地形因子对反距离加权插值方法(IDW)最优距离指数的影响分析

反距离加权插值方法(Inverse Distance Weighted,IDW)是生成数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)的常用内插手段之一,不同的地形应使用合适的IDW距离指数进行插值。本文选取了平原、丘陵、小起伏山地、中起伏山地和大起伏山地5种地形,设计了2组试验,从地形宏观形态和地形微观形态2个方面研究了地形对IDW插值中最优距离指数(Optimal order of distances,OOD)的影响。首先使用狼群算法(Wolf pack algorithm,WPA)计算不同地形区下IDW插值的OOD,分析不同地形之间OOD的分布差异;其次选取坡度、坡向、曲率3个地形因子,计算各采样点的OOD,分析不同地形因子对采样点OOD的影响。结果表明,从平原地区到大起伏山地地区,随着区域内地形起伏度的增加,OOD减小。采样点的OOD在高值区的占比随坡度增大而减小;OOD随坡向变化差异不大;随着地形曲率的增大,OOD在高值区的占比增加,在低值区的占比减小。在较为平坦的地区,例如平原地区,丘陵地区建议使用OOD在3≤a≤4范围内取值进行IDW插值,而在小起伏山地、中起伏山地和大起伏山地等山地区建议采用OOD在1≤a≤2范围内取值进行IDW插值。

Mapping Distribution of Precipitation, Temperature and Evaporation in Seydisuyu Basin with the Help of Distance Related Estimation Methods

In this research, distributions of precipitation, temperature and evaporation in Seydisuyu basin were analyzed with the help of inverse distance weighted (IDW) method. Because real meteorological data of the basin (precipitation, temperature and evaporation) do not have normal distribution, precipitation, temperature and evaporation distribution maps are drawn after normalization process. The number of meteorological stations, in other words the number of samples, is low, so only IDW method is used in this research. In addition to the research, reliability of the results obtained with the help of inverse distance weighting method was examined with accuracy analysis. The purpose of this study, the spatial distribution of meteorological data on a basin or areas is to demonstrate the applicability of the statistical basis.

基于GIS的灌区土壤投入品残留污染监测预警系统

为了解决工业发展导致的灌区土壤投入品残留污染问题,给出一种基于地理信息系统(geographic information system,GIS)的土壤污染监测预警系统。该系统结合VOC-PF1型传感器、STM32主控芯片和GSM通信模块,实现了高效的数据采集和通信功能。通过反距离加权(inverse distance weighted,IDW)插值法进行空间分析,并设立预警阈值,实现对灌区土壤投入品残留污染的实时监测和预警。实验结果表明:该系统的监测精度高达98%,监测时长最高为49 s,具有很高的实用性和效率。研究结果不仅为灌区土壤投入品残留污染监测提供了有效手段,也为环境保护和农业可持续发展提供有力支持。

上海市高程基准近五年变化分析

高程基准是一个地区经济社会发展的重要基础设施。上海市于2020—2022年开展了全市高程基准更新工作。通过对原有高程基准基础设施调查、高程控制网水准复测、高程基准分析三步工作完成了上海市的高程基准的更新并发布新一期的高程基准成果。为了掌握上海市高程基准在近5 a的变化情况,对上海市城市水准点的数量变化、区域分布及高程变化情况3个方面进行研究分析,得出了关于上海市城市水准点数量、分布及高程变化的有益结论。最后对上海市高程基准的维护更新提出了一些建议。

云南省1961-2020年降水结构时空变化特征

[目的]揭示近60 a云南省降水结构的变化,加强对云南省降水的监测和预警,为云南省水旱灾害风险评估提供科学参考依据。[方法]基于云南省32个气象站点逐日降水观测数据,引入降水发生率和降水贡献率两个指标,利用创新趋势分析法(ITA)、Mann-Kendall检验法和反距离权重法(IDW),探讨了在不同降水历时和降水等级下,降水结构时空变化的特征。[结果](1)降水发生率随降水历时增加呈减少趋势,降水贡献率呈先增加后减少趋势,云南省以短历时降水为主。空间上,短历时降水发生率和贡献率整体呈现自东北向西南递减趋势,长历时与之相反。(2)随降水等级的提升,降水发生率呈增加趋势,降水贡献率呈先增加后减少趋势,云南省降水以小雨为主。空间上,小雨发生率呈自北向南递减趋势,中雨、大雨和暴雨发生率趋势与之相反。小雨和中雨贡献率呈自西北向东南递减趋势,大雨和暴雨与之相反。滇中、滇南和滇西南地区大雨和暴雨发生率和贡献率均较高,可能造成洪涝灾害的风险较大。(3)不同降水历时下,大多数站点短历时降水发生率和贡献率呈增加趋势,上升幅度大于5%,长历时呈5%以上下降趋势。不同降水等级下,大多数站点的小雨发生率、贡献率呈10%以内下降趋势,大雨和暴雨发生率、贡献率呈5%以上的上升趋势。[结论]云南省短历时大雨和暴雨发生概率有所上升,地区发生洪涝灾害和土壤侵蚀的几率增大,未来应持续对其降水结构进行监测研究。

基于IDW的铜陵地区土壤重金属空间分析及污染评价

为研究铜陵地区土壤重金属的空间分布特征和污染现状,通过电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）对土壤中的As、Hg、Pb、Cu、Zn 5种重金属元素进行了测定,应用反距离权重法（IDW）对重金属含量进行了空间分析,并采用内梅罗指数法对污染程度进行了评价。结果表明,除Hg外,土壤中As、Pb、Cu、Zn质量比均高于铜陵地区背景值,其中As、Cu和Zn质量比更高,超国家三级标准（GB15618—1995）的百分比分别为48. 11%、11. 35%、11. 08%。研究区内土壤As和Cu为重度污染,Zn为中度污染,Pb为轻度污染,Hg为无污染;土壤重金属含量高值区和污染严重区空间分布特征一致,主要集中分布在新桥硫铁矿、冬瓜山铜矿、铜官山铜矿等矿区;综合污染评价指数为8. 621,为重污染状态,污染区几乎覆盖整个区域。通过重金属污染源解析,可初步判定矿产开发活动为最主要的人为污染源,因此,必须加强矿山地质环境生态保护与修复。

降雨资料Kriging与IDW插值对比分析—以漓江流域为例

降水空间化信息在很多领域都具有重要意义,而进行空间插值方法形成降水空间化信息是当代较为常用的方式。面对众多的插值方法其插值精度成为我们是否采用的关键,就kirging插值法与IDW(Inverse Distance Weighting)插值进行研究以探讨其插值效果,为此类科学研究提供依据。研究以漓江流域内各气象站点降水统计资料为基础分别采用上述两种方法进行插值处理,通过与预留实测站点比较评判方法的插值效果的优劣。结果表明,多年月平均降水量作为时间步长时,降水丰沛的月份使用kriging插值法较优于IDW插值法,而枯水月份则使用IDW插值法较优于kriging插值法。

复杂地层结构三维地质建模空间插值方法研究

三维地质体对于自然资源勘探、环境保护、自然灾害风险评估等领域都具有重要意义。在建模过程中,地质体的模型精度与插值算法有着直接关系。为研究不同插值算法的适用情况,文章对云南陆良某污染场地进行浅层三维地质建模,分别选取反距离权重法和自然邻域法,利用钻孔数据插值建模,并对模型结果进行目视检验和误差对比分析。研究结果表明:反距离权重法适用范围广,建模精度较高;相较于自然邻域法,反距离权重法更适用于地层结构复杂的三维地质建模,该方法对断层细节的描述更细致,模型更符合实际情况;而自然邻域法在断层明显的区域插值效果较差,不适用于地层结构复杂的情况。

台站温度质量控制中IDW算法改进及应用

在反距离加权插值算法的基础上,结合气象上温度随高程的变化,以及各测站垂直方向上温度场与气压场的关系,对国内地面气象观测站的温度数据进行插值算法改进。然后,从搜索半径与距离权重系数的关系,以及参与插值站点数量与距离权重系数的关系两个方面进行试验数据分析,试图找出相对最佳的算法参数和最小的插值误差。最后,将改进的算法应用到温度观测数据的质量控制中。结果表明:改进后的算法可明显改善因近地面逆温造成的插值误差,在台站分布较密集的我国中东部地区,温度质量检验的灵敏度可达到1至5摄氏度。

基于反障碍距离加权的复杂场景电磁频谱地图构建方法

针对复杂场景中存在电磁波不可穿透的障碍物导致电磁频谱地图(REMs)构建性能不佳、反距离加权(IDW)算法受限于插值邻域的人工选择等问题,该文提出一种基于Voronoi图的反障碍距离加权(VIODW)的复杂场景电磁频谱地图构建算法。该算法通过创建包含障碍物的Voronoi图,为每一个待插值点自适应选定插值邻域用于电磁频谱数据构建,并利用任意角度路径寻优(ANYA)算法计算得到待插值点与插值邻域内每个监测站点之间的障碍距离,最后以障碍距离的反幂次作为权重加权获得待插值点处的电磁频谱数据,实现高精度的复杂场景电磁频谱地图构建。理论分析和仿真结果表明,该方法具有良好的构建精度,能够准确拟合出电磁波在复杂场景中的功率分布情况,为复杂场景下电磁频谱地图高精度构建提供了一种有效方法。

基于ArcEngine与IDW法的围岩亚级分级研究

为减少地铁隧道施工中经常出现的围岩坍塌、透水等地质灾害,分析施工段围岩地质情况,采用一种基于权重的岩体基本质量亚级分级方法对围岩进行分级,结合C#与Arc Engine的二次开发,根据距离高次方反比法原理,利用已有地质钻孔数据,设计出对围岩进行等级估算和三维分级显示渲染功能的系统,并对该亚级分级方法的准确性进行验证。实验结果表明,基于权重的岩体基本质量亚级分级方法对隧道围岩分级更精确,具有较好的实用性。设计的系统对围岩等级估算的反算误差为8.82%,与实际国岩开挖后测得的信息对比误差为13%,三维分级渲染结果与实际情况较为接近,该方法可以为地铁隧道施工提供参考。

科尔沁沙地土壤碳储量插值计算对比及其影响因素分析

准确估算土壤碳储量对碳中和的实现与气候变化应对有着重要意义。本研究以地处我国北方半干旱农牧交错带东端的科尔沁沙地为研究区域,基于310个位点0-100 cm深土壤的有机碳数据,用不同插值方法[反距离权重法(IDW)、普通克里金法(OK)和回归克里金法(RK)]对土壤有机碳密度(SOCS)进行空间插值并计算区域土壤有机碳储量,使用平均误差(ME)、平均标准化误差(MSE)和均方根误差(RMSE)对插值结果进行评价,结合实测SOCS验证土壤碳储量计算的最优插值方法。结果表明:1)在半干旱沙地SOCS估算中,最终进入回归预测模型的环境变量按影响程度从大到小依次有年积温、降水量、砂土含量和海拔,SOCS与海拔、年积温、降水量和砂土含量存在显著负相关关系;2)不同插值方法计算的区域土壤有机碳储量具有显著差异(P<0.05),基于RK、IDW和OK计算得土壤有机碳储量分别为150.34、158.03和140.11 Tg。与实测值相比,OK低估了土壤有机碳储量,IDW高估了土壤有机碳储量,这种差异凸显了插值方法在区域尺度土壤有机碳储量估算中的重要性;3)基于RK插值的结果最优(ME=0.208,MSE=1.211,RMSE=1.973,R^(2)=0.3706),相比于OK和IDW的插值精度分别提高了6.0%和22.4%。本研究表明在半干旱沙地RK插值仍然适用并且可以提高插值精度,能更加准确地估算土壤有机碳储量。

基于数字高程模型的民航甚高频地空通信信号覆盖仿真

为解决起伏地形下民航甚高频(very high frequency,VHF)地空通信信号覆盖范围计算精度低、冗余度大、数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据获取缺乏自动性及信号覆盖图可视性差等问题,采用最大遮蔽角截止法等进行仿真研究。首先,考虑计算覆盖范围存在误差,提出利用反距离加权(inverse distance weight,IDW)插值法提高地形辨识度并在计算覆盖范围时考虑大气损耗;其次,为解决DEM数据获取缺乏自动性,利用MATLAB编码自动提取;再次,考虑遮蔽角计算存在冗余,采用“最大遮蔽角截止法”降低计算量;最后,为使覆盖范围直观可视,绘制二维及三维的覆盖显示图。结果表明,这些方法使遮蔽角计算量相较改进前降低了约64.60%,信号覆盖精度相较改进前提高了约3.315%。改进的覆盖仿真程序可以为VHF地面通信台站选址及飞行航线规划提供有效支撑。

基于移去-恢复技术的海洋垂线偏差插值算法

海洋垂线偏差是惯性导航重力补偿不可或缺的基础信息,高精度的海洋垂线偏差插值算法是关键要件。联合海洋垂线偏差的空域分布特征和频域表征属性,基于移去-恢复技术对海洋垂线偏差插值算法进行了分析,以常用的反距离加权算法和Kriging算法为例,利用船载重力信息计算的垂线偏差数据和全球重力场模型EIGEN-6C4设计了仿真试验,结果表明,顾及频谱特性后,反距离加权算法精度能提高70%,Kriging算法精度能提高20%,验证了本文算法的有效性,可为高精度高分辨率的海洋垂线偏差模型构建提供技术支持。

基于反距离加权法的内涝灾害临界雨量分析计算

【目的】为了在监测资料缺乏地区划分内涝灾害风险等级,开展内涝风险预警,借鉴山洪临界雨量相关计算方法推求隐患点临界雨量。【方法】以满洲里为例,联合采用单站临界雨量法和反距离加权法对现有气象站网雨量监测资料、内涝过程积水深度、小时降雨量、内涝隐患点地理信息等资料,进行分析计算。【结果】得出互贸区、基准站等7个自动雨量站,4个内涝预警等级下17个单站临界雨量值在2.5~39.6 mm之间。华埠大街套娃广场门前等23个内涝隐患点,4个内涝预警等级下92个致灾临界雨量值在4.30~29.11 mm之间。【结论】根据计算得出的隐患点致灾临界雨量,开展内涝灾害风险等级预警服务,取得了良好的效果。

基于IDW插值的测量数据等值线生成方法

航道测量是航道维护管理的重要工作,而测量数据的内业成图是电子航道图、数字航道等运行的数据基础。针对传统等值线绘制与检查流程耗费大量人力与工时的问题,采用IDW(反距离加权)插值方法与ArcGIS工具,设计了等值线生产方法与优化方案,并以此开发等值线生成平台。实践表明:新的等值线生产方法具有较高的生产效率,等值线生成平台可以推广应用于航道内业制图。

顾及空间各向异性的IDW插值算法

针对距离平方反比插值算法(IDW)未能考虑事物的方向性特征以及插值精度较低的情况,提出一种带方向的各向异性空间插值的优化算法。通过最小二乘法的椭圆拟合改进算法确定椭圆公式,利用距离平方归一化方法将椭圆转化为各向同性模型,构造一个新的计算模型。以油田真实地质分层数据和砂体地层面表面模型为例,对所提算法进行验证分析,实验结果表明,与传统的距离平方反比插值算法相比,该算法将椭圆作为搜索区域,考虑到搜索方向的各向异性特征,提高了搜索区域内已知点选取的有效性,精度较高,更能反映数据的实际情况。

顾及各向异性的多参数协同优化IDW插值方法

反距离加权插值(inverse distance weighting,IDW)的精度受到空间邻近度、距离衰减系数及最邻近点数等多个参数共同的影响。然而,目前的IDW插值算法大多仅考虑单参数的调优,或对各参数独立调优,难以实现插值模型的整体优化。此外,传统的IDW插值算法没有顾及各向异性对空间邻近度的影响。本文提出一种顾及空间各向异性的多参数协同优化IDW插值算法(PIDW)。首先,引入距离调节参数以及方向参数,将经典各向同性的欧氏空间距离扩展为各向异性的“椭圆”距离;然后,引入粒子群优化算法对最邻近点数、距离衰减系数、距离调节及各向异性方向的多参数进行协同优化,获得插值精度的偏差与方差在全局意义下的满意解。试验采用两个不同尺度的空间数据验证了PIDW算法的插值效果,结果表明本文的插值算法能够显著地提高各向异性环境下IDW插值算法的精度。通过与经典的IDW及其改进算法的IDW、普通克里金及顾及各向异性的普通克里金算法的比较分析,进一步证实了PIDW具有较好的插值效果。

距离幂次反比法(IDW)资源储量估算流程改进及应用

资源储量估算的核心问题是确定参与估值的样品范围及其权重。国内现行基于三维矿业软件的IDW估值,一般以工业矿体内数据参与资源储量估算,且主要根据经验确定距离和幂次等估值参数,因此估值过程受人为因素影响较大。针对这一问题,在勘查统计数据基础上,引入分形分析和边界分析方法来确定估算品位域,并采用变异函数分析定量/半定量估值参数。本文以刚果(金)Kalumbwe铜钴矿床为案例,通过不同估值方法并结合矿山生产实际数据进行验证对比表明,改进的IDW工作流程估值结果的局部验证效果较好,且与实际矿山生产数据相吻合。新的工作流程融合了不同估值方法的特点,深化了样品数据的地质特征与矿化品位特征之间的联系,对于提高资源储量估算的准确性和精度,降低估算品位的条件偏差,提升矿山管理水平,都有着重要的理论意义和实际意义,值得在实际工作中进一步推广。

顾及GNSS水汽分布特性和站间距离的优化IDW插值方法

针对大气可降水量(Precipitable Water Vapor,PWV)精细化过程中插值算法的选取,本文系统性地分析了线性插值三角网法、克里金插值法、空间反距离(Inverse Distance Weighting,IDW)插值法3种方法,并提出了顾及GNSS水汽特性和站间距离的优化IDW插值方法.该方法通过分析GNSS站点距离与大气水汽分布特性对插值结果的影响,进而对插值参数进行优化,使插值结果靠近高精度的观测值.利用2017年5—7月徐州连续运行参考站的GNSS实测数据与探空站数据对该方法进行分析,实验结果表明:顾及GNSS水汽特性和站间距离的优化IDW插值方法的标准差、平均绝对误差、平均相对误差、均方根误差都要低于其他3种经典插值方法,其中均方根误差分别降低了14.88%、15.70%、4.12%.此外,本文分析了暴雨天气下不同插值算法重构高分辨率大气水汽分布图的能力,发现采用优化IDW插值方法能够显著减小采样站点分布不均及降水量激增造成的插值误差.这表明优化方法有助于重构局部地区稀疏GNSS站网的高分辨率大气水汽分布图,改进监测能力.