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问题:对于点位置,在 Python 中计算逆距离加权 (IDW) 插值的最佳方法是什么?
一些背景:目前我正在使用 RPy2 与 R 及其 gstat 模块进行交互。不幸的是,gstat 模块与我通过在单独的进程中运行基于 RPy2 的分析来解决的 arcgisscripting 冲突。即使这个问题在最近/ future 的版本中得到解决,并且效率可以提高,我仍然想消除对安装 R 的依赖。
gstat 网站确实提供了一个独立的可执行文件,它更容易与我的 python 脚本打包,但我仍然希望有一个不需要多次写入磁盘和启动外部进程的 Python 解决方案。在我正在执行的处理中,对不同点和值集的插值函数的调用次数可能接近 20,000。
我特别需要对点进行插值,因此在性能方面,使用 ArcGIS 中的 IDW 函数生成栅格听起来比使用 R 还要糟糕.....除非有一种方法可以有效地仅屏蔽我的点需要。即使进行了这种修改,我也不认为性能会那么好。我将把这个选项作为另一种选择。更新:这里的问题是您与您使用的单元格大小有关。如果您减小像元大小以获得更好的精度,则处理需要很长时间。您还需要通过点提取来跟进......如果您想要特定点的值,那么这一切都是一种丑陋的方法。
我看过 scipy documentation ,但似乎没有直接的方法来计算 IDW。
我正在考虑推出自己的实现,可能会使用一些 scipy 功能来定位最近的点并计算距离。
我是否遗漏了一些明显的东西?是否有一个我没见过的 python 模块完全符合我的要求?借助 scipy 创建自己的实现是明智的选择吗?
最佳答案
10 月 20 日更改:此类 Invdisttree 结合了反距离加权和 scipy.spatial.KDTree .
忘记原始的蛮力答案;这是离散数据插值的首选方法。
""" invdisttree.py: inverse-distance-weighted interpolation using KDTree
fast, solid, local
"""
from __future__ import division
import numpy as np
from scipy.spatial import cKDTree as KDTree
# http://docs.scipy.org/doc/scipy/reference/spatial.html
__date__ = "2010-11-09 Nov" # weights, doc
#...............................................................................
class Invdisttree:
""" inverse-distance-weighted interpolation using KDTree:
invdisttree = Invdisttree( X, z ) -- data points, values
interpol = invdisttree( q, nnear=3, eps=0, p=1, weights=None, stat=0 )
interpolates z from the 3 points nearest each query point q;
For example, interpol[ a query point q ]
finds the 3 data points nearest q, at distances d1 d2 d3
and returns the IDW average of the values z1 z2 z3
(z1/d1 + z2/d2 + z3/d3)
/ (1/d1 + 1/d2 + 1/d3)
= .55 z1 + .27 z2 + .18 z3 for distances 1 2 3
q may be one point, or a batch of points.
eps: approximate nearest, dist <= (1 + eps) * true nearest
p: use 1 / distance**p
weights: optional multipliers for 1 / distance**p, of the same shape as q
stat: accumulate wsum, wn for average weights
How many nearest neighbors should one take ?
a) start with 8 11 14 .. 28 in 2d 3d 4d .. 10d; see Wendel's formula
b) make 3 runs with nnear= e.g. 6 8 10, and look at the results --
|interpol 6 - interpol 8| etc., or |f - interpol*| if you have f(q).
I find that runtimes don't increase much at all with nnear -- ymmv.
p=1, p=2 ?
p=2 weights nearer points more, farther points less.
In 2d, the circles around query points have areas ~ distance**2,
so p=2 is inverse-area weighting. For example,
(z1/area1 + z2/area2 + z3/area3)
/ (1/area1 + 1/area2 + 1/area3)
= .74 z1 + .18 z2 + .08 z3 for distances 1 2 3
Similarly, in 3d, p=3 is inverse-volume weighting.
Scaling:
if different X coordinates measure different things, Euclidean distance
can be way off. For example, if X0 is in the range 0 to 1
but X1 0 to 1000, the X1 distances will swamp X0;
rescale the data, i.e. make X0.std() ~= X1.std() .
A nice property of IDW is that it's scale-free around query points:
if I have values z1 z2 z3 from 3 points at distances d1 d2 d3,
the IDW average
(z1/d1 + z2/d2 + z3/d3)
/ (1/d1 + 1/d2 + 1/d3)
is the same for distances 1 2 3, or 10 20 30 -- only the ratios matter.
In contrast, the commonly-used Gaussian kernel exp( - (distance/h)**2 )
is exceedingly sensitive to distance and to h.
"""
# anykernel( dj / av dj ) is also scale-free
# error analysis, |f(x) - idw(x)| ? todo: regular grid, nnear ndim+1, 2*ndim
def __init__( self, X, z, leafsize=10, stat=0 ):
assert len(X) == len(z), "len(X) %d != len(z) %d" % (len(X), len(z))
self.tree = KDTree( X, leafsize=leafsize ) # build the tree
self.z = z
self.stat = stat
self.wn = 0
self.wsum = None;
def __call__( self, q, nnear=6, eps=0, p=1, weights=None ):
# nnear nearest neighbours of each query point --
q = np.asarray(q)
qdim = q.ndim
if qdim == 1:
q = np.array([q])
if self.wsum is None:
self.wsum = np.zeros(nnear)
self.distances, self.ix = self.tree.query( q, k=nnear, eps=eps )
interpol = np.zeros( (len(self.distances),) + np.shape(self.z[0]) )
jinterpol = 0
for dist, ix in zip( self.distances, self.ix ):
if nnear == 1:
wz = self.z[ix]
elif dist[0] < 1e-10:
wz = self.z[ix[0]]
else: # weight z s by 1/dist --
w = 1 / dist**p
if weights is not None:
w *= weights[ix] # >= 0
w /= np.sum(w)
wz = np.dot( w, self.z[ix] )
if self.stat:
self.wn += 1
self.wsum += w
interpol[jinterpol] = wz
jinterpol += 1
return interpol if qdim > 1 else interpol[0]
#...............................................................................
if __name__ == "__main__":
import sys
N = 10000
Ndim = 2
Nask = N # N Nask 1e5: 24 sec 2d, 27 sec 3d on mac g4 ppc
Nnear = 8 # 8 2d, 11 3d => 5 % chance one-sided -- Wendel, mathoverflow.com
leafsize = 10
eps = .1 # approximate nearest, dist <= (1 + eps) * true nearest
p = 1 # weights ~ 1 / distance**p
cycle = .25
seed = 1
exec "\n".join( sys.argv[1:] ) # python this.py N= ...
np.random.seed(seed )
np.set_printoptions( 3, threshold=100, suppress=True ) # .3f
print "\nInvdisttree: N %d Ndim %d Nask %d Nnear %d leafsize %d eps %.2g p %.2g" % (
N, Ndim, Nask, Nnear, leafsize, eps, p)
def terrain(x):
""" ~ rolling hills """
return np.sin( (2*np.pi / cycle) * np.mean( x, axis=-1 ))
known = np.random.uniform( size=(N,Ndim) ) ** .5 # 1/(p+1): density x^p
z = terrain( known )
ask = np.random.uniform( size=(Nask,Ndim) )
#...............................................................................
invdisttree = Invdisttree( known, z, leafsize=leafsize, stat=1 )
interpol = invdisttree( ask, nnear=Nnear, eps=eps, p=p )
print "average distances to nearest points: %s" % \
np.mean( invdisttree.distances, axis=0 )
print "average weights: %s" % (invdisttree.wsum / invdisttree.wn)
# see Wikipedia Zipf's law
err = np.abs( terrain(ask) - interpol )
print "average |terrain() - interpolated|: %.2g" % np.mean(err)
# print "interpolate a single point: %.2g" % \
# invdisttree( known[0], nnear=Nnear, eps=eps )
关于python - 使用 Python 进行反距离加权 (IDW) 插值,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/3104781/
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