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时空克里格插值系统设计与实现

时空克里格插值系统设计与实现

作者：李佳琪华中农业大学

学位级别：硕士

时空地统计方法旨在利用多时期样点数据,对地理属性时空分布进行插值,已被应用于多个领域。但目前的地统计软件大多只支持空间地统计方法,缺乏时空建模与插值的相关功能,使得时空地统计方法的应用较为困难,难以推广。基于上述背景,本研... 详细信息

时空地统计方法旨在利用多时期样点数据,对地理属性时空分布进行插值,已被应用于多个领域。但目前的地统计软件大多只支持空间地统计方法,缺乏时空建模与插值的相关功能,使得时空地统计方法的应用较为困难,难以推广。基于上述背景,本研究通过Visual Studio 2019平台,基于C#语言开发时空克里格插值软件,实现时空样点数据读取、基本统计分析、时空试验变异函数计算、时空理论变异函数模型拟合和时空克里格插值等功能。本软件的成功开发,降低了一般用户对时空地统计方法的使用门槛,为地理属性时空建模与插值提供有效支撑。本文取得的主要结果如下:（1）梳理时空克里格技术流程:本文系统地梳理了时空地统计基础理论和方法流程,包括时空区域化变量的定义、时空试验变异函数的计算方法、基于遗传算法的时空理论变异模型拟合及时空克里格插值的计算方法。详细阐述了其中的技术细节,为时空克里格软件开发提供了理论和方法基础。（2）完成了模块设计:基于面向对象思想,根据时空克里格方法,将软件分为数据预处理、时空变异函数计算与模型拟合、时空克里格插值三个模块。并详细设计了每个模块的类,阐述了每个类中的成员变量含义和主要成员函数的实现逻辑,为软件实现提供了模型支持。（3）设计并实现了软件界面与功能:根据模块设计结果,在Visual Studio平台上,基于C#语言开发了时空克里格插值软件。按照算法流程,该软件分为5个界面,即数据导入、数据转换、试验变异函数计算、理论变异模型拟合和时空克里格插值。采用向导的方式,引导用户按步骤完成地理属性的时空建模与插值流程。并用湖北省某地区土壤Cd的时空样点为案例,验证了本软件的有效性和插值结果的正确性。本软件的开发,为地理属性时空建模与插值提供了有效支撑,为地理属性时空演变与机制分析提供了数据依据,同时,也将拓展时空地统计方法的应用领域。

关键词：时空插值时空变异函数时空克里格遗传算法软件开发

基于时空克里格的PM_(2.5)时空预测及分析

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环境科学与技术 2016年第7期39卷 157-163页

作者：梅杨党丽娜杨勇刘颖颖张若兮廖祥森张楚天华中农业大学资源与环境学院湖北武汉430070 农业部长江中下游耕地保育重点实验室湖北武汉430070

PM_(2.5)作为大气污染的一种,正受到社会越来越广泛的关注和研究,但大部分研究仅单独分析各样点PM_(2.5)浓度时间维度或空间维度特征,忽略了PM_(2.5)的时空维度变化。为综合考虑PM_(2.5)时空维度特征,该文以山东省2014年PM_(2.5)浓度监... 详细信息

PM_(2.5)作为大气污染的一种,正受到社会越来越广泛的关注和研究,但大部分研究仅单独分析各样点PM_(2.5)浓度时间维度或空间维度特征,忽略了PM_(2.5)的时空维度变化。为综合考虑PM_(2.5)时空维度特征,该文以山东省2014年PM_(2.5)浓度监测数据为对象,建立PM_(2.5)时空变异模型,利用时空克里格法对山东省全年PM_(2.5)浓度进行时空预测,得到时空分布立方体数据,最后基于该数据,对山东省PM_(2.5)污染特征作出分析。结果表明,2014年山东省整体PM_(2.5)污染严重。在空间上,中西部地区PM_(2.5)浓度超过75μg/m^3的天数超过290 d,存在持续性高危污染,东部小于37.5μg/m^3的天数超过146 d,存在间歇性轻微污染,且从西至东,PM_(2.5)污染天数和程度逐渐降低,具有明显地域性污染特征;在时间上,PM_(2.5)浓度最高时间段为1、2、11和12月,最低为6-8月,各季节污染程度依次为:冬季>秋季>春季>夏季。研究表明时空地统计方法能够有效地对空气质量进行时空预测,是挖掘更多的时空分布特征和信息,进行环境数据分析的有效手段。

关键词： PM2.5 时空克里格时空变异模型时空分析

融合时空克里格和机器学习的森林生物量估测方法研究

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融合时空克里格和机器学习的森林生物量估测方法研究

作者：罗龙新疆农业大学

学位级别：硕士

森林生物量是森林生态系统积累的植物有机物总量,森林生物量的精准估测对评估森林固碳能力和碳收支具有十分重要的意义。森林生物量的获得关键在于林木生物量的准确测定和估计,传统生物量测定方法精度高,但对生态系统有一定的破坏且难... 详细信息

森林生物量是森林生态系统积累的植物有机物总量,森林生物量的精准估测对评估森林固碳能力和碳收支具有十分重要的意义。森林生物量的获得关键在于林木生物量的准确测定和估计,传统生物量测定方法精度高,但对生态系统有一定的破坏且难以实现大尺度的森林生物量监测。近年来,遥感技术、机器学习和地统计方法在森林生物量研究中得到广泛应用。本研究以天山山脉西段为研究区,基于2001年、2006年、2011年和2016年四期新疆云杉森林资源清查数据筛选得到189个研究区样地,利用生物量异速生长模型估算单株云杉生物量进而计算样地云杉单位面积生物量,通过Arc GIS提取样地遥感数据、地形数据和气象数据,实现多源数据融合,利用SPSS进行相关性和共线性分析,筛选出与样地云杉单位生物量相关性高的变量作为回归建模的辅助变量,通过机器学习方法、时空克里格法以及模型融合技术构建天山云杉森林生物量估测模型,主要进行了以下研究:（1）样地生物量与多源数据的融合分析,将遥感、地形、气象三类辅助数据经过预处理后与天山云杉生物量样地数据进行融合,提取14个辅助变量。将变量与样地生物量进行相关性、显著性与共线性分析,最后筛选出7个辅助变量参与云杉生物量估测模型的构建。（2）构建机器学习和时空克里格估测模型,使用筛选出的7个辅助变量参与建模,利用多元回归、支持向量机、梯度提升决策树、随机森林方法构建机器学习估测模型,利用时空普通克里格方法构建时空克里格估测模型。（3）构建融合估测模型,优选梯度提升决策树和随机森林模型进行简单平均融合,结果表明,简单平均融合模型的精度高于其他机器学习模型,R达到0.535,将简单平均融合模型与时空普通克里格方法基于残差进行模型融合,构建时空回归克里格估测模型,通过评价指标分析评估各模型的预测精度,最优的是时空回归克里格模型,RMSE和RMSPE最低,R达到0.640,比简单平均融合模型提升了19.6%。

关键词：天山云杉森林生物量机器学习时空克里格模型融合

基于时空回归克里格和AOD数据的PM2.5时空插值

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环境监测管理与技术 2019年第6期31卷 12-16页

作者：杨雪杨勇李恩光刘亚军谭秀丽华中农业大学资源与环境学院湖北武汉430070 农业部长江中下游耕地保育重点实验室湖北武汉430070

基于京津冀地区2016年PM 2.5浓度监测数据和MOD04的10 km分辨率气溶胶数据,结合时空位置,建立PM 2.5回归模型,使用时空回归克里格方法对京津冀地区进行PM 2.5时空插值,对比研究时空回归克里格与只使用监测站数据的普通时空克里格方法的... 详细信息

基于京津冀地区2016年PM 2.5浓度监测数据和MOD04的10 km分辨率气溶胶数据,结合时空位置,建立PM 2.5回归模型,使用时空回归克里格方法对京津冀地区进行PM 2.5时空插值,对比研究时空回归克里格与只使用监测站数据的普通时空克里格方法的时空插值结果。结果表明,两种方法的插值结果时空趋势相同,京津冀地区东南部PM 2.5浓度较高,夏秋两季浓度低于春冬两季;时空回归克里格插值结果的均方根误差为26.1,时空克里格插值结果均方根误差为28.3,即兼顾时空趋势并结合气溶胶数据的时空回归克里格插值精度提高了约8%。

关键词：气溶胶光学厚度(AOD) PM 2.5 时空插值时空克里格回归克里格

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一种时空混合插值算法及其应用

测绘科学 2016年第12期41卷 265-269,306页

作者：张仲荣王亚领闫浩文兰州交通大学数理学院兰州730070 兰州大学数学与统计学院兰州730000 兰州交通大学测绘与地理信息学院兰州730070

针对传统的时空克里格算法的精度受到时空变异函数的影响,而时空变异函数理论模型的选择常受主观因素影响和理论半变异函数局限,没有普适性的建模方法;加之参数较多估计困难,致使插值精度不高的问题,该文提出一种普适性的基于广义回归... 详细信息

针对传统的时空克里格算法的精度受到时空变异函数的影响,而时空变异函数理论模型的选择常受主观因素影响和理论半变异函数局限,没有普适性的建模方法;加之参数较多估计困难,致使插值精度不高的问题,该文提出一种普适性的基于广义回归神经网络自适应时空克里格插值变异函数拟合方法,在此基础上建立了广义回归神经网络与时空克里格结合的新颖时空混合插值算法。通过与传统插值方法在民勤县地下水埋深插值中的比较研究表明,该时空混合插值算法的插值精度显著提高,并且是一个普适性的插值法。

关键词：时空克里格变异函数插值精度普适性广义回归神经网络

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时空理论变异函数模型及其精度影响

测绘科学 2017年第6期42卷 1-5,35页

作者：梅杨杨勇李浩华中农业大学资源与环境学院武汉430070 农业部长江中下游耕地保育重点实验室武汉430070

针对已有的时空模型研究深度不够的问题,该文主要研究两类时空理论变异函数模型,即分离和非分离模型,并分析其对时空预测精度的影响。首先,阐述了两类模型中较为流行的6种时空理论子模型及其参数物理意义;最后以2014年山东省PM2.5日均... 详细信息

针对已有的时空模型研究深度不够的问题,该文主要研究两类时空理论变异函数模型,即分离和非分离模型,并分析其对时空预测精度的影响。首先,阐述了两类模型中较为流行的6种时空理论子模型及其参数物理意义;最后以2014年山东省PM2.5日均浓度为例,给出各模型理论表达式,并在Matlab中对各模型运用遗传算法进行参数拟合和时空预测精度验证。实验结果显示,6种模型的整体预测精度顺序与模型拟合精度顺序相当,说明时空理论模型同空间理论模型一样,其模型拟合精度与后续预测精度成正相关。

关键词：时空克里格时空模型遗传算法参数拟合

时空投影转换模型在中国东南沿海地区的应用——以杭州市乳腺癌为例

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时空投影转换模型在中国东南沿海地区的应用——以杭州市乳腺癌为...

作者：楼昭涵浙江大学

学位级别：硕士

背景:人类进入海洋文明时代以来,沿海地区逐渐成为资本、人口、科学技术和其他先进生产力密集分布和高效组合的区域。我国,尤其是东南沿海地区,在经济高速发展的同时,对生态环境造成了巨大的破坏,使居民暴露在高健康风险之下。此外,城... 详细信息

背景:人类进入海洋文明时代以来,沿海地区逐渐成为资本、人口、科学技术和其他先进生产力密集分布和高效组合的区域。我国,尤其是东南沿海地区,在经济高速发展的同时,对生态环境造成了巨大的破坏,使居民暴露在高健康风险之下。此外,城市化改变了人们的生活饮食习惯,提高了人们的健康意识,为人们提供了更为便利的医疗服务条件,使得慢性疾病(如癌症、心脑血管疾病)的发生和检出率大大增加。乳腺癌作为威胁女性健康最常见的恶性肿瘤,在我国东南沿海地区具有普遍高发的现象,亟需采取有效的方法研究其时空分布特性,为人群的健康风险管理和公共卫生资源的配置提供参考。传统的时空统计分析方法(如时空克里格)能够通过研究时空数据的分布特征与内在结构,预测产生发病率的时空分布图,为风险评估和健康管理提供有价值的信息。然而,时空克里格在复合时空距离构建、理论模型选择与参数调试上仍存在一些理论和技术上的难关。如何构建有效的技术手段探索乳腺癌发病的时空分布规律,是我们亟需解决的问题。方法:本研究选取中国东南沿海城市杭州市为研究区,以杭州市2008年至2012年间所有新发的乳腺癌(International Classification ofDisease 10th edition(ICD-10)code:C50)为研究对象。首先,结合2010年杭州市乡镇街道的人口数据,计算各乡镇街道各年间乳腺癌发病率,构建杭州市乳腺癌发病率时空数据库,并通过卡方检验分析乳腺癌发病率在不同年份、不同地区之间的发病差异,了解乳腺癌发病的基本情况。其次,在时空随机场和贝叶斯最大熵理论框架下,采用时空投影转换模型(spatiotemporal projection,STP)对乳腺癌发病率进行时空预测,并将其与时空克里格的预测结果加以比较,评估时空投影转换模型的预测能力。最后,利用时空投影转换模型预测产生的乳腺癌发病率,采用全局自相关分析、热点分析、局部聚集性和异常值探测以及时空扫描统计,探索乳腺癌发病的时空格局,评估时空投影转换模型的适用性。结果:2008-2012年间,杭州市乳腺癌在年际间相对稳定,在地区间差异较大,街道地区的发病率显著高于乡镇地区,约为乡村地区的3.2倍,小城镇地区的1.6倍。与时空克里格法预测的结果相比,时空投影转换模型通过分析空间属性、时间属性、发病率和投影转移速度矢量之间内在的相互关系,将复杂的三维时空数据转换为二维空间数据,有效的避开了三维时空数据分析时复合时空距离构建、模型选择与调试等问题,具有更高的预测精度和计算效率:(1)投影转换后,空间数据的协方差模型具有更高的空间相关性;(2)预测结果具有更低的平均误差,平均绝对误差和均方根误差;(3)预测获得的发病率分布图和5年平均发病率更加稳定准确。时空格局分析结果显示,乳腺癌发病率在时间上分布稳定,在空间上呈显著的聚集分布,东北近海城市地区为乳腺癌高发病率的风险聚集区,而西南地区为乳腺癌低发病率的风险聚集区,发病率呈现从西南低发病率地区到东北高发病率地区逐渐增长的趋势。结论:与传统的时空统计方法相比,基于时空随机场和贝叶斯最大熵的时空投影转换模型通过更深入地挖掘空间属性、时间属性、时空变量以及投影转移速度矢量之间的内在联系,在“转换(Transform)-求解(Solve)-回变(Backtransform)”的基本思路下,将复杂的多维时空数据进行降维处理:在时空维度转换阶段临时将数据集的时间信息加以“压缩”,在低维空间域中完成对数据集的探索与评估,最后在“回变”阶段释放“压缩”的时间数据信息,从而能够在更低的计算成本下,获得更准确的发病率预测结果,更有利于后续的时空格局探索,能够为人群的健康风险评估和管理提供理论依据。

关键词：时空克里格时空投影转换模型时空随机场贝叶斯最大熵乳腺癌

基于多源数据的北京城区PM2.5人口时空动态暴露分析

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基于多源数据的北京城区PM2.5人口时空动态暴露分析

作者：林金煌福建师范大学

学位级别：硕士

过去几个十年里,随着城市化进程的不断加快,PM已成为雾霾爆发的主要污染物之一,全球疾病负担研究(GBD)估计,2015年环境污染相关疾病导致900万人过早死亡,其中估计PM所致的死亡数从1990年的350万上升到了2015年的420万,增加了20%。2013年... 详细信息

过去几个十年里,随着城市化进程的不断加快,PM已成为雾霾爆发的主要污染物之一,全球疾病负担研究(GBD)估计,2015年环境污染相关疾病导致900万人过早死亡,其中估计PM所致的死亡数从1990年的350万上升到了2015年的420万,增加了20%。2013年初,以北京为代表的京津冀城市群,PM日均浓度最高达500μg/m3,这对北京的公众健康造成严重威胁。因而,对于北京的公众健康,人口过度暴露在空气污染中的风险不可小觑,可能会大大的提高居民患病的几率,危害居民身心健康。因此,研究北京城区PM污染对个体暴露的健康影响十分必要。鉴于此,本研究以北京城区的人口普查、土地利用、POI点、PM浓度等为数据基础,先后构建高精度的PM模拟预测模型和高分辨率的人口空间化方法,进而获取高精度的PM人口暴露强度空间分布特征,并基于人群划分模型,对不同人群的PM暴露响应差异进行初探。研究可以得到以下几个主要结论:(1)针对北京城区的PM浓度模拟,时空克里格(BM模型)的拟合误差均明显低于普通克里格,模拟预测精度更高;北京城区的PM浓度在时空上均存在较好的连续性和空间异质性,呈现出北低南高的整体态势,且具有显著的空间自相关性,随着时间的推移,空间集聚特征表现出显著的迁移和转化规律。(2)基于城区尺度构建的北京城区1km网格的人口估算模型精度较高,人口的分布呈现出由城中心向周边郊区逐渐减少的“同心圆”特征,且存在显著的空间自相关,并主要以高高集聚为主,主要集中在北京四环以内的主城区范围内。(3)2014年5月北京城区的PM人口暴露强度存在显著的时空变异特征,随着时间演变,PM人口暴露强度呈现出周期性的增减变化规律。在空间上,PM人口暴露强度呈现出由城中心向周边减弱的态势,城中心为高暴露的集中聚集区。(4)北京城区1km网格的男性人口与女性人口的空间分布特征基本保持一致,均表现出由城中心向周边辐射的“同心圆”结构,不同年龄组的人口空间分布存在显著差异,但基本保持从城中心向四周郊区地带减少的整体趋势。不同人群的全局PM污染暴露响应差异不明显,但存在一定的空间差异特征。

关键词：时空克里格人口估算暴露响应 PM2.5 北京城区

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时空地统计学方法研究及进展

测绘与空间地理信息 2014年第1期37卷 38-43页

作者：叶近天季世民杨勇华中农业大学资源与环境学院湖北武汉430070

随着理论技术的不断发展,对环境因子仅进行空间估计和量化已不再满足精准农业等地理分支学科的精度要求,因此人们在传统地统计方法的基础上衍生出时空地统计学。该方法将时间域和空间域紧密联系起来,运用时空插值和随机模拟,更客观全面... 详细信息

随着理论技术的不断发展,对环境因子仅进行空间估计和量化已不再满足精准农业等地理分支学科的精度要求,因此人们在传统地统计方法的基础上衍生出时空地统计学。该方法将时间域和空间域紧密联系起来,运用时空插值和随机模拟,更客观全面地描述地物的区域性时空分布。本文首先阐明了时空地统计学的主要概念及历史应用领域,随后介绍了当前主流的时空地统计方法及其各自的精度与适用领域,最后总结了时空地统计方法研究的不足和方向。

关键词：时空地统计学经验正交函数马尔可夫链 Markov Bayes BME GS—SVR 时空克里格