反距離權重插值的工作原理

2022-05-04 06:03:11 字數 2519 閱讀 8710

反距離權重 (idw) 插值可以明確地驗證這樣一種假設:彼此距離較近的事物要比彼此距離較遠的事物更相似。當為任何未測量的位置**值時,反距離權重法會採用**位置周圍的測量值。與距離**位置較遠的測量值相比,距離**位置最近的測量值對**值的影響更大。反距離權重法假定每個測量點都有一種區域性影響,而這種影響會隨著距離的增大而減小。由於這種方法為距離**位置最近的點分配的權重較大,而權重卻作為距離的函式而減小,因此稱之為反距離權重。在以下示例中對分配給資料點的權重進行了說明:

「權重」視窗包含分配給各資料點的權重的列表,其中各資料點用於生成通過十字游標進行標記的位置處的**值。

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冪函式如上所述,權重與反距離(資料點與**位置之間)的 p 次冪成正比。因此,隨著距離的增加,權重將迅速降低。權重下降的速度取決於值 p。如果 p = 0,則表示距離沒有減小,因為每個權重 λi 均相同,**值將是搜尋鄰域內的所有資料值的平均值。隨著 p 值的增大,較遠資料點的權重將迅速減小。如果 p 值極大,則僅最鄰近的資料點會對**產生影響。

geostatistical analyst 使用大於或等於 1 的冪值。當 p = 2 時,此方法稱為反距離平方權重插值。將 p = 2 用作預設值。儘管沒有理論依據證明該值優於其他值,但應通過預覽輸出和檢驗交叉驗證統計資訊來調查更改 p 值時產生的影響。

可通過將均方根**誤差 (rmspe) 降至最小值來確定最佳冪值。rmspe 是在交叉驗證過程中計算出的統計資料。rmspe 用於對**表面的誤差進行量化。geostatistical analyst 會對若干個不同的冪值進行評估,從而確定出可以生成最小 rmspe 的冪值。下圖說明了 geostatistical analyst 是如何計算出最佳冪值的。針對幾個不同的冪值繪製 rmspe(使用相同的資料集)。根據點擬合一條曲線(區域性二次多項式插值法),然後從該曲線上將提供最小 rmspe 的冪確定為最佳冪。

搜尋鄰域

由於彼此距離較近的事物比彼此距離較遠的事物更加相似,因此,隨著位置之間的距離增大,測量值與**位置的值的關係將變得越來越不密切。為縮短計算時間,可以將幾乎不會對**產生影響的較遠的資料點排除在外。因此,通過指定搜尋鄰域來限制測量值的數量是一種常用方法。鄰域的形狀限制了要在**中使用的測量值的搜尋距離和搜尋位置。其他鄰域引數限制了將在該形狀中使用的位置。在下圖中,在為沒有測量值的位置(黃色點)**值時,將使用五個測量點(相鄰點)。

輸入資料以及嘗試建立的表面會影響鄰域的形狀。如果資料中不存在方向影響,則需要考慮在各個方向都均等的資料點。為此,將搜尋鄰域定義為圓。但是,如果資料中存在方向影響,如盛行風,則可能需要對此影響進行調整,方法是:將搜尋鄰域的形狀更改為主軸與風向平行的橢圓。此方向影響的調整是合理的,因為眾所周知,對比於與風向垂直但距離**位置較近的位置,與**位置風向相逆的位置在遠距離位置處會更加相似。

指定完鄰域形狀之後,便可限制應在該形狀中使用哪些資料位置。可以定義要使用的最大位置數和最小位置數,並可以將鄰域劃分成若干分割槽。如果將鄰域劃分成若干分割槽,則會將最大值和最小值限制應用到各個分割槽。以下顯示了可以使用和顯示的幾個不同分割槽。

在資料檢視中高亮顯示的點顯示了在橢圓中心**某個位置(十字游標的位置)時將使用的位置和權重。搜尋鄰域被限制在橢圓的內部。在如下示例中,將為南部分區內的乙個點(紅色)和西部分區內的兩個點(紅色)分配大於 10% 的權重。在南部分區內,將為乙個點(褐色)分配介於 5% 和 10% 之間的權重。將為搜尋鄰域中的其他點分配較小的權重。

何時使用反距離權重法

使用反距離權重法計算出的表面取決於冪值 (p) 的選擇和搜尋鄰域策略。反距離權重法是乙個精確插值器,其中插值表面內的最大值和最小值(參見上圖)只能出現在取樣點處。輸出表面對拓撲和異常值的出現十分敏感。反距離權重法假定正在被建模的現象會受到區域性變化的影響,而區域性變化可以通過定義合適的搜尋鄰域進行捕獲(已建模)。由於反距離權重法不提供**標準誤差,因此證明使用此模型是否合理可能有點困難。

評價:貼近地理學第一定律。計算出的表面取決於冪值 (p) 的選擇和搜尋鄰域策略。

前提:他是假定正在被建模的現象會受到區域性變化的影響,而區域性變化誰通過定義合適的搜尋鄰域進行捕獲

優點:精確插值器,簡單易用,

缺點:鄰域距離很敏感,較小的搜尋鄰域可能會在**表面內建立空區域。空洞現象。

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