วาเรียแกรม

วาเรียแกรมคือการแสดงภาพกราฟิกของความสัมพันธ์เชิงพื้นที่ระหว่างคู่ของจุดข้อมูล ซึ่งมักใช้ในภูมิสถิติและสถิติเชิงพื้นที่คำนี้บางครั้งใช้เป็นคำพ้องความหมายกับเซมิวาเรียแกรมแต่ผู้เขียนบางคนก็ใช้คำหลังเพื่ออ้างถึงครึ่งหนึ่งของวาเรียแกรม ดังนั้นจึงควรหลีกเลี่ยง[ 1 ]ในทำนองเดียวกัน คำว่าเซมิแวเรียนซ์อาจทำให้เข้าใจผิดได้ เนื่องจากค่าที่แสดงในวาเรียแกรมคือค่าความแปรปรวน ทั้งหมด ของการสังเกตที่ระยะห่างเชิงพื้นที่ที่กำหนด (lag) [ 1 ]
วาเรียแกรมเป็นฟังก์ชันสำคัญในภูมิสถิติ เนื่องจากจะถูกนำมาใช้เพื่อสร้างแบบจำลองความสัมพันธ์เชิงเวลา/เชิงพื้นที่ของปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ ดังนั้นจึงมีการแยกความแตกต่างระหว่างวาเรียแกรมเชิงทดลองซึ่งเป็นการแสดงภาพความสัมพันธ์เชิงพื้นที่/เชิงเวลาที่เป็นไปได้ และแบบจำลองวาเรียแกรมที่ใช้กำหนดค่าน้ำหนักของ ฟังก์ชัน ครีจิง ต่อไป โปรดทราบว่าวาเรียแกรมเชิงทดลองเป็นการประมาณค่าความแปรปรวนร่วมของกระบวนการเกาส์เซียน โดยวิธีเชิงประจักษ์ ดังนั้นจึงอาจไม่ใช่เมทริกซ์บวกแน่นอนและด้วยเหตุนี้จึงไม่สามารถนำไปใช้ในครีจิงได้โดยตรงโดยไม่มีข้อจำกัดหรือการประมวลผลเพิ่มเติม นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงมีการใช้แบบจำลองวาเรียแกรมเพียงไม่กี่แบบเท่านั้น โดยส่วนใหญ่ได้แก่ แบบจำลองเชิงเส้น ทรงกลม เกาส์เซียน และเอกซ์โพเนนเชียล
ตัวอย่างเช่น ในการทำเหมืองทองคำวาเรียแกรมจะให้ค่าที่วัดว่าตัวอย่างสองตัวอย่างที่เก็บจากพื้นที่ทำเหมืองจะมีเปอร์เซ็นต์ทองคำแตกต่างกันมากน้อยเพียงใด ขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างตัวอย่างเหล่านั้น ตัวอย่างที่เก็บจากระยะไกลจะมีความแตกต่างกันมากกว่าตัวอย่างที่เก็บจากระยะใกล้กัน
คำนิยาม
เซมิแวริโอแกรมMatheron (1963) นิยามค่านี้เป็นครั้งแรกว่าคือครึ่งหนึ่งของค่าเฉลี่ยของผลต่างกำลังสองระหว่างฟังก์ชันกับสำเนาของฟังก์ชันที่ถูกเลื่อนตำแหน่งซึ่งแยกจากกันด้วยระยะทาง[ 2 ] [ 3 ]อย่างเป็นทางการ
ที่ไหนเป็นจุดในฟิลด์ทางเรขาคณิต, และคือค่า ณ จุดนั้น อินทิกรัลสามชั้นครอบคลุม 3 มิติคือระยะห่าง (เช่น ในหน่วยเมตรหรือกิโลเมตร) ที่เราสนใจ ตัวอย่างเช่น ค่าอาจแสดงถึงปริมาณธาตุเหล็กในดิน ณ ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง(พร้อมพิกัดทางภูมิศาสตร์ได้แก่ ละติจูด ลองจิจูด และระดับความสูง) เหนือภูมิภาคใดภูมิภาคหนึ่งโดยมีองค์ประกอบของปริมาตรเพื่อให้ได้เซมิแวริโอแกรมสำหรับค่าที่กำหนดโดยจะทำการสุ่มตัวอย่างจุดทุกคู่ที่อยู่ห่างกันในระยะทางนั้น ในทางปฏิบัติเป็นไปไม่ได้ที่จะสุ่มตัวอย่างทุกที่ ดังนั้นจึงใช้วาเรียแกรมเชิงประจักษ์ แทน
วาเรียแกรมมีค่าเป็นสองเท่าของเซมิวาเรียแกรม และสามารถนิยามได้ต่างออกไป คือความแปรปรวนของความแตกต่างระหว่างค่าภาคสนาม ณ สองตำแหน่ง (และโปรดสังเกตการเปลี่ยนแปลงสัญลักษณ์จากถึงและถึง) ครอบคลุมการรับรู้ในสาขานี้ (Cressie 1993):
ถ้าสนามสุ่มเชิง พื้นที่ มีค่าเฉลี่ยคงที่ซึ่งเทียบเท่ากับค่าคาดหวังของค่าเพิ่มขึ้นกำลังสองของค่าระหว่างตำแหน่งต่างๆและ(Wackernagel 2003) (ที่ไหนและ(เป็นจุดในอวกาศและอาจรวมถึงเวลาด้วย):
ในกรณีของกระบวนการสถิตวาเรียแกรมและเซมิวาเรียแกรมสามารถแสดงได้ในรูปฟังก์ชันของความแตกต่างระหว่างสถานที่ต่างๆ เท่านั้น โดยอาศัยความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้ (Cressie 1993):
นอกจากนี้ หากกระบวนการนั้นเป็นแบบไอโซโทรปิกแล้ว วาเรียแกรมและเซมิวาเรียแกรมสามารถแสดงได้ด้วยฟังก์ชันของระยะทาง เฉพาะ (เครสซี 1993):
ดัชนีหรือโดยทั่วไปจะไม่เขียนเป็นลายลักษณ์อักษร คำศัพท์เหล่านี้ใช้สำหรับฟังก์ชันทั้งสามรูปแบบ นอกจากนี้ บางครั้งคำว่า "variogram" ยังใช้เพื่อหมายถึง semivariogram และสัญลักษณ์บางครั้งใช้สำหรับวาเรียแกรม ซึ่งทำให้เกิดความสับสน[ 4 ]
คุณสมบัติ
ตามที่ (Cressie 1993, Chiles and Delfiner 1999, Wackernagel 2003) ระบุไว้ วาเรียแกรมเชิงทฤษฎีมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:
- เซมิแวริโอแกรมมีค่าไม่เป็นลบเนื่องจากเป็นค่าคาดหวังของรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัส
- เซมิแวริโอแกรมที่ระยะห่าง 0 ค่าจะเป็น 0 เสมอ เนื่องจาก.
- ฟังก์ชันจะเป็นเซมิแวริโอแกรมก็ต่อเมื่อเป็นฟังก์ชันกำหนดลบแบบมีเงื่อนไข กล่าวคือ สำหรับน้ำหนักทั้งหมดขึ้นอยู่กับและสถานที่มันประกอบด้วย:
ซึ่งสอดคล้องกับข้อเท็จจริงที่ว่าความแปรปรวนของได้มาจากค่าลบของผลรวมสองชั้นนี้ และต้องมีค่าไม่เป็นลบ
- ถ้าฟังก์ชันความแปรปรวนร่วมCของกระบวนการสถิตมีอยู่จริง ฟังก์ชันนั้นจะมีความสัมพันธ์กับวาเรียแกรมโดย
- ถ้าความแปรปรวนVและฟังก์ชันสหสัมพันธ์cของกระบวนการสถิตมีอยู่จริง ความสัมพันธ์ระหว่างค่าทั้งสองนี้จะสัมพันธ์กับเซมิแวริโอแกรมโดย
- ในทางกลับกัน ฟังก์ชันความแปรปรวนร่วมCของกระบวนการสถิตสามารถหาได้จากเซมิแวริโอแกรมและความแปรปรวนดังนี้
- หากสนามสุ่มแบบอยู่กับที่ไม่มีความขึ้นอยู่กับตำแหน่งในเชิงพื้นที่ (เช่นถ้า) เซมิแวริโอแกรมคือค่าคงที่ทุกที่ยกเว้นที่จุดกำเนิด ซึ่งมีค่าเป็นศูนย์
- เซมิแวริโอแก รมเป็นฟังก์ชันสมมาตร.
- ดังนั้น เซมิแวริโอแกรมแบบไอโซโทรปิกจึงเป็นฟังก์ชันคู่.
- ถ้าสนามสุ่มเป็นแบบสถิตและเออร์โกดิกแล้วสอดคล้องกับความแปรปรวนของสนาม ค่าลิมิตของเซมิแวริโอแกรมเมื่อระยะทางเพิ่มขึ้นเรียกว่าค่าสูงสุด (sill )
- ดังนั้น เซมิแวริโอแกรมอาจไม่ต่อเนื่องเฉพาะที่จุดกำเนิดเท่านั้น ความสูงของการกระโดดที่จุดกำเนิดบางครั้งเรียกว่านัคเก็ตหรือ ผลกระทบของนัคเก็ต
พารามิเตอร์
โดยสรุป พารามิเตอร์ต่อไปนี้มักใช้ในการอธิบายวาเรียแกรม:
- นักเก็ต: ความสูงของการกระโดดของเซมิแวริโอแกรม ณ จุดไม่ต่อเนื่องที่จุดกำเนิด
- ขอบหน้าต่าง: ขีดจำกัดของวาเรียแกรมที่เข้าใกล้ค่าอนันต์เมื่อระยะห่างของแล็กเพิ่มขึ้น
- พิสัยระยะทางที่ผลต่างระหว่างวาเรียแกรมกับค่าสูงสุด (sill) มีค่าน้อยมากจนแทบไม่มีนัยสำคัญ ในแบบจำลองที่มีค่าสูงสุดคงที่ ระยะทางนี้คือระยะทางที่ค่าสูงสุดนี้ถึงเป็นครั้งแรก สำหรับแบบจำลองที่มีค่าสูงสุดแบบไม่จำกัด (asymptotic sill) โดยทั่วไปจะถือว่าเป็นระยะทางที่ค่าความแปรปรวนครึ่งหนึ่ง (semivariance) ถึง 95% ของค่าสูงสุดเป็นครั้งแรก
วาเรียแกรมเชิงประจักษ์
โดยทั่วไปแล้ว จำเป็นต้องใช้วาเรียแกรมเชิงประจักษ์สำหรับข้อมูลที่วัดได้ เนื่องจากข้อมูลตัวอย่างข้อมูลตัวอย่างอาจไม่พร้อมใช้งานสำหรับทุกสถานที่ ตัวอย่างเช่น ข้อมูลตัวอย่างอาจเป็นความเข้มข้นของธาตุเหล็กในตัวอย่างดิน หรือความเข้มของพิกเซลบนกล้องถ่ายรูป ข้อมูลตัวอย่างแต่ละส่วนจะมีพิกัดสำหรับปริภูมิตัวอย่าง 2 มิติ ที่และเป็นพิกัดทางภูมิศาสตร์ ในกรณีของธาตุเหล็กในดิน พื้นที่ตัวอย่างอาจเป็นแบบ 3 มิติ หากมีความแปรผันตามเวลาด้วย (เช่น ปริมาณฟอสฟอรัสในทะเลสาบ) แล้วอาจเป็นเวกเตอร์ 4 มิติในกรณีที่มิติมีหน่วยต่างกัน (เช่น ระยะทางและเวลา) จะต้องใช้ตัวคูณปรับขนาดสามารถนำไปใช้กับแต่ละอันเพื่อให้ได้ระยะทางยูคลิดที่ แก้ไขแล้ว [ 5 ]
ตัวอย่างการสังเกตจะถูกระบุด้วยสามารถทำการสังเกตการณ์ได้ที่จำนวนสถานที่ทั้งหมดที่แตกต่างกัน ( ขนาดตัวอย่าง ) ซึ่งจะให้ชุดข้อมูลการสังเกตณ สถานที่ต่างๆโดยทั่วไป กราฟจะแสดงค่าเซมิแวริโอแกรมเป็นฟังก์ชันของระยะห่างสำหรับหลายขั้นตอนในกรณีของเซมิแวริโอแกรมเชิงประจักษ์ ระยะห่างระหว่างกันจะใช้ค่าประมาณแทนระยะทางที่แน่นอน และโดยปกติจะถือว่าอยู่ในสภาวะไอโซโทรปิก (เช่น ว่าเป็นเพียงฟังก์ชันของและไม่ขึ้นอยู่กับตัวแปรอื่น ๆ เช่น ตำแหน่งศูนย์กลาง) จากนั้น เซมิแวริโอแกรมเชิงประจักษ์สามารถคำนวณได้สำหรับแต่ละถัง :
หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ จุดแต่ละคู่ที่แยกจากกันด้วย(บวกหรือลบช่วงความคลาดเคลื่อนของความกว้างของถัง)พบจุดเหล่านี้ ซึ่งก่อให้เกิดเซตของจุด
จำนวนจุดเหล่านี้ในถังนี้คือ( ขนาดของเซต ) จากนั้นสำหรับจุดแต่ละคู่โดยจะหาค่ากำลังสองของความแตกต่างในการสังเกต (เช่น ปริมาณตัวอย่างดินหรือความเข้มของพิกเซล)ผลต่างกำลังสองเหล่านี้จะถูกนำมาบวกกันและปรับให้เป็นค่าปกติโดยใช้จำนวนธรรมชาติตามนิยามแล้ว ผลลัพธ์จะถูกหารด้วย 2 สำหรับเซมิแวริโอแกรมที่ระยะห่างนี้
เพื่อความเร็วในการคำนวณ จำเป็นต้องใช้เฉพาะคู่จุดที่ไม่ซ้ำกันเท่านั้น ตัวอย่างเช่น สำหรับคู่การสังเกต 2 คู่ [] นำมาจากสถานที่ที่มีการแยกจากกันเท่านั้น [] จำเป็นต้องได้รับการพิจารณา เนื่องจากคู่ [ไม่ต้องให้ข้อมูลเพิ่มเติมใดๆ
แบบจำลองวาเรียแกรม

ไม่สามารถคำนวณวาเรียแกรมเชิงประจักษ์ได้ที่ระยะห่างทุกช่วงและเนื่องจากความแปรปรวนในการประมาณค่า จึงไม่รับประกันว่าจะเป็นวาเรียแกรมที่ถูกต้องตามที่กำหนดไว้ข้างต้น อย่างไรก็ตาม วิธี การทางภูมิสถิติ บางอย่าง เช่นคริกิงต้องการเซมิวาเรียแกรมที่ถูกต้อง ในภูมิสถิติประยุกต์ วาเรียแกรมเชิงประจักษ์จึงมักถูกประมาณค่าด้วยฟังก์ชันแบบจำลองเพื่อให้มั่นใจถึงความถูกต้อง แบบจำลองที่สำคัญบางแบบ ได้แก่[ 7 ] [ 8 ]
- แบบจำลองวาเรียแกรมแบบเอกซ์โปเนนเชียล
- แบบจำลองวาเรียแกรมทรงกลม
- แบบจำลองวาเรียแกรมแบบเกาส์เซียน
พารามิเตอร์มีค่าแตกต่างกันในเอกสารอ้างอิงต่างๆ เนื่องจากความกำกวมในการกำหนดช่วง (เช่น). [ 8 ]ฟังก์ชันตัวบ่งชี้มีค่าเป็น 1 ถ้าและ 0 ในกรณีอื่นๆ
แอปพลิเคชัน
วาเรียแกรมเชิงประจักษ์ใช้ในภูมิสถิติเป็นค่าประมาณเบื้องต้นของแบบจำลองวาเรียแกรมที่จำเป็นสำหรับการประมาณค่าในช่วงเชิงพื้นที่โดยวิธีครีกิง
- วาเรียแกรมเชิงประจักษ์สำหรับความแปรปรวนเชิงพื้นที่และเวลาของ คาร์บอนไดออกไซด์เฉลี่ยในคอลัมน์ถูกนำมาใช้เพื่อกำหนดเกณฑ์ความสอดคล้องสำหรับการวัดจากดาวเทียมและภาคพื้นดิน[ 5 ]
- มีการคำนวณวาเรียแกรมเชิงประจักษ์สำหรับความหนาแน่นของวัสดุที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน (Gilsocarbon) [ 9 ]
- วาเรี ยแกรมเชิงประจักษ์คำนวณจากข้อมูลการสังเกตการเคลื่อนไหวของพื้นดินอย่างรุนแรงจากแผ่นดินไหว[ 10 ]แบบจำลองเหล่านี้ใช้สำหรับ การประเมิน ความเสี่ยงแผ่นดินไหวและความเสียหายของโครงสร้างพื้นฐานที่กระจายตัวตามพื้นที่[ 11 ]
แนวคิดที่เกี่ยวข้อง
ตัวอย่างเช่น พจน์กำลังสองในวาเรียแกรมสามารถแทนที่ด้วยกำลังที่แตกต่างกันได้: มาโดแกรมถูกกำหนดด้วย ผล ต่างสัมบูรณ์และโรโดแกรมถูกกำหนดด้วยรากที่สองของผลต่างสัมบูรณ์กล่าวกันว่าตัวประมาณค่าที่ อิงตามกำลังที่ต่ำกว่าเหล่านี้มี ความทนทานต่อค่าผิดปกติ ได้ดีกว่า และสามารถสรุปได้ว่าเป็น "วาเรียแกรมลำดับα "
- ,
โดยที่วาเรียแกรมมีลำดับที่ 2 มาโดแกรมเป็นวาเรียแกรมลำดับที่ 1 และโรโดแกรมเป็นวาเรียแกรมลำดับที่ 0.5 [ 12 ]
เมื่อใช้วาเรียแกรมเพื่ออธิบายความสัมพันธ์ของตัวแปรต่างๆ จะเรียกว่าครอสวาเรียแกรมครอสวาเรียแกรมใช้ในโคครีกิงหากตัวแปรเป็นแบบไบนารีหรือแสดงถึงกลุ่มของค่าต่างๆ เราจะเรียกว่าดี ดิเคเตอร์ วาเรี ยแกรม ดีดิเค เตอร์วาเรียแกรมใช้ในดีดิเคเตอร์ครีกิง
อ่านเพิ่มเติม
- Cressie, N., 1993, สถิติสำหรับข้อมูลเชิงพื้นที่, Wiley Interscience.
- Chiles, JP, P. Delfiner, 1999, Geostatistics, Modelling Spatial Uncertainty, Wiley-Interscience.
- Wackernagel, H., 2003, ธรณีสถิติหลายตัวแปร, สปริงเกอร์
- Burrough, PA และ McDonnell, RA, 1998, หลักการของระบบสารสนเทศทางภูมิศาสตร์
- Isobel Clark, 1979, สถิติภูมิศาสตร์เชิงปฏิบัติ, สำนักพิมพ์ Applied Science Publishers
- Clark, I., 1979, สถิติทางภูมิศาสตร์เชิงปฏิบัติ , สำนักพิมพ์ Applied Science Publishers.
- เดวิด, เอ็ม., 1978, การประเมินปริมาณสำรองแร่ด้วยวิธีทางธรณีสถิติ , สำนักพิมพ์เอลเซเวียร์
- Hald, A., 1952, ทฤษฎีสถิติกับการประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรม , John Wiley & Sons, นิวยอร์ก
- Journel, AG และ Huijbregts, Ch. J., 1978 สถิติธรณีวิทยาเหมืองแร่ , สำนักพิมพ์ Academic Press.
- Glass, HJ, 2003, วิธีการประเมินคุณภาพของวาเรียแกรม, วารสารของสถาบันการทำเหมืองและโลหะ วิทยาแห่งแอฟริกาใต้
ลิงก์ภายนอก
- AI-GEOSTATS: แหล่งข้อมูลทางการศึกษาเกี่ยวกับสถิติภูมิศาสตร์และสถิติเชิงพื้นที่
- ภูมิสถิติ: การบรรยายโดย รูดอล์ฟ ดัตเตอร์ ที่มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งเวียนนาเก็บถาวรเมื่อวันที่ 15 ธันวาคม 2007 ที่Wayback Machine