克里金Kriging预测方法(自用笔记)

本文详细介绍了克里金预测方法,一种地质统计学中的无偏线性插值技术,通过半方差函数描述空间数据的自相关性,包括数据收集、半方差计算、模型选择、权重求解及预测过程,以及预测方差的计算。

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克里金预测方法是地质统计学中的一种基于最优、无偏线性预测的插值方法。它主要依赖于数据的空间自相关特性,特别是半方差函数(或者称为变异函数),来进行预测。

以下是克里金预测方法的详细步骤:
##1. 数据收集:
考虑一个场地或区域,其中在不同位置xix_ixi (i=1,2,...Ni=1,2,...Ni=1,2,...N) 有已知的数据值ziz_izi
##2. 半方差函数的计算:
半方差函数描述了两个空间位置之间的平均差异。给定两个点 xix_ixixjx_jxj,半方差函数 γ(h)\gamma (h)γ(h) 定义为:
γ(hij)=12E[(z(xi)−z(xj))2]\gamma (h_{ij})=\frac{1}{2} \mathbb{E} \left[(z(x_i)-z(x_j))^2\right]γ(hij)=21E[(z(xi)z(xj))2]
其中 E\mathbb{E}E 表示期望,hij=∣xi−xj∣h_{ij}=|x_i-x_j|hij=xixj 是两点之间的距离,通常称为“滞后”。这个函数描述了空间数据的自相关性。
##3. 模型半方差函数:
基于实际计算的半方差值,选择一个合适的理论模型(如球形模型、指数模型或高斯模型)来拟合数据。
##4. 建立克里金方程:
要预测位置 x0x_0x0 的值z(x0)z(x_0)z(x0),我们使用已知数据点的加权平均值,建立以下权重方程:
∑i=1Nλiz(xi)=z∗(x0)\sum_{i=1}^{N} \lambda_i z(x_i)=z^*(x_0)i=1Nλiz(xi)=z(x0)
其中,$z^*(x_0) $是位置 x0x_0x0 的预测值,λi\lambda_iλi 是克里金权重需要满足 ∑i=1Nλi=1\sum_{i=1}^{N} \lambda_i =1i=1Nλi=1 以保证预测是无偏的。
##5. 求解克里金权重:
为了求解权重 λi\lambda_iλi,我们最小化预测方差,并在方程组中加入无偏条件,得到以下方程组:
∑j=1Nλjγ(hij)+μ=γ(hi0),∀i=1,⋯ ,N\sum_{j=1}^{N}\lambda_j \gamma (h_{ij})+\mu=\gamma (h_{i0}), \forall i=1,\cdots,Nj=1Nλjγ(hij)+μ=γ(hi0),i=1,,N
其中,μ\muμ 是拉格朗日乘数,用于确保权重的和为1。
##6. 进行预测(插值):
使用求解出的权重,对给定的位置 x0x_0x0 进行预测:
z∗(x0)=∑i=1Nλiz(xi)z^*(x_0)=\sum_{i=1}^{N}\lambda_i z(x_i)z(x0)=i=1Nλiz(xi)
##7. 计算预测方差:
预测方差提供了预测不确定性的量度,并定义为:
σ2(x0)=∑i=1Nλiγ(hi0)−μ\sigma^2 (x_0)=\sum_{i=1}^{N} \lambda_i \gamma (h_{i0})-\muσ2(x0)=i=1Nλiγ(hi0)μ.

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