Python實現(xiàn)克里金插值法的過程詳解
一、克里金插值法介紹
克里金算法提供的半變異函數(shù)模型有高斯、線形、球形、阻尼正弦和指數(shù)模型等,在對氣象要素場插值時球形模擬比較好。既考慮了儲層參數(shù)的隨機性,有考慮了儲層參數(shù)的相關(guān)性,在滿足插值方差最小的條件下,給出最佳線性無偏插值,同時還給出了插值方差。
與傳統(tǒng)的插值方法(如最小二乘法、三角剖分法、距離加權(quán)平均法)相比,克里金法的優(yōu)勢:
1、在數(shù)據(jù)網(wǎng)格化的過程中考慮了描述對象的空間相關(guān)性質(zhì),使插值結(jié)果更科學(xué)、更接近于實際情況;
2、能給出插值的誤差(克里金方差),使插值的可靠程度一目了然
插值方差:就是指實際參數(shù)值 zv 與估計值 zv* 兩者偏差平方的數(shù)學(xué)期望:

而插值點的 zv*,通過N個離散點獲得;

其中λ與N個離散點指的是加權(quán)系數(shù); *變差函數(shù)的理論模型*
變差函數(shù)與隨機變量的距離h存在一定的關(guān)系,這種關(guān)系可以用理論模型表示。常用的變差函數(shù)理論模型包括球狀模型、高斯模型與指數(shù)模型(還包括:具基臺值線性模型、冪函數(shù)模型、無基臺值線性模型);
1、 球狀模型公式:

2、 高斯模型公式:

3、 指數(shù)模型公式:

4、 具基臺值線性模型:

5、 冪函數(shù)模型:

式中: 為冪指數(shù);不存在基臺值。兩邊取對數(shù)得ln(γ(h))=αlnh,線性化為γ(hi)=b1X1,i
6、 無基臺值線性模型:

式中:k為直線斜率;不存在基臺值和變程,當(dāng)h>0時, γ(hi)=b0+b1X1,i
普通克里格方法的基本步驟如下:


二、算法實現(xiàn)
代碼實現(xiàn):
from gma.algorithm.spmis.interpolate import *
class Kriging(IPolate):
'''克里金法插值'''
# 繼承 gma 的標(biāo)準(zhǔn)插值類 IPolate。本處不再做詳細說明。
def __init__(self, Points, Values, Boundary = None, Resolution = None,
InProjection = 'WGS84',
VariogramModel = 'Linear',
VariogramParameters = None,
**kwargs):
IPolate.__init__(self, Points, Values, Boundary, Resolution, InProjection)
self.eps = eps
# 初始化半變異函數(shù)及參數(shù)
self.VariogramModel, self.VParametersList = GetVariogramParameters(VariogramModel, VariogramParameters)
self.VariogramFUN = getattr(variogram, self.VariogramModel)
if self.VParametersList is None:
self.VParametersList = self._INITVariogramModel(**kwargs)
# 調(diào)整輸入數(shù)據(jù)
if self.GType == 'PROJCS':
self.Center = (self.Points.min(axis = 0) + self.Points.max(axis = 0)) * 0.5
self.AnisotropyScaling = AnisotropyScaling
self.AnisotropyAngle = AnisotropyAngle
self.DistanceMethod = cdist
else:
# 方便后期優(yōu)化
self.Center = np.array([0,0])
self.AnisotropyScaling = 1.0
self.AnisotropyAngle = 0.0
self.DistanceMethod = GreatCircleDistance
self.AdjustPoints = AdjustAnisotropy(self.Points, self.Center,
[self.AnisotropyScaling],
[self.AnisotropyAngle])
self.XYs = AdjustAnisotropy(self.XYs, self.Center,
[self.AnisotropyScaling],
[self.AnisotropyAngle])
def _INITVariogramModel(self, **kwargs):
'''初始化參數(shù)'''
if 'NLags' in kwargs:
NLags = kwargs['NLags']
initialize.ValueType(NLags, 'pint')
else:
NLags = 6
if 'Weight' in kwargs:
Weight = ToNumericArray(kwargs['Weight']).flatten().astype(bool)[0]
else:
Weight = False
Lags, SEMI = INITVariogramModel(self.Points, self.Values, NLags, self.GType)
# 為求解自動參數(shù)準(zhǔn)備
if self.VariogramModel == "Linear":
X0 = [np.ptp(SEMI) / np.ptp(Lags), np.min(SEMI)]
BNDS = ([0.0, 0.0], [np.inf, np.max(SEMI)])
elif self.VariogramModel == "Power":
X0 = [np.ptp(SEMI) / np.ptp(Lags), 1.1, np.min(SEMI)]
BNDS = ([0.0, 0.001, 0.0], [np.inf, 1.999, np.max(SEMI)])
else:
X0 = [np.ptp(SEMI), 0.25 * np.max(Lags), np.min(SEMI)]
BNDS = ([0.0, 0.0, 0.0], [10.0 * np.max(SEMI), np.max(Lags), np.max(SEMI)])
# 最小二乘法求解默認(rèn)參數(shù)
def _VariogramResiduals(Params, X, Y, Weight):
if Weight:
Weight = 1.0 / (1.0 + np.exp(-2.1972 / (0.1 * np.ptp(X)) * (0.7 * np.ptp(X) + np.min(X) - x))) + 1
else:
Weight = 1
return (self.VariogramFUN(X, *Params) - Y) * Weight
RES = least_squares(_VariogramResiduals, X0, bounds = BNDS, loss = "soft_l1",
args = (Lags, SEMI, Weight))
return RES.x
def _GetKrigingMatrix(self):
"""獲取克里金矩陣"""
LDs = self.DistanceMethod(self.AdjustPoints, self.AdjustPoints)
A = -self.VariogramFUN(LDs, *self.VParametersList)
A = np.pad(A, (0, 1), constant_values = 1)
# 填充主對角線
np.fill_diagonal(A, 0.0)
return A
def _UKExec(self, A, LDs, SearchRadius):
"""泛克里金求解"""
Args = LDs.argsort(axis = 1)[:,:SearchRadius]
Values = self.Values[Args.T].T
# A 的逆矩陣
AInv = inv(A)
B = -self.VariogramFUN(LDs, *self.VParametersList)
B[np.abs(LDs) <= self.eps] = 0.0
B = np.pad(B, ((0,0),(0,1)), constant_values = 1)
X = np.dot(B, AInv)
B = B[np.ogrid[:len(B)], Args.T].T
X = X[np.ogrid[:len(X)], Args.T].T
X = X / X.sum(axis = 1, keepdims = True)
UKResults = np.sum(X * Values, axis = 1), np.sum((X * -B), axis = 1)
return UKResults
def _OKExec(self, A, LDs, SearchRadius):
"""普通克里金求解"""
Args = LDs.argsort(axis = 1)[:,:SearchRadius]
LDs = LDs[np.ogrid[:len(LDs)], Args.T].T
B = -self.VariogramFUN(LDs, *self.VParametersList)
B[np.abs(LDs) <= self.eps] = 0.0
B = np.pad(B, ((0,0),(0,1)), constant_values = 1)
OKResults = np.zeros([2, len(LDs)])
for i, b in enumerate(B):
BSelector = Args[i]
ASelector = np.append(BSelector, len(self.AdjustPoints))
a = A[ASelector[:, None], ASelector]
x = solve(a, b)
OKResults[:, i] = x[:SearchRadius].dot(self.Values[BSelector]), -x.dot(b)
return OKResults
def Execute(self, SearchRadius = 12, KMethod = 'Ordinary'):
'''克里金插值'''
initialize.ValueType(SearchRadius, 'pint')
SearchRadius = np.min([SearchRadius, len(self.AdjustPoints)])
A = self._GetKrigingMatrix()
LDs = self.DistanceMethod(self.XYs, self.AdjustPoints)
if KMethod not in ['Universal', 'Ordinary']:
raise ValueError("Undefined Kriging method. Please select 'Universal' or 'Ordinary'!")
elif KMethod == 'Universal':
KResults = self._UKExec(A, LDs, SearchRadius)
else:
KResults = self._OKExec(A, LDs, SearchRadius)
NT = namedtuple('Kriging', ['Data', 'SigmaSQ', 'Transform'])
return NT(KResults[0].reshape(self.YLAT, self.XLON),
KResults[1].reshape(self.YLAT, self.XLON), self.Transform)
三、差值應(yīng)用
示例數(shù)據(jù)可從:https://gma.luosgeo.com/ 獲取
在 gma 1.0.13.15 之后的版本可以直接引用。這里基于 1.0.13.15之后的版本引用做示例。
import gma
import pandas as pd
Data = pd.read_excel("Interpolate.xlsx")
Points = Data.loc[:, ['經(jīng)度','緯度']].values
Values = Data.loc[:, ['值']].values
# 普通克里金(球面函數(shù)模型)插值
KD = gma.smc.Interpolate.Kriging(Points, Values, Resolution = 0.05,
VariogramModel = 'Spherical',
VariogramParameters = None,
KMethod = 'Ordinary',
InProjection = 'EPSG:4326')
# 泛克里金類似,這里不做示例
gma.rasp.WriteRaster(r'.\gma_OKriging.tif',
KD.Data,
Projection = 'WGS84',
Transform = KD.Transform,
DataType = 'Float32')
四、結(jié)果對比
與 ArcGIS Ordinary Kriging 插值結(jié)果(重分類后)對比:

與 pykrige 包 Universal Kriging 插值結(jié)果(重分類后)對比:

到此這篇關(guān)于Python實現(xiàn)克里金插值法的過程詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Python克里金插值法內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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