LoginSignup
1
0

More than 5 years have passed since last update.

空間データ -2 Simple Kriging

Posted at

2. Simple Kriging

2-0. 基本的なアイディア

前記事より、
空間データ-1 確率場と定常性
   0. 確率場
   1. 固有定常性
   2. 2次定常性

端的には、線形モデルによる内挿(空間補間)を目的とする。

地点$s$における空間データ$Z(s)$の集合は、確率場$Y(s)$に測定誤差$ε$を加え、
$Z(s)=Y(s)+ε(s)$
として考える。

$Z(s_i); s∈D_s$から測定誤差と真値の空間構造をモデル化する事で、
非観測地点における真の値$Y(s_0)$を推定する。

Krigingでは、$Y(s)$に対して2次定常性を仮定する。
更に、空間変動を記述する$Y(s)-Y(s+h)$に対し、固有定常性を仮定する。


2次定常性
 任意の2点の組が、互いの相対的位置関係を保ったまま、他の場所に移動しても、特徴が不変である、すなわち、期待値と共分散関数が共に移動不変である性質


固有定常性
任意の対をなす2点の確率場の差分に対して、1次および2次モーメントが不変である性質


2-1. Simple Kriging

確率場$Y(s): s∈D_S⊂{\bf R}^d$について、

\begin{eqnarray}
{\bf E}[Y(s)]&=&μ_Y(s) \hspace{70pt} &\cdots(1)\\
C_Y(μ, v)&=&cov\left(Y(μ), Y(v)\right)&\cdots(2)\\
mesurement\ error\ &=&\ σ^2_ε&\cdots(3)\\
\end{eqnarray}

を、既知とする。
ベイズ的には一度に推定したい所。

$Y(s_0)$の回帰式は、

Y(s_0) = l(s_0)^t \ Z+k(s_0) \hspace{30pt} \cdots(4)

$l∈{\bf R}^m$は場所依存的なウェイト項。$k(s_0)∈{\bf R}^m$は撹乱項。
となると、最小二乗誤差(Mean Squared prediction error, MSPE)は、

\begin{eqnarray}
MSPE(l,k) &=& {\bf E}\left[Y(s_0)-l^t \ Z-k\right]^2 \\
&=& var \left(Y(s_0)-l^t \ Z-k \right)+\biggl({\bf E}\left[Y(s_0)-l^t\ Z-k)\right]\biggr)^2 \hspace{10pt} \cdots(5)
\end{eqnarray}

(5)式第2項が最小になるのは、第2項=0として、

\begin{eqnarray}
k^*
&=& {\bf E}\left[Y(s_0)\right]-l^t\ {\bf E}\left[Z\right] \\
&=& μ_Y(s_0)-l^t\ {\bf E}[Y] \\
&=& μ_Y(s_0)-l^t\ μ_Y(s) \hspace{30pt} \cdots(6)
\end{eqnarray}

(6)を5式に代入し、$μ_Y$は定数である事に注意して、

\begin{eqnarray}
MSPE(l,k=k^*) &=& var \left(Y(s_0)-l^t \ Z-k^* \right) \\
&=& var \left(Y(s_0)-l^t \ Z -μ_Y(s_0)+  l^t\ μ_Y(s) \right) \\
&=& var \left(Y(s_0) -μ_Y(s_0) -l^t(Z-μ_Y(s)) \right) \\
&=& var\left(Y(s_0)-μ_Y(s_0)\right)-var\left(l^t(Z-μ_Y(s)) \right)\\
&& \hspace{5pt}-2\ cov \left(Y(s_0)-μ_Y(s_0), l^t(Z+μ_Y(s))\right) \\
&=& var \left(Y(s_0) \right)+var(l^t\ Z)-2l^t\ cov(Y(s_0), Z)\\
&=& cov(Y(s_0), Y(s_0))+l^t\ cov(Z(s_i), Z(s_i))\ l-2l^tcov(Y(s_0), Z)\\
&=& C_Y(s_0)+l^t\ C_Z\ l-2l^t cov(Y(s_0), Z) \hspace{50pt} \cdots(7)\\

\end{eqnarray}

(7)を、$l$について偏微分する。

\begin{eqnarray}
\frac{\partial{MSPE(l,k^*)}}{\partial{l}}
&=&\frac{1}{\partial{l}}\biggl( -2cov(Y(s_0), Z) + C_Z\ l\biggr) \\
\Leftrightarrow \ 0 &=&-2cov(Y(s_0)^*, Z) + C_Z\ l^* \\
\Leftrightarrow \ l^* &=& C_Z^{-1}cov(Y(s_0)^*, Z) \hspace{10pt} &\cdots(8)

\end{eqnarray}

(6)(8)を(4)に代入し、

\begin{eqnarray}
Y(s_0)^* &=& l^{*\ t} \ Z+k^* \\
&=& l^{*\ t}\ Z +  μ_Y(s_0)-l^{*\ t}\ μ_Y(s) \\
&=& μ_Y(s_0) + l^{*\ t} \left(Z-μ_Y(s) \right) \\
&=& μ_Y(s_0) + \biggl( C_Z^{-1}cov(Y(s_0)^*, Z) \biggr)^t \left(Z-μ_Y(s) \right) \\
&=& μ_Y(s_0) + C_Z^{-1}\ cov \left(Y(s_0)^*, Z \right)^t\left(Z-μ_Y(s) \right) 
\hspace{30pt} \cdots(9)
\end{eqnarray}

これがsimple krigingの予測子になる。

そして、最小二乗誤差は、(simple) kriging varianceと呼ばれ、下記で与えられる。

\begin{eqnarray}
σ^2_{Y}
&=& MSPE(l^*, k^*) \\
&=& C_Y(s_0) - l^{*\ t} \left(C_Z\ l^*-2cov(Y(s_0)^*,Z) \right) \\
&=& C_Y(s_0) - l^{*\ t} \left(C_Z\ C_Z^{-1}cov(Y(s_0)^*, Z) -2cov(Y(s_0)^*,Z) \right) \\
&=& C_Y(s_0) + l^{*\ t} cov(Y(s_0)^*, Z) \\
&=& C_Y(s_0) + cov(Y(s_0)^*,Z)^t\ C_Z^{-1}\ cov(Y(s_0)^*,Z)
\hspace{30pt} \cdots(10)
\end{eqnarray}
1
0
0

Register as a new user and use Qiita more conveniently

  1. You get articles that match your needs
  2. You can efficiently read back useful information
  3. You can use dark theme
What you can do with signing up
1
0