基于PSO-CV算法的信息扩散插值模型及其在黄河源区的应用

根据有限的雨量站观测资料进行空间插值是探索降水空间特征的有效手段。介绍了一种基于信息扩散理论的空间插值模型,并在已有经验信息扩散插值模型的基础上,考虑其关键参数估计的不足,提出一种基于粒子群算法(PSO)与交叉验证(CV)相结合的最优信息扩散插值模型。以黄河源区为例,引入反距离加权法、普通克里金法、泛克里金法及考虑高程的协克里金法作为对比参照,分别从年、季、月和日4种时间尺度评价了信息扩散插值模型的插值效果。结果表明,整体来看最优信息扩散插值模型的精度最高,反距离加权法的精度最低,经验信息扩散插值模型与其他3种空间插值方法的精度差异不大,不同方法间的精度差异随着时间尺度的减小而减小。     

西南地区降水量插值方法比较——以丽江市为例

我国西南地区由于地形复杂,海拔落差大,且雨量站分布不均,资料代表性差,针对这一区域的降雨预报效果不尽如人意,每年因局地强降水造成的损失巨大。旨在探讨适合山区等海拔落差较大地区的降水插值方法的一般思路,提高该地区降水估测精度。丽江市最大海拔落差达4 516 m,是西南地区典型的山地型城市。以丽江市40个雨量站40 a的月降雨数据为基础,选择6个站为检验站,运用反距离权重法、普通克里金法、样条函数法、趋势面法进行了最优插值方法的探讨。插值误差分析的结果表明:反距离权重法在该研究区域效果较好,幂指数增加到8以上时,相对误差基本稳定在7.8%;克里金法对降雨量的插值效果也较好,生成的插值图平滑;样条函数法插值效果最差。研究成果可为我国西南地区及其他山地地区降雨预报提供参考。     

山西高原降水量空间插值分析

利用山西高原及其周边27个国家气象台站1981—2005年的降水资料,采用反距离权重法、全局多项式法、局部多项式法、径向基函数法、样条函数法、趋势面法、普通克里金法与经验贝叶斯克里金法共8种插值方法进行了空间插值,使用留一法交叉检验了不同方法的插值精度,并分析了山西高原年均降水量的空间分布特征。结果表明:1径向基函数法具有最佳的插值精度,其平均绝对误差、平均相对误差、均方根误差分别为25.1 mm、5.7%、31.4 mm;2各种插值方法按精度高低的排序依次为径向基函数法、样条函数法、趋势面法、普通克里金法、局部多项式法、全局多项式法、经验贝叶斯克里金法、反距离权重法;3山西高原降水量空间分布具有明显的地域性规律,一方面表现为由东南向西北递减,另一方面表现为东部太行山和西部吕梁山的降水量大于中部汾河谷地的。     

基于空间插值方法的重庆降水信息展布

不同空间插值方法在不同地区的插值精度不同。为确定重庆市降雨量的空间分布,采用重庆市12个气象站1960-2014年降水数据,运用系数为2、3、4的反距离权重法、普通克里金法、考虑高程的协同克里金法及考虑温度的协同克里金法,按多年平均、最大3个月及最小3个月不同降水量指标进行分析,并以均方根误差和纳什效率系数进行验证。结果表明,对于三种指标,不同插值方法的优劣从好到差均为考虑高程的协同克里金法、考虑温度的协同克里金法、普通克里金法、系数分别为4、3、2的反距离权重法。对于反距离权重法,系数越大则误差越小。三种降水量指标以多年平均降水量为输入数据的插值结果更加准确。考虑温度的协同克里金法在降水量较小或降水与温度相关性较强时有良好的插值精度。在重庆地表变化幅度较大的地区,考虑高程的协同克里金法更能体现高程变化对降水量的影响。     

陕西省月平均气温空间插值方法研究

为弥补陕西省气象站点数量有限、空间分布不均等问题,对常用空间插值方法进行比较研究,探寻适宜陕西省气温空间插值方法。根据陕西省内外110个气象站点1981-2010年的月平均温度,选用反距离权重法、普通克里金法与多元线性回归法进行空插值,利用实际验证法进行精度评估。结果表明,考虑了经度、纬度和高程的多元线性回归法的插值精度最高,普通克里金法次之,反距离权重法精度最低;多元线性回归分析法对陕西省气温插值最为适宜。     

基于正交试验选优的湖底地形分区插值方法

为降低湖底高程采样点变异较大对插值计算的影响,获得精度较高的湖底地形,将高程采样点变异程度对插值的影响引入普通的反距离加权插值法中,提出了考虑高程采样点变异程度的湖泊地形分区插值方法。通过正交试验优化方法,得到各分区反距离最优幂值。以太湖为研究实例,对比了几种插值方法对太湖湖底地形的插值效果。结果表明分区域反距离加权插值法具有良好的适应性:在高程方面,经实测验证,其均方根误差最小;在库容方面,该方法与克里金法、反距离加权插值法、自然邻域法相比,平均相对误差分别减少0.97%、0.90%、1.37%,插值效果明显更优。因此,在湖泊地形起伏较大情况下,分区域反距离加权插值法能够获得较高精度的湖底形态,可用于不同类型的湖底地形插值计算。     

中国流域降水数据的空间插值方法评估

降水量的空间分布信息在水资源管理、旱涝灾害预测和可持续发展等研究领域具有重要价值。以中国1 915个气象站在1981～2010年间的平均降水量观测数据为基础,选取了反距离权重法(IDW)、径向基函数法(RBF)、全局多项式法(GPI)、局部多项式法(LPI)、普通克里金法(Ordinary Kriging)、简单克里金法(Simple Kriging)、泛克里金法(Universal Kriging)以及经验贝叶斯克里金法(EBK)8种空间内插方法进行评估。研究依据DEM数据的流域分析结果,对我国三大流域的降水量进行区域插值,同时采用交叉验证方法,对中国范围整体插值精度以及分区后三大流域的插值精度分别进行了验证。结果表明:对全国范围内采用经验贝叶斯克里金插值法取得了较好的效果;三大流域中,对黄河流域采用泛克里金法最优,对长江流域采用普通克里金法最优,珠江流域采用径向基函数法最优。最后以流域内的城市为例进行验证,结果表明各流域的最优空间插值方法具备有效性和指导价值。     

不同空间插值方法在辽西降水空间插值的精度对比分析

本文结合区域降水站点实测降水数据,对比分析了反距离加权插值和克里金插值方法在辽西降水空间插值的精度。研究结果表明:反距离加权插值法由于考虑插值点之间的权重,在辽宁西部降水空间插值的精度高于克里金插值方法,反距离加权插值方法下降水插值和实测降水之间年和月尺度的误差分别为6.2%和20.7%,年相关系数达到0.79,克里金插值方法下降水插值和实测降水之间年和月尺度误差分别为10.9%和24.6%,年相关系数为0.51,反距离插值方法更适用于辽西地区的降水空间插值计算。研究成果可为辽宁西部无资料地区降水空间插值计算提供方法参考。     

四川省降水空间分布的插值分析

降水的空间分布特征是区域生态研究的重要内容,基于GIS的空间插值是获取降水分布特征的主要方法,以四川省49个气象站(其中15个为校验站点)2000~2007年的年平均降水量和四川省DEM为数据源,选取了反距离加权法(IDW)、普通克里金法(Ordinary Kriging,OK)和考虑高程、坡度、坡向的协克里金法(Co-Kriging,CK)3种空间内插方法,对四川省降水的最优空间插值方法的选取进行了探讨。结果表明:考虑高程、坡度、坡向的协克里金插值取得了较好的效果;四川省降水存在较大的空间变异性,有明显由东往西递减的趋势,最大降水量主要分布于东北部的达州、巴中地区以及东南部的乐山、雅安地区。     

基于降雨分布不均匀性的空间插值方法适用性研究

为定量评估降雨空间分布不均匀程度,以史灌河流域为研究区选取48个雨量站1998年到1999年92场日降雨观测资料,首次提出降雨空间集中度概念,分析降雨空间集中度与面平均雨量、插值误差的关系。采用反距离权重法、局部多项式法、径向基函数法、普通克里金法以及协同克里金法对拟定的站点进行空间插值,并用相对平均误差评判插值结果的好坏,分析不同降雨空间分布下各种插值方法的优劣。     

场次降雨空间插值方法对比研究

选用反距离加权法(IDW)、局部多项式法(LPI)、普通克里金法(OK)、经验贝叶斯克里金法(EBK)、协克里金法(CK)共5种方法,进行场次降雨空间插值效果对比研究。分析不同降雨量等级(12 h、24 h时段下小雨、中雨、大雨、暴雨)和时间尺度(场次、24 h、12 h、6 h、3 h、1 h)对空间插值精度的影响,确定不同情况下适用的场次降雨空间插值方法。以安徽屯溪流域为对象,对2010—2018年23个雨量站的汛期逐时降雨量进行了空间插值验证研究,结果表明：(1)随着降雨量等级的增大,各方法插值结果的精度均不断提升;(2)随着时间尺度的减小,降雨数据空间自相关性减弱,各方法插值效果逐渐变差;(3)整体而言,不同降雨量等级和时间尺度下,考虑高程因素的CK法插值效果最优,EBK法、LPI法次之,OK法和IDW法最差。研究认为,对屯溪这类山丘区流域的场次降雨空间插值问题,考虑高程因素影响的协克里金法更为适合。     

基于雨量计的城区降雨插值不确定性分析

以北京市西城区2013年6月23日自动雨量计实测数据为研究样本,采用反距离权重法、普通克里金法、径向基函数法等空间插值方法及交叉验证检验方法,以最小均方根误差为插值精度评价指标,分析了站点数量、站点密度、站点分布差异以及不同插值方法对城区降雨插值精度的影响。结果表明:1在城区插值分析中,站点数量及站网密度对插值精度影响较大,而站点分布影响较小,当雨量站点采样率不低于50%、站点密度选择中度分布时可得到较稳健的插值结果;2普通克里金法更适用于城区降雨空间插值。     

非连续河道地形插值方法的比选

针对在许多河道水动力及水环境模拟计算过程中仅有一定间距下的断面地形数据的实际情形,以黄浦江为例,分别采用三角网格法、反距离权重法和克里金法3种方法对强弯段、干支流交汇处及复式分汊河道的水下地形进行插值,以对比分析3种方法的适应性。结果表明,对于强弯段、干支流交汇处及复式分汊河道等地形起伏变化较大区域,三角网格法会造成插值结果不稳定,误差及波动大,未能反映部分地形起伏实际情况,反距离权重法可能出现"牛眼"现象,克里金法表现出较好的适应性;在减少测量断面时,克里金法的插值结果误差最小,强健性较好;将3种插值方法获得的黄浦江全河段插值地形用于整体潮位计算,克里金法计算精度最高。     

城市暴雨内涝计算中降雨插值算法的选取

城市暴雨内涝计算的精度取决于暴雨数据的准确性。分别采用反距离加权插值、样条函数插值、克里金插值三种方法,对郑州市暴雨数据进行插值精度比较、交叉检验结果精度分析,并在城市暴雨内涝计算中对三种降雨插值结果进行验证。结果表明:克里金插值结果要优于反距离加权插值和样条函数插值结果,能够满足区域暴雨内涝灾害计算的精度要求。     

不同空间插值方法在沈阳地区降水插值的对比分析

分别采用反距离加权和克里金插值方法对沈阳地区降水量空间插值进行对比分析。研究结果表明：反距离加权由于考虑降雨插值点之间地形影响,总体降雨插值精度好于克里金方法,更适用于辽宁中部城市地区降雨空间插值计算。     

基于水汽输送与IDW法耦合的降雨插值方法研究

在普通反距离权重法(IDW)的基础上,构建基于水汽输送与反距离权重法耦合的降雨插值方法(IDWWVT)。以三峡库区为例,利用库区及周边22个气象站点资料,分别采用IDW-WVT方法和IDW方法对22个站点2009~2013年的日降雨量进行空间插值模拟,以典型流域澎溪河的14个雨量站观测降雨资料对插值效果进行评价。结合SWAT模型,进一步分析插值降雨对澎溪河径流过程以及面源负荷过程的影响。结果表明:IDW-WVT方法对降雨量空间插值的精度明显优于IDW方法,在日尺度和月尺度中插值精度分别提高了23.1%,16.9%;同时使用IDW-WVT对径流过程和面源负荷过程的模拟效果也提升显著。     

多测度加权克里金法在高边坡变形稳定性分析中的应用

针对传统的克里金法仅以欧式距离测度描述空间结构相关性的不足,基于最小方差准则提出了综合曼氏、欧式和切氏三种距离测度的多测度加权克里金方法,同时给出了一种简便的替代最小方差准则的改进定权准则。利用小湾水电站2号山梁高边坡监测点不同季节的变形速率数据进行实例计算,结果表明多测度加权克里金法提高了插值精度与可靠性,且改进定权准则的估计值接近理论最优值。应用所提出方法得到的2号山梁高边坡2004年春夏秋冬多时相变形速率场,有效地揭示了高边坡自下而上牵引式变形逐步得到控制并趋于平稳的演化特征,为边坡变形稳定性评估与防治提供依据。     

基于GIS的黑龙江省多年平均降水量空间插值分析比较

以黑龙江省分辨率为90m的数字高程模型(DEM)的数据为基础,结合ArcGIS软件,分析黑龙江省83个气象站点1971—2018年的降水资料,采用克里金法(Kriging)、反距离权重法(IDW)、径向基函数法(RBF)、全局多项式插值法(GPI)和趋势面法(TS)五种方法进行空间插值模拟.结果表明,黑龙江省年平均降水量东多西少,具有自边缘到中心逐渐增加的特征.西南部和西北部(漠河和北极村)的降水量大多在500mm以下,部分中部地区的降水量超过700mm.总体年平均降水量在400mm—700mm之间,大部分地区属于半湿润区.在该研究区域中,通过克里金指数模型插值方法获得结果的准确性优于其他插值方法.     

多测度加权克里金法在高边坡变形稳定性分析中的应用

针对传统的克里金法仅以欧式距离测度描述空间结构相关性的缺点,基于最小方差准则,提出了综合曼氏、欧式和切氏三种距离测度的多测度加权克里金方法,同时给出了一种简便的替代最小方差准则的改进定权准则。利用小湾水电站2号山梁高边坡监测点不同季节的变形速率数据进行实例计算,结果表明多测度加权克里金法提高了插值精度与可靠性,且改进定权准则的估计值接近理论最优值。应用所提出方法得到的2号山梁高边坡2004年春夏秋冬多时相变形速率场,有效地揭示了高边坡自下而上牵引式变形逐步得到控制并趋于平稳的演化特征,为边坡变形稳定性评估与防治提供依据。     

不同比例尺下单波束测深数据的插值方法精度分析

以某内河航道局部航段作为试验区域，对不同比例尺单波束测深数据采用空间插值方法进行格网化，同时与多波束测深系统的实测数据进行对比，统计插值方法精度特征指标。结果表明，不同比例尺水深源数据密度对空间插值方法影响显著，随着测量比例尺不断减小，空间插值方法的内插精度下降明显；对于比例尺大于1:500的水深数据源，克里金插值法、最小曲率法和线性插值三角网法3种插值方法的精度基本相当，反距离加权插值法不满足插值精度要求；综合考虑内插精度特征参数，在类似区域建议采用线性插值三角网法。