山区县域尺度降水量空间插值方法比较

随着空间降水信息需求的日益增加，降水的空间插值已被广泛应用，而不同的插值方法因不同的地区和研究目的产生不同的效果。该文以浙江省淳安县为例，选取17个站点1959～2000年多年平均和月均降水资料，在地统计学和地理信息系统(GIS)支持下，结合一些地形地理因子，采用多种插值方法对研究区降水量进行了空间插值研究，分析不同插值方法对研究区的适用性和精度，并对模拟的空间降水量图像进行了比较。通过3个检验站点的插值误差的比较，混合插值法，即回归克里金插值法误差最小，效果最好。     

黄土高原中游降雨量的空间插值方法研究

在地统计学和地理信息系统支持下,采用多种插值方法对黄土高原中游降水量进行了空间插值研究.结果表明:地统计学方法优于传统的反距离加权插值法、径向基函数插值法,对不同数目气象站点的插值相对误差较稳定.通过空间插值得到了黄土高原中游降雨量分布图,由该降水量分布图可知,黄土高原中游降雨量总体呈现西北低、东南高的态势,界限很明显.     

黄土高原降水计算插值与插值计算结果的对比分析

收集黄土高原及周边地区74个气象站1952—2001年降水数据,用ArcGIS9.3普通克里金（ordinary kriging）插值法采用计算插值（calculate then interpolate,CI）和插值计算（interpolate then calculate,IC）的方法生成黄土高原地区1952—2001年50 a平均年降水量和年降水量线性趋势系数空间分布表面,并对其进行统计分析和地形分析。结果表明：1）从插值结果统计值看,CII、C法生成的黄土高原地区50 a平均年降水量和线性趋势系数空间分布表面平均值分别为421.65、421.56 mm和-0.541 0、-0.423 1 mm/a,相似系数分别为99.78%和95.99%,二者一致性良好;2）从插值结果表面光滑度看,IC法稍优于CI法,借用地形分析对生成表面进行坡度、坡向运算,可作为评价表面光滑度、空间数量变化特征和空间方向变化特征的直观方法;3）黄土高原地区50 a平均年降水量具有东南多西北少、南多北少、东多西少的分布规律,其中服从东南西北、南北和东西方向递减的地带性分布规律区域占黄土高原地区面积的89.34%,非地带性分布规律区域占10.66%;4）CI和IC法计算的黄土高原地区1952—2001年降水线性趋势系数平均-0.541 0和-0.423 1 mm/a,黄土高原地区年降水量有明显减少趋势。     

基于GIS和地统计学的作物需水量等值线图

利用“全国灌溉试验资料数据库”中作物需水量试验数据,在ERSI的ARCGIS和微软电子表格EXCEL支持下,将GIS的空间数据管理功能和地统计学的空间分析功能有机结合,用多种插值方法进行山东省冬小麦需水量等值线图的绘制,结果表明：地统计学方法优于常规的反距离加权方法、多项式方法和径向基函数法;地统计方法中的普通克里金(Ordinary Kriging)球状模型的预测误差的均值、预测误差的均方根、平均预测标准差、平均标准差、标准均方根预测误差等5个指标均优于普通克里金指数模型、简单克里金(Simple Kriging)球状模型和简单克里金指数模型,具有较高的插值精度。     

不同插值方法模拟四川省逐月降水量的对比分析

我国西部地区气象观测点较少,致使一些地区的降水信息无法直接获取,采用空间插值方法来推测相邻地区的降水量是重要手段之一。针对四川地区观测点少的现状,结合空间分辨率为90m×90m的数字高程数据(DEM),分别采用常规反距离加权插值(IDW)、考虑各点高程的反距离加权插值(IDW)、局部多项式(LPI)、普通克里金(OK)、协同克里金(CK)对每个月降水量和1年平均每月降水量进行插值,并采用交叉检验法来验证插值结果,将平均误差(MAE)和均方根误差(RMS)作为评估插值效果的标准。结果表明:考虑高程的IDW插值误差小于常规IDW,可明显提高插值精度,克里金方法平均误差和均方根误差较小,优于反距离加权和局部多项式插值,在两种克里金方法中,与数字高程模型结合的CK方法的插值效果更好,更加适合四川省山区地形降水量数据的插值。     

不同空间插值方法对区域降水插值精度的影响

为对比不同空间插值方法对区域降水插值精度的影响,分别选用运用较为成熟的反距离加权评价和克里金插值方法,以辽宁中部某区域为研究实例,并结合区域降水站点实测降水数据,对比分析不同空间插值方法的降水插值精度。研究结果表明:反距离加权评价由于可考虑不同插值站点的权重值,在降水插值精度上明显好于克里金插值方法,其和实测降水值之间绝对误差小于40 mm,相关系数可达到0.7以上。研究成果对于无资料地区和设计区域面降水数据的插值提供方法参考。     

降水量空间插值方法在小样本区域的比较研究

针对降水量观测点数量少的小样本区域,寻求适合本区域的降水量空间插值方法,采用已知观测点降水量数据对待估点降水量进行预测,得到可信度较高的降水量预测结果,对指导当地生产生活具有十分重要的意义。在分析美国Upper Sangamon流域9个站点的72个月月降水量数据的基础上,比较了基于ArcGIS的普通克里金法、反距离权重法、样条函数法、趋势面法4种空间插值方法的插值结果与观测数据,分析了降水量空间插值方法对内插点和外推点的插值精度及应用不同插值方法时观测点数量对插值精度的影响。结果表明:反距离权重法较优于其他3种空间插值方法。空间插值精度随观测点数量变化而变化,对于按照距待估点距离由远及近减少观测点的选点方法,反距离权重法插值精度较高,受观测点数量影响较小,样条函数法与趋势面法受观测点数量影响较大,普通克里金法处于两者之间。     

基于GIS的降雨空间插值研究——以湖南省为例

降水数据是区域水文模拟、水资源分析和管理及地质灾害预警等方面的基础数据,提高降雨数据的插值精度具有重要的理论和现实意义。以湖南省为研究区,结合站点观测降雨数据、TRMM雷达降雨数据及DEM数据,采用克里金插值和协同克里金插值两种方法进行了降雨插值,通过对比研究降雨插值精度。结果表明:(1)引入与降雨空间信息相关的TRMM,DEM数据的协同克里金插值能够提高插值精度,以TRMM,DEM为辅助变量的协同克里金插值的平均相对误差较克里金插值降低了0.02%,0.23%;(2)降雨观测数据插值结果对于TRMM,DEM这两种协变量表现出不同的灵敏度,以DEM为协变量的克里金插值的插值精度要高于以TRMM为协变量的克里金插值,研究区的降雨量与地形因素有更高的相关性。     

基于大尺度低密度样点的东北土壤全氮空间插值方法比较

基于全国第二次土壤普查东北地区土壤数据,以ArcGIS和GS⁺软件为支撑,对比分析了反距离加权法(IDW)、径向基函数(RBF)、普通克里金(OK)和回归克里金(RK)4种地统计空间插值方法在7个不同样本容量下土壤全氮含量(STNC)的空间插值效果。结果表明,由普查数据得到的东北地区STNC在0.08~21.48 g/kg之间,数据变异性较大;STNC空间结构表现出中强度空间自相关性,空间自相关范围大于同区域的小尺度采样研究;样本容量<171时,STNC空间变异性发生变化,空间结构特征和精度检验水平难以确信。4种空间插值方法对STNC空间趋势表达均呈现从东北向西南方向递减规律,空间趋势预测效果为:RK >OK >RBF >IDW。RK方法通过线性回归分析添加了阳离子交换容量(CEC)、年均温(MAT)、土层厚度(d)和pH值等辅助信息,比IDW,RBF和OK方法的插值精度分别提高了19.40%,18.50%和16.15%;在不同样本容量下RK方法的插值精度较为稳定且对无样点区STNC的空间趋势预测也体现出了更多细节信息,因此对于大尺度低密度采样的土壤属性空间插值可重点考虑RK方法。     

呼图壁县地下水位动态对土地利用变化响应

研究干旱缺水地区地下水位(埋深)时空动态特征及对土地利用变化的响应,对于加强农业地区土地利用和地下水资源管理具有重要意义。以呼图壁县平原灌区为研究区,基于地统计学和GIS结合技术,应用普通克里金插值拟合研究区2000年、2010年及2018年地下水埋深时空分布,并且利用同期遥感数据解译生成了土地利用类型图,叠加分析不同时期地下水埋深变化与对应时期的土地利用类型转移之间的响应关系。结果表明:呼图壁县地下水埋深的空间变化主要是由地形地貌、气候等结构性自然因素引起的,空间相关性逐年增强,空间异质性逐渐减弱;地下水埋深在空间上主要表现为从南向北逐渐变浅,时间动态上为2000—2010年地下水埋深值10 m的面积减小比例高达86.61%,2010年后控制耕地面积的大幅扩张,但由于耕地本身基数较大,地下水开采量在2014年达到最大值后开始减少,局部地区地下水位开始恢复;研究区主要土地利用类型为耕地,地下水中农业用水占比高达84.68%,地下水埋深动态变化与耕地面积变化高度相关。     

几种插值方法在微DEM构建中的应用

以地统计学常用的均方根预测误差、半变异函数云图和误差图等为精度量化指标,对等高耕作、人工掏挖、人工锄耕和直线坡面耕作措施下微地表高精度DEM的建立方法进行了探讨,以寻求不同耕作措施下构建微DEM的最佳插值方法。结果表明:等高耕作措施微地表采用析取克里格插值法精度较高;人工掏挖措施微地表采用局部多项式插值法效果较好;人工锄耕措施微地表采用规则样条函数的径向基函数插值方法精度较好;对于直线坡面上述几种插值方法的精度差异不大。本研究为建立不同耕作措施下微DEM提供理论基础,并服务于黄土坡耕地土壤侵蚀机理的研究。     

地统计软件包的开发及在土壤空间变异中的应用

Geo-STATer是一个用来进行半方差分析、地统计估值和模拟的工具软件。它除了具备传统统计学的基本统计分析功能外，还集成了地统计学的几项主要功能：单变量半方差分析、交互变量半方差分析、半方差函数模型拟合、空间插值方法（包括普通克立格法、协同克立格法和逆距离加权法）。本文介绍了该软件的总体设计思路、主要功能模块和开发实现，并用实例土壤数据演示了软件的操作计算过程并将计算结果与其它的地统计软件进行了比较。结果表明．Geo-STATer软件具有较好的运算效率和精度．可以运用于土壤特性的空间变异性研究和插值制图，并能与其他专业模型进行集成开发．服务于田间精确施肥管理系统的开发。     

新疆地区年降水量的空间插值方法研究

为提高新疆地区年降水量的空间插值效果,通过增设模拟气象站点、补充实测站点数据空间变异性信息,采用确定性函数和地统计学的综合插值方法进行新疆地区年降水量的空间插值与比较验证分析。结果表明：（1）利用地统计方法分析多年平均降水量的最佳抽样间距,确定气象站点影响区,建立降水量与经纬度、高程、坡度、坡向、NDVI间的多元回归方程,增设模拟气象站点,可以有效增加降水量空间变异信息,显著提高降水量空间插值效果。（2）通过对比发现,反距离加权法（IDW）、复二次径向基函数法（MRBF）和普通克里格法（OK）3种空间插值方法中,MRBF的插值效果最好,是该地区降水空间分布的最适插值方法。（3）在新疆地区采用逐步综合的方法,即以多元回归方法增设模拟气象站点和MRBF进行年降水量空间插值,全面考虑影响因子与空间变异性,去除了多元回归带来的＂边界效应＂,弥补了实测降水量空间信息,得到了具有较高精度的年降水量数据集。     

基于Markov链地统计模型的区域土壤性质研究进展

土壤水力学性质的空间变异对于区域土壤水分溶质循环模拟研究至关重要。基于Markov链的条件模拟是一种能融合多源信息技术的地统计学模拟方法,与传统插值法和基于变异函数的条件模拟相比有诸多优势。目前,该方法在土壤水力学性质空间变异性领域的研究并未全面展开。实现区域土壤水力学模型参数的随机模拟,对于实现区域土壤水分运动和溶质运移的随机模拟,分析土壤水力学性质空间变异性对土壤水分运动和溶质运移模拟结果的影响,特别是参数采样点变化对土壤水分运动和溶质运移结果影响的不确定性等研究都有重要意义。本文旨在综述基于Markov链的地统计学模拟在土壤学相关领域的研究进展,以期为区域模拟中面临的参数获取难题提供帮助,为区域农业生产管理,水分高效利用,农田生态环境保护提供科学依据。     

基于地统计学和遥感的岩溶区石漠化空间变异特征

为了全面掌握岩溶区石漠化的空间分布特征,解决区域内遥感影像阴影区域石漠化信息"缺失"的问题,该文以广西平果县果化镇生态重建示范区为例,借助图像处理软件ENVI(environment for visualizing images)提取研究区域石漠化指数。在GIS技术支持下,利用地统计学的方法对剔除阴影区后的石漠化指数进行了空间变异特征分析。结果表明,研究区域石漠化指数主要受内在因子的共同作用,具有强烈的空间自相关性;Kriging插值结果表明,研究区域石漠化指数较高的区域主要分布在研究区的西南部和东北部,各石漠化等级的空间分布表现为条带状和斑块状分布。岩性和地形地貌条件是影响石漠化空间变异的主要因素。研究利用地统计学的方法很好地估计了阴影区石漠化指数的"缺失"信息,为岩溶区石漠化监控、评估提供了新的思路与方法。     

山东省种植区地下水硝酸盐污染空间变异及分布规律研究

近年来,我国部分地区地下水硝酸盐污染态势十分严峻,特别是集约化种植区由于施用大量氮肥导致的硝酸盐污染更为严重。为控制污染,应掌握地下水硝酸盐污染的空间变异规律与分布特征。采用地统计学方法,对山东省种植区地下水硝态氮含量数据进行空间变异分析。结果表明,不同区域地下水硝态氮含量存在一定的差异,存在明显的趋势效应以及变异性,且含量随地下水深度增加而减少。通过相关性分析,获得与地下水硝态氮含量相关性最高的两个因子（土壤有机质含量和全氮含量）,并作为协克里金（Cokriging）插值方法中的协同因子,对山东省地下水硝酸盐污染进行插值。经比较分析,协克里金法比普通克里金法（Ordinary Kriging）的精度高,减少了80%的平均误差。协克里金法空间插值结果表明,空间分布规律表现在从西南到东北逐渐升高的方向性效应,而地下水硝态氮含量较高的区域主要分布在潍坊、青岛、烟台种植区,如青岛的平度、莱西,潍坊的寿光等农业较发达的种植区。     

污灌区土壤重金属空间结构与分布特征

该文探讨了地统计学插值模型应用于土壤重金属污染评价的适用条件,分析了北野场污灌区土壤重金属的正态分布特征和主导分布趋势,提出了不同重金属因子适宜的地统计插值模型。结果表明:土壤重金属空间变异系数处于12%～37%之间,整体变异性不大;Pb、Cd等因子的块金效应分别为0.90、0.87,空间相关性较弱,受人为随机因素的影响较大,As、Cr、Zn、Cu值等因子的块金效应分别为0.52、0.51、0.51和0.46,空间相关性中等,受人为随机因素和空间结构因素的共同作用,Hg和Ni的块金效应分别为0.253和0.06,空间相关性较强,受空间结构性因素的影响较大,可能受原生地质的影响较大。污灌区重金属含量存在增加趋势,灌区土壤重金属含量自北向南总体呈现较少趋势,这与灌区上下游灌溉保证率不同有关,表明长期污水灌溉可导致土壤重金属富集,但与全国其他污灌区相比,北野场污灌区土壤重金属污染相对较轻,应加强污水处理利用避免土壤重金属污染。     

环渤海沿海区域土壤养分空间变异及分布格局

大尺度研究土壤养分空间变异和分布,是实现区域平衡施肥和精准化农业的重要前提,大批量土壤养分的实验室分析比较费时费力且耗资较大,地统计及GIS插值技术可以有效解决这一问题。利用432个采样点,进行环渤海沿海区域0~30 cm和30~60 cm土层土壤养分空间变异和空间分布格局研究。土壤养分指标包括土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机质及全氮。对各土壤养分指标进行传统统计和地统计分析并采用kriging进行空间插值成图。结果表明:同一养分指标变异程度在0~30 cm和30~60 cm土层均相近;各养分指标在两土层均具有良好的空间结构性;研究区土壤有效磷和速效钾含量相对丰富,碱解氮、有机质和全氮含量较缺乏,总体而言本研究区域土壤养分较缺乏,30~60 cm土层各养分含量较0~30 cm土层更加缺乏。     

模糊c-均值算法在区域土壤预测制图中的应用

基于模糊c-均值算法和地统计学空间插值,在面积约为1km2的研究区内进行区域土壤预测制图。研究结果表明:根据研究区123个剖面和土钻样点,通过分析它们在形态学上的特征和定量属性,建立了9类诊断特征土层。通过FCM算法模型,获得4类最佳分类数,模糊指数为1.7。类别数目与研究区受地形、母质和土地利用方式影响的主要成土过程决定的土纲下土壤类型数目一致。将经过对称对数比转换的隶属度成分数据进行单一模糊类别隶属度土壤预测制图,4种类别土壤在空间上具有明显的渐变过渡特征,制图结果较理想。在单一类别隶属度土壤图的基础上生成最大隶属度土壤图,与常规土壤调查土壤图具有共同参比的基础。