時空克里格方法關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究.pdf

1、隨著人們對自然過程的不斷探索，信息獲取來源從局部擴(kuò)展到整體，進(jìn)而擴(kuò)展到不同圈層甚至于宇宙空間，數(shù)據(jù)信息格式基準(zhǔn)從空間數(shù)據(jù)演變?yōu)闀r空數(shù)據(jù)。所謂時空數(shù)據(jù)，是指同時具有時間屬性和空間屬性的數(shù)據(jù)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對時空數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用進(jìn)行了諸多研究，主要包括經(jīng)驗正交函數(shù)、貝葉斯-馬爾科夫鏈、灰色預(yù)測模型、時空地統(tǒng)計學(xué)等方法。其中，時空地統(tǒng)計學(xué)因其能運用時空插值和隨機(jī)模擬估算和量化時空變化，動態(tài)反映地理空間變化過程而日益成為地理和地球科學(xué)的研究

2、熱點。因此，本研究以時空克里格基本理論為框架，分別從時空理論變異函數(shù)模型、時空預(yù)測和時空分析三個方面對時空數(shù)據(jù)予以歸納分析研究，并在Matlab環(huán)境下，開發(fā)出時空克里格程序軟件，實現(xiàn)時空克里格法的軟件化與功能化。
　　本研究以山東省2014年P(guān)M2.5日均質(zhì)量濃度為研究對象，分別運用時空普通克里格(Spatio-Temporal Ordinary Kriging，STOK)、時空趨勢克里格(Spatio-TemporalTrend

3、s Kriging，STTK)和普通克里格法(Ordinry Kriging，OK)對其進(jìn)行預(yù)測。其中，對于時空普通克里格，選取六種時空理論變異函數(shù)模型對山東省PM2.5日均質(zhì)量濃度時空經(jīng)驗變異函數(shù)進(jìn)行擬合，探討不同時空理論變異函數(shù)模型對時空預(yù)測精度的影響;對于時空趨勢克里格，設(shè)定時空趨勢部分最高空間趨勢和時間趨勢階數(shù)均為2階，并對時空殘差部分運用時空普通克里格法進(jìn)行預(yù)測;對于普通克里格，選取同一時間下的PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行預(yù)測分析。

4、基于三種方法的預(yù)測結(jié)果，選取均方根誤差(Root Mean Squared Error，RMSE)、平均絕對誤差(Mean Absolute Error，MAE)、最大預(yù)測誤差(Maximum Error，MAXE)、最小預(yù)測誤差（Minimum Error，MINE）為精度驗證指標(biāo)，計算并評價各預(yù)測方法不同時間段和綜合預(yù)測精度。最后，選取精度評價中最優(yōu)預(yù)測結(jié)果，對山東省PM2.5時空分布特征和污染特征予以分析。研究主要結(jié)論如下:

5、>　　(1)在時空普通克里格預(yù)測中，六種時空理論變異函數(shù)模型擬合相對精度依次為:MM＞DM＞BM＞GM＞CH1＞CH2，其預(yù)測RMSE精度依次為:STOK_DM(12.9119)＞STOK_MM(13.0124)＞STOK_GM(14.2160)＞STOK_ BM(14.2626)＞STOK_CH2(15.4129)＞STOK_ CH1(15.9724);MAE精度依次為:STOK_ MM(9.853)＞STOK_ DM(10.0664

6、)＞STOK_ GM(10.4671)＞STOK_BM(10.0664)＞STOK_CH2(11.661)＞STOK_CH1(12.0023)。就研究對象而言，分離模型不僅在時空模型擬合精度上由于非分離模型，其后續(xù)時空預(yù)測精度也優(yōu)于非分離模型。
　　(2)在時空預(yù)測精度對比上，不同時空理論變異函數(shù)模型后續(xù)時空普通克里格預(yù)測精度相差較大，不同趨勢模型后續(xù)時空趨勢預(yù)測精度相當(dāng)。整體上，時空克里格預(yù)測精度優(yōu)劣依次為:STOK_ DM≈S

7、TOK MM＞STTK＞STOK_ GM＞STOK_BM＞STOK_CH2＞ STOK_ CH1;在時空預(yù)測精度與空間預(yù)測精度對比上，時空克里格各時間段預(yù)測精度與綜合預(yù)測精度均優(yōu)于普通克里格，且綜合時空克里格預(yù)測結(jié)果相較于普通克里格在RMSE和MAE上分別提高41.01％和31.32％以上。說明了相對普通克里格而言，時空克里格預(yù)測精度有顯著提高。
　　(3)山東省PM2.5整體污染情況較為嚴(yán)重。在空間上，中部和西部PM2.5年均濃

8、度超過100μg/m3，日均濃度高于世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）《空氣質(zhì)量準(zhǔn)則》過渡期目標(biāo)Ⅲ的天數(shù)大于290天。其次為中北部和中南部，年均濃度為75～150μg/m3，日均濃度高于過渡期目標(biāo)Ⅲ的天數(shù)為220天左右。東部沿海地區(qū)受污染較輕，年均濃度低于50μg/m3，達(dá)到過渡期Ⅰ目標(biāo)的天數(shù)大于146天;在時間上，山東省PM2.5污染程度最嚴(yán)重為1、2、11和12月，6、7、8月污染較輕，各季節(jié)