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【ArcGIS工具箱】34.插值分析——趋势面法

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在ArcGIS中,插值分析是一种常用的空间分析方法,用于根据已知点的数据预测未知点的值。这种方法在地理信息系统(GIS)中广泛应用,例如,用于创建连续的表面模型,表示温度、高程、降水等空间分布。
ArcGIS提供了多种插值方法,例如反距离权重、样条函数法、克里金、自然邻域法、趋势面等。每种方法都有其特定的应用场景和优缺点,因此在进行插值分析时,应根据数据的特点和分析需求选择合适的插值方法。同时,还需要注意插值分析的局限性,例如插值结果可能受到样本点分布、数据质量等因素的影响。因此,在使用插值结果进行决策或分析时,应谨慎评估其可靠性和准确性。

本次主要介绍插值方法中的趋势面插值法

  • 1、概念:

趋势面插值法用于模拟空间数据的整体趋势。该方法基于统计学原理,通过拟合一个数学曲面(通常是多项式曲面)来描述空间数据的分布模式,生成平滑的空间分布图。
趋势面法通过全局多项式插值法将由数学函数(多项式)定义的平滑表面与输入采样点进行拟合。趋势表面会逐渐变化,并捕捉数据中的粗尺度模式。
官方文档中的示例可以很好的解释趋势面插值法的概念:
在概念上,趋势插值法类似于取一张纸将其插入各凸起点之间(凸起到一定高度)。例如,下图中是一组高程采样点,而使用的纸张为洋红色。

平整的纸张无法完全覆盖包含山谷的地表。但如果将纸张略微弯曲,覆盖效果将会好一些。为了使得纸张拟合效果更好,可以增加纸张的弯曲次数
从数学上来说,为数学公式添加一个项也可以达到类似的效果,即平面的弯曲。平面(纸张无弯曲)是一个一阶多项式(线性)。二阶多项式(二次)允许一次弯曲,三阶多项式(三次)允许两次弯曲,依此类推。使用此工具最多允许 12 次弯曲(十二阶多项式)。
例如,下图在概念上展示出一个与山谷拟合的二阶多项式。此时,纸张几乎无法穿过各实际测量点,有些测量点位于纸张上方,而其他点则位于纸张下方。但是,如果将测量点高出纸张的距离相加,并将测量点低于纸张的距离也相加,得到的这两个和值应该相近。此时,生成的表面将使凸起点与纸张之间的均方根 (RMS) 误差最小化,插值表面也就越能代表各输入点。
RMS 误差值还可确定插值法中“阶数”参数的最佳使用值,方法是不断更改阶数值直到 RMS 误差降为最低。
内容来源:ArcMap官方文档

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使用趋势插值法可获得表示感兴趣区域表面渐进趋势的平滑表面。此种插值法适用于以下几种情况:
  • 感兴趣区域的表面在各位置间出现渐变时,可将该表面与采样点拟合,例如,工业区的污染情况。
  • 检查或排除长期趋势或全局趋势的影响。此类情况下,采用的方法通常为趋势面分析。

  • 2、工具:
加载【points】点要素将其作为插值分析中的采样点;
示例数据仅用于操作示意,该数据不适合采用趋势面插值法。

选择【系统工具箱→Spatial Analysis Tools→插值分析→趋势面法】工具,进行相应设置。

其中:
  • 多项式的阶:为可选项,该值是介于1-12的整数,多项式的阶数越大,拟合的曲面将会越复杂。默认值为1,词汇会对点进行平面拟合。阶数较高的多项式并不一定能够生成最精确的曲面,具体还要取决于数据本身的特点。一阶多项式到三阶多项式最为常见。
  • 回归类型:为可选项,包含线性和逻辑型两种。
    1)、LINEAR 趋势面插值法:用于创建浮点型栅格,通过多项式回归将最小二乘表面与各输入点进行拟合。此方法可控制用于拟合表面的多项式阶数。利用趋势面插值法可创建平滑表面。生成的表面几乎不能穿过各原始数据点,因为对整个表面执行的是最佳拟合。如果所用多项式阶数高于一阶,插值器所生成栅格的最大值和最小值可能会超过输入要素数据输入文件中的最小值和最大值。
    2)、LOGISTIC 趋势面插值法:适用于预测空间中给定的一组位置 (x,y) 处某种现象存在与否(以概率的形式)。z 值是仅会产生两种可能结果的分类随机变量,例如,濒临灭绝的物种存在与否。生成的两种 z 值可分别编码为一和零。此选项可根据值为零和一的各像元值创建连续的概率格网。使用最大可能性估计直接计算出非线性概率表面模型,而无需先将该模型转换成线性形式。
  • 输出 RMS 文件为可选项,通过对比输入数据中各位置与插值栅格表面中相同位置的值生成插值的均方根误差信息。此信息可用于确定最佳的多项式阶数(更改阶数值,直到获得最小的 RMS 误差)。外,还会生成卡方 (Chi-square) 值。
以下为LINEAR 趋势面插值法下不同参数设置生成的插值结果:
插值结果
RMS文件

阶数:1

阶数:2

阶数:3

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《ArcGIS工具箱》系列内容目录(持续更新):

……

23.条件分析——条件函数和设为空函数
24.条件分析——选取函数
25.地图代数——栅格计算器
26.提取分析——按属性提取
27.提取分析——按形状提
28.提取分析——按位置提取
29.提取分析——(多)值提取至点
30.提取分析——采样
31.插值分析——反距离权重法
32.插值分析——自然邻域法
33.插值分析——样条函数法

……


本篇文章来源于微信公众号: 码农设计师

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