本文關(guān)鍵詞：時(shí)空克里格方法關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究

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【摘要】：隨著人們對(duì)自然過(guò)程的不斷探索,信息獲取來(lái)源從局部擴(kuò)展到整體,進(jìn)而擴(kuò)展到不同圈層甚至于宇宙空間,數(shù)據(jù)信息格式基準(zhǔn)從空間數(shù)據(jù)演變?yōu)闀r(shí)空數(shù)據(jù)。所謂時(shí)空數(shù)據(jù),是指同時(shí)具有時(shí)間屬性和空間屬性的數(shù)據(jù)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用進(jìn)行了諸多研究,主要包括經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)、貝葉斯-馬爾科夫鏈、灰色預(yù)測(cè)模型、時(shí)空地統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法。其中,時(shí)空地統(tǒng)計(jì)學(xué)因其能運(yùn)用時(shí)空插值和隨機(jī)模擬估算和量化時(shí)空變化,動(dòng)態(tài)反映地理空間變化過(guò)程而日益成為地理和地球科學(xué)的研究熱點(diǎn)。因此,本研究以時(shí)空克里格基本理論為框架,分別從時(shí)空理論變異函數(shù)模型、時(shí)空預(yù)測(cè)和時(shí)空分析三個(gè)方面對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)予以歸納分析研究,并在Matlab環(huán)境下,開(kāi)發(fā)出時(shí)空克里格程序軟件,實(shí)現(xiàn)時(shí)空克里格法的軟件化與功能化。本研究以山東省2014年P(guān)M_(2.5)日均質(zhì)量濃度為研究對(duì)象,分別運(yùn)用時(shí)空普通克里格(Spatio Temporal Ordinary Kriging,STOK)、時(shí)空趨勢(shì)克里格(Spatio Temporal Trends Kriging,STTK)和普通克里格法(Ordinary Kriging,OK)對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)。其中,對(duì)于時(shí)空普通克里格,選取六種時(shí)空理論變異函數(shù)模型對(duì)山東省PM_(2.5)日均質(zhì)量濃度時(shí)空經(jīng)驗(yàn)變異函數(shù)進(jìn)行擬合,探討不同時(shí)空理論變異函數(shù)模型對(duì)時(shí)空預(yù)測(cè)精度的影響;對(duì)于時(shí)空趨勢(shì)克里格,設(shè)定時(shí)空趨勢(shì)部分最高空間趨勢(shì)和時(shí)間趨勢(shì)階數(shù)均為2階,并對(duì)時(shí)空殘差部分運(yùn)用時(shí)空普通克里格法進(jìn)行預(yù)測(cè);對(duì)于普通克里格,選取同一時(shí)間下的PM_(2.5)質(zhì)量濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)分析�；谌N方法的預(yù)測(cè)結(jié)果,選取均方根誤差(Root Mean Squared Error,RMSE)、平均絕對(duì)誤差(Mean Absolute Error,MAE)、最大預(yù)測(cè)誤差(Maximum Error,MAXE)、最小預(yù)測(cè)誤差(Minimum Error,MINE)為精度驗(yàn)證指標(biāo),計(jì)算并評(píng)價(jià)各預(yù)測(cè)方法不同時(shí)間段和綜合預(yù)測(cè)精度。最后,選取精度評(píng)價(jià)中最優(yōu)預(yù)測(cè)結(jié)果,對(duì)山東省PM_(2.5)時(shí)空分布特征和污染特征予以分析。研究主要結(jié)論如下:(1)在時(shí)空普通克里格預(yù)測(cè)中,六種時(shí)空理論變異函數(shù)模型擬合相對(duì)精度依次為:MMDMBMGMCH1CH2,其預(yù)測(cè)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)STOK_GM(10.4671)STOK_BM(10.0664)STOK_CH2(11.661)STOK_CH1(12.0023)。就研究對(duì)象而言,分離模型不僅在時(shí)空模型擬合精度上由于非分離模型,其后續(xù)時(shí)空預(yù)測(cè)精度也優(yōu)于非分離模型。(2)在時(shí)空預(yù)測(cè)精度對(duì)比上,不同時(shí)空理論變異函數(shù)模型后續(xù)時(shí)空普通克里格預(yù)測(cè)精度相差較大,不同趨勢(shì)模型后續(xù)時(shí)空趨勢(shì)預(yù)測(cè)精度相當(dāng)。整體上,時(shí)空克里格預(yù)測(cè)精度優(yōu)劣依次為:STOK_DM≈STOK_MMSTTKSTOK_GMSTOK_BMSTOK_CH2STOK_CH1;在時(shí)空預(yù)測(cè)精度與空間預(yù)測(cè)精度對(duì)比上,時(shí)空克里格各時(shí)間段預(yù)測(cè)精度與綜合預(yù)測(cè)精度均優(yōu)于普通克里格,且綜合時(shí)空克里格預(yù)測(cè)結(jié)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(shuō)明了相對(duì)普通克里格而言,時(shí)空克里格預(yù)測(cè)精度有顯著提高。(3)山東省PM_(2.5)整體污染情況較為嚴(yán)重。在空間上,中部和西部PM_(2.5)年均濃度超過(guò)100μg/m3,日均濃度高于世界衛(wèi)生組織(World Health Organization,WHO)《空氣質(zhì)量準(zhǔn)則》過(guò)渡期目標(biāo)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(guò)渡期目標(biāo)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(dá)到過(guò)渡期I目標(biāo)的天數(shù)大于146天;在時(shí)間上,山東省PM_(2.5)污染程度最嚴(yán)重為1、2、11和12月,6、7、8月污染較輕,各季節(jié)污染程度依次為:冬季秋季春季夏季。同時(shí),從山東省2014年P(guān)M_(2.5)日均質(zhì)量濃度基尼系數(shù)分布來(lái)看,中西部地區(qū)基尼系數(shù)小于0.3,東部沿海為0.3~0.4,表明2014年山東省中西部存在PM_(2.5)持續(xù)性高危污染,東部存在間歇性輕微污染,且從西部到東部地區(qū),污染程度和污染持續(xù)時(shí)間均相對(duì)降低。
【關(guān)鍵詞】：時(shí)空數(shù)據(jù) 時(shí)空變異函數(shù)模型 時(shí)空預(yù)測(cè) 時(shí)空普通克里格 時(shí)空趨勢(shì)克里格 PM_(2.5)
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：X513
【目錄】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 縮略語(yǔ)表11-12
• 1 緒論12-19
• 1.1 研究背景12
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與研究意義12-17
• 1.2.1 時(shí)空變量定義12-13
• 1.2.2 時(shí)空結(jié)構(gòu)性分析13-15
• 1.2.3 時(shí)空預(yù)測(cè)15-17
• 1.3 研究?jī)?nèi)容17-18
• 1.4 技術(shù)路線(xiàn)18-19
• 2 時(shí)空變異函數(shù)及模型19-29
• 2.1 時(shí)空變量19
• 2.2 時(shí)空平穩(wěn)性19-20
• 2.3 探索性時(shí)空數(shù)據(jù)分析20
• 2.4 時(shí)空經(jīng)驗(yàn)變異函數(shù)20
• 2.5 時(shí)空理論變異函數(shù)模型20-24
• 2.5.1 時(shí)空分離模型21-22
• 2.5.2 時(shí)空非分離模型22-24
• 2.6 時(shí)空理論模型擬合24-29
• 2.6.1 遺傳算法染色體編碼與解碼25-26
• 2.6.2 遺傳算法個(gè)體適應(yīng)度評(píng)價(jià)26
• 2.6.3 遺傳算法遺傳算子26-27
• 2.6.4 遺傳算法基本運(yùn)行運(yùn)行參數(shù)27-28
• 2.6.5 遺傳算法流程圖28-29
• 3 時(shí)空克里格29-33
• 3.1 時(shí)空普通克里格預(yù)測(cè)29-30
• 3.2 時(shí)空趨勢(shì)克里格30-32
• 3.2.1 時(shí)空趨勢(shì)分析30-31
• 3.2.2 非平穩(wěn)條件下的時(shí)空協(xié)方差函數(shù)和時(shí)空變異函數(shù)31
• 3.2.3 時(shí)空殘差分析31-32
• 3.2.4 時(shí)空趨勢(shì)克里格預(yù)測(cè)32
• 3.3 基于Matlab的時(shí)空克里格系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)32-33
• 4 基于時(shí)空克里格方法的PM_(2.5)濃度時(shí)空預(yù)測(cè)研究33-50
• 4.1 數(shù)據(jù)來(lái)源34
• 4.1.1 山東省矢量化地圖34
• 4.1.2 山東省PM_(2.5)濃度數(shù)據(jù)34
• 4.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理34-35
• 4.3 探索性時(shí)空數(shù)據(jù)分析35-36
• 4.4 時(shí)空經(jīng)驗(yàn)變異函數(shù)計(jì)算36
• 4.5 時(shí)空理論變異函數(shù)模型表達(dá)式36-38
• 4.5.1 BM模型表達(dá)式37
• 4.5.2 DM模型表達(dá)式37
• 4.5.3 MM模型表達(dá)式37
• 4.5.4 CH1模型和CH2模型表達(dá)式37-38
• 4.5.5 GM模型表達(dá)式38
• 4.6 時(shí)空理論模型擬合38-41
• 4.7 時(shí)空普通克里格精度驗(yàn)證41-42
• 4.8 時(shí)空趨勢(shì)克里格42-47
• 4.7.1 時(shí)空趨勢(shì)模型42-43
• 4.7.2 時(shí)空殘差經(jīng)驗(yàn)變異函數(shù)43-45
• 4.7.3 時(shí)空殘差理論變異函數(shù)模型擬合45-46
• 4.7.4 時(shí)空趨勢(shì)克里格精度驗(yàn)證46-47
• 4.9 時(shí)空預(yù)測(cè)精度與空間預(yù)測(cè)精度對(duì)比47-49
• 4.10 時(shí)空預(yù)測(cè)立方體49-50
• 5 山東省PM_(2.5)濃度時(shí)空分布特征50-60
• 5.1 山東省PM_(2.5)日均濃度達(dá)/超標(biāo)率分布50-51
• 5.2 山東省PM_(2.5)日均濃度基尼系數(shù)分析51-53
• 5.3 山東省重點(diǎn)城市日均PM_(2.5)濃度分布53-55
• 5.4 山東省PM_(2.5)月均濃度分布55-56
• 5.5 山東省PM_(2.5)年均濃度分布56-57
• 5.6 山東省PM_(2.5)年均濃度空氣質(zhì)量指數(shù)57-60
• 6 結(jié)論與展望60-62
• 6.1 主要研究結(jié)論60-61
• 6.2 展望61-62
• 參考文獻(xiàn)：62-68
• 附錄1 基于Matlab的時(shí)空克里格系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)68-80
• 附錄2 科研成果80-81
• 1 論文發(fā)表80
• 2 軟件著作權(quán)80-81
• 致謝81

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本文編號(hào)：776070