時空克里格方法關鍵技術及其應用研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

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展到整體,進而擴展到不同圈層甚至于宇宙空間,數(shù)據(jù)信息格式基準從空間數(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,國內外學者對時空數(shù)據(jù)的分析與應用進行了諸多研究,主要包括經驗正交函數(shù)、貝葉斯-馬爾科夫鏈、灰色預測模型、時空地統(tǒng)計學等方法。其中,時空地統(tǒng)計學因其能運用時空插值和隨機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PM2.5日均質量濃度為研究對象,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)對其進行預測。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日均質量濃度時空經驗變異函數(shù)進行擬合,探討不同時空理論變異函數(shù)模型對時空預測精度的影響;對于時空趨勢克里格,設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行預測;對于普通克里格,選取同一時間下的PM2.5質量濃度進行預測分析。

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

5、>  (1)在時空普通克里格預測中,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)時空預測精度也優(yōu)于非分離模型。
  (2)在時空預測精度對比上,不同時空理論變異函數(shù)模型后續(xù)時空普通克里格預測精度相差較大,不同趨勢模型后續(xù)時空趨勢預測精度相當。整體上,時空克里格預測精度優(yōu)劣依次為:STOK_ DM≈S

7、TOK MM>STTK>STOK_ GM>STOK_BM>STOK_CH2> STOK_ CH1;在時空預測精度與空間預測精度對比上,時空克里格各時間段預測精度與綜合預測精度均優(yōu)于普通克里格,且綜合時空克里格預測結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,時空克里格預測精度有顯著提高。
  (3)山東省PM2.5整體污染情況較為嚴重。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)《空氣質量準則》過渡期目標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,達到過渡期Ⅰ目標的天數(shù)大于146天;在時間上,山東省PM2.5污染程度最嚴重為1、2、11和12月,6、7、8月污染較輕,各季節(jié)

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