不同插值方法對典型固體潮水位插值結(jié)果比較

韓孔艷 崔博聞 孫小入 費伯秀

1 北京市地震局，北京市蘇州街28號，100080

地震前兆觀測數(shù)據(jù)多是等間隔采樣的，觀測過程中如果受停電、儀器故障等影響會導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失。但對前兆數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析時，往往要求數(shù)據(jù)序列必須是一個連續(xù)完整的數(shù)據(jù)集，不能包含缺失值。地下流體水位觀測是地震前兆臺網(wǎng)重要觀測手段之一,在前兆異常提取、地震預(yù)測研究、震情跟蹤中發(fā)揮著重要作用。由于觀測井條件和受干擾因素等不同，各種頻率信息疊加使水位數(shù)據(jù)形態(tài)各異[1-2]。因此，研究不同缺值情況下典型水位的最佳插值法極為必要。

1 插值方法及水位數(shù)據(jù)

1.1 插值方法及評價標(biāo)準(zhǔn)

本文選用5種常用的數(shù)據(jù)插值方法：最鄰近插值法、線性插值法、三次多項式插值法、三次樣條插值法和ARMA模型預(yù)測插值法。其中，ARMA模型預(yù)測插值法使用缺失值前360個數(shù)據(jù)的一階差分作為建立ARMA模型的基礎(chǔ)，通過確定模型階數(shù)、估計模型參數(shù)和殘差分析判定最佳的ARMA模型，利用模型預(yù)測數(shù)據(jù)作為插值結(jié)果[3-4]。本文利用插值與觀測值的均方根誤差RMSE的大小、變化情況來評估5種插值法對3種典型固體潮水位數(shù)據(jù)的插值效果。

1.2 水位數(shù)據(jù)篩選

水位變化分為宏觀動態(tài)和微觀動態(tài)，對淺部承壓含水層來說，宏觀動態(tài)變化較明顯；隨著含水層埋深越來越深，微觀動態(tài)增強[1-2]。本文根據(jù)水位變化特征，篩選出具有固體潮效應(yīng)的9口觀測井的3類典型水位數(shù)據(jù)，觀測井信息見表1，3類典型水位數(shù)據(jù)變化特征如下。

表1 9口固體潮觀測井的詳細信息Tab.1 The detailed information of nine solid tide observation wells

第1類數(shù)據(jù)趨勢變化較大，固體潮被壓制。該類觀測井普遍受地下水開采和降雨徑流補給影響，如張道口井、永清井和東三旗井。3口井水位最大月變幅分別為5.25 m、8.06 m和2.71 m，最大日變幅分別為0.44 m、0.40 m和0.25 m，表現(xiàn)為快速大幅上升或下降，有清晰固體潮，但被壓制在趨勢變化之下。

第2類數(shù)據(jù)趨勢變化平穩(wěn)，固體潮明顯。該類觀測井受開采和降雨影響小，如撫順山龍峪井、沈家臺井、上海大學(xué)井。3口井水位最大月變幅分別為0.56 m、0.25 m和0.29 m, 最大日變幅分別為0.26 m、0.23 m和0.11 m，固體潮波動與趨勢、日變幅差距不大，潮汐波動明顯。

第3類數(shù)據(jù)起伏波動，固體潮清晰。該類觀測井易受淺層開采和降雨直接補給影響，如冀20井、孝義井和良鄉(xiāng)井。3口井水位月變幅分別為0.45 m、0.47 m和0.93 m，日變幅分別為0.19 m、0.22 m和0.22 m，既有固體潮波動，月變和日變也存在較大起伏。

2 不同插值結(jié)果對比分析

2.1 插值方案

選取上述9口觀測井2016年相近時段水位整點值序列180組，每個類型60組，每組不小于480個數(shù)。人為設(shè)計缺失1/4 d、1 d、2 d和3 d的情況，用前述5種插值法對缺失序列進行插值，分別計算每種插值的RMSE。另選3類、12組數(shù)據(jù)進行回溯性檢驗。

2.2 不同插值結(jié)果的對比分析

從3類數(shù)據(jù)的RMSE變化曲線(圖1)和優(yōu)勢插值法占比情況(表2)可知，在連續(xù)缺失1/4 d的情況下，三次多項式插值法的RMSE值小且波動小，3類數(shù)據(jù)的優(yōu)勢占比分別為96.67%、63.33%和88.33%，表明該方法對少量數(shù)據(jù)缺失的插值優(yōu)勢比較突出。線性插值法對第1類數(shù)據(jù)缺1 d、2 d和3 d的情況插值優(yōu)勢較大，最優(yōu)占比最大達71.67%(表2)，且對第3類數(shù)據(jù)的插值優(yōu)勢與ARMA模型預(yù)測插值法基本相當(dāng)，兩者最優(yōu)占比之和為91.66%，是缺失較多的第3類數(shù)據(jù)較優(yōu)的2種插值方法。ARMA模型預(yù)測插值法的RMSE波動最小(圖1)，特別是對第2類數(shù)據(jù)，其插值最優(yōu)比都在80%以上(表2)，是不同缺值情況下該類數(shù)據(jù)的最優(yōu)插值方法。隨著缺失值的增加，各插值法的誤差有增大的趨勢，但ARMA模型預(yù)測插值法的變化幅度相對較小，其優(yōu)勢一直很明顯。

圖1 3類水位數(shù)據(jù)的RMSEFig.1 RMSE of three types of groundwater level data

表2 最佳插值結(jié)果占比情況Tab.2 The proportion of the best interpolation results

最鄰近插值法與線性插值法的RMSE很相似(圖1)，但后者的優(yōu)勢更突顯。三次樣條插值法的RMSE波動較大(圖1)，除對部分第1類數(shù)據(jù)外，其他插值RMSE都較大，但該方法對數(shù)據(jù)缺失量不敏感，不會隨缺失值增多而明顯增大。

2.3 回溯性檢驗

選取3類觀測井同一時段的12組數(shù)據(jù)，假設(shè)整點值缺1/4 d、1 d、2 d和3 d，計算5種插值法的RMSE，比較插值與觀測值曲線，檢驗上述結(jié)論是否正確。

對第1類水位數(shù)據(jù)(圖2(a)、表3)，當(dāng)數(shù)據(jù)缺失1/4 d時，三次多項式插值法的RMSE為0.001 5 m，其插值結(jié)果更優(yōu)。當(dāng)數(shù)據(jù)缺失1 d、2 d和3 d時，線性插值法的RMSE分別為0.023 7 m、0.048 9 m和0.065 8 m，小于其他插值法結(jié)果。

圖2 插值與觀測值對比Fig.2 Comparison of interpolation results and observed values

表3 3類水位數(shù)據(jù)的插值結(jié)果比較Tab.3 Comparison of interpolation results of three types of groundwater level

對第2類水位數(shù)據(jù)(圖2(b)、表3)，當(dāng)數(shù)據(jù)缺失1/4 d和1 d時,ARMA模型預(yù)測插值法的RMSE分別為0.000 5 m和0.010 5 m，與三次多項式插值法RMSE的0.005 1 m和0.015 3 m相差不大；當(dāng)數(shù)據(jù)缺失2 d時，ARMA模型預(yù)測插值法的RMSE遠小于其他插值法，插值優(yōu)勢突顯；當(dāng)數(shù)據(jù)缺失3 d時，ARMA模型預(yù)測插值法雖能還原潮汐波動周期，但很難還原波動幅度，與線性插值法的優(yōu)勢相當(dāng)。

對第3類觀測數(shù)據(jù)(圖2(c)、表3)，當(dāng)數(shù)據(jù)缺失1/4 d時，線性、ARMA模型預(yù)測和三次多項式插值法的RMSE分別為0.006 5 m、0.008 7 m和0.002 9 m，三次多項式插值法更有優(yōu)勢；當(dāng)數(shù)據(jù)缺失1 d、2 d和3 d時，線性插值法與ARMA模型預(yù)測插值法的RMSE相近，但ARMA模型預(yù)測插值法的RMSE波動更小，插值結(jié)果更有優(yōu)勢。

3 結(jié) 語

本文選取9口有固體潮效應(yīng)的觀測井的180組水位數(shù)據(jù)，在不同缺值情況下進行5種插值方法的對比研究，得出以下結(jié)論：

1)三次多項式插值法對數(shù)據(jù)缺失1/4 d的插值RMSE小，且波動較小，其優(yōu)勢占比分別為96.67%(第1類數(shù)據(jù))、63.33%(第2類數(shù)據(jù))和88.33%(第3類數(shù)據(jù))，表明該插值法普遍適用于少量數(shù)據(jù)缺失的情況；

2)對趨勢變化大、固體潮效應(yīng)被壓制的數(shù)據(jù)(第1類數(shù)據(jù))，當(dāng)數(shù)據(jù)缺失1 d、2 d和3 d時，線性插值法能延續(xù)數(shù)據(jù)趨勢變化，是最佳插值方法；

3)對固體潮顯著、趨勢變化平穩(wěn)的水位數(shù)據(jù)(第2類數(shù)據(jù))，當(dāng)數(shù)據(jù)缺失1 d、2 d和3 d時，ARMA模型預(yù)測插值法能還原規(guī)則潮汐波動和單一趨勢的變化，插值最優(yōu)比都在80%以上；

4)對固體潮汐明顯，又兼有起伏波動的水位數(shù)據(jù)(第3類數(shù)據(jù))，線性插值法和ARMA模型預(yù)測插值法的優(yōu)勢相當(dāng)，線性插值法能還原趨勢變化，ARMA模型預(yù)測插值法能還原周期的潮汐波動。