kriging (1)

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Page 1: KRIGING (1)
Page 2: KRIGING (1)

Kriging

Consideremos NuZ ,2,1,

información de determinada propiedad en el yacimiento y

puntos en los cuales se tiene

la

estimación de a partir de los puntos uZ

uZ

Page 3: KRIGING (1)

Kriging

Existen diversos métodos para obtener

• Vecino más cercano

• Interpolación estándar

• Regresión lineal

• Métodos basados en Splines

. . .

No toman en cuenta la información aportada por el variograma !

Page 4: KRIGING (1)

Kriging

11.54

7.36

10.31

6.26

10.21

9.38

7.69

3.81

2.46

9.439.59

11.11

4.32

11.22

9.43

5.96

7.26

6.87

6.60

9.22

7.52

7.18

9.84

11.04

12.12

0.

0.

10.

10.

20.

20.

30.

30.

40.

40.

X (Kilometer)

X (Kilometer)

0. 0.

10. 10.

20. 20.

30. 30.

40. 40.

Y (K

ilometer)

11.54

7.36

10.31

6.26

10.21

9.38

7.69

3.81

2.46

9.439.59

11.11

4.32

11.22

9.43

5.96

7.26

6.87

6.60

9.22

7.52

7.18

9.84

11.04

12.12

0.

0.

10.

10.

20.

20.

30.

30.

40.

40.

X (Kilometer)

X (Kilometer)

0. 0.

10. 10.

20. 20.

30. 30.

40. 40.

Y (Kilometer)

Y (Kilometer)

>=2019181716151413121110987654321<0

N/A

• El vecino más cercano

Page 5: KRIGING (1)

11.54

7.36

10.31

6.26

10.21

9.38

7.69

3.81

2.46

9.439.59

11.11

4.32

11.22

9.43

5.96

7.26

6.87

6.60

9.22

7.52

7.18

9.84

11.04

12.12

0.

0.

10.

10.

20.

20.

30.

30.

40.

40.

X (Kilometer)

X (Kilometer)

0. 0.

10. 10.

20. 20.

30. 30.

40. 40.

Y (K

ilomet

er) Y (Kilometer)

>=1312.4511.911.3510.810.259.79.158.68.057.56.956.45.855.34.754.23.653.12.55<2

N/A

11.54

7.36

10.31

6.26

10.21

9.38

7.69

3.81

2.46

9.439.59

11.11

4.32

11.22

9.43

5.96

7.26

6.876.60

9.22

7.52

7.18

9.84

11.04

12.12

0.

0.

10.

10.

20.

20.

30.

30.

40.

40.

X (Kilometer)

X (Kilometer)

0. 0.

10. 10.

20. 20.

30. 30.

40. 40.

11.54

7.36

10.31

6.26

10.21

9.38

7.69

3.81

2.46

9.439.59

11.11

4.32

11.22

9.43

5.96

7.26

6.87

6.60

9.22

7.52

7.18

9.84

11.04

12.12

0.

0.

10.

10.

20.

20.

30.

30.

40.

40.

X (Kilometer)

X (Kilometer)

0. 0.

10. 10.

20. 20.

30. 30.

40. 40.

Y (Kilometer) Y (Kilometer)

>=1312.4511.911.3510.810.259.79.158.68.057.56.956.45.855.34.754.23.653.12.55<2

N/A

11.54

7.36

10.31

6.26

10.21

9.38

7.69

3.81

2.46

9.439.59

11.11

4.32

11.22

9.43

5.96

7.26

6.87

6.60

9.22

7.52

7.18

9.84

11.04

12.12

0.

0.

10.

10.

20.

20.

30.

30.

40.

40.

X (Kilometer)

X (Kilometer)

0. 0.

10. 10.

20. 20.

30. 30.

40. 40.

Y (Kilometer) Y (Kilometer)

>=2019181716151413121110987654321<0

N/A

• Distancia inversa

Kriging

Page 6: KRIGING (1)

Kriging

Planteamiento básico de la estimación por Kriging:

Considerar la estimación de como una combinación lineal de las

observaciones disponibles

y escoger los pesos bajo un criterio en el cual se considera que dicha estimación es óptima. Este es que el estimador sea insesgado y que

uZuZ *var sea mínima

Page 7: KRIGING (1)

Kriging Simple

El caso más simple se denomina kriging simple y la hipótesis básica es la estacionaridad junto con el hecho de que se asume que la media de la función aleatoria es conocida. Esto es,

conocidaesy mmuZE

1° CASO. m = 0

Bajo esta condición se asegura que el estimador de kriging es insesgado, ya que

KRIGING SIMPLE

Page 8: KRIGING (1)

Ahora sólo resta hallar los pesos para que la condición de varianza mínima se satisfaga.

Considérese primero el caso en que se cuenta con una sola observación

1

0

* varvar

uZuZuZ

Entonces

10101210

20 ,cov2varvar uZuZuZuZ

1122

12 cov2 uu

Kriging Simple

uu 00 ,,1

Page 9: KRIGING (1)

0cov22var1

21

1

*

uuuZuZ

Derivando respecto al parámetro e igualando a cero se tiene

Con lo cual

121

1cov uuuu

Es decir, el estimador de kriging simple es igual al valor conocido de la variable multiplicado por la correlación que existe entre la variable en el punto objetivo y la variable en el punto de observación.

Kriging Simple

Page 10: KRIGING (1)

Utilizando el valor del parámetro se obtiene que:

122* 1var uuuZuZ

Este tipo de resultado generalmente se utiliza para determinar el error asociado a la estimación.

Debe ser usado con cautela porque no depende directamente de los datos si no de la continuidad espacial de estos !

Utilizando la forma del estimador de kriging se puede demostrar que:

uZuuuZ varvar 21

22*

Kriging Simple

Page 11: KRIGING (1)

Considérese ahora el caso en que se cuenta con dos observaciones:

2

0

* varvar

uZuZuZ

2221

210

20 varvarvar uZuZuZ

+

2021012121 cov2cov2cov2 uuuuuu

Kriging Simple

uu 00 ,,1

Page 12: KRIGING (1)

Ahora hay dos parámetros desconocidos y por lo tanto hay que calcular dos derivadas e igualarlas a cero

0covcovvar10212

21

1

*

uuuuuZuZ

0covcovvar20121

22

2

*

uuuuuZuZ

De esta manera se obtiene un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas que se puede escribir en forma matricial como:

20

10

2

1

12

21

00

uuCuuC

CuuCuuCC

Kriging Simple

Page 13: KRIGING (1)

2021012*var uuCuuCuZuZ

Utilizando el hecho de que los parámetros resuelven el sistema de ecuaciones se obtiene que:

2

10

2

uuC

Nuevamente, el error no depende directamente de los datos si no de la continuidad espacial de estos.

Kriging Simple

Page 14: KRIGING (1)

Utilizando el hecho de que los valores ’s resuelven el sistema de ecuaciones se puede demostrar que:

0, ** uZuZuZCov

Es decir, el estimador de kriging simple es ortogonal al error. Esto es una propiedad muy importante que solo satisface el kriging simple.

Utilizando este resultado se tiene que

uZuZuZuZ ** varvarvar

Lo que muestra que:

uZuZ varvar *

Kriging Simple

Page 15: KRIGING (1)

El caso general se obtiene de manera análoga:

N

uZuZuZ0

* varvar

uuuZN

covvar0

2

Derivando respecto a cada uno de los parámetros e igualando a cero se obtiene un sistema de N ecuaciones con N incógnitas

Kriging Simple

uu 00 ,,1

Page 16: KRIGING (1)

Relación entre las observaciones Relación de las observaciones con el

punto a estimaro equivalentemente

NiuuCuuC iji

N

jj ,,2,1

1

Kriging Simple

Page 17: KRIGING (1)

La varianza del error o varianza del kriging es entonces:

N

uuCuZuZ1

02*var

Nuevamente, el error no depende directamente de los datos si no de la continuidad espacial de estos.

Kriging Simple

Page 18: KRIGING (1)

2° CASO. m 0

En este caso se consideran nuevas funciones aleatorias de media cero para aplicar el caso de kriging simple estudiado anteriormente.

muZuY :

La nueva función aleatoria es estacionaria y tiene media cero, por lo cual el estimador de kriging simple es:

Kriging Simple

Page 19: KRIGING (1)

Que ocurre si todos los valores observados son no correlacionados entre si ?

Y la solución es

uuuuC 2

El estimador de kriging simple es entonces una combinación lineal de los valores observados, donde los pesos de cada observación corresponden a la correlación entre dicha observación y el punto a estimar.

Kriging Simple

Page 20: KRIGING (1)

Que ocurre si todos los valores observados son no correlacionados con el punto a estimar ?

Como la matriz es invertible la solución es: N,,2,10

Y el estimador de kriging simple es entonces:

muZ *

Kriging Simple

Page 21: KRIGING (1)

Que ocurre si el punto a estimar está fuera del rango de la función de covarianza ?

Kriging Simple

Page 22: KRIGING (1)

Kriging Simple

Una propiedad muy importante del kriging simple es la siguiente: Si la función aleatoria Z(x) es gaussiana entonces:

uZuZuZuZuZE N*

21 ,,,/

Es decir, el valor esperado de la propiedad en el punto u dado los valores observados es el valor del kriging simple !

Esta propiedad es fundamental para obtener simulaciones estocásticas de propiedades, como se estudiará más adelante.

Page 23: KRIGING (1)

KRIGING ORDINARIO

Generalmente el valor de la media m es desconocido y por lo tanto no se puede utilizar el kriging simple.

El kriging ordinario establece una condición adicional al sistema de ecuaciones del kriging simple para filtrar el valor desconocido de la media.

Al igual que antes el estimador propuesto es de la forma

Kriging Ordinario

Page 24: KRIGING (1)

Para que el estimador sea insesgado debe ocurrir

De esta forma, como

debe ocurrir que:

Kriging Ordinario

Page 25: KRIGING (1)

Kriging Ordinario

En kriging ordinario el problema de minimización de la varianza del error es distinto al caso de kriging simple.

No es suficiente buscar los valores ’s que minimizan la varianza.

Hay que buscar los valores ’s que minimizan la varianza y que satisfagan que su suma sea igual a 1, para garantizar la condición de insesgamiento.

Este tipo de problema de minimización con restricciones se resuelve utilizando una técnica denominada multiplicadores de Lagrange

La idea es establecer un sistema de ecuaciones que incluya la restricción sobre los valores ’s

Page 26: KRIGING (1)

Considérese una nueva función de la forma siguiente:

N

iiN uZuZ

1

*1 12var,,,

El punto donde la nueva función alcanza un mínimo contiene los valores de los ’s que minimizan la varianza y cuya suma es igual a 1.

Para minimizar a la función no existen restricciones, por lo que sólo hay que calcular las derivadas e igualarlas a cero.

Nj

j

N ,,2,10,,,1

0,,,1

N

Kriging Ordinario

Page 27: KRIGING (1)

NjuZuZ

jj

N ,,2,12var,,, *1

NN

1

1 12,,,

Kriging Ordinario

Igualando a cero las derivadas se tiene que:

NjuZuZ

j

,,2,12var *

Page 28: KRIGING (1)

Kriging Ordinario

Sabemos que:

j

N

jj

uuuuuZuZ

cov2cov2var1

*

Y por lo tanto se obtiene que:

Njuuuu j

N

j ,,2,1cov22cov21

Page 29: KRIGING (1)

Kriging Ordinario

El sistema de ecuaciones se puede escribir en forma matricial como:

10111110

1010

2

1

2

1

22

212

121

NNNN

N

N

uuC

uuCuuC

CuuCuuC

uuCCuuuuCuuCC

Condición para filtrar el valor desconocido de la media

Page 30: KRIGING (1)

Kriging Ordinario

Ahora la varianza del error es:

N

uuCuZuZ1

02*var

Nuevamente, el error no depende directamente de los datos si no de la continuidad espacial de estos.

Page 31: KRIGING (1)

Kriging Ordinario

Kriging ordinario usando el variograma

Usando la relación usual entre el variograma y la covarianza

hChC 0

NjuuCuuC j

N

j ,,2,1001

Njuuuu j

N

j ,,2,11

Y el sistema de ecuaciones escrito en forma matricial es entonces

Page 32: KRIGING (1)

10111110

1010

2

1

2

1

22

212

121

NNNN

N

N

uu

uuuu

uuuu

uuuuuuuu

Kriging Ordinario

Y por lo tanto los resultados obtenidos serán exactamente iguales.

Esta propiedad no es cierta en el caso del kriging simple. Esto es, el sistema de ecuaciones del kriging simple sólo debe ser escrito usando la función de covarianza y NO el variograma.

Page 33: KRIGING (1)

Que ocurre si todos los valores observados son no correlacionados entre si ?

1011111000

10001000

2

1

2

1

NN uuC

uuCuuC

C

CC

NjuuCC jj ,,2,10

NjC

uu jj ,,2,10

Kriging Ordinario

Page 34: KRIGING (1)

Kriging Ordinario

Utilizando la condición de insesgamiento se puede obtener el valor del parámetro de Lagrange:

N

jjuuCNC

1

0

N

jj

N

jj

uuN

C

uuCNN

C

1

1

10

10

Page 35: KRIGING (1)

Si además los valores son no correlacionados con el punto a estimar entonces:

juu j 0

Y por lo tanto N

C 0

NjNj ,,2,11

Y el estimador de kriging ordinario es

Kriging Ordinario

Page 36: KRIGING (1)

Kriging Ordinario

Relación entre el Kriging ordinario y el kriging simple

Una idea tentadora es estimar el valor promedio utilizando kriging ordinario y tomar esta valor como el verdadero valor de la media para usar kriging simple.

Este procedimiento produce como resultado una estimación que es exactamente igual a la estimación de kriging ordinario.

La demostración de este hecho se conoce como el teorema de adición

Page 37: KRIGING (1)

Kriging Ordinario

1°) La estimación de la media mediante kriging ordinario se obtiene resolviendo el sistema de ecuaciones:

NjuuC mN

jji

mj ,,2,1

1

11

N

j

mj

2°) El valor estimado de la media se utiliza en la ecuacion del kriging simple

Page 38: KRIGING (1)

Kriging Ordinario

Por lo tanto el estimador de kriging simple es:

j

La solución del kriging ordinario es única, por lo tanto si se demuestra que los valores ' resuelven el sistema de ecuaciones del kriging ordinario se tendrá que

uZuZ oksk**

Page 39: KRIGING (1)

Kriging Ordinario

3°) La condición de insesgamiento es:

N

j

mjj

N

jj

11

N

j

N

j

mjj

1 1

N

jj

1

1

Page 40: KRIGING (1)

Kriging Ordinario

4°) El sistema de ecuaciones es:

jiN

j

mjj

N

jjij uuCuuC

11

N

j

N

jji

mjjij uuCuuC

1 1

miuuC

Y por lo tanto

iN

jjij uuCuuC

1

Lo cual completa la prueba

Page 41: KRIGING (1)

Kriging Ordinario

Finalmente, si se asume que la media es conocida procediendo como antes se puede demostrar que:

*222 var mskok

Es decir, la varianza del kriging ordinario es la varianza del kriging simple (cuando en realidad se conoce la media) más un factor asociado a la estimación de la media.

Asimismo, se observa que:

22skok

Page 42: KRIGING (1)

La pendiente de la regresión lineal

La pendiente de la regresión de Z utilizando la estimación de kriging simple es

))(var(

,cov*

*

uZuZuZb

sk

sk

Utilizando las ecuaciones del kriging simple se obtiene que el numerador y el denominador son iguales y por lo tanto la pendiente es igual a 1. Esto significa que el kriging simple es condicionalmente insesgado

Kriging Ordinario

Z

skZ

Page 43: KRIGING (1)

En el caso de kriging ordinario se tiene que

))(),(cov())(),(cov(

*

*

uZuZuZuZb

ok

ok

Kriging Ordinario

Y por lo tanto el estimador de kriging ordinario no es condicionalmente insesgado.

Z

skZ

Page 44: KRIGING (1)

11.54

7.36

10.31

6.26

10.21

9.38

7.69

3.81

2.46

9.439.59

11.11

4.32

11.22

9.43

5.96

7.26

6.87

6.60

9.22

7.52

7.18

9.84

11.04

12.12

0.

0.

10.

10.

20.

20.

30.

30.

40.

40.

X (Kilometer)

X (Kilometer)

0. 0.

10. 10.

20. 20.

30. 30.

40. 40.

Y (Kilometer)

Y (Kilometer)

>=2019181716151413121110987654321<0

N/A

Imagen original

0.

0.

10.

10.

20.

20.

30.

30.

40.

40.

X (Kilometer)

X (Kilometer)

0. 0.

10. 10.

20. 20.

30. 30.

40. 40.

Y (Kilometer)

Y (Kilometer)

>=2019181716151413121110987654321<0

N/A

Kriging ordinario

11.54

7.36

10.31

6.26

10.21

9.38

7.69

3.81

2.46

9.439.59

11.11

4.32

11.22

9.43

5.96

7.26

6.87

6.60

9.22

7.52

7.18

9.84

11.04

12.12

0.

0.

10.

10.

20.

20.

30.

30.

40.

40.

X (Kilometer)

X (Kilometer)

0. 0.

10. 10.

20. 20.

30. 30.

40. 40.

Y (Kilometer)

Y (Kilometer)

>=1312.4511.911.3510.810.259.79.158.68.057.56.956.45.855.34.754.23.653.12.55<2

N/A

Inverso de la distancia

Kriging Ordinario

Page 45: KRIGING (1)
Page 46: KRIGING (1)
Page 47: KRIGING (1)

1F

Dado un conjunto cualquiera F, se define su función indicadora como:

nosi

FxsixF

0

1

1

Este tipo de funciones indican simplemente si el punto en que se evalúan se encuentra o no en el conjunto especificado.

1x2x

11 1 xF 01 2 xF

Page 48: KRIGING (1)

Si se considera la facies F como un conjunto aleatorio entonces su función indicadora es una función aleatoria que puede ser estacionaria o no.

Si se asume que la variable indicadora de la facies F es estacionaria entonces se tiene que:

FxPxE F1 Proporción de la facies F en el yacimiento

De particular interés es considerar variables indicadoras de facies.

1F

Page 49: KRIGING (1)

Considérese el caso donde se tiene interpretación de facies en un pozo

Facies 1

Facies 2

1

1

1

1

1

0

0

1

11F

0

0

0

0

0

1

1

0

12F

nosi

FxsixF

0

1

1

%7586

1 1xE F

%2582

1 2xE F

1F

Page 50: KRIGING (1)

Este concepto tan sencillo permite considerar las facies presentes en un yacimiento como funciones aleatorias y aplicar muchas de las técnicas estudiadas anteriormente.

El uso de variables indicadoras es la base de las curvas de proporción vertical .

1F

Page 51: KRIGING (1)

Unidad 2 Unidad-5

Unidad 1 Unidad-4

1F

Page 52: KRIGING (1)

En el caso de variables indicadoras el variograma es:

)(

1121 2

FhxyFxP

xhxEh FFF

A partir de este se obtiene la continuidad espacial y la longitud promedio en distintas direcciones de la facies en estudio.

Distancia

Vario

gram

a

R1R2

1F

Page 53: KRIGING (1)

Propiedades

1) 1,0)(1 pFxPxE F

25.011var ppxF

2) 5.0hF

El sill de variogramas de funciones indicadoras no puede ser mayor a 0.25

3) Relación con la función de covarianza

hCCh FFF 0

pxphxEhC FFF 11

25.011var0 ppxC FF

1F

Page 54: KRIGING (1)

2121 hhhh FFF

4) Desigualdad Triangular

En particular hh FF 22

Consecuencia :

Un variograma con comportamiento en el origen de la forma

no puede ser el variograma de una función indicadora

1ph p

1F

Page 55: KRIGING (1)

5) Relación entre las variables indicadoras

Si se interpretan dos facies en el yacimiento entonces:21 FF y

11121

xx FF

Es decir, las facies no son independientes y además

hh FF 21

En el caso general,

111121

xxxNFFF

Y por lo tanto las facies no son independientes.

1F

Page 56: KRIGING (1)

1F

El método de estimación por kriging puede ser usado para estimar la proporción de una determinada facies en una localización dada.

6) Estimación de la proporción de facies (indicator kriging)

uF1

0

1

1

1

0

Proporción de la facies F en el punto u

0

1

0

0

1

Page 57: KRIGING (1)

1F

Como la proporción se asocia a la probabilidad se tiene que la estimación por kriging es una estimación de la probabilidad de que la facies F se encuentre en el punto u

Se pueden obtener valores mayores de 1 y menores de 0, estos valores se deben corregir asignando 0 a los menores que cero y 1 a los mayores que 1.

Si se estiman independientemente entonces no necesariamente se cumple que

Page 58: KRIGING (1)

1F

0.

0.

10.

10.

20.

20.

30.

30.

40.

40.

X (Kilometer)

X (Kilometer)

0. 0.

10. 10.

20. 20.

30. 30.

40. 40.

Y (Kilometer)

Y (Kilometer)

>=1.0010.950950.90090.850850.80080.750750.70070.650650.60060.550550.50050.450450.40040.350350.30030.250250.20020.150150.10010.05005<0

N/A

Barra

Canal

Barra

Canal

Barra

Canal

Canal

Lutita

Lutita

CanalCanal

Barra

Lutita

Barra

Canal

Canal

Canal

Canal

Canal

Canal

Canal

Canal

Canal

Barra

Barra

0.

0.

10.

10.

20.

20.

30.

30.

40.

40.

X (Kilometer)

X (Kilometer)

0. 0.

10. 10.

20. 20.

30. 30.

40. 40.

Y (Kil

ometer) Y (Kilometer)

?

Probabilidad de facies de canal

Los resultados del indicator kriging son mapas de probabilidades y no mapas de propiedades.