黄海渔业资源密度空间插值方法的比较研究

空间插值是渔业生态学研究,特别是海洋生态系统模型构建中的常用工具。为找到适合黄海渔业资源密度的插值方法,本文对四种常用的空间插值方法进行了比较研究。四种插值方法分别为反距离加权（Inverse distance weighted,IDW）、全局多项式（global polynomial interpolation,GPI）、局部多项式（local polynomial interpolation,LPI）和普通克里格（ordinary kriging,OK）。采用交叉验证分析（cross-validation diagnostic）确定不同插值方法的准确度。同时,结合渔业资源密度空间分布的可视化表达,比较不同插值方法结果的优劣。结果表明,原始的生物学数据具有典型的非正态分布特征,对数转化方法能让其显著地接近或符合正态分布。四个调查阶段中,指数模型在2014年8月和10月为最佳半方差函数,2015年1月和5月数据具有明显的纯块金效应。配对样本T检验表明,预测数据和实测数据之间没有显著差异（P>0.05）。交叉验证结果表明,OK在2014年10月插值效果最好,IDW在剩余的三个航次表现最佳,GPI和LPI表现效果不佳。OK在空间分布的可视化表达方面效果最好,既不像IDW一样有较多的“牛眼”效应,也不像GPI和LPI一样具有过多的平滑效果。然而,纯块金效应的存在有时会影响OK的应用。综上所述,我们推荐操作简单且处理快速的IDW作为黄海渔业资源密度常规的插值方法。     

基于Cressman优化算法的海洋矢量数据插值方法研究

随着海洋监测技术的发展,多源、异构、多维的海洋数据成指数激增。当前用于海洋数据的插值技术存在处理速度慢、读取效率低等问题,难以满足数据处理的需要。针对具有空间分布特性的海洋矢量数据,本文旨在研究一种高效的插值方法,首先基于Moran’s I对矢量数据进行空间相关性分析,根据数据间的聚类程度对数据集进行冗余度处理,然后基于Cressman插值算法对处理后的矢量数据进行插值展示。最后,以某区域的流场数据进行仿真,验证了基于Cressman插值优化算法的合理性和可行性。     

局部多项式插值方法在多源海底沉积厚度数据融合中的应用

提出了在多源空间数据融合过程中出现不一致的问题;介绍了局部多项式插值方法的基本原理;通过该方法在海底沉积厚度模型构建中的成功应用,为基础数据的搜集和融合提供了新的思路.     

底栖生物生物量空间插值方法研究

在地统计学和地理信息系统支持下,采用反距离加权(Inverse distance weighting,IDW)、径向基函数(Radial basis functions,RBF)、普通克里格(Ordinary Kriging,OK)3种插值方法对2007年4月获得的大亚湾人工鱼礁区及附近海域底栖生物生物量数据进行空间插值方法研究,并对插值精确度进行交叉验证。结果显示,经对数转化后的数据呈正态分布,而且3种插值方法对其进行插值,所得的等值面图效果比原始数据所得等值面图效果好。交叉验证显示,对数转化数据插值精确度OK﹥RBF﹥IDW。观察插值结果等值面图,发现3种方法均能较客观地模拟出底栖生物生物量的总体分布趋势,在对局部趋势的模拟上,OK的表现效果最好。     

基于ArcGIS的带状数据插值模型对比研究

海岸带的地形等要素数据呈现出带状分布特征,空间插值对分析其要素数值分布及演变趋势具有重要意义。本文以离散带状分布的剖面高程数据为例,对 ArcGIS 中常用的栅格插值和地统计分析两类模型特征进行比较分析,为实际应用中选择合适的插值模型及参数提供经验参考。研究结果表明：地统计分析模型具有较好的区域拟合效果,剖面高程数据的总体插值精度更优,但耗费时间较长;栅格插值模型精度差异较大,耗费时间总体较短;反距离权重插值法的栅格插值和地统计分析模型精度均最优,反距离权重插值法栅格插值耗费时间最短;在栅格和地统计分析模型中获得相对较优的插值效果,其参数设置有特定规律可遵循。     

多波束海底地形数据空值区域的插值填补方法分析

由于边界误差剔除、测线布设过于稀疏等因素影响,利用多波束数据生成高分辨率DEM时,常常会存在一些水深空值单元或区域。为了对这些数据空值区域进行可靠填补,在考虑地形特征及空值单元大小的情况下,利用IDW、Spline、Kriging、TIN四种插值方法对某区域多波束海底DEM空值区域进行直接内插填补试验,结果表明插值算法的选取不仅受地形类型限制,而且与空值区域的大小也密切相关。     

ArcGIS不同插值方法在镇海湾海水无机氮评价中的应用

为充分发挥监测数据的作用,进而科学评价海洋环境和促进生态修复,文章分别采用ArcGIS的普通克里金法、反距离权重法和含障碍的样条函数3种插值方法,对2017年11月镇海湾海水无机氮监测数据进行插值分析,并通过插值结果比对选出最优方案。研究结果表明:通过对照点监测数据的验证,含障碍的样条函数的插值结果相对误差较小,比普通克里金法和反距离权重法更适用于海岸线复杂和岛屿众多的监测区域;根据含障碍的样条函数的插值结果制作镇海湾海水无机氮浓度空间分布图,并应用属性数据计算海水无机氮各类水质面积,与相关公报结论相符;合理采用ArcGIS插值方法对监测数据进行制图和计算,水质评价结果直观、可靠且具有应用价值。     

一种用于海洋层化数据的插值方法改进

海洋环境调查数据的客观分析图像是调查结果的直观体现,也是进一步科学研究的基础。在环境要素空间分布复杂的近海海域及陆架坡区,我们发现利用现有插值方法得到的结果有时会出现之前没有被关注到的局部异常,如常用的Kriging方法或三角网线性插值方法插值得到的图像有时会出现或轻或重的"藕"状或"台阶"状的层化结构异常。本文提出一种针对原始数据采用坐标变换方法,并联合使用三角网线性插值法和Kriging法两种方法进行数据插值,从而有效地避免了类似"藕"状或"台阶"状的层化结构假象,解决了插值方法在海洋环境调查数据插值过程中遇到的一个实际问题,也是对现有插值方法的一种补充。     

广义延拓插值在卫星精密星历插值中的应用

在GPS单点定位和相对定位中都需要不断计算卫星的坐标。IGS提供的精密星历为15min间隔,要得到更小间隔的数据,就要进行插值。利用广义延拓插值进行GPS精密星历插值,探讨插值精度与三个参数的关系,并与Lagrange多项式插值和三角插值结果进行比较。结果表明,广义延拓插值法具有较高的精度,完全适用于精密星历的插值。     

基于GIS的海洋光学调查数据空间插值方法研究

研究基于GIS的海洋光学调查数据空间插值方法及其原理,主要探讨了反距离加权插值法、普通克里格法的球体模型和指数模型算法.通过对比分析利用不同插值算法得到的分布图,并在误差分析的基础上,选择制作海洋光学调查数据分布图的最佳空问插值方法.以海洋光学要素中的总颗粒物吸收系数为例,研究表明,普通克里格算法的球体模型能够更加准确地反映我国近海水体总颗粒物吸收系数的空间分布特点和变化趋势.     

水文资料插值计算方法探讨

本文利用5种常用的插值计算方法,对海洋实测资料序列中的某些固定节点进行插值计算,然后根据均方误差和图形拟合相结合的方法,探讨插值计算方法的适用性及应用条件并得出结论:阿基玛插值和三点拉格朗日插值效果拟合性最好,具有普遍应用性,多点拉格朗日和线性插值较为中性,在插值步长不大的条件下,插值效果较好,而牛顿插值不稳定,应用条件相对苛刻.     

Comparing different spatial interpolation methods to predict the distribution of fishes: A case study of Coilia nasus in the Changjiang River Estuary

Spatial-temporal distribution of marine fishes is strongly influenced by environmental factors. To obtain a more continuous distribution of these variables usually measured by stationary sampling designs, spatial interpolation methods(SIMs) is usually used. However, different SIMs may obtain varied estimation values with significant differences, thus affecting the prediction of fish spatial distribution. In this study, different SIMs were used to obtain continuous environmental variables(water depth, water temperature, salinity, dissolved oxygen(DO), p H,chlorophyll a and chemical oxygen demand(COD)) in the Changjiang River Estuary(CRE), including inverse distance weighted(IDW) interpolation, ordinary Kriging(OK)(semivariogram model: exponential(OKE),Gaussian(OKG) and spherical(OKS)) and radial basis function(RBF)(regularized spline function(RS) and tension spline function(TS)). The accuracy and effect of SIMs were cross-validated, and two-stage generalized additive model(GAM) was used to predict the distribution of Coilia nasus from 2012 to 2014 in CRE. DO and COD were removed before model prediction due to their autocorrelation coefficient based on variance inflation factors analysis. Results showed that the estimated values of environmental variables obtained by the different SIMs differed(i.e., mean values, range etc.). Cross-validation revealed that the most suitable SIMs of water depth and chlorophyll a was IDW, water temperature and salinity was RS, and p H was OKG. Further, different interpolation results affected the predicted spatial distribution of Coilia nasus in the CRE. The mean values of the predicted abundance were similar, but the differences between and among the maximum value were large. Studies showed that different SIMs can affect estimated values of the environmental variables in the CRE(especially salinity).These variations further suggest that the most applicable SIMs to each variable will also differ. Thus, it is necessary to take these potential impacts into consideration when studying the relationship between the spatial distribution of fishes and environmental changes in the CRE.     

A theoretical study of the multigrid three-dimensional variational data assimilation scheme using a simple bilinear interpolation algorithm

In order to solve the so-called "bull-eye" problem caused by using a simple bilinear interpolation as an observational mapping operator in the cost function in the multigrid three-dimensional variational(3DVAR) data assimilation scheme,a smoothing term,equivalent to a penalty term,is introduced into the cost function to serve as a means of troubleshooting.A theoretical analysis is first performed to figure out what on earth results in the issue of "bull-eye",and then the meaning of such smoothing term is elucidated and the uniqueness of solution of the multigrid 3DVAR with the smoothing term added is discussed through the theoretical deduction for one-dimensional(1D) case,and two idealized data assimilation experiments(one-and two-dimensional(2D) cases).By exploring the relationship between the smoothing term and the recursive filter theoretically and practically,it is revealed why satisfied analysis results can be achieved by using such proposed solution for the issue of the multigrid 3DVAR.     

基于BP神经网络的高频地波雷达海流空间插值

高频地波雷达是海洋环境监测的重要手段,当前已经实现对海流的业务化观测,但是外部因素常引起海流空间探测的不连续性。为解决此问题,尽量保障区域数据的完整性和准确性,本文将BP神经网络技术与空间插值相结合,建立了海流的BP神经网络插值模型,并进行了针对实测数据的缺失插值仿真,通过与反距离权重法和线性插值法插值结果的对比,分析该模型在区域海流大面积缺失、流速整体较大和流速整体较小3个方面的性能。结果表明,BP神经网络插值模型的海流预测效果明显优于其他两种方法,且在流场数据大范围缺失下也取得了良好的效果。     

Derivation of coastal wind and wave parameters from offshore measurements of TOPEX satellite using ANN

The paper discusses an artificial neural network (ANN) approach to project information on wind speed and waves collected by the TOPEX satellite at deeper locations to a specified coastal site. The observations of significant wave heights, average wave period and wind speed at a number of locations over a satellite track parallel to a coastline are used to estimate corresponding values of these three parameters at the coastal site of interest. A combined network involving an input and output of all the three parameters, viz., wave height, period and wind speed instead of separate networks for each one of these variables was found to be necessary in order to train the network with sufficient flexibility. It was also found that network training based on statistical homogeneity of data sets is essential to obtain accurate results. The problem of modeling wind speeds that are always associated with very high variations in their magnitudes was tackled in this study by imparting training in an innovated manner.     

海洋沉积物粒度参数3种计算方法的对比研究

海洋沉积物粒度参数是反映沉积物物质来源及水动力条件的敏感性指标。目前国内对海洋沉积物粒度参数计算方法并不完全统一,制约了粒度数据的整合和使用。利用长江口外近海348个表层沉积物粒度数据,分别使用Folk和Ward的图解法公式、Collias等的矩法公式和McManus的矩法公式进行了粒度参数的计算。运用相关分析和基本统计分析等方法,讨论了不同方法计算结果间的差异和影响因素。结果显示:图解法与矩法计算的平均粒径和分选系数分别呈显著线性相关,且不受沉积物物质来源的影响。对于偏态和峰态,3种不同方法计算结果的相关性较低,甚至表现为不相关。不同方法计算的沉积物粒度参数的差异性均与沉积物类型和频率曲线分布形态有关。当物质组成均匀、频率曲线近正态分布时,不同方法计算的粒度参数的相关性显著提高。当沉积物较粗或较细时,粒度分布偏离正态且具有明显尾部特征,用不同方法计算结果的差异会随之增大。对3种不同公式综合对比认为Collias等的矩法公式反映沉积物粒度分布特征更加灵敏、可靠,建议在进行资料整合时采用。     

综合空间相关性和区域分异性方法的上海海洋环境监测站位优化

综合无机氮和活性磷酸盐的海水水质类别现状进行空间分区,拟合无机氮和活性磷酸盐全局半变异函数和局部半变异函数。通过留一交叉检验方法确定统计推断方法,无机氮采用分层克里金插值方法,使得平均绝对误差和误差方差最小;活性磷酸盐采用普通克里金插值方法,使得平均绝对误差和误差方差最小。原则上调整现有站位数的10%,综合考虑对无机氮和活性磷酸盐插值标准差的变化影响,以及对不同水质类别面积的影响,确定去掉冗余的7个历史站位。7个站位均分布在劣四类水区域的长江口南支、北支、和杭州湾北部近岸区域,这些区域站点密集,水体中各要素含量变化不大,水团混合较均匀。优化删减掉的7个站位调整到三类和四类水质分区中,或者无限制区域的优化调整,发现调整优化的站位主要分布在水质类别变化过渡的区域,因此,不同水质类别的分界带以及海域边界处是站位调整优化的关键区域。     

Experimental and numerical investigation of sloshing using different free surface capturing methods

We investigated the use of numerical methods to predict liquid sloshing phenomena in a moving tank and compared our results to model test measurements. The numerical techniques for the free surface, based on the so-called finite Volume-of-Fluid (VoF) approach, comprised an incompressible VoF method, an incompressible coupled Level-Set and Volume-of-Fluid (clsVoF) method, and a compressible VoF method. We assessed the capability of these three numerical methods to achieve suitable numerical predictions of sloshing phenomena, specifically, air pockets and bubbles on the free surface inside a test tank. To observe the described sloshing phenomena, we simulated tank motions leading to well defined single impact wave motions. We performed repeated physical tests for validation purposes. Computed velocity and pressure time histories were compared to experimental data we obtained from Particle Image Velocimetry (PIV) and pressure sensor measurement. Grid sensitivity and turbulence model studies were performed. We demonstrated that the compressible VoF method was the most suitable method to obtain accurate predictions of sloshing phenomena.