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ANUSPLIN41 用户指南
ANUSPLIN 是提供实用的转换分析和对多变量数据采用薄 盘光滑样条插值进
行插值的工具。它提供了完整的统计分析、数据诊断以及空间分布标准误。同样
也支持多种数据输入和表面查询功能。
薄盘光滑样条表面拟合法最早由 Wahba 提 出( 1979),然后 由 Bates 和 Wahba
(1982),Elden(1984),Hutchinson(1984)和 de Hoog(1985)对其进行了改进
以适用于大数据集。Bates et al.(1987)将其扩展为局部样条法,这样就可以
把参数线性亚模 型(或协变量)添加插值中,而不像以前只能考虑独立样条变
量(即自变量)。这为这些因变量提供由这些自因变量决定的参数 form 提供了
一种极好的方式。在没有独立样条变量的情况下 (当前不允许),将进行简单
的多变量线性回归。
薄盘光滑样条插值事实上可以被看作广义的标准多变量线性回归,但是参数
模型由一个适用的光滑非参数函数所替代。拟合函数的光滑度,或者与之相对的
复杂度通常 会根据数据拟合表面的最小预测误差通过 GCV(广 义交叉验证)自
动计算。GCV 对 数据模拟结果的验证由 Craven 和 Wahba(1979)年提出并完成。
Wahba(1990)对薄盘光滑样条技术各种模块进行了全面介绍。
Hutchinson(1991a)对月平均气象要素空间插值的基本理论和应用进行 了简要
的概述,Hutchinson (1993)和 HutchinsonGessler(1994)对运算和相关 的统
计分析进行了更全面的讨论和与 Kriging 进 行了对比。Hutchinson(1995,
1998ab)对该方法运用到了年和日降水数据的插值上。
同时模拟多个表面非常方便,尤其是对气象数据而言。ANUSPLIN 现 在允许
任意多的这样的表面和“表面独立变量”,以便独立变量在各表面间做系统地改
变。ANUSPLIN 允许系统查询这些表面及其标准误,点文件或者 grid 文件都行。
ANUSPLIN 同样允许对独立变量和依从变量进行转换。
下边将对 ANUSPLIN 的 9 个组件进行简要概述。
SPLINA:适用于<2000 个要素的点文件。允许一个或多个独立变量的任 意数量
的(局部)薄盘光滑样条函数。光滑系数通常由 GCV 决 定。
SPLINB:与 SPLINA 大致相同,但是它允许<10000 个要素的点文件,可以用
selnot/delnot 模块先从大数据集中设置<2000 个 knots,同时还可用
addnot 对 knots 进行编辑。
AVGCVA:根据一系列不同的光滑系数,计算出由 SPLINA 生成的各表面与光滑系
数对应的 GCV 和平均 GCV 值,计算结果将写成一个文件为进一步的制图服
务。
AVGCVB:为 SPLINB 服务,功能与 AVGCVA 类似。
LAPPNT:进行局部薄盘光滑样条表面估值并计算贝叶斯标准 误,并生成一个点
文件。
LAPGRD:功能与 LAPPNT 类似,只是最后结果将是一个规则的矩形栅格文件。
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这个程序最好通过一个 command-line shell(即 cmd 文件)提取.。在 Unix
系统,使用终端仿真窗口显示一个 shell prompt。在微软的 Windows 系统
中,启动一个 MS-DOS shell,如输入:
Splina<job.cmd>job.log
其中,job.cmd 是一个输入的命令文件,而 job.log 则是程序执行后将输出
的日志文件。
程序需录入项:(program inputs)
包括独立样条变量和协变量的个数,每个独立变量的上下限,每个变量的可选的
转换试方式以及最低样条次数(决定不同的函数式),要模拟的表面数,以及各
表面用以计算光滑系数的方法。输入输出文件的指定,在 SPLINB 中还包括 knots
索引文件名。位于独立变量界限外的点数据将予以排除。这个界限有利于在不用
切割点文件的情况下指定模拟的表面的范围。界限值(相当于 mask)允许留出
一定的边距便于各表面间有重叠部分,对于极大的数据集来说可能需要这样做。
用户指定的界 限将会对指定的数据格式和独立变量的样条次数进行了简单的检
查。如果选择的点数过少会出现错误提示。
通过与标准 Fortran90 的结合,ANUSPLIN4。1 可以为更多的数据和数组动态
分配内存。同时,SPLINA 和 SPLINB 都适用以任意点数来模拟任意数量的表面。
然而,最好还是不要让 SPLINA 的点数>2000,SPLINB 的点数>10000.SPLIN 适用
于设置的 knot 少 于 2000 的情况。
SPLINA 的主要存储空间是点文件所含的点数的平方,处理时间则是点数量的
立方。SPLINB 则与 knot 相 关。
需要注意的是,SPLINA 目前(4。1 版式本)并不允许点文件中出现坐标重
叠的点。SPLINB 中可以出现重坐标的点,但不允许有重坐标的 knot。
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计算函数略.大致为:Zi=f(xi)+bTyi+ei(i=1....N)
其中 Zi 为预估值,xi 是一个 d 维的样条独立变量矩阵,f()是 xi 的未知光滑
函数,yi 是一个 p 维的协变量矩阵,b 是 yi 的未知 p 维系数矩 阵,ei 是各独立变
量,均值为 0,.........(其中涉及到多个讨厌的参数,不想写了,)上式中 T 为 b
的上标.
1):当 P=0 时,即没有协变量时,该函数式就是一个普通的薄盘样条模型,即简
单的多变量线性回归.而如果 f(xi)为 0,即没有独立样条变量 时,ANUSPLIN 不可
用.
2):光滑参数 P(不是 P,应该是密度那个符号)是一个正数.它越趋近于 0,则拟
合函数越接近精确值,反之,若越趋向无穷,则拟合函数越接近最小二 乘多项式
(理解得有点怪),其阶数由 d 和 xi 及 m 的阶数决定.光滑参数通常根据 GCV 计算
拟合表面的最小预测误差决定.(即可自动计算)
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依从变量(因变量)转换
ANUSPLIN 目前允许对自变量进行开平方或者求自然对数转换.在用 SPLIN 或
SPLINB 进行拟合前,可选用其中任意一种方式对变量进行转换.变量转换可以使
其更符合正态分布,前提是变量的值是正数或非负数.该转换会自动传达给拟合
表面的系数,因而 LAPPNT 和 LAPGRD 可以选择性的输出转换后的表面值或不经转
换的表面值.不经转换的表面估值可用依从变量的逆转换(求平方值或者指数)得
到.Hutchinson(1998a) 指出,在用薄盘光滑样条法进行拟合前,对依从变量日降
水数据进行开平方转换,可减少近 10%的插值误差.
如果选择输出未经转换的表面估值,LAPPNT 和 LAPGRD 将同时计算其标准差.
开平方转换公式的 适用性由 Hutchinson(1998a)进行了求证...(以下是一大堆
公式,略去)
拟合气候表面
最早的拟合程序通常需要至少两个独立样条变量,(即 f(xi)中 i 为 2 维矩阵),
通常 是经度、纬度,以度为单位。但是在拟合温度或降水量时,可增加第三个
独立变量,即海平面以上的高程(海拔)。在把海拔作为第三个独立样条变量时,
可以把它的单位转换为千米,即海拔值除以 1000。稍稍把海拔值缩放一下(此
处指转换单位由米到千米)可略微改进拟合结果。该改动最初由 Hutchinson 和
Bischof(1983)提出,并由 Hutchinson(1995,1998b)对此进行了论证.
在某些区域(restricted areas),把海拔作为协变量而非独立样条变量时,拟
合效果更佳。
在拟合一个温度表面时,作为协变量的海拔的系数将被作为一个先验的温度
递减 率(Hutchinson,1991a)看待。其它 影响气象变量的因素,如地形效应
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