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。     

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。     

安徽省气象数据空间插值方法比较与分布特征

以安徽省境内80个气象站点2011—2014年的降水量和2015年的逐日气温数据为基础,结合该区30 m的DEM数据,选取反距离权重加权法（IDW）、径向基函数法（RBF）、普通克里金法（OK）和协同克里金法（CK）对降水和气温数据分别进行了空间插值,并对模拟结果进行了交叉验证。结果表明:考虑了纬度和高程的协同克里金插值效果最好,降水和气温的插值误差排序均为:CK < OK < RBF < IDW,并对插值结果进行分析,发现研究区降水和气温空间分布均呈现由南向北逐渐递减的特点,并与经纬度、高程进行相关系数和回归分析,表明气象要素纬度地带性显著,降水量主要由纬度和高程决定,气温则主要受纬度的影响,月均气温与经度和纬度有一定的季节性规律。     

基于不同插值方法的三江平原白浆土磷素空间分布预测及其适用性分析

土壤磷素含量是反映农业生态系统土壤肥力的重要指标。准确预测磷素空间异质性是评价土壤生产力和质量的关键。本研究采用反距离加权法(IDW)、径向基函数法(RBF)、普通克里金法(OK)、全局多项式法(GPI)、局部多项式法(LPI)、地理加权回归(GWR)和地理加权回归克里金法(GWRK)等插值方法,分别预测了三江平原白浆土典型灌区八五三、七里沁以及大兴灌区土壤磷素分布,并运用交叉验证法,通过平均误差(ME)、均方根误差(RMSE)和改进效果(RI)对各种方法精度进行比较,以期确定同一土壤类型不同采样密度土壤中磷素空间异质性最佳插值方法。对比7种插值方法,在空间插值平滑性方面,LPI、GPI、GWR、GWRK表现较好,在插值速度方面, IDW、RBF、LPI、GPI、OK较快, GWR和GWRK方法运算复杂、速度较慢。IDW、RBF等6种方法与OK相比,根据RI判定, GWRK方法提高了磷素空间分布模拟精度, IDW、GPI和LPI方法降低了磷素空间分布模拟精度, RBF方法在提高磷素空间分布模拟精度上表现不一致。采样密度会影响预测结果,对于本文而言,不论采样密度如何,GWRK方法均方根误差(RMSE)均最低,为最佳插值方法,而RBF方法是在采样密度较低时一种可选方法。GWRK法在本文是最佳的插值方法,但其结果会受到辅助变量多少和各变量之间是否存在共线性的影响。     

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。     

土壤重金属Cd污染指数的适宜插值方法和合理采样数量研究

对局部存在重金属污染地区采用适宜的插值方法和布设合理的采样点对重金属污染状况监测具有重要的意义。运用单因子指数法得到土壤重金属Cd污染指数,并在镇域内布设2033个采样点的基础上,通过随机抽样法抽取1830、1423、1017、610、203五个采样点样本子集。首先,运用普通克里金法(OK)、径向基函数法(RBF)和反距离权重法(IDW)对该地区土壤重金属Cd污染指数进行插值预测,并通过交叉验证法进行精度检验。然后,在反距离权重法的基础上,对五个采样子集进行插值精度分析,得到大致合理采样数量。结果表明:(1)利用全集2033个采样点对3种插值方法进行交叉验证分析可知,RMSE表现为IDW(3.018)RBF(2.942)OK(2.837),ME表现为OK(-0.0736)IDW(0.0214)RBF(0.0096),MAE表现为IDW(0.5668)RBF(0.5575)OK(0.5227),3种插值方法在整体预测精度上差异不明显。而对于污染区域的识别,IDW在轻度污染区、中度污染区和重度污染区预测上表现出较大的优势,能较好的反应污染区域的空间变异特征。因此,认为IDW为较适宜的空间插值方法。(2)对不同采样数量的样本进行交叉验证分析可知,RMSE、ME和MAE在1017个采样点到610个采样点误差变化幅度分别为29.84%、71.31%和36.99%,误差增加幅度较前三个子样本间明显增大。在空间特征识别方面,2033、1830、1423和1017个采样点反映的污染区的空间分布特征非常相似,610和203个采样点预测的污染区域面积明显扩大,对各级污染区域的空间特征细节表现能力较差。因此,对于该镇域内的土壤重金属Cd污染指数的研究,1017个左右采样点是比较合理的采样数量。     

安徽省降水量空间插值研究

高分辨率、栅格化的气候数据作为环境因子是地学模型和气候模型等相关研究的重要参数,而空间插值是获取降水量空间信息的重要途径。然而在众多空间插值方法中,并没有绝对最优的空间插值方法,只有特定条件下的最优方法。采用安徽省境内的66个气象站点及周边75个气象站点的年降水量数据,选取常用的6种空间插值方法对安徽省年降水量进行了空间化,综合分析得出安徽省降水量的空间插值方法误差顺序为:RBF＜IDW＜Kriging＜Cokriging＜LP＜GP。     

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。     

不同气象插值方法精度评估及对草地NPP估算的影响

以2000—2015年宁夏境内及周边14个气象站点的年均气温及年总降水量为数据基础,分别利用反距离权重法(IDW)、样条函数法、Anusplin插值法对气象数据进行了空间插值并交叉检验,将不同方法插值获取的气象要素空间栅格数据作为模型驱动参数输入CASA模型,研究了气象要素不同插值方法对草地NPP估算精度的影响。结果表明:(1)3种插值法中Anusplin插值法在宁夏区域内气象要素插值的误差最小,精度最高,反距离权重法误差最大,在气温插值中表现最为明显;(2)通过实测数据的检验,CASA模型在宁夏草地NPP估算当中适用性强,模拟的年总NPP空间分布格局与实际情况相符,模拟数据可靠;(3)在不同草地类型的NPP估算中,引用MOD17A3NPP数据作为验证数据对比发现基于Anusplin的气象要素插值数据及CASA模型模拟的NPP一定程度上提高了NPP估算精度,其在干草原、灌丛草原、干荒漠类草原及荒漠草原的估算中精度较高,而在沼泽类和山地草甸的估算效果欠佳,其估算精度有待提高。     

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。     

基于不同空间插值的DEM土方量计算比较

从空间立体模型角度出发,根据土地开发整理项目实际情况,使用项目申报必备的实测地形信息和规划信息,利用地理信息系统(GIS)的空间分析技术,采用反距离加权插值法(IDW)、克里金插值法(Kriging)、样条函数插值法(Spline)在不同栅格大小的情况下建立数字高程模型(DEM)计算土方量。并以山西省大同县倍加造镇土地开发整理项目为例,选用项目土方量成果为参考值与三种插值方法计算得出的土方量进行对比,得出结论:采用Kriging空间插值生成的DEM计算土方量比较准确;在计算土方量时应选取2.0 m栅格较为准确。应用GIS技术计算土方量,可以为今后的土方量计算提供参考。     

基于不同插值方法的于田绿洲盐渍化土壤特性空间变异分析

以于田绿洲为例,基于地统计学的反距离加权法(IDW)、径向基函数法(RBF)、普通克里金法(OK)及局部多项式法(LPI)等4种不同插值方法,经过交叉验证对比确定了适用的方法进行插值,揭示了盐渍化土壤含盐量、电导率、PH值和含水量的空间变异特征。研究表明:(1)于田绿洲含盐量均值为9.29 g kg-1属重盐土类型,同时土壤电导率、含盐量、含水量和pH分别表现为强、中等、弱空间变异性;(2)土壤特性的结构性因子C/(C0+C)均大于75%,表现出空间自相关较强,是结构性因素主导作用的影响;(3)在电导率和含盐量的空间变异分析采用IDW法较为适合,对pH值的空间插值采用OK法精度最高,含水量则除了LPI法,其他三种方法都可以任意选用;(4)土壤含盐量和电导率空间分布表现出北高南低的分异规律,绿洲外围高于绿洲内部,pH值呈现从东部至西部递减的趋势,易受随机性因素的影响,含水量则出现南北方向明显的差异,研究区中、东部绿洲内高值存在。通过不同插值方法对于田绿洲盐渍化土壤特性的空间异质性研究,揭示了土壤特性空间变异特征及空间分布规律,可为解决土壤盐渍化问题提供基础参考。     

站点密度及插值方法对ET0空间插值精度的影响

流域参考作物蒸发蒸腾量（ET0）插值方法的研究对流域尺度作物耗水时空变化规律有重要意义。该文通过海河流域162个国家农业气象站3a（2003－2005年）旬值气象资料,利用Penman-Monteith公式计算了这些站点ET0,采用ArcGIS软件中常用的Spline、IDW和Ordinary Kriging（OK）法,以及近些年研究较多的线性回归Regression插值法,对不同站点密度条件下的ET0进行空间插值。分析了各空间插值方法在不同站点密度条件下的优劣性,并且给出了本流域内各种站点密度范围条件下计算ET0最适宜的插值方法。结果表明以站点密度1.3个/万km2为界,当站点密度低于此密度时,推荐使用Regression插值法;当站点密度大于1.3个/万km2时,推荐使用IDW和OK插值法;当站点密度大于4.3个/万km2,以上三种插值法并无显著差别;不推荐使用Spline插值法。     

南京市溧水区土壤重金属污染不同插值方法的对比研究

为探讨不同插值方法对南京市溧水区土壤重金属污染模拟结果的影响,本研究分析了该区245个表层土壤样点的As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn 8种重金属的空间相关性,分别比较了反距离权重法(IDW)、局部多项式法(LPI)、径向基函数法(RBF)和普通克里格法(OK)的插值精度、插值结果、空间分布,以及不同插值方法对污染评价的影响。研究得出:空间插值后数据的范围、均值和变异系数一般低于采样数据,且空间插值会增大安全区而减小污染区,平滑效应是主要原因。LPI的平滑效应中最严重,OK次之,IDW和RBF不明显。溧水区As、Cd和Zn的最优插值方法为OK,Cr、Cu和Hg的最优插值方法为RBF,Ni和Pb的最优插值方法为IDW。在实际操作中,应该根据插值精度、插值结果的数据统计和空间表达去具体选择合理的插值方法。     

地理因素辅助的黄土高塬典型流域面雨量制图效果比较与评价

为了获取适宜的黄土高塬流域面雨量计算方法,选择算术平均(Am)、泰森多边形(Tsn)、普通克里金(OK)、泛克里金(UK)、反距离权重(IDW)、简单克里金(SK)、考虑海拔的简单克里金(SK_EL)以及将海拔和空间坐标信息作为辅助因子的简单克里金(SK_EXY)和地形插补法(Tr)等9种方法计算了环江下游流域2006—2011年面雨量。结果表明:(1)各年面雨量Am法全流域只有1个数值,无空间分布,Tsn法呈斑块状分布,IDW法在站点周围空间趋势表达不连续,其余6种基于克里金方法的面雨量空间变化趋势基本一致,均是从东南向西北连续递减的等值带,其中OK的插值曲面最平滑,Tr与SK法的结果更加符合降雨随地形的变化趋势;(2)24站测值为基础的单年和多年交叉验证结果均表明各种方法插值所得面雨量的精度以考虑高程和站点空间信息的Tr法最高,SK_EXY其次,并没有一种插值方法在所有的精度检验指标中都最差;(3)当只考虑面雨量值不考虑其空间分布时,可以选择Am与Tsn法相结合,其值接近各种方法的均值,而当综合考虑面雨量值及其空间分布时,则宜选择Tr和SK_EXY法。     

河南省安阳县三种土壤全氮含量空间插值方法的比较分析

采用反距离加权法(IDW),克里格法(Kriging),径向基函数法(Spline)对河南省安阳县385个土壤样点的全氮进行空间插值,通过交叉验证和样点检验对不同空间插值方法进行分析,结果表明,Spline优于IDW和Kriging,并且不同插值方法有不同的最优插值点数;基于不同样条函数的径向基函数法插值结果的平均相对误差MRE不同,其中平面样条函数表现最差,高次曲面函数,张力样条函数、规则样条函数和反高次曲面函数之间差异不显著。检验分析结果也显示,Spline优于IDW和Kriging,因此,相对于IDW和Kriging,Spline更适合用于全氮的空间插值。     

气候变化对秦岭南北植被净初级生产力的影响(Ⅰ)——近52年秦岭南北气候时空变化特征分析

根据秦岭南北54个气象站1960—2011年逐日数据,利用FAO Penman-Monteith公式计算各站的潜在蒸散量和湿润指数;采用样条曲线插值法(Spline)、气候倾向率、相关分析等方法对该区气温、降水、潜在蒸散和湿润指数的时空变化特征以及影响其变化的气象要素进行分析。结果表明:1)秦岭南北多年平均气温由北向南逐步上升,1993年是气温变化的转折点,1993年以前秦岭以南地区降温更明显,1994年起绝大部分站点气温显著(P<0.01)上升,秦岭南北无明显差异;2)多年平均降水量由南向北递减,1995年以前各区降水量均表现出下降趋势,秦岭以北地区降水量下降更明显,1995年以后70%以上站点降水量增多,秦岭以北地区有变干趋势,秦岭南坡微弱变湿,其余地区整体升降趋势不明显;3)潜在蒸散量呈东高西低的分布格局,各子区蒸散量呈现较为一致的下降趋势(P<0.05),但无明显转折点,秦岭以南的广大地区相对于秦岭以北蒸散量下降更明显;4)湿润指数由南向北递减,秦岭以北地区以暖干化为主,而秦岭以南以暖湿化为主,季节尺度上,4个子区表现出的变化规律较为一致,春季和秋季绝大部分站点的湿润指数呈下降趋势,而夏季和冬季则以上升趋势为主;5)湿润指数与日照时数、最高气温、平均气温和蒸散量呈显著水平(P<0.01)的负相关关系,与最低气温和风速相关关系不显著,降水量和空气湿度的增加会对湿润状况的改善起到正向作用。     

甘肃省近42年降水量变化时空分布格局分析

采用反距离加权法(IDW)、普通克里格(OK)、协同克里格(CK)、微地形多元回归+残差分析法(M-AMMRR)和改进的M-AMMRR法(I-AMMRR)进行甘肃省1970-2011年均降水量、降水趋势的空间插值与交叉验证分析,并进一步分析降水量时空变化.结果表明:(1)在建立气候要素与经纬度、海拔高度等回归关系的同时,考虑坡度和坡向等微地形因子并结合OK法进行残差分析的I-AMMRR插值方法能够显著提高降水量的模拟精度,最适于干旱半干旱区域.(2)甘肃省近42a年均降水量呈东南向西北递减的分布规律,气候带相应地由湿润区过渡为半湿润区、半干旱区至干旱区.其中,干旱区面积最大,占全省面积的43％.(3)近42a来,除祁连山地、河西走廊中东部、北山山地部分地区外,甘肃省年均降水量均呈减少趋势,其中夏季呈减少、冬季呈增加、春秋季降水量变化趋势呈地域性分布.研究结果细化了甘肃省降水资源的分布状况,可为农业结构调整,发展特色农业、精细农业提供依据.     

秦岭气候分界指标时空变化特征及指示意义

秦岭不仅是中国南北方地理—生态过渡带,也是中国重要的自然、经济和农业区划界线。在当前秦岭气候增暖背景下,再识别气候分界指标时空变化规律,对科学进行自然区划实践具有重要指导意义。为了明确这一气候特征,基于秦岭山地1970—2020年126个气象站点降水、气温观测资料,选取年降水量、1月和7月均温指标,采用薄盘样条插值、趋势分析方法,对研究区年降水量、1月和7月均温时空特征进行分析,进而选择秦岭太白山、伏牛山剖面探讨气候分界指标高度的趋势变化。结果表明:(1)薄盘样条插值可获得精度较高的年降水量和1月均温序列,相关系数为0.712～0.919; 误差分析表明,7月均温插值较观测值偏差为2～3℃,得到秦岭山地7月均温校正系数为0.893,经校正插值结果显著改善(误差缩小3～6倍);(2)时空趋势上,近51 a秦岭山地东部“暖干化”、西部“暖湿化”,秦岭北部、西部增暖显著(p<0.05);(3)年降水量800 mm高度变化呈“东西反向”,1月0℃和7月25℃高度变化呈“东西同向”,西部平均速率大于东部,如年降水量800 mm高度(西部:-166 m/10 a,东部:49 m/10 a)和1月0℃高度(西部:70 m/10 a,东部:37 m/10 a);(4)1970—2020年秦岭气候分界指标位置高度沿山地呈上升或下降变化,但在2010s(2010—2019年)时段,气候分界指标位置高度北坡为800～1 400 m、南坡为800～1 300 m均未越过秦岭主脊,秦岭山地气候分界作用仍具有稳定性。     

耕地养分空间插值技术与合理采样密度的比较研究

土壤养分连续空间分布数据是土壤信息系统工作的基础,土壤养分空间插值的研究因此变得尤为重要。对湖北省鄂州市进行土壤养分采样调查,以对作物生长作用较为密切的有效氮、有效磷、有效钾、pH为研究对象,运用克里格法(Kriging)、样条函数法(Spline)、距离权重倒数法(IDW)3种插值方法对数据进行栅格化处理,分析比较3种插值方法所得结果的特性以及对耕地养分数据插值的适宜性。通过调整空间采样点密度,比较几种空间采样密度对插值结果的影响,总结3种插值方法在不同空间尺度下的插值精度,并在不同土壤类型内进行不同采样密度的插值分析。