院河北保定071000

[目的]探究土壤呼吸的空间变异特征及协同克里金法预测土壤呼吸准确性,从而为精准预测陆地不同生态系统土壤碳收支研究提供数据参考。[方法]选取黄淮海平原北部典型耕地、草地和林地作为研究样区,基于表征土壤理化性质的辅助指标用协同... 详细信息

[目的]探究土壤呼吸的空间变异特征及协同克里金法预测土壤呼吸准确性,从而为精准预测陆地不同生态系统土壤碳收支研究提供数据参考。[方法]选取黄淮海平原北部典型耕地、草地和林地作为研究样区,基于表征土壤理化性质的辅助指标用协同克里金法对土壤呼吸进行了预测,以评估其与普通克里金法预测的精准度。[结果]土壤呼吸在不同土地利用方式的研究样区均呈现中等程度变异,变异系数分别为33%(耕地),24%(草地)和31%(林地)。土壤呼吸空间相关距离由大到小依次是林地(15.12 m)、耕地(3.83 m)和草地(2.47 m)。基于相关分析和协同克里金法模拟确定土壤呼吸空间变异最优辅助指标,在耕地为碳磷比(C/P)、氮磷比(N/P)和土壤pH值;草地和林地除共有辅助指标土壤水分(SM)和土壤温度(ST5)外,土壤pH值和气温(TEMP)依次为其二者特有的辅助指标。土壤呼吸空间变异预测表明协同克里金均比普通克里金法插值精度高,其在草地提升最为明显,平均绝对误差(MAE)、平均相对误差(MRE)、均方根误差(RMSE)和平均标准误差(MSE)分别提高10.14%,9.82%,9.10%,10.87%,在林地中各误差精度提高介于4.78%(MAE)~12.09%(MRE),在耕地中预测精度提升最小,协同克里金法比普通克里金法预测精度仅平均提高3.27%。[结论]土壤呼吸的影响因子作为辅助变量的协同克里金法可以更准确地预测林地、耕地和草地土壤呼吸的空间变异特征。

关键词：土壤呼吸(SR) 普通克里金协同克里金土地利用地统计

基于SMOTE辅助分区误差控制的随机森林土壤重金属含量预测模型

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农业资源与环境学报 2024年

作者：陈敏董泽馨秦莉张晨晨张彦儒孙思佳农业农村部环境保护科研监测所中国农业科学院湘潭综合实验站东北农业大学资源与环境学院

土壤中重金属空间分布的准确预测是制定科学合理的土地利用规划以及构建有效风险管理措施的关键环节。本研究旨在探索一种结合合成少数类过采样技术（Synthetic Minority Oversampling Technique， SMOTE）和分区误差控制混合策略的随... 详细信息

土壤中重金属空间分布的准确预测是制定科学合理的土地利用规划以及构建有效风险管理措施的关键环节。本研究旨在探索一种结合合成少数类过采样技术（Synthetic Minority Oversampling Technique， SMOTE）和分区误差控制混合策略的随机森林（RF）模型，利用长株潭（长沙市、株洲市和湘潭市）区域8种重金属元素（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn）及29项环境辅助变量数据，开展区域土壤重金属空间预测精度比较研究。本研究构建的模型与全区及分区随机森林建模方法进行了比较分析，同时，也与三种经典地统计学方法——普通克里金（OK）、协同克里金（CK）和反距离加权法（IDW）进行了对比。结果表明：相较于全区建模方法，本研究模型在预测Cd、Cr、Hg、Ni、Pb和Zn 6种重金属含量方面的R2指标分别提升了15.87%～35.39%；与分区建模方法相比，所有8种重金属的预测精度也有了显著提高，R值的增幅为3.03%～66.86%。与地统计学方法比较，本模型在Cd、Cr、Hg、Pb和Zn 5种重金属预测中表现出优越性，与普通克里金、协同克里金和反距离加权法相比，R值分别提升了2.45%～13.80%、15.09%～89.95%、1.57%～102.91%。本研究探索的混合策略模型显著提高了长株潭区域土壤中8种重金属元素的预测准确度，表明SMOTE技术和分区误差控制策略的结合应用在环境科学领域内的巨大潜力。该模型不仅在预测精度上超越了传统模型和方法，还为环境监测和管理提供了一种有效的新工具。

关键词：土壤重金属预测随机森林 SMOTE过采样普通克里金协同克里金反距离加权

巴音布鲁克山区暖季人工增水作业区域的合理性分析

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沙漠与绿洲气象 2024年

作者：刁鹏李刚仇会民艾沙江·卡德巴音郭楞蒙古自治州气象局

受经济、技术、装备等影响，地面人工增水作业更具普适性，但其精准作业难度高，导致人工增水作业效果的提升较为困难。为此，基于2017—2022年5—9月巴音布鲁克山区18个观测站点的逐日气象资料，利用协同克里金插值法，K-Means聚类分... 详细信息

受经济、技术、装备等影响，地面人工增水作业更具普适性，但其精准作业难度高，导致人工增水作业效果的提升较为困难。为此，基于2017—2022年5—9月巴音布鲁克山区18个观测站点的逐日气象资料，利用协同克里金插值法，K-Means聚类分组法，基于降水特征的空间分布，从宏观层面上对人工增水作业布局的合理性开展分析，以期科学化开展增水作业，从而有效提高作业效益。结果显示：（1）在空间插值中，小雨的相对误差最小，插值精度最高，而大到暴雨相反，导致“平滑效应”明显，不确定性较大。（2）暖季月均降水量自西向东呈减少趋势，高值区多位于中部和东北部沿山区域，发生的降水事件以小雨为主，而大到暴雨虽然频率低，次数少，但和小雨一样是影响降水量变化的主要量级。（3）现用人工增水作业点的适宜性大多一般，受小雨和中雨月均频率的空间分布影响较大，而在宏观地理上，西部作业点布设的适宜性较东部高。（4）降水空间分布受西风环流和地势影响较大，因而作业布局合理性上，西部区域和北部区域最好。（5）根据地理及风向特点，北部地势复杂，适宜选择西低东高的山面建立地面烟炉，西部地势平坦，适宜建立作业方向为NNW或ENE的流动火箭。

关键词：人工增水协同克里金作业布局巴音布鲁克

结合DEM的短时强降水空间分布特征分析——以广州市为例

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气象水文海洋仪器 2024年第2期41卷 63-65,69页

作者：问楠臻焦玚蔡顺明朱丽媛伍瑞林何耀斌广州市荔湾区气象局广州510150 广州市气象台广州511430

利用广州市2014—2023年316个自动气象站逐时降水数据对近10年短时强降水频次进行统计,引入数字高程模型,运用协同克里金空间插值法,对不同时间尺度的短时强降水频次空间分布特征进行深入分析。结果表明:广州市短时强降水呈现中东部多... 详细信息

利用广州市2014—2023年316个自动气象站逐时降水数据对近10年短时强降水频次进行统计,引入数字高程模型,运用协同克里金空间插值法,对不同时间尺度的短时强降水频次空间分布特征进行深入分析。结果表明:广州市短时强降水呈现中东部多、西部和南部相对较少的特征,有4个高发中心;前汛期短时强降水频次和范围均高于后汛期;4—6月广州北部和东部山地、丘陵地区短时强降水频发,7—8月呈现局地散发特征,9月中心城区频发;广州中南部地区在早晨至中午最易出现短时强降水,中北部丘陵地带则多发于夜间。

关键词：短时强降水空间分布数字高程模型协同克里金

基于综合环境因子的协同克里金法分析茎柔鱼资源丰度空间分布

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海洋学报 2017年第2期39卷 62-71页

作者：方学燕陈新军冯永玖陈芃上海海海洋大学海洋科学学院上海201306 国家远洋渔业工程技术研究中心上海201306 上海海洋大学大洋渔业可持续开发教育部重点实验室上海201306 远洋渔业协同创新中心上海201306

茎柔鱼是我国重要的远洋捕捞对象之一,研究其资源丰度空间分布问题,有助于更好地理解茎柔鱼的生态习性,并提高我国鱿钓渔船的生产效率。本文利用上海海洋大学鱿钓技术组提供的2003-2012年6-9月秘鲁外海茎柔鱼捕捞数据,结合海表面温度(SS... 详细信息

茎柔鱼是我国重要的远洋捕捞对象之一,研究其资源丰度空间分布问题,有助于更好地理解茎柔鱼的生态习性,并提高我国鱿钓渔船的生产效率。本文利用上海海洋大学鱿钓技术组提供的2003-2012年6-9月秘鲁外海茎柔鱼捕捞数据,结合海表面温度(SST),海表面高度(SSH),海表面盐度(SSS)和叶绿素浓度(Chl a)进行协同克里金插值预测其资源丰度的空间分布。为了解决协同克里金插值中4个环境因子的权重问题,本文将4个环境因子进行归一化处理,利用主成分分析方法将其整合为单一综合环境因子,以此作为协变量。将综合环境因子与单位捕捞努力量渔获量(CPUE)进行相关性检验后进行协同克里金插值,根据平均误差(ME),均方根误差(RMSE)和标准化均方根(RMSSE)对插值结果评价,探讨此种方法的可行性。研究结果认为:(1)主成分分析方法获得的6-9月份的综合环境因子均与CPUE具有显著相关性;(2)6-7月份ME分别为0.002 6和0.002 5,预测准确性很高,平均预测结果稍高于实际观测值;而8-9月份的ME分别为-0.007 8和-0.000 2,预测准确性较高,平均预测结果稍低于实际观测值。6月份的RMSE估值精度最高,8月份的估值精度最低。6-7月份的RMSSE值小于1,说明都高估了预测的不确定性,8-9月份的RMSSE值大于1,说明都低估了预测的不确定性,则在6-9月份中的预测精度和准确性上会有一定程度的偏差。从ME、RMSE和RMSSE三者综合来看,6-9月的预测值具有一定的可靠性。

关键词：茎柔鱼空间分布综合环境因子协同克里金秘鲁外海

粒子群优化协同克里金法在确定山地斜坡土层厚度中的应用

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土木建筑与环境工程 2018年第6期40卷 60-66页

作者：王桂林向林川孙帆重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室重庆400045 重庆大学土木工程学院重庆400045

克里金法是广泛应用的空间插值方法,但仅考虑单一因素的普通克里金法在确定山地斜坡土层厚度中存在较大误差。针对普通克里金法中的不足之处,提出了一种确定土层厚度的基于粒子群优化的协同克里金法。该方法首先用粒子群优化算法拟合半... 详细信息

克里金法是广泛应用的空间插值方法,但仅考虑单一因素的普通克里金法在确定山地斜坡土层厚度中存在较大误差。针对普通克里金法中的不足之处,提出了一种确定土层厚度的基于粒子群优化的协同克里金法。该方法首先用粒子群优化算法拟合半变异函数,然后将该函数用于以高程值作为辅助变量的协同克里金法中,并根据均方根误差来评价土层厚度的不确定性。将该方法应用于重庆万盛某边坡土层厚度的确定,通过交叉验证,结果表明:与普通克里金插值法相比较,考虑高程的协同克里金法插值的均方根误差降低了39.32%;基于粒子群优化的普通克里金法和协同克里金法的均方根误差分别降低了28.79%和48.45%。基于粒子群优化的协同克里金插值法对提高土层厚度的插值精度有较大作用。

关键词：克里金协同克里金土层厚度空间插值粒子群优化算法