克里金插值较为复杂,但效果也是比较好的。为了能够通过代码实现克里金插值的过程,首先需要了解其详细的计算过程。
在ArcGIS中操作一遍
导入散点数据,数据包括散点的坐标,高程值。
在“Geostatistical Analyst”中选择“地统计向导”。找不到的先右击菜单栏空白处,勾选“Geostatistical Analyst”。
1,选择数据,选择“克里金法”,下一步
2,选择“普通克里金”,下一步
3,拟合界面
这个界面的内容很重要,也正是帮助文档中所解释的内容。左上角的拟合曲线是我们将要在C#代码中实现的,坐标系中的散点也是需要我们去通过计算得到的。
4,查看拟合函数类型
点开上图界面中的“类型”,可以看到如下的几种:球面函数,指数函数,高斯函数等。选择其中不同的类型,左侧的拟合曲线也会相应的改变,这几种函数在帮助文档中有介绍到。
5,选择好类型之后,下一步就将看到插值的结果
6,最后的界面是对插值结果的误差分析
阅读ArcGIS中的有关克里金插值的文档
打开ArcGIS的帮助文档,搜索“克里金”,选择“克里金法的工作原理”。
1,求取散点的半方差
公式:Semivariogram(distanceh)=12∗(valuei–valuej)2
其中distanceh就是指i,j两点的距离,也就是坐标中的X轴的变量,计算得到的Semivariogram就是坐标轴中Y轴的变量。
如果有100个点,每个点都与其他的99个点计算半方差,但是这样会产生大量的数据,而且这些数据中有一部分是重复的。这样执行拟合的效率也会很低。按照帮助文档的说法,我们要精简得到的结果。比如:0~10之间的点求一个均值,10~20,20~30……
这样,我们就可以得到多个坐标点,如图,红色的点就是初始求得的点,蓝色的点就是均值点:
2,拟合坐标点,求取主变程和基台值
拟合主要是针对蓝色的点,拟合函数有多种选择,函数中的c0是块金值,c是偏基台值,a或r是主变程值,c0块金值在拟合中一般默认为0。
按照帮助文档中的描述,比较简单的有一下几种:
球形模型
指数模型
高斯模型
在以上三个模型中,抛开c0默认为0,球形模型的方程有3个未知量,高斯模型和指数模型有2个未知量,因为需要用C#程序去实现这个拟合的过程,我选择了较为简单的指数模型,其公式为:
r(h)={c0+c∗(1−e−hr),0,h>0h=0
通过拟合得到 c,r,得到了半方差的插值模型,我们就可以进行下一步的插值计算了。
3,求取未知点的插值结果
接下来的插值计算过程帮助文档中未详细描述,我从一次比赛的pdf中得到了计算过程,在此分享一下。
设函数r(h)为上面所求得的模型,h为i,j两点之间的距离。
设cij=c−r(hij),用于计算矩阵K,向量D。
矩阵K是用已知散点求得的,表达式如下:
K=⎡⎣⎢⎢⎢c11c21…cn1c12c22…cn2…………c1nc2n…cnn⎤⎦⎥⎥⎥
向量 D是计算当前要求的未知点与已知点之间的cij,公式如下:
D=⎡⎣⎢⎢⎢⎢c(x1,x)c(x2,x)…c(xn,x)⎤⎦⎥⎥⎥⎥
利用矩阵 K和向量D,能够求得向量
λ,
λ(i)表示第
i个已知点对当前未知点的影响权重,公式如下:
λ=K−1D
计算x0点的高程值得公式如下,其中Z(xi)表示i点的高程值:
Z(x0)=∑ni=1λi∗Z(xi)
这样,一个未知点的高程值就预测出来了,矩阵K针对同一批散点是确定的。所以,预测其他坐标的高程值时,只需要重复计算向量D。