異質(zhì)時(shí)空數(shù)據(jù)插值方法研究

樊子德

1. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101； 2. 中南大學(xué)地理信息系，湖南 長(zhǎng)沙 410083

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異質(zhì)時(shí)空數(shù)據(jù)插值方法研究

樊子德1,2

1. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101； 2. 中南大學(xué)地理信息系，湖南 長(zhǎng)沙 410083

插值建模旨在利用已有采樣數(shù)據(jù)對(duì)空間/時(shí)空缺失數(shù)據(jù)或未采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，生成高精度空間曲面或時(shí)空網(wǎng)格，精確表達(dá)時(shí)空過程的空間/時(shí)空分布模式。然而，現(xiàn)有插值方法沒有充分考慮時(shí)空數(shù)據(jù)的異質(zhì)性和多元協(xié)變量的影響，導(dǎo)致插值精度很難滿足要求。鑒于此，本論文以異質(zhì)時(shí)空數(shù)據(jù)為主要研究對(duì)象，深入研究了顧及多元協(xié)變量影響的高精度空間/時(shí)空插值方法，具體包括：

(1) 針對(duì)異質(zhì)性對(duì)空間/時(shí)空插值的影響，研究了異質(zhì)時(shí)空數(shù)據(jù)的可插值性度量方法。首先，對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)的異質(zhì)性進(jìn)行分類和描述，闡述了異質(zhì)性的處理方法。進(jìn)而，分析了空間/時(shí)空數(shù)據(jù)的可插值性問題。在此基礎(chǔ)上，顧及可插值性度量的影響因子，提出了一種基于信息熵的最佳插值粒度選擇指標(biāo)。最后，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該指標(biāo)的可行性和有效性。

(2) 針對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)存在缺失的問題，提出了一種顧及異質(zhì)性的時(shí)空缺失數(shù)據(jù)插值方法。該方法首先對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行異質(zhì)分區(qū)，在時(shí)/空間維度分別采用異質(zhì)協(xié)方差模型估計(jì)缺失數(shù)據(jù)。進(jìn)而，采用相關(guān)系數(shù)指標(biāo)確定時(shí)/空維度權(quán)重，并以此對(duì)時(shí)/空間維度插值結(jié)果進(jìn)行融合。最后，通過三組氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證分析，試驗(yàn)結(jié)果表明所提方法比P-Bshade方法、時(shí)空克里金方法和時(shí)空反距離加權(quán)方法都具有更高的精度。

(3) 針對(duì)現(xiàn)有空間插值方法沒有充分考慮未采樣點(diǎn)相關(guān)協(xié)變量的問題，提出了一種顧及多因子影響的自適應(yīng)反距離加權(quán)插值方法。該方法以氣象數(shù)據(jù)為例，顧及經(jīng)緯度、高程及復(fù)雜地形因素影響，自適應(yīng)調(diào)整距離衰減參數(shù)進(jìn)行反距離加權(quán)插值。在此基礎(chǔ)上，顧及采樣數(shù)據(jù)的異質(zhì)性，提出了一種基于空間異質(zhì)分區(qū)的殘差反距離加權(quán)插值方法。該方法以空氣污染數(shù)據(jù)為例，顧及空間異質(zhì)分區(qū)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。最后，使用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證分析，試驗(yàn)結(jié)果表面所提方法優(yōu)于經(jīng)典的克里金方法和反距離加權(quán)方法。

(4) 針對(duì)采樣站點(diǎn)稀疏且分布不均勻等實(shí)際情況，提出了一種融合多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的貝葉斯最大熵插值方法。該方法能夠有效地融合時(shí)/空分辨率高、精度低的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與時(shí)/空分辨率低、精度高的靜態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建高精度表面模型。最后，以北京市PM2.5濃度數(shù)據(jù)為例進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明所提方法精度優(yōu)于普通克里金方法和協(xié)同克里金方法。

(5) 為了驗(yàn)證本論文所提方法的適用性和優(yōu)越性，采用北京市PM2.5濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合試驗(yàn)驗(yàn)證。首先，對(duì)北京市PM2.5濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行基于異質(zhì)協(xié)方差模型的缺失數(shù)據(jù)插值修補(bǔ)。進(jìn)而，顧及風(fēng)向、風(fēng)速因素的影響，對(duì)北京市PM2.5濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值估計(jì)。最后，采用貝葉斯最大熵方法融合移動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建北京市PM2.5濃度時(shí)空立方體，并以此對(duì)北京市PM2.5濃度進(jìn)行時(shí)空分布模式分析，為空氣污染的防治提供相關(guān)依據(jù)。

FAN Zide, (1988—), male,

his doctoral degree from Central South University on June 2016, (PhD advisor: Prof. GONG Jianya and Prof. DENG Min), majors in methodologies and applications of spatio-temporal data mining and spatio-temporal data interpolation.

Spatio-temporal Interpolation Methods for Heterogeneous Spatio-temporal Data

FAN Zide1,2

1. State Key Lab of Resources and Environmental Information System, IGSNRR, CAS, Beijing 100101, China; 2. Department of Geo-Informatics, Central South University, Changsha 410083, China

樊子德.異質(zhì)時(shí)空數(shù)據(jù)插值方法研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017,46(5)：668.

10.11947/j.AGCS.2017.20170003. FAN Zide.Spatio-temporal Interpolation Methods for Heterogeneous Spatio-temporal Data[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(5):668. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170003.

2017-01-10

樊子德(1988—)，男，2016年6月畢業(yè)于中南大學(xué),獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：龔健雅院士、鄧敏教授)，研究方向?yàn)闀r(shí)空數(shù)據(jù)挖掘、時(shí)空數(shù)據(jù)插值的理論方法及其應(yīng)用。

P208

D

1001-1595(2017)05-0668-01

國家863計(jì)劃(2013AA122301)；湖南省自然科學(xué)杰出青年基金項(xiàng)目(14JJ1007)

E-mail： fanzide@msn.com