Metody losowania prób przestrzennych w badaniach … · Adaptacyjne losowanie grupowe Omówiony zostanie najstarszy schemat losowania adaptacyjnego - adaptacyjne losowanie grupowe

Metody losowania prób przestrzennych wbadaniach ekonomicznych

Tomasz Bąk

Uniwersytet Ekonomiczny w Katowicach, Katedra Statystyki, Ekonometrii iMatematyki

30 marca 2017

Tomasz Bąk Metody losowania prób przestrzennych w badaniach ekonomicznych

Plan prezentacji

Wprowadzenie

Losowanie z populacji ustalonej i skończonej

Dobór próby na podstawie modelu nadpopulacji

Adaptacyjne oraz pokrewne metody losowania

Ocena wpływu lasu na redukcję emisji dwutlenku węgla


Wprowadzenie


Cele pracy

Cel teoriopoznawczy - przekrojowe przedstawienie metoddoboru próby przestrzennej wykorzystywanych w naukachekonomicznych, ze szczególnym uwzględnieniem wynikówwłasnych.

Cel praktyczny (utylitarny) - dotyczy wskazania zastosowańomówionych metod w badanach ekonomicznych zuwzględnieniem wyników własnych, szczególnie skupiając sięna zastosowaniu w badaniach zdolności lasu do pochłanianiadwutlenku węgla.


Powstanie teorii losowania przestrzennego

Potrzeba nadania metodzie reprezentacyjnej wymiaruprzestrzennego pojawiła się w latach 50-tych XX wieku i wiąże sięz pracami D. G. Krige’a ([13]) oraz S. Zubrzyckiego ([23, 24]). Wliteraturze polskiej pierwsze zwarte opracowanie, które ujęłometody statystyki przestrzennej w zakresie umożliwiającymaplikację przedstawił Przybycin [15].Na przecięciu statystyki przestrzennej i ekonometrii powstałaekonometria przestrzenna. Prekursorską pracą dla tej dziedzinynauki była książka Spatial Econometrics napisana przez Paelincka iKlaassena [14]. Stworzyła ona teoretyczne podwaliny do dalszegorozwoju ekonometrii przestrzennej. W literaturze polskiej na uwagęza zasługuje Ekonometria przestrzenna. Metody i modele analizydanych przestrzennych Sucheckiego [17]. Było to pierwsze wPolsce opracowanie, które w szerokim zakresie omawia nowoczesnemetody i modele ekonometrii przestrzennej.


Definicja

Zmienna zregionalizowana to pole losowe (proces stochastyczny)

{Y (d), d ∈ D} ,

gdzie D jest ustalonym podzbiorem przestrzeni Rk (por. np. [2]).

Zmienna zregionalizowana

Zmienną zregionalizowaną wyróżnia od innych zmiennych rozważanych wstatystyce to, że posiada lokalizację. Często też jej wartości układają sięw struktury, co objawia się autokorelacją przestrzenną oraz przestrzennąheterogenicznością.Zmiennej zregionalizowanej można nadać jeszcze dodatkowy wymiar,poprzez jej obserwacje w kilku różnych momentach czasu. Badania takiejzmiennej nazywa się badaniami wielookresowymi. Analizą danympochodzących z takich badań zajmował się m.in Żądło [25].Przykładami zmiennych zregionalizowanych są średnie dochody namieszkańca gospodarstwa domowego, intensywność opadów deszczu, czyteż ceny gruntów.


Losowanie z populacji ustalonej i skończonej


Podstawowe metody doboru próby, znane ze statystyki‘nieprzestrzennej‘

Próba prosta

Losowanie systematyczne

Losowanie warstwowe

Losowanie dwustopniowe

Losowanie grupowe

Uwzględnienie przestrzennej autokorelacji i heterogeniczności

Wymienione powyżej metody statystyki ’nieprzestrzennej’ możnastosować w statystyce przestrzennej. Jednak autokorelacja iheterogeniczność zmiennych zregionalizowanych istotnie zmieniaocenę efektywności tych metod. W pracy omówiony zostaniewpływ charakterystyk zmiennej zregionalizowanej na efektywnośćwymienonych metod losowania.


Losowania przestrzenne - dobór próby z siatki

W statystyce przestrzennej często na badaną populację nakłada się siatkęwielokątów, a następnie losuje się elementy siatki (wielokąty). Dodatkowozwiększa się odległości pomiędzy elementami w próbie, aby zwiększyćefektywność losowania. W pracy omówione zostaną w szczególnościnastępujące metody losowania:

Losowanie z wykorzystaniem macierzy sąsiedztwa (Wywiał [20])

Metoda kostki (Cube method) (Deville, Tille [4])

Metoda GRTS (Stevens, Olsen, [16])

Metoda lokalnych kluczy (Local pivotal method) (Grafstrom,Lundstrom, Schelin [8])

Metoda podwójnie zrównoważonego losowania przestrzennego(Doubly balanced spatial sampling)(Grafstrom,Tille [9])

Efektywność metod losowania z siatki zostanie omówiona na przykładziebadania sieci sklepów detalicznych prowincji Trentino, przeprowadzonegoprzez Dickson z zespołem w 2009 roku [5].


Losowanie próby uporządkowanej w oparciu o macierz sąsiedztwa

Wprowadzone przez Wywiała metody losowania wykorzystującemacierz sąsiedztwa były przeznaczone dla próbnieuporządkowanych. Pierwsza z metod preferowała elementysąsiadujące, druga elementy nie będące sąsiadami. W pracy obiemetody zostaną przeniesione na próby uporządkowane.Dla obu metod losowania wyprowadzony zostanie plan losowania,jak również schematy losowania. Wreszcie obie metody zostanązilustrowane przykładem.


Korygowanie podziału populacji na warstwy

Zagadnieniem warstwowania populacji na podstawie optymalnegopodziału obszaru zmienności zajmowali się m.in. Dalenius [3] iWywiał [21]. Kozak w 2004 roku wykazał, że jeżeli korelacjapomiędzy zmienną badaną a zmienną dodatkową jest wysoka(szczególnie jeżeli wartość współczynnika korelacji jest bliska 1), towarstwowanie oparte na zmiennej dodatkowej jest wystarczającoefektywne [11].W pracy zaprezentowany zostanie algorytm optymalizacji liczbywarstw w sytuacji, gdy badacz dysponuje gotowym podziałem nawarstwy i planuje dobór próby w oparciu o optymalną alokacjęNeymana. Przedstawiony zostanie opis teoretyczny tej metodywraz z przykładem ilustrującym.


Dobór próby na podstawie modelu nadpopulacji


Optymalizacja doboru próby w oparciu o kriging

Jest to jeden z dwóch podstawowych sposobów doboru próby wpodejściu modelowym. Optymalizacja doboru próby w oparciu okriging polega na minimalizacji błędu średniokwadratowegopredyktora.Omówionym przykładem metody optymalizacji poprzez krigingbędzie symulowane wyżarzanie przestrzenne(spatially simulatedannealing). Jest ono przestrzennym wariantem metodysymulowanego wyżarzania (simulated annealing). Nazwa algorytmuwywodzi się z metalurgii, gdzie wyżarzanie stopionego metaluprowadzi do osiągnięcia przez niego stanu krystalicznego, który tostan jest jego globalnym minimum, jeśli chodzi o energiętermodynamiczną [12].Groenigen i Stein [10] rozwinęli metodę symulowanego wyżarzaniana populacje przestrzenne, przyjmując jako kryteriumminimalizację wariancji krigingu i definiując w ten sposóbsymulowane wyżarzanie przestrzenne.


Optymalizacja doboru próby w oparciu o wariogram

Zasadnicze jest pytanie: jak należy dobrać próbę, aby uzyskaćprecyzyjny wariogram? Intuicyjnie wydaje się oczywiste, że próbapowinna pozwalać na porównania dużych, średnich i małych(relatywnie do skali zróżnicowania przestrzennego) odległościpomiędzy elementami próby. Generalnie w metodachoptymalizujących dobór próby względem wariogramu, naciskpołożony jest na różnego rodzaju regularność w rozlokowaniupróby.Funkcję celu w symulowanym wyżarzaniu przestrzennym możnaokreślić tak, aby zwiększała ona precyzję wariogramu. Zawadzki[22] rozważał użycie dwóch kryteriów zwiększających precyzjęwariogramu w symulowanym wyżarzaniu przestrzennym:minimalizację średniej odległości do najbliższego sąsiada orazkryterium Warricka-Myers’a, jako funkcji celu w symulowanymwyżarzaniu przestrzennym [22]. Obie te metody zostaną omówionew pracy.


Przykład zastosowania

Losowanie z wykorzystaniem podejścia modelowego uzupełnionezostanie przykładem badania lasów łęgowych prowadzonego przezB.N.I. Eskelson z zespołem [6]. Badanie dotyczyło mikroklimatunadbrzeżnych lasów łęgowych w stanie Oregon (StanyZjednoczone).


Adaptacyjne oraz pokrewne metody losowania


Adaptacyjne losowanie grupowe

Omówiony zostanie najstarszy schemat losowania adaptacyjnego -adaptacyjne losowanie grupowe. Schemat adaptacyjnego losowaniagrupowego został zaproponowany przez Thompsona w 1990 roku[18]. W pracy omówione na przykładach zostaną dwa kluczowe dlatej metody losowania pojęcia: sąsiedztwo oraz klaster (grupa). Dlaprzykładowej populacji wyznaczone zostaną równieżprawdopodobieństwa inkluzji pierwszego rzędu.Ponadto przedstawiona zostanie teoria dwóch najczęściejstosowanych odmian tej metody losowania: z próbą początkowąwybieraną jako próba prosta bez zwracania oraz adaptacyjnewarstwowe losowanie grupowe.


Adaptacyjne losowanie sieciowe

W pracy przedstawiona zostanie również zaproponowane przezThompsona adaptacyjne losowanie sieciowe [19]. Pod pojęciemadaptacyjnego losowania sieciowego kryje się cała klasaelastycznych planów losowania, wykorzystywanych w losowaniu zpopulacji przestrzennych i populacji zebranych w sieci. Dlapopulacji zebranych w sieci adaptacyjne losowanie sieciowe zpowodzeniem stosuje się badaniach internetowych siecispołeczniościowych takich jak np. Facebook.Przedstawienie w pracy tej metody jest istotne również z innegopowodu. Dwie autorskie metody: trójkątna metoda losowaniaprzestrzennego oraz losowanie przestrzenne wspierane krigingiemwykorzystują niektóre rozwiązania zaproponowane przezThompsona w adaptacyjnym losowaniu sieciowym.


Trójkątna metoda losowania przestrzennego

Przedstawiona zostanie autorska metoda losowania przestrzennego- trójkątna metoda losowania przestrzennego.Ta metoda daje możliwość modyfikowania prawdopodobieństwwyboru poszczególnych elementów populacji w kolejnych etapachlosowania. Tworzenie ’na bieżąco’ tych prawdopodobieństw nie jestlosowe, a wynika z wiedzy o populacji zawartej w elementach jużwylosowanych. Jest to więc pewnego rodzaju algorytm uczący się,który pozwala na ocenę wartości niewylosowanych elementówpopulacji na podstawie elementów wylosowanych. Opisywanąmetodę charakteryzuje również inna cecha znana z wcześniejopisywanych metod losowania - preferuje elementy położone bliżejsiebie (por. [20]).Metoda ta została już przedstawiona w publikacji w Statistics inTransition [1], w pracy doktorskiej zostanie jednak uzupełniona oprzykład ilustrujący tę metodę.


Metoda losowania przestrzennego oparta na krigingu

Przedstawiona zostanie autorska metoda losowania przestrzennego- metoda losowania przestrzennego oparta na krigingu. Jest ona wpewnym stopniu rozwinięciem trójkątnej metody losowaniaprzestrzennego. W przeciwieństwie jednak do poprzedniegoopisanej metody znajduje ona swoje zastosowania na populacjachskończonych, a nie na populacjach ciągłych.W podrozdziale metoda opisana zostanie od strony teoretycznejjak i praktycznej. Metoda zostanie zilustrowana przykładembadania stopy bezrobocia z wykorzystaniem wykształcenia.


Przykład


Walka z globalnym ociepleniem a potencjał lasów

Walka z globalnym ociepleniem stała się w ostatnich latachtematem dotykającym różnych sfer ludzkiego życia. Także sferyekonomicznej. Widoczne jest to w dążeniu do ograniczenia zużyciaemisjogennych paliw kopalnych (przy zachowaniu zasadzrównoważonego rozwoju) oraz w intensyfikacji zalesień. Na świeciedominują jednak wylesienia, nie zalesienia. Roczna powierzchniawylesień na świecie wyniosła 13 mln ha w latach 2001-2010 [7].Obowiązujący od 2005 Protokół z Kioto uwzględnił wpływ, jakimają drzewa na pochłanianie dwutlenku węgla z atmosfery.Państwa uzyskały dzięki niemu prawo do wykorzystania wrozliczeniu swoich emisji gazów cieplarnianych pochłoniętych przezlasy, ale do pewnego limitu. Jednym ograniczeniem jest więc limitmożliwego odliczenia pozytywnego wpływu lasów. Drugim jest to,że do rozliczeń można wykorzystać tylko gazy cieplarnianepochłonięte przez drzewa zasadzone po wejściu w życie Protokołuz Kioto.


Korygowanie podziału populacji na warstwy w badaniu obszaruleśnego Katowice-Panewniki

Rozważmy badanie, którego celem jest ocena zdolności obszaruleśnego do pochłaniania dwutlenku węgla. W takim badaniu obszarleśny może zostać podzielony na warstwy z wykorzystaniem mapygospodarczo-przeglądowej lasu. Mapy te dostarczają dostarczająpodziału obszaru leśnego opartego na dominujących gatunkachdrzew, ich udziałom w całkowitym zalesieniu i średniego wiekugatunku dominującego. Oprócz tego mapy zawierają równieżinformację o powierzchni każdego z podobszarów.Do przeprowadzenia optymalizacji liczby warstw wykorzystanomapę gospodarczo-przeglądową Leśnictwa Katowice-Panewniki.Obszar leśny Katowice-Panewniki ma całkowitą powierzchnięrówną 1071.96 ha. Mapa gospodarczo-przeglądowa dzieli go na 243pododdziały zebrane w 47 działów. Jako gotowy do użycia podziałpopulacji na warstwy wykorzystane zostaną 243 pododdziałyLeśnictwa Katowice-Panewniki.


Rysunek: Gospodarczo-przeglądowa mapa Leśnictwa Katowice-Panewniki.


Wykorzystanie trójkątnej metody losowania przestrzennego w badaniulasu

W poprzednim podrozdziale na przykładzie danych pochodzących z mapygospodarczo-przeglądowej omówiono metodę optymalizującą liczbęwarstw dla losowania warstwowego. W tym rozdziale przedstawionazostanie metoda losowania, którą można wykorzystać do losowania próbywewnątrz warstwy w losowaniu warstwowym. Za przykład posłużyrównież badanie lasu w celu oszacowania jego zdolności do pochłanianiadwutlenku węglaJako zmienna pomocnicza wykorzystanie zostana pierśnica. Pierśnica jestjedną z podstawowych miar używanych do opisu drzew. W Europie,Australii i Kanadzie jest ona zdefiniowana jako średnica pnia nawysokości 130 cm nad ziemią.Trójkątna metoda losowania przestrzennego została już opublikowana.Jednak w porównaniu do wyników z publikacji, w pracy doktorskiejzaprezentowany zostanie inny przykład, ze znacznie większą ilościąpowtórzeń użytą do estymacji metodą Monte Carlo.


Fragment przykładu trójkątnej metody losowaniaprzestrzennego


Wprowadzenie do przykładu

Rozważmy badanie mające na celu określenie zdolności lasu dopochłaniania dwutlenku węgla. Do oszacowania tej zdolności potrzebnajest znajomość masy drzew oraz składu gatunkowego lasu. Zmiennąpomocniczą w badaniu jest pierśnica drzewa.W przykładzie przestrzeń [0, 1]× [0, 1] utożsamiono z powierzchniąporośniętą przez las. Przestrzeń podzielono na 900 fragmentów.Symulacyjnie utworzono macierz 30× 30 średnich wartości pierśnic, którąutożsamiono z przestrzenią [0, 1]× [0, 1]. Wartości macierzywygenerowano w oparciu o prosty przestrzenny model autoregresyjny:

[i , j ] =

(0, 4 ([i − 1, j ] + [i , j − 1]) + 0, 2[i − 1, j − 1]) (1 + 0, 025εi,j) ,

gdy i , j ∈ {2, . . . , 30} ,[i − 1, j ] (1 + 0, 025εi,j) , gdy i ∈ {2, . . . , 30} , j = 1,

[i , j − 1] (1 + 0, 025εi,j) , gdy i = 1, j ∈ {2, . . . , 30} ,40 cm, gdy i = j = 1,

(1)

gdzie εi,j i , j ∈ {1, . . . , 30} , ma rozkład jednostajny na odcinku[−0, 5; 1, 5]. Wartość średnia wyniosła 57, 049 cm


Rysunek: Wartości pierśnic uzyskane symulacyjnie


Wyniki symulacji

próba składała się z 20 elementów

losowanie tej próby powtórzono 150.000 razy, a następniemetodą Monte Carlo wyznaczono prawdopodobieństwainkluzji pierwszego rzędu.

Aby ocenić efektywność tego schematu losowania, losowanie20 elementowej próby powtórzono 10.000 razy. Dla każdego zlosowań obliczono wartość modyfikacji estymatoraHorvitza-Thompsona w postaci zaproponowanej przezFattoriniego. Dla uzyskanych w ten sposób 10.000 wartościestymatorów wartość średnia wyniosła 57, 049 cm, zaśodchylenie standardowe z próby 1, 254 cm

Również 10.000 razy przeprowadzono dobór próbą prostą bezzwracania 20 do estymacji. Dla każdej z prób wyznaczonowartość estymatora (średniej z próby). Średnia wartość dlaestymatora z próby prostej wyniosła 57, 095, przy odchyleniustandardowym z próby równym 1, 637 cm.


Rysunek: Funkcja gęstości prawdopodobieństwa uzyskana metodą Monte Carlo


Bąk, T.: Triangular method of spatial sampling,

Statistics in Transition, Vol. 15, No. 1, 2014, pp.9-22.

Cressie, N. A. C.: Statistics for Spatial Data, New York:

John Wiley & Sons, Inc, 1993.

Dalenius, T.: Sampling in Sweden. Contributions to

methods and theories of sample survey practice, Almvist& Wiksells, Sztokholm, 1957.

Deville, J.-C. and Tille, Y.: Efficient Balanced Sampling:

The Cube Method, Biometrika, 91(4), 2004,pp.893-912.

Dickson, M. M. and Benedetti, R. and Guliani, D. and

Espa, G.: The Use of Spatial Sampling Designs inBusiness Surveys, Open Journal of Statistics, 4,2014,pp.345-354.

Eskelson, B.N.I. and Anderson, P.D. and Hagar, J.C. and

Temesgen, H.: Geostatistical modeling of riparian forestmicroclimate and its implications for sampling, CanadianJournal of Forest Research, Vol. 41(5), 2011, pp.974-985.

Gaj, K.: Pochłanianie CO2 przez polskie ekosystemy

leśne, Leśne Prace Badawcze, Vol.73(1), 2012, pp. 17-21.

Grafstrom, A. and Lundstrom, N. L. P. and Schelin, L.:

Spatially Balanced Sampling through the PivotalMethod, Biometrics, 68, 2012, pp. 514-520.

Grafstrom, A. and Tille, Y.: Doubly Spatial Sampling

with Spreading and Restitution of Auxiliary Totals,Environmetrics, 24, 2013, pp. 120-131.

van Groenigen, J. W. and Stein, A.: Constrained

optimization of spatial sampling using continuoussimulated annealing, J. Environ. Qual., 27, 1998, pp.1078-1086.

Kozak, M.: Optimal Stratification Using Random Search

Method in Agricultural Surveys,Statistics in Transition,Vol. 6, No. 5, 2004, pp.797-806.

Kirkpatrick, S. and Gelatt, C. D. and Vecchi, M. P.:

Optimization by Simulated Annealing, Science, NewSeries, Vol. 220, No. 4598, 1983, pp. 671-680.

Krige, D. G.: A statistical approach to some basic mine

valuation problems on the Witwatersrand, J. of theChem., Metal. and Mining Soc. of South Africa 52 (6),1951,pp.119-139.

Paelinck, J.H.P. and Klaassen, L.H.: Spatial

Econometrics, Saxon House Farnborough, 1979.

Przybycin, Z.: Metody i modele statystyki przestrzennej,

Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej im KarolaAdamieckiego w Katowicach, 2004.

Stevens Jr, D. L. and Olsen, A. R.: Spatially Balanced

Sampling of Natural Resources, Journal of the AmericanStatistical Association, 99, 2004, pp. 262-278.

Suchecki, B. (red.): Ekonometria przestrzenna. Metody i

modele analizy danych przestrzennych, Wydawnictwo C.H. Beck, 2010.

Thompson, S.K.: Sampling, Wiley. New York, USA, 1992.

Thompson, S.K.: Adaptive Web Sampling, Biometrics,

62, 2006, pp. 1224-1234.

Wywiał, J. L.:On space sampling, Statistics in

Transition, Vol.2, Nr 7, 1996, pp. 1185-1191.

Wywiał, J. L.: Some contributions to multivariate

methods in survey sampling, Wydawnictwo AkademiiEkonomicznej im Karola Adamieckiego w Katowicach,2003.

Zawadzki, J.:Symulowane wyżarzanie przestrzenne

efektywnym narzędziem planowania sieci pomiarowych,Studies & Proceedings of Polish Association forKnowledge Management, Nr 40, 2011, pp. 356-365.

Zubrzycki, S.: O szacowaniu parametrów złóż

geologicznych,Zastosowania Matematyki, 3(2), 1957, pp.105-153.

Zubrzycki, S.:Remarks on random stratified and

systematic sampling in a plane, ColloquiumMathematicae 6, 1958, pp. 251-264.

Żądło, T.:On the Prediction of the Subpopulation Total

Based on Spatially Correlated Longitudinal Data,Mathematical Population Studies, 21, 1, 2013, pp. 30-44.


1 Wprowadzenie1 Powstanie teorii losowania

przestrzennego2 Specyfika zmiennej

zregionalizowanej3 Charakterystyka próby losowej w

statystyce przestrzennej4 Cele pracy

2 Losowanie z populacji ustalonej i

skończonej1 Podstawowe metody doboru

próby, znane ze statystyki‘nieprzestrzennej‘

2 Losowanie uwzględniająceautokorelację przestrzenną

3 Losowanie uwzględniająceprzestrzenną heterogeniczność

4 Ujęcie populacji ciągłej jakopopulacji skończonej w podejściurandomizacyjnym

5 Przykład zastosowania6 Losowanie próby uporządkowanej

w oparciu o macierz sąsiedztwa7 Korygowanie podziału populacji

na warstwy

3 Dobór próby na podstawie modelu

nadpopulacji1 Próby dobierane w oparciu o

kriging2 Próby dobierane oparciu o

wariogram

4 Adaptacyjne metody losowania oraz

metody pokrewne1 Adaptacyjne losowanie grupowe2 Adaptacyjne losowanie sieciowe3 Trójkątna metoda losowania

przestrzennego4 Metoda losowania przestrzennego

oparta na krigingu

5 Ocena wpływu lasu na redukcję

emisji dwutlenku węgla1 Optymalizacja liczby warstw w

badaniu obszaru leśnegoKatowice-Panewniki

2 Korygowanie podziału populacjina warstwy w badaniu obszaruleśnego Katowice-Panewniki

6 Bibliografia


Dziękuję za uwagę

Documents

Metody losowania prób przestrzennych w badaniach … · Adaptacyjne losowanie grupowe Omówiony zostanie najstarszy schemat losowania adaptacyjnego - adaptacyjne losowanie grupowe