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以江苏省及周边39 个常规气象站点1957―2001年的月平均气温数据和90 m空间分辨率的DEM数据为基础,采用基于DEM的多元线性回归插值方法,分析多年平均气温与海拔、坡度和坡向等地形因子的相关关系,建立适合该区域的多元回归空间插值模型.同时与反距离权重法( IDW)和克里格( Kriging)插值法等传统方法的计算结果进行对比,并用交叉验证方法比较5种插值方法的精度.结果表明:该研究区各月气温递减率在0. 5~0. 9 ℃/( 100 m )左右;基于DEM的多元线性回归空间插值方法( MLR)无论
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文章编号
王丽
王培法
刘爱利
李莹
吴浩
罗阳欢
基于 DEM 的江苏气温空间插值研究
摘要
以江苏省及 周边 个常规气象站
点 — 年的月 平均气 温数 据 和
空间分辨率的 数据为基础采
用基于 的多元线性回归插值方法
分析多年平均气温与海拔坡度和坡向
等地形因子的相关关系建立适合该区
域的多元回归空间插值模型 同时与反
距离权重法 和克里格插
值法等传统方法的计算结果进行对比
并用交叉验证方法比较 种插值方法的
精度结果表明该研究区各月气温递减
率在 左右基于
的 多 元 线 性 回 归 空 间 插 值 方 法
无论从 插 值 效 果 还 是 误 差 精 度
上均优于其他传统插值方法插值结果
客观地表达了气温与各地形要素的相关
性反映了气温的空间变异性
关键词
空间插值平均气温数字高程模型
江苏
中图分类号
文献标志码
收稿日期
资助项目 年度大学生实践创新训 练 计
划江苏省重点项目 国家自
然科学基金 国家 自 然科 学基 金
青年基金黔科合重
大专项字 号
作者简介
王丽女博士生研究方向为 集成与
气象应用
南京信息工程大学 地理与遥感学院南京
天津师范大学 城市与环境科学学院天津
0 引言
气温为重要的气象因子它在一定条件下能反映热量状况是农
业生态和资源环境等相关学科的基础数据源各类生态系统模型都
需要气候要素全球气候变化给人类及生态系统带来了一系列的影
响如极端天气海平面上升生态系统改变等国内外学者对气温插
值的研究比较多如李莎等
利用时空克里格 进行气温插
值研究得出利用时空克里格的插值效果较为理想其插值精度较空
间克里格法更高朱求安等
利用 模型 插值法和克
里格插值法等对站点气温与降水数据进行了空间分析并进一步对
各种插值方法的精度进行了分析和对比岳文泽等
利用普通克里
格和协同克里格方法对以甘肃省年平均降水量和蒸发量为区域化变
量的研究发现在考虑高程的情况下协同克里格法在空间上更为合
理插值精度也明显好于普通克里格法蔡迪花等
通过交叉验证指
出基于 的多元线性回归插值方法的精度远高于传统的插值方
法其得到的空间分布图也优于传统的插值方法这些研究都加入了
影响气温变化的因素如经纬度坡度坡向海拔高度太阳辐射植
被覆盖下垫面含水量蒸发量等空间插值方法虽然多但气温的空
间插值没有最优的方法只有特定条件下的最优途径即同一种插值
方法在不同地区的应用效果存在很大的差别
因此要对特定环境
条件下的气温要素进行较精确较合理地插值必须要考虑该区域的
空间变异性和特点引入适当的影响气温的因子采用适当的方法进
行插值本文以江苏省及其周围 个气象站点 年的月均
气温数据为例采用基于 的多元线性回归空间插值方法
来验 证 插 值 方 法 与 反 距 离 权 重 法 样 条 函 数 插 值 法
克里 格系 列 插值 法比 较对气 温 要 素 的 空 间 插 值 进 行
研究
1 研究区域与研究数据
江苏 省 位 于 东 南 沿 海 其地 理 位 置 介 于
之间图 江苏属于温带向亚热带的过度性气候
各地平均气温介于 由东北向西南逐渐增高江苏地处江淮
平原地形以平原为主是全国地势最低的一个省区绝大部分地区
在海拔 以下低山丘陵集中在北部和西南部占全省总面积的
省内最高峰海拔
本文所用研究数据有 数据和江苏省行政
边界数据 等 地 理 数 据 和 气 象 站 观 测 的 气 温 数 据
数据是 空间分辨 率为 的
航天飞机雷达地形测绘任
务数据其投影系统为 椭球体为
气温数据源于国家气象中心提供的江苏省及周围区
域 个基本气象站点 年月平均气温数
据使用前对数据的完整性做了检查并对无效数据
做了相 应剔除 气象 站点 及 空间 分 布如 图
所示
图 气象站点及 空间分布
2 研究方法
空间插值的理论依据是 地理学定律即
空间上距离越小的地理数据比那些空间距离更大的
数据有更大的相似性
目前以反距离权重法多
项式插值法最邻近法算术平均法克里格插值系
列方法样条插值法趋势面插值法等最为常用本
文将以上方法称为传统插值方法传统插值方法的
主要特征如表 所示
因为多项式插值法算术平均法最邻近法和高
次曲面插值等方法均没有考虑变量的空间自相关
性故本文不采用本文主要考虑空间地形因子对气
温的影响采用基于 的多元线性回归空间插值
方法同时与传统的反距离权重法样条插值法和普
表 1 常用插值方法的主要特征比较
插值方法 局部 整体 随机性 确定性 非精确插值 精确插值
克里格
趋势面
密度归算
多元回归
通克里格插值法协同克里格插值法的插值效果做
出对比与分析
2. 1 空间插值方法
反距离权重法
反距离权重插值法对待估值点周围的观测点进
行线性加权获得估计点的值权重系数与距离成反
比如果用 v
表示待估计点的值
⁃
则有
v
=
n
j
=
ω
j
v
j
其中 v
j
j
=
n 为待估值点周围的点x
j
y
j
处的变量值ω
j
是其对应的权重系数可用如下公式
计算
ω
j
=
fd
j
/
n
i
=
fd
j
其中n 为参与插值的临近点数f d
j
是待插值点
x
y
与邻近点x
j
y
j
之间的距离 d
j
的权重函数
最常 用 的 为 距 离 倒 数 函 数 或 距 离 倒 数 平 方
函数
样条函数
样条插值法
主要是通过估计方差利用一
些特征节点用多项式拟合的方法来产生平滑的插
值曲线该方法适用于逐渐变化的表面如气温如果
用 v
表示待估计点的值则有
v
=
n
j
=
A
j
d
j
d
j
+
ax
+
by
+
c
其中n 为参与插值的临近点数d
j
为待插值点x
y
与邻近点x
j
y
j
之间的距离A
j
abc 都是相应
的参数
克里格插值法
克里格系列插值法包括简单克里格法普通克
里格法协同克里格法泛克里格法以及块克里格法
等克里格插值法是一种线性的无偏估计方法要求
估计误差的方差最小克里格方法以区域化变量理
王丽等基于 的江苏气温空间插值研究
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