基于地理加权回归克里金的中国区域PM_(2.5)浓度插值

针对常规的PM_(2.5)浓度预测模型难以同时处理PM_(2.5)分布的空间非平稳性和空间自相关性问题,结合空气污染物、气象数据、全球导航卫星系统(GNSS)天顶对流层延迟,分析PM_(2.5)与这3类因子的相关性;选取其中与PM_(2.5)浓度显著相关的因子作为建模的辅助因子,建立了顾及多因子影响的地理加权回归克里金(GWRK)模型,进行中国区域PM_(2.5)浓度插值。结果表明,GWRK模型的平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)、平均相对误差(MRE)、相关系数(r)分别为6.49μg/m^(3)、13.64μg/m^(3)、15.92%、0.85;除RMSE略逊于地理加权回归模型外,其余精度指标比反距离加权(IDW)、克里金、地理加权回归方法均有比较明显的提高。

基于协同克里格插值和地理加权回归模型的土壤属性空间预测比较

选取宜昌市红花套镇作为研究区域,研究土壤pH、有机质、有效磷、速效钾、碱解氮与土壤属性指标变量之间的关系,选择与预测变量之间具有较高相关性的变量作为辅助变量用以提高预测精度,本文试图将地理加权回归模型应用于土壤属性空间模拟中,以此与协同克里格插值的预测结果进行对照,从而比较它们的预测精度以提出更适合土壤属性预测的模型。结果表明:协同克里格插值和地理加权回归模型对土壤属性的空间模拟均有较高的预测精度,在辅助变量较多的情况下地理加权回归模型具有比协同克里格插值更为简单的算法,并且比较预测值相对误差的范围跨度和标准差以及均方根误差等方面,地理加权回归模型在土壤属性指标预测方面具有更高的预测精度,也具有更大的优势。

基于混合地理加权回归与克里格的区域降水量空间插值方法

基于四川省区域范围内144个气象站点的实测降水数据,在综合考虑空间位置、地形等影响因素的基础上,采用改进的回归克里格模型,即混合地理加权回归克里格模型(MGWRK)对四川省年降水量的空间分布进行空间插值,并与普通克里格(OK)、全局回归克里格(GRK)和地理加权回归克里格(GWRK)等模型的插值效果进行对比分析。结果表明:(1)应用逐步回归法筛选确定的用于回归分析的影响因子组合为经度、纬度和坡度,可有效消除解释变量间的多重共线性,为后续的空间插值奠定基础;(2)同一回归变量在地理加权回归(GWR)与全局回归(GR)两种回归模型中的AICc(修正的赤池信息量准则,Corrected Akaike Information Criterion)值之差(ΔAICc)可用于定量判定各回归变量的空间非平稳性类型,据此将变量坡度设为全局变量,经度和纬度设为局部变量进行处理。在此基础上,通过MGWRK模型对四川省年降水量进行空间插值;(3)MGWRK插值模型综合考虑了空间位置、地形等多个影响因素及其与降水相互关系的空间非平稳性特征,相对于传统的OK和GRK法具有更高的插值精度。

基于^(137)Cs本底值计算模型和地理加权回归克里格对^(137)Cs本底值空间分布的预测

^(137)Cs示踪技术是土壤侵蚀研究的一种重要方法,目前已得到广泛应用。准确的^(137)Cs本底值是运用该技术开展研究的基础。为了获取区域高空间分辨率^(137)Cs本底值数据,作者基于147个气象站点的实测数据和Walling&He的^(137)Cs本底值计算模型,运用主成分分析(PCA)和地理加权回归克里格(GWRK)相结合的方法,预测四川省^(137)Cs本底值的空间分布。结果表明:1)应用PCA法可在保留大部分原始信息的同时,有效地消除变量间的多重共线性,为后续的回归分析与空间插值奠定基础;2)GWRK插值法综合考虑了降水、空间位置等多个影响因素及其对^(137)Cs本底值影响的空间非平稳性,相对于传统的普通克里格和全局回归克里格插值法具有更高的预测精度,且较准确地表达局部区域^(137)Cs本底值空间分布的细节信息;3)以实测数据为基础、基于GIS技术的空间插值方法是获取区域高分辨率^(137)Cs本底值空间数据的可行途径。本研究有效地揭示^(137)Cs本底值的空间分布规律及不同因素对其影响,为运用^(137)Cs示踪技术开展土壤侵蚀研究、水土流失治理等工作提供基础数据和技术支持。

基于地理加权回归模型的亚热带地区乔木林生物量估算

基于浙江省碳汇样地调查数据,以乔木林生物量(含地上和地下生物量)为因变量,将筛选的与因变量相关性较高的因子作为解释变量,采用地理加权回归和协同克里格方法对乔木林生物量进行估算,对比分析两种估测方法的精度。结果表明:基于地理加权回归方法构建的乔木林生物量估算模型(R2adj=0.820 4,RMSE=23.021 5 t/hm2)精度优于协同克里格方法(R2adj=0.726 3,RMSE=28.054 9 t/hm2),同时使用地理加权回归方法的乔木林生物量预测值的变异系数(Cv=0.618 9)高于协同克里格法(Cv=0.585 4),由此可知地理加权回归方法因考虑了待估变量的局部变异,比协同克里格方法具有更好的拟合结果,预测精度较高。

基于GIS和地理加权回归的砂田土壤阳离子交换量空间预测

土壤阳离子交换量(CEC)反映土壤保水保肥能力,研究CEC空间分布可为土壤改良和田间施肥提供理论依据。本文以宁夏香山地区砂田淡灰钙土为研究对象,在土壤CEC和理化性质相关分析基础上以普通克里格(OK)为对照,探索回归克里格(RK)和地理加权回归克里格(GWRK)在CEC空间插值上的应用,并对三者的插值精度及制图效果进行评价。描述统计表明研究区土壤CEC含量均值为10.145cmol/kg,CEC与有机质含量呈显著正相关,与砂粒含量呈显著负相关;地统计分析表明CEC实测值、OLS残差和GWR残差块金系数分别为8.50%、6.36%和7.02%,比值均小于25%,具有强烈空间自相关;对验证点进行插值精度分析,RK和GWRK的相对模型改进值(RI)分别为40.49%、41.50%,插值精度GWRK>RK>OK;从成图效果看,GWRK中辅助变量参与了局部回归,成图效果更加精细,揭示了更多空间变化细节。本研究结论可为土壤CEC空间预测研究提供可靠的方法借鉴。

基于多光谱和地理加权回归模型的石嘴山城市土壤有机碳空间分布研究

城市土壤有机碳(SOC)分布受城市建设、工业发展等人为因素的影响表现出明显的空间差异。为揭示石嘴山市SOC受城市化、工业化等人类活动的影响,分别利用普通克里格法(OK)、多元线性回归克里格法(RK)、遥感反演方法(RS)和遥感-地理加权回归克里格法(RGWRK)预测石嘴山市SOC空间分布。结果表明:石嘴山市SOC含量在1.31~66.92 g·kg^-1之间变化,其平均值为17.61 g·kg^-1。石嘴山市不同功能区SOC含量存在显著差异(p<0.05),具体表现为工业区>医疗区>商业区>道路>住宅区>公园>农田>科教区;SOC含量变异系数为66.27%,呈中等程度变异;其最佳拟合模型为高斯模型,C0/(C0+C)为0.02,属于强空间自相关。SOC与遥感影像波段DN值的差值(B1-B7、B3-B7、B4-B7)和地形因子(高程、坡度、起伏度)之间存在着极显著的相关性(p<0.01);通过对4种方法的结果进行对比可知以各波段DN值差值与地形因子为输入量,利用RGWRK预测的SOC精度最高,相比OK精度提高了10.05%,相比RK精度提高了8.79%,相比RS精度提高了8.92%;研究区SOC含量呈北高南低的趋势,工业区SOC含量是郊区农田SOC含量的1.92倍,表明城区SOC含量有富集的趋势。

基于地理加权回归克里金的中国PM_(2.5)浓度空间制图方法

空气细颗粒物健康暴露风险等研究需要准确的PM_(2.5)浓度时空分布信息作为健康评估的重要输入。然而,由于监测台站稀疏分布,通常需要融合遥感等辅助信息,通过空间制图模型得到PM_(2.5)浓度的分布状况。如何在估计模型中将PM_(2.5)浓度的空间分布特征融入制图模型将是提高PM_(2.5)制图精度的关键。发展了一种融合地理加权回归和克里金插值方法的混合模型:地理加权回归克里金(Geographically Weighted Regression-Kriging,GWRK),地理加权回归模型考虑PM_(2.5)浓度分布的空间异质性,克里金模型对回归后的残差中存在的空间自相关性进行建模。基于该方法,利用中国空气质量监测站数据,采用遥感、模式模拟数据作为辅助信息,对2017年中国逐月的PM_(2.5)浓度分布进行估计空间制图。交叉验证结果表明,GWRK相较于传统制图方法(最小二乘回归、地理加权回归、回归克里金)具有更高的精度,决定系数R2为0.824,平均绝对误差为6.96μg/m3,均方根误差为10.94μg/m3。2017年逐月的PM_(2.5)浓度制图结果显示,在时间上,冬季是PM_(2.5)污染最严重的时段,夏季最轻,空间上,东部经济较为发达的城市如长三角地区是污染严重区,西南地区污染程度较轻。

基于地理加权回归克里金的降水数据融合及其在水文预报中的应用

地理加权回归克里金(GWRK)是在地理加权回归(GWR)基础上扩展得到的一种既能考虑回归关系的空间非平稳性又能考虑回归变量空间自相关性的降水数据融合方法。以赣江流域为例,在评价TRMM卫星数据精度的基础上,分别以GWRK和GWR方法构建了站点-卫星降水数据融合模型,然后采用降水融合数据驱动GR4J水文模型进行水文预报。根据站点尺度降水融合数据精度及水文预报表现,对GWRK和GWR构建的降水融合模型效果进行评价,结果表明:较之GWR方法,GWRK方法能较明显的提高降水融合数据在站点尺度上的精度,但是由于输入到水文模型中的数据为面降水数据,受空间均化的影响,对水文预报精度的提高不如对站点尺度降水融合数据精度的提高明显。

基于地理加权回归克里格的日平均气温插值

气温是大量农业、水文、气候、生态模型的输入变量.在地形复杂的区域,考虑气温与环境变量的线性回归关系和残差的自相关性的方法(如回归克里格法,regression Kriging,RK)是目前气温插值的主要方法.但此类方法多使用基于普通最小二乘的全局回归技术,没有顾及回归关系的空间非平稳性.地理加权回归克里格(geographically weighted regression-Kriging,GWRK)是一种既能顾及回归关系的空间非平稳性、又能考虑残差的自相关性的一种插值方法.本文用RK和GWRK对海南岛2013年12月18日的日平均气温进行插值并进行比较研究.依相关性分析和逐步回归分析的结果,采用RK1(以海拔为辅助变量)、GWRK1(以海拔为辅助变量)、RK2(以纬度、海拔、海陆距离为辅助变量)和GWRK2(以海拔、海陆距离为辅助变量)4种模型进行研究,并用80个验证站评估4种模型的精度.结果表明:GWRK1模型的最大正误差、最大负误差、平均绝对误差、均方根误差均最接近于0.从最大正误差、平均绝对误差、均方根误差3个指标看,考虑更多辅助变量的RK2、GWRK2模型反而不及只考虑海拔的RK1、GWRK1模型,表明RK2、GWRK2模型中辅助变量之间的相关性对插值结果有较大影响.

复杂地形地区月平均气温(混合)地理加权回归克里格插值

以地形地貌特征复杂、观测站点分布稀疏不均匀的四川省为研究区,引入地形因子(坡度和坡向)和植被指数,采用顾及空间关系非平稳性的(混合)地理加权回归克里格模型((mixed)geographically weighted regression Kriging,(m)GWRK)进行月尺度平均气温插值方法及精度分析研究。针对不同季节和不同地区,将(m)GWRK插值结果与基于全局回归的回归克里格(regression Kriging,RK)插值结果进行对比。结果表明,RK、GWRK、mGWRK回归关系的决定系数R2分别为0.795、0.922、0.911,均方根误差分别为0.83℃、0.64℃、0.55℃,表明GWRK、mGWRK对目标变量的解释能力以及插值精度都优于RK;GWRK、mGWRK相对于RK对月平均气温插值的改进具有季节与地区差异,冬半年的改进大于夏半年,在地形地貌变化大的地区改进大于地形地貌变化小的地区。

地理空间信息扩散技术实证研究——以四川省三台县洪水灾害为例

插值,是推测地理空间中空白单元处地表现象的重要途径。协同克里金插值(CK)、地理加权回归(GWR)和回传神经网络(BP-ANN)等,在满足相应条件的情况下,都是很好的插值方法,但不具有普适性。在观测单元不多,数据离散性较大的情况下,信息扩散技术的插值,比这些模型的效果都好。该文以四川省三台县2018年和2020年发生的两次大洪水,采集的25个村的房屋损失、农业损失和庄稼被淹三类水灾灾情数据组成6个案例,以村庄与河流的距离、GDP和坡度等为自变量,以灾情为因变量,实证了地理空间信息扩散技术用于插值的普适性。信息扩散的自学习离散回归模型(SLDR),预测误差较小,且没有明显的预测误差小于基准误差的情况。CK在所有案例中,均是预测误差小于基准误差,说明插值无效;GWR在5个案例中也出现相同情况。虽然BP-ANN的基准误差很小,但预测误差却比基准误差高出近一个数量级,也远高于其他模型,表明能够高度拟合训练样本的回传神经网络模型,并不适用于复杂地表现象的插值。

我国区域气候影响下的成年人肺动脉收缩压参考值及其地理分布规律

【目的】为制定中国成年人肺动脉收缩压参考值的统一标准提供科学依据。【方法】搜集了中国61个地区的3 405例健康成年人肺动脉收缩压参考值资料,运用相关分析研究肺动脉收缩压与7项地理指标的关系,利用向后回归分析和因子分析分别建立了模型并利用T检验对最优模型进行选取。【结果】肺动脉收缩压与地理指标存在显著的相关性。经验证,因子分析模型为最优预测模型。根据模型计算全国2 322个地区的PASP预测值,利用Arc GIS软件的克里金插值法内插出中国成年人肺动脉收缩压度参考值的空间趋势分布图。【结论】海拔是成年人肺动脉收缩压参考值最主要的影响因子。若已知中国某地的地理指标数据,可通过因子分析模型计算得出结果,也可利用空间趋势图直观地得到中国任何地区的成年人肺动脉收缩压参考值。

基于MGWRK的土壤有机质制图及驱动因素研究

【目的】空间预测是一种获得有机质空间局部细节的重要方法,其准确性对于农田合理管理有着重要意义。本研究通过对比不同的土壤有机质空间制图方法以获得更优的预测精度,在预测的同时揭示环境协变量的空间非平稳性特征及不同环境协变量关系的空间尺度。【方法】选取晋中盆地的7个乡镇作为研究区,对比普通克里金(OK)、回归克里金(RK)、地理加权回归克里金(GWRK)和多重尺度地理加权回归克里金(MGWRK)4种不同方法对土壤有机质的预测能力和效果,并探究影响因子在空间分布中对有机质的影响效应变化和这种影响效应的空间尺度。MGWRK是一种多重尺度地理加权回归(MGWR)与普通克里金方法相结合的方法。【结果】选取坡向、坡度、年均降水量、年平均温度、海拔、植被年总初级生产力、年蒸散量、地形湿度指数、平面曲率、汇流动力指数、地形指数、地形粗糙指数、年平均NDVI为环境协变量参与建模,在多元线性回归建模中,模型统计学意义显著,这表明模型具备统计学意义。从Radius指数来看,各模型模拟效果由好到差依次为RK、OK、GWRK、MGWRK;从制图效果来看,MGWRK与GWRK制图效果相当,从有机质的空间预测图可以看出,土壤有机质在研究区呈现东西两侧偏低、中部偏高的空间格局,其中汾河以东、昌源河流经区域土壤有机质普遍偏高。坡向、年均降水量、年平均温度、海拔、地形指数、年平均NDVI对研究区东部有机质的影响强于西部,而坡度、植被年总初级生产力、年蒸散量、平面曲率、汇流动力指数、地形粗糙指数则表现出截然相反的空间非平稳性特征,地形湿度指数对有机质的影响则体现为北部强南部弱。【结论】MGWRK方法的空间预测精度分别达到了RK方法的69%、OK方法的71.74%、GWRK方法的71.17%。MGWRK在空间非平稳性特征的解释能力和空间可视化表现良好,为有机质的预测和空间非平稳性特征的描述提供方法借鉴。

基于GWRK的土壤有效磷空间预测及其超标风险评估

以江苏省金坛区土壤有效磷的空间预测为例,构建地理加权回归克里格(GWRK)模型,即采用地理加权回归(GWR)来量化土壤有效磷与主要土壤因子(即:土壤全磷、土壤pH值和土壤有机质)之间的局部空间关系,并结合局部回归残差的插值结果来预测土壤有效磷的空间分布状况.GWR结果显示主要土壤因子对土壤有效磷含量的影响程度随空间位置的变化而变化.同时,采用独立验证样本对比GWRK模型和普通克里格(OK)模型的空间预测精度.结果显示,GWRK预测结果具有更低的平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和更高的Pearson相关系数(r),且较OK预测结果的相对提高指数(RI)为19.61%.此外,根据GWRK预测结果,对金坛区土壤有效磷含量的超标风险进行了评估.结果表明土壤有效磷含量超过其环境安全阈值(40mg/kg)的区域集中分布在金坛区北部,其面积为175.58km2,约占金坛区总面积的18%.因此,GWRK模型能有效评估区域土壤元素有效量空间分布状况,且GWR局部空间回归系数能为区域土壤元素有效量的调控提供更精确空间决策支持.

基于PCA-GWR的包气带不同土层饱和导水率的传递函数及其回归克里金估计

饱和导水率是重要的土壤水力学参数,对渗流和溶质运移研究起着至关重要的作用.土壤传递函数可以代替大规模采样和室内外试验间接预测该参数,但由于土壤的空间变异性以及方法的局限性等原因,以往的传递函数往往精度有限.本文以黄河下游沿岸兰考县闫楼乡包气带不同土层为研究对象,基于64个钻孔数据,将土壤粒径分布(黏粒、粉粒和砂粒含量)、土壤结构分形维数、干容重、总孔隙度、pH值、有机质和电导率等9个基本理化特性参数作为影响因素,基于逐步回归、主成分回归和主成分-地理加权回归(PCA-GWR)三种方法,分别对研究区包气带不同土层的饱和导水率进行回归分析,比较精度后基于PCA-GWR对饱和导水率进行地理加权回归克里金插值.结果显示,除表层粉土以外,PCA-GWR法的预测精度有显著优势.不同土层传递函数和饱和导水率分布的差异性表明,由于黄河下游地区快速多变的沉积过程、黄河的决口改道以及人类活动等因素,包气带土层相变剧烈,土壤饱和导水率在平面上亦具有明显的非平稳特征.而局部地质作用和人类活动是第二层粉土层回归克里金估计结果欠佳的深层原因.

基于地理加权回归克里格模型的帽儿山地区森林碳储量空间分布

森林碳储量对于全球气候变化具有重要影响,以往的模型估算未考虑到模型残差的空间相关性和碳储量数据的非平稳性,影响模型的预测精度.本研究基于东北林业大学帽儿山实验林场的ETM+遥感影像数据和193块固定样地,利用地理加权克里格回归(GWRK)建立森林碳储量与遥感和地形因子的回归模型,同时对比最小二乘模型(OLS)、地理加权回归模型(GWR)的预测精度.结果表明:对于帽儿山地区的森林碳储量估算,GWRK的平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)低于OLS模型和GWR模型,GWRK模型的平均误差(ME)低于GWR模型,与OLS模型相近.GWRK模型的预测精度为83.2%,较OLS模型(73.7%)和GWR模型(77.3%)分别提高6%和10%,拟合精度明显提高,说明GWRK模型是森林碳储量估算的有效方法.利用GWRK模型预测的研究区森林碳储量平均值为70.31 t·hm^(-2),在海拔较高的地区,森林碳储量值相对较高,说明海拔对其有较大影响.

近40年克里雅绿洲人口时空变化对土地利用/覆盖变化的影响

研究绿洲区域土地利用与覆盖变化及人类活动对土地利用与覆盖变化的驱动作用,对全球变化科学具有重要意义。该文通过精确空间化的1975年和2015年人口数据与土地利用与覆盖(land use and land cover,LULC)数据,运用网格单元法、线性相关、空间自相关、空间回归模型等方法,兼从全局与局部定量分析克里雅绿洲40a的人口变化与LULC变化的时空动态关系,探讨人口空间变化对LULC变化的驱动作用。结果表明:1)40 a来,克里雅绿洲的扩张表现在:人口显著增加,坤长14.277 7万人并向县、乡、镇中心集聚,建设用地与耕地向南部扩张明显,林地增加但趋于破碎化,草地与水域锐减。2)人口的空间变化是克里雅LULC变化及绿洲扩张的直接驱动力,直接表现为建设用地与耕地向南扩张,间接表现为林地变化、草地变化、水域变化。人口的空间变化对绿洲扩张的内部驱动作用,与绿洲北部恶劣的自然环境、克里雅河自南向北的流向共同作用,导致绿洲向南部扩张。3)地理加权回归模型能够反映更多的异质特征。在总体相关结果下,局部区域可能出现方向相反或大小不等的相关结果。研究可为当地政策制定提供依据。

基于地理因子的福建省年降水空间估算模型研究

为研究福建省多年平均降水量的空间分布格局,为工农业生产、自然灾害预测、生态环境建设提供科学依据,利用福建省及周边区域35个气象站点1951—2011年降水资料,分析年均降水量与海拔、纬度、距海岸距离、坡向的相关性;同时,结合多元回归方程和克里金插值构建降水空间估算模型,反映出年均降水量空间分布的总体趋势,突出局部地区降水的差异,估算福建省1951—2011年年均降水量空间分布。结果表明:已知气象站点年均降水量估算的平均相对误差为3.4%,绝对误差为56 mm,验证站点的平均相对误差为3.6%;福建省年均降水量从东南沿海向西北山区呈现波动式上升的特点。

中国健康成年人抗凝血酶III活性参考值的地理分布

为探讨我国不同地区抗凝血酶III活性的参考值,并分析我国健康成年人抗凝血酶III活性参考值的地理分布.将所收集的我国153个单位8818例健康成年人抗凝血酶III活性参考值,首先通过空间自相关确定其与地理因子之间存在相关性,并确定具体的相关性地理因子;其次运用岭回归分析拟合出我国2322个城市健康成年人的抗凝血酶III活性参考值;最后结合地统计分析,探究我国健康成年人抗凝血酶III的活性参考值的地理分布.结果显示我国健康成年人抗凝血酶III活性参考值具体分布呈东北地区、西北地区和西南大部分地区较低;华北地区、华中地区、华东地区和华南地区较高的趋势.由此若已知我国某地区的地理因素数值,可由此结合预测回归方程:=80.80-0.04430X2+0.1714X5-0.004970X6+0.0008900X7-0.06210X8-0.07626X11+18.97X14-1.692X16-0.03670X18+0.01194X19-0.02360X21±8.55计算出该地区健康成年人抗凝血酶III活性的参考值,进而为该地区实测的抗凝血酶III活性值大小提供科学依据.