空间数据插值方法研究
Research on Spatial Data Interpolation
摘要: 空间数据插值算法是目前普遍应用的一种科学算法,其广泛应用于气象、农业及地质勘探等领域。通过空间数据插值,对缺省或非有效空间数据进行估计和推测,在投资较少的情况下得到大量精度能够满足研究及生产需要的数据,可以在很大程度上满足人类的需要,具有很强的现实意义。本文详细介绍了两种常用的空间数据插值算法——反距离权重插值算法(IDW)和普通克里金插值算法(OK)的原理,并且基于对反距离权重插值算法的研究,针对其可优化参数——距离幂指数k,提出了一种改进的反距离权重插值法。通过数值模拟对济南市的空气质量状况进行空间插值分析,可以得出结论:(1) 普通克里金插值算法优于反距离权重插值算法;(2) 在普通克里金插值算法中,指数模型的插值效果较好;(3) 本文提出的改进的反距离权重插值算法较原算法的插值效果更佳。
Abstract: Spatial data interpolation is a kind of scientific algorithm which is widely used in meteorology, agriculture, geological exploration and some other fields. People can get a lot of data which can meet the needs of research and production with a few investments by using the spatial data interpolation algorithm to estimate the attribute value of unknown point. Therefore, spatial data interpolation can meet the needs of human to a great extent, which has great practical significance. In this paper, we will introduce two classical spatial data interpolation algorithm—the Inverse Distance Weighted interpolation algorithm (IDW) and the Ordinary Kriging interpolation algorithm (OK). Furthermore, on the grounds of researching in the Inverse Distance Weighted interpolation algorithm, an improved Inverse Distance Weighted interpolation algorithm is proposed for the distance power exponent k, which is an optimizable parameter. By applying the spatial data interpolation algorithms which are introduced in this paper into air quality analysis of Jinan city, we can derive the following conclusions: (1) the Ordinary Kriging interpolation algorithm is better than the Inverse Distance Weighted interpolation algorithm; (2) the exponential model has the best interpolation effect in the Ordinary Kriging interpolation algorithm; (3) the improved Inverse Distance Weighted interpolation algorithm is better than the traditional Inverse Distance Weighted interpolation algorithm.
文章引用:张婕. 空间数据插值方法研究[J]. 应用数学进展, 2019, 8(11): 1859-1869. https://doi.org/10.12677/AAM.2019.811216

参考文献

[1] 林振山, 袁林旺, 吴得安. 地学建模[M]. 北京: 气象出版社, 2003.
[2] 胡庆芳, 胡艳, 杨大文, 等. 面向大范围降水空间插值的普通克里金模型开发与实例分析[J]. 应用基础与工程科学学报, 2014, 22(1): 106-117.
[3] 曾晖. 城市住宅价格时空分布规律研究[D]: [博士学位论文]. 南京: 南京林业大学森林工程学院, 2012.
[4] 刘敏. 和田绿洲地下水时空分布规律及其生态环境效应研究[D]: [硕士学位论文]. 西安: 西安理工大学水文学及水资源学院, 2007.
[5] 吴建生, 王仰麟, 等. 三维可视化环境下矿体空间数据插值[J]. 北京大学学报(自然科学版), 2004, 40(4): 635-641.
[6] 张军. 空间插值算法研究及其在遥感数据模拟中的应用[D]: [硕士学位论文]. 成都: 成都理工大学, 2013.
[7] Lee, S., Wolberg, G. and Shin, S.Y. (1997) Scattered Data Interpolation with Multilevel B—Splines. IEEE Trans on Visualization and Computer Graphics, 3, 228-244.
[Google Scholar] [CrossRef
[8] Caruso, C. and Quarta, F. (1998) Interpolation Methods Comparison. Computers & Mathematics with Applications, 35, 109-126.
[Google Scholar] [CrossRef
[9] 王玉璟. 空间插值算法的研究及其在空气质量监测中的应用[D]: [硕士学位论文]. 开封: 河南大学, 2010.
[10] 包世泰, 廖衍旋, 等. 基于kriging的地形高程插值[J]. 地理与地理信息科学, 2005, 23(3): 28-31.
[11] 高歌, 龚乐兵, 赵珊珊, 等. 日降水量空间插值方法研究[J]. 应用气象学报, 2007, 18(5): 732-736.
[12] 朱芮芮, 李兰, 王浩, 等. 降水空间的变异性和空间插值方法的比较研究[J]. 中国农村水利水电, 2004(7): 25-28.
[13] 中华人民共和国环境保护部数据中心. http://datacenter.mep.gov.cn/index
[14] Lophaven, S.N., Nielsen, H.B. and Søndergaard, J. (2002) DACE—A MATLAB Kriging Toolbox, Version 2.0. Technical Report IMM-TR-2002-12.
[15] 邹林君. 基于Kriging模型的全局优化方法研究[D]: [硕士学位论文]. 武汉: 华中科技大学, 2011.