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向量距离中角度信息对时空Kriging的影响

本站小编 Free考研考试/2020-04-15

陈鼎新 1,2 , 陆文凯 1 , 刘代志 2
1.清华大学 自动化系, 智能技术与系统国家重点实验室, 北京 100084;
2.火箭军工程大学 907教研室, 西安 710025

收稿日期: 2015-12-01
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(41374154)
作者简介: 陈鼎新(1986-), 男, 博士研究生。
通讯作者: 陆文凯, 教授,E-mail: lwkmf@tsinghua.edu.cn

摘要:时空Kriging算法的核心, 是将变差函数的概念扩展到时空域, 变差函数的构建过程基础是计算时间切片和空间切片的向量距离。该文讨论了向量距离对构建时空变差函数的影响, 提出了空间距离加角度差异的向量距离模型。以地磁场观测数据作为对象, 分别用L1范数、L2范数和新距离模型对数据进行分析, 比较3种距离定义下的时空Kriging插值性能。结果表明: 加入了角度信息的向量距离, 能够更有效地表征数据, 提高时空Kriging的插值精度。
关键词: 地磁场 时空Kriging 变差函数 向量角度
Vector distance direction information for spatio-temporal Kriging
CHEN Dingxin1,2, LU Wenkai1, LIU Daizhi2
1.State Key Laboratory of Intelligent Technology and Systems, Department of Automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2.Staff Room 907, PLA Rocket Force University of Engineering, Xi'an 710025, China


Abstract:The spatio-temporal Kriging method can be significantly improved by extending the variogram definition to the space-time domain. The key step in constructing the spatio-temporal variogram is to calculate the vector distances between the time slices and the space slices. This study analyzes the influence of the vector distance on the spatio-temporal variogram construction and presents a vector distance model that includes both the magnitude and the direction information. The algorithm was evaluated using magnetic field data with the evaluations based on the L1 norm and the L2 norm. The results show that the model with the additional direction information in the vector distance, more effectively represented the data characteristics which improved the spatio-temporal Kriging interpolation accuracy.
Key words: geomagnetic fieldspatio-temporal Krigingvariogramvector direction
时空Kriging是Kriging方法在时间—空间联合域的扩展,其利用数据量的时间相关性进行插值分析,对于研究连续变化的物理量具有优势。目前,时空Kriging在空气质量监测[1, 2]、 下雨量建模[3, 4],风力数据插值[5]、 地下水位分析[6, 7]等领域已取得成功应用。Gething等[8]甚至用其分析门诊疟疾病人等连续变化的社会科学数据。
1 时空Kriging原理时空Kriging通过解Kriging方程组[1, 3]
$\left\{ \begin{matrix} \sum\limits_{j=1}^{ N}{{{\lambda }_{j}}{{\gamma }_{s.t}}({{h}_{s0}},{{h}_{t0}}),} \\ \sum\limits_{i=1}^{N}{{{\lambda }_{i}}=1, } \\\end{matrix} \right.$ (1)
求权重系数λ,进而算出点(s,t)处的值
$z_{st}^{*}(s,t)=\sum\limits_{l({{r}_{s}},{{r}_{t}})}{{{\lambda }_{i}}{{z}_{st}}({{s}_{i}},{{t}_{i}})}.$ (2)
其中L(rs,rt)表示(s,t)的邻域。式(1)中,γs,t(hs,ht) 为时空域的变差函数,由Kriging方法中变差函数的概念扩展而来,具有时间—空间的联合分布。变差函数可以根据式(3)估计得到
${{\hat{\gamma }}_{s,t}}({{h}_{s}},{{h}_{t}})=\frac{1}{|L({{r}_{s}},{{r}_{t}})|}\times {{\sum\limits_{L({{r}_{s}},{{r}_{t}})}{\left[ Z(s+{{h}_{s}},t+{{h}_{t}})-Z(s,t) \right]}}^{2}}.$ (3)
由于空间距离和时间距离的量纲难以统一,无法计算两点间的时空域距离,因此直接通过计算 $\hat{\gamma }$s,t(hs,ht)估计γs,t(hs,ht)是困难的。通常的做法是,参照Kriging变差函数的定义[9]
$\gamma (x,h)=\frac{1}{2}Var\left[ Z(x)-Z(x+h) \right]=\frac{1}{2}E{{\left[ Z(x)-Z(x+h) \right]}^{2}},$ (4)
分别估计空间域和时间域变差函数的条件分布,
$\left\{ \begin{matrix} {{{\hat{\gamma }}}_{s,t}}({{h}_{s}})=\frac{1}{2N}{{\sum\limits_{i=1}^{N}{\left[ Z({{x}_{i}})-Z({{x}_{i}}+{{h}_{s}},) \right]}}^{2}} \\ {{{\hat{\gamma }}}_{s,t}}({{h}_{t}})=\frac{1}{2M}{{\sum\limits_{j=1}^{M}{\left[ Z({{t}_{j}})-Z({{t}_{j}}+{{h}_{t}}.) \right]}}^{2}} \\\end{matrix} \right.$ (5)
进而,利用已知的时空变差函数模型,如Product-Sum模型等求得γs,t(hs,ht)[10, 11]。式(4)中Z(x)表示邻域内某一点处的值。而在时间—空间域中,式(5)中Z(x)的则表示对应的空间切片,即Z(x)=(Z(x,t1),Z(x,t2),…Z(x,tn)); Z(t)为时间切片Z(t)=(Z(x1,t),Z(x2,t),…Z(xm,t))[12]。 Z(x)和Z(t)实质上是由切片上各点的值所组成的向量。因此,式(5)可表示为
$\left\{ \begin{matrix} {{\gamma }_{s}}({{{\dot{h}}}_{s}})=\frac{1}{2N}\sum\limits_{i=1}^{N}{d{{(Z({{x}_{i}}),Z({{x}_{i}}+{{h}_{s}}))}^{2}},} \\ {{\gamma }_{t}}({{{\dot{h}}}_{t}})=\frac{1}{2N}\sum\limits_{j=1}^{N}{d{{(Z({{x}_{j}}),Z({{x}_{j}}+{{h}_{t}}))}^{2}}.} \\\end{matrix} \right.$ (6)
其中,d(Z(xi),Z(xi+hs))和d(Z(tj),Z(tj+ht))表示向量间的距离。在空间域中,Kriging方法采用L2范数来表示d(Z(xi),Z(xi+hs))。而在时间—空间域中,L2范数不一定是最好的方案。本文讨论不同距离定义下,时空变差函数的拟合性能以及对插值结果的影响。
2 向量距离对于向量X=(x1,x2,…,xn),范数定义为[13]
${{\left\| X \right\|}_{p}}={{\left( {{({{x}_{1}})}^{p}}+{{\left( {{x}_{2}} \right)}^{p}}+\cdots +{{\left( {{x}_{n}} \right)}^{p}} \right)}^{\frac{1}{p}}}$
用范数表示向量间的距离,常用的范数有L1范数
${{\left\| X \right\|}_{1}}=\left| {{x}_{1}} \right|+\left| {{x}_{2}} \right|\cdots \left| {{x}_{n}} \right|,$ (7)
L2范数
${{\left\| X \right\|}_{2}}=\sqrt{{{\left( {{x}_{1}} \right)}^{2}}+{{\left( {{x}_{2}} \right)}^{2}}+\cdots {{\left( {{x}_{n}} \right)}^{2}}}.$ (8)
将式(7)代入式(6)得,L1范数下条件变差函数的定义为
$\left\{ \begin{matrix} {{\gamma }_{s}}\left( {{{\dot{h}}}_{s}} \right)=\frac{1}{2N}\sum\limits_{i=1}^{N}{\left\| Z\left( {{x}_{i}} \right)-Z\left( {{x}_{i}}+{{h}_{s}} \right) \right\|_{1}^{2},} \\ {{\gamma }_{t}}\left( {{{\dot{h}}}_{t}} \right)=\frac{1}{2M}\sum\limits_{j=1}^{M}{\left\| Z\left( {{t}_{j}} \right)-Z\left( {{t}_{j}}+{{h}_{t}} \right) \right\|_{1}^{2}.} \\\end{matrix} \right.$ (9)
将式(8)代入式(6)得,L2范数下条件变差函数的定义为
$\left\{ \begin{matrix} {{\gamma }_{s}}\left( {{{\dot{h}}}_{s}} \right)=\frac{1}{2N}\sum\limits_{i=1}^{N}{\left\| Z\left( {{x}_{i}} \right)-Z\left( {{x}_{i}}+{{h}_{s}} \right) \right\|_{2}^{2},} \\ {{\gamma }_{t}}\left( {{{\dot{h}}}_{t}} \right)=\frac{1}{2M}\sum\limits_{j=1}^{M}{\left\| Z\left( {{t}_{j}} \right)-Z\left( {{t}_{j}}+{{h}_{t}} \right) \right\|_{2}^{2}.} \\\end{matrix} \right.$ (10)
式(10)即通常时空Kriging条件变差函数的定义,反映了不同向量间的幅值差异。然而,向量具有方向性,不同向量间的差异,其衡量标准除了幅值,还有角度[14]Lp范数只能表示向量X=(x1,x2,…,xn)与Y=(y1,y2,…,yn)在n维向量空间中的空间距离,而忽略了向量之间的角度信息。因此提出,在空间距离的基础上,增加角度项改进向量距离的定义
$\begin{align} & D\left( {{Z}_{1}},{{Z}_{2}} \right)=p{{\left\| {{Z}_{1}}-{{Z}_{2}} \right\|}_{2}}+\left( 1-p \right)\left[ {{\cos }^{-1}}\left( \frac{Z_{1}^{T}{{Z}_{2}}}{{{\left\| {{Z}_{1}} \right\|}_{2}}{{\left\| {{Z}_{2}} \right\|}_{2}}} \right) \right], \\ & 0\le p\le 1, \\ \end{align}$ (11)
其中,等号右边第一项为L2范数定义的空间距离,第二项为向量之间的角度,通过设置参数p来控制二者的权重。p=1时,向量距离中的角度项被去掉,只保留了空间距离的部分,此时的向量距离与向量中值滤波器(vector median filter,VMF)中的距离定义相同[15]p=0时,空间距离被去掉,只考虑角度差异,此时的向量距离与向量角度滤波器(vector directional filter,BVDF)中的距离定义相同[16]
将式(11)代入式(6),得到新向量距离定义下的条件变差函数
$\left\{ \begin{matrix} {{\gamma }_{s}}\left( {{{\dot{h}}}_{s}} \right)=\frac{1}{2N}\sum\limits_{i=1}^{N}{D{{\left( Z\left( {{x}_{i}} \right),Z\left( {{x}_{i}}+{{h}_{s}} \right) \right)}^{2}}}, \\ {{\gamma }_{t}}\left( {{{\dot{h}}}_{t}} \right)=\frac{1}{2M}\sum\limits_{i=1}^{M}{D{{\left( Z\left( {{t}_{j}} \right),Z\left( {{t}_{j}}+{{h}_{t}} \right) \right)}^{2}}.} \\\end{matrix} \right.$ (12)
分别用式(9)、 (10)、 (12)估计条件变差函数,可以构造出时间—空间域的变差函数γs,t(hs,ht)。
3 实验结果及分析地磁台站信号是连续的时间序列,可以将时空Kriging应用于地磁场的插值过程。将上述的向量距离应用到时空变差函数的计算中,并讨论结果。
3.1 交叉验证实验实验采用的数据,是中国地磁台网等32个观测台站从2002年1月1日到2002年9月30日的地磁场日均值序列。台站位置如图1所示,五角星分别表示32个观测台站的地理位置,覆盖了经度87.2°E—126.6°E,纬度19.0°N—49.6°N的范围。对32个观测台站进行交叉验证实验。
图 1 台站分布图
图选项





实验中,计算某一时刻t的值,用其前20 d的观测量建立数据库,即用区间[t-20,t-1]内的所有观测值进行分析。性能的检验标准是误差统计量MAE (mean absolute error)[8]
$MAE = {1 \over n}\sum\limits_{i = 1}^n {\left| {{Z^ * }\left( {{s_i},t} \right) - Z\left( {s,t} \right)} \right|} .$
MSE (mean square error),
$MSE = {1 \over n}\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{Z^ * }\left( {{s_i},t} \right) - Z\left( {{s_i},t} \right)} \right)}^2}} .$
3.2 结果分析分别用式(7)、 (8)、 (11)定义向量距离,并拟合条件变差函数,结果如图2所示。图2f中观测值分布平稳,能够较好地集中在拟合曲线周围。通常用到的变差函数有sphere,index,Guass,power等,根据观测值的分布情况选择合适的函数进行拟合[1]。本实验中,3种定义下所得结果形状相似,空间变差函数均采用sphere函数,时间变差函数采用Guass函数进行拟合,所得参数如表1所示。通过图2对比发现,在式(11)定义的距离下,时间变差函数的观测值分布相对平稳,拟合过程中,估计值能较好地跟踪到观测值的分布。
表 1 条件变差函数的拟合参数
距离定义函数块金值基台值量程
L1空间sphere0.0487980.27727337.41952
时间Gauss0.009210.4883840.148264
L2空间sphere0.0836010.41578235.5823
时间Gauss0.010520.6032390.152459
新定义空间sphere0.037720.23022629.11301
时间Gauss0.001960.3416430.115696


表选项






本文采用Product-Sum模型,利用条件分布函数来构建时空域变差函数[17-18]。3种定义下,求得时空变差函数,并分别代入式(1)中,可以解得Kriging方程组,进而算出时空中任意点的地磁场值。
图3可以看出,相对于L1范数、 L2范数,新定义的距离使实验结果性能相对稳定,MAE集中在1左右,MSE集中在[0,5]的范围内。
图3中各时刻MAE和MSE进行时间域的统计分析,结果如表2所示。L2范数下的误差均值比L1范数小,新定义的距离下误差均值比L2范数小,且MAE和MSE两项的方差都是最小。 3种定义下,L2范数优于L1范数。新定义距离的结果误差最小,性能最稳定,具有明显优势。角度信息的加入,使得时空变差函数在拟合过程中充分考虑了向量信息,从而提高了拟合精度,直至提升时空Kriging插值的总体精度。
表 2 交叉验证结果的时间统计量
距离定义MAE的均值MSE的均值MAE的方差MSE的方差
L11.049 596 152.343 945 440.088 487 454.036 574 39
L21.044 532 172.287 708 790.093 078 873.765 384 67
新定义1.029 387 352.104 110 770.073 844 092.822 751 15


表选项






图 2 不同距离定义下的条件变差函数拟合结果
图选项





图 3 每个时间切片处的结果分析
图选项





4 结 论本文介绍了时空Kriging插值过程中变差函数的时空域扩展,并从向量距离的概念出发,讨论了不同距离定义对变差函数拟合的影响。将角度信息引入向量距离,定义了新的向量距离形式。对地磁场数据的交叉验证结果表明,引入向量角度的概念后,向量距离能够更好地反映各时间切片(或空间切片)间的差异,从而更好地拟合变差函数,提高插值的精度。

参考文献
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