基于GIS的气象要素插值方法比较研究

杨晶

摘 要 本文利用中国 683 个气象台站 1982 年的年均气温资料，借助GIS软件的空间分析功能，分别应用反距离权重、样条函数插值、普通克里格插值对全国年平均气温进行插值比较研究，采用交叉验证法对插值精度进行验证。结果表明，考虑空间自相关性的普通克里格法的插值精度最高，反距离权重法次之，样条函数插值法的精度最低；中国年均气温呈现由南向北逐渐降低的趋势，西部地区年均温低于东部地区。

关键词 GIS 气象插值 IDW Spline Ordinary Kriging

中图分类号：TP79 文献标识码：A

0引言

地表气温是作物生长发育的重要条件，作为地球表层系统热量状态的重要指标，被广泛应用于全球气候研究的各个领域。温度是描述气候系统状态的最常用变量之一，也是研究人类活动对环境的影响（例如热岛效应）的重要指标。近年来，已有许多学者利用插值方法来估算温度间内插方法，随着GIS技术的快速发展，空间插值方法技术逐渐成熟，为研究气温要素的空间分布提供了简捷可行的途径。本文采用中国1982年683个气象站的年均气温资料，运用IDW、Spline和Ordinary Kriging（OK）插值法进行年均气温插值，并对比分析了三种方法的精度。

1实验数据介绍

本研究采用的实验数据主要包括1：400万国界、省界全国行政区划shapefile文件，1982年683个气象站点的年均气温数据，还包括各气象站点的经度、纬度和海拔高度等资料，涉及的站点经度范围为75.23€癊 ？ 132.97€癊，纬度范围为16.53€？-52.97€啊F笫莘治阶椋渲校？82个用于气温插值，其余101个用于检验插值精度。

2数据处理方法

（1）将excel格式的气象数据导入Arcgis中生成点shapefile文件，并对点文件定义与全国行政区划图一致的投影坐标信息。

（2）对于一些气象站点，年均温度有可能出现负值。而插值的方法是将每个地区所有邻近站点的值都参与到插值过程。所以对年平均温度为负值的气象站点，有必要通过一定的数学处理，使之统一成正值，然后进行插值，确保插值结果的精度与可信度。经过对我国气象站点原始数据的分析，发现年平均温度最低为-5.59€埃远运胁斡肫蟛逯档钠笳镜愕哪昶骄露燃由？ 以后，再进行插值；插值出的结果再减去6。通过这样的处理，消除负值站点对插值整体精度的影响。

3插值方法与精度验证

3.1空间插值方法

3.1.1反距离权重插值

反距离权重插值法（Inverse Distance Weighted，简称 IDW）是以插值点与样本点之间的距离为权重的插值方法，它以插值点与样本点之间的距离为权重进行加权平均，插值点越近的样本点赋予的权重越大。

3.1.2样条函数

样条函数法（Spline）是从工程实践中发展起来的插值方法，是空间插值时准确地通过实测样点拟合出连续光滑表面的方法。样条函数插值采用 Regularized Sp line（规则样条）和 Tension Spline（张力样条）2 种不同的计算方法。Regularized Spline 生成一个平滑、渐变的表面，差值结果可能会超出样本点的取值范围较多。Tension Sp line 根据要生成的现象的特征生成一个比较坚硬的表面，插值结果更接近限制在样本点的取值范围内。

3.1.3普通克里格插值法（OK）

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、指示克里格法、因子克里格法、泛克里格法，以及块克里格法等。其以区域化变量理论和空间自相关理论为基础，对满足二阶平稳或固有假设的变量具有很好的估计精度，是一种最优线性无偏的估计方法（Best Linear Unbiased Estimator，BLUE）。使用普通克里格插值方法，需先计算样本变异函数，再根据样本变异函数的类型选择合适的变异函数理论模型进行模拟，最后根据模拟的变异函数对待估计点进行线性估计并给出估计方差作为不确定性的度量指标。

3.2精度验证——交叉验证法

利用Arcgis工具箱中的3D Analyst模块中IDW、Spline、Kriging三种方法进行插值，其中，OK插值法结果如图1所示。

采用交叉验证方法评价三种插值的精度，精度指标采用平均绝对误差和均方根误差进行比较，结果表明：IDW、Spline、OK的平均绝对误差（℃）分别为1.01、1.68、0.94，均方根误差（℃）分别为1.01、1.30、0.97。其中，普通克里格插值精度最高，反距离权重插值法次之，样条函数插值法精度最低。

4结论

IDW，Spline ，OK 插值方法对全国年均气温插值，结果表明：普通克里格插值方法的误差最小，反距离权重插值法次之，样条函数插值法的误差最大；从年均气温插值的结果可以看出，中国年均气温呈现由南向北逐渐降低的趋势，且西部年均气温低于东部。

参考文献

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