Análisis espectral de máxima entropía para series irregulares en geociencias

Autores/as

  • Eulogio Pardo-Igúzquiza Instituto Geológico y Minero de España
  • Peter A. Dowd The University of Adelaide

DOI:

https://doi.org/10.21701/bolgeomin.131.2.007

Palabras clave:

máxima entropía, autorregresivo, datos perdidos, hiato, test de permutación

Resumen


Las series temporales con un intervalo de muestreo no constante aparecen con mucha frecuencia en Ciencias de la Tierra. Esto se debe a que el muestro ha podido ser aleatorio, o porque ha habido fallos en la toma de datos, hiatos, o por la transformación de una escala espacial (sondeo, columna estratigráfica, …) a una escala temporal cuando las tasas de sedimentación no son constantes. El método preferido para el análisis espectral de estas series temporales con muestreo irregular son los métodos que no requieren de una interpolación explícita de la seria para pasar a un muestreo regular, sino que tratan directamente los datos con espaciado no constante y, de entre estos métodos, el periodograma de Lomb-Scargle ha sido una elección muy frecuente por parte de los investigadores. En el trabajo aquí presentado, el estimador de máxima entropía, modificado para tratar con series temporales con muestreo no constante, se propone como una alternativa al periodograma. El atractivo de la metodología que se propone es que el estimador de máxima entropía es un estimador de alta resolución. El método propuesto aprovecha la equivalencia que existe entre el estimador espectral de máxima entropía y el estimador espectral autorregresivo. Además, se utiliza el test de permutación para evaluar el nivel de confianza estadístico de espectro de potencia estimado. Asimismo, se utilizan series temporales reales y simuladas para ilustrar el resultado de aplicar la metodología propuesta. Este trabajo muestra que el estimador de máxima entropía para series temporales irregulares evita los problemas de los lóbulos laterales que plagan las estimaciones por el  periodograma de Lomb-Scarge mientras que se mantiene la alta resolución del estimador espectral de máxima entropía para series temporales cortas. Los resultados con el estimador de máxima entropía han resultado ser satisfactorios en los casos en los que importantes proporciones de los datos se han perdido al azar, cuando hay huecos a intervalos regulares en la serie de datos, cuando hay uno o más hiatos en la serie así como para series donde el muestreo ha sido aleatorio.

Descargas

Los datos de descargas todavía no están disponibles.

Citas

Ables, J. G., 1974. Maximum entropy spectral analysis. Astronomy and Astrophysics Supplement, 15, 383-393.

Babu, P. and Stoika, P. 2010. Spectral analysis of nonuniformly sampled data - a review. Digital Signal Processing, 20, 359-378. https://doi.org/10.1016/j.dsp.2009.06.019

Baggeroer, A. B. (1976), Confidence intervals for regression (MEM) spectral estimates, IEEE Transactions on Information Theory, 22(5), 534-545. https://doi.org/10.1109/TIT.1976.1055612

Bos, R., de Waele, S. and Broersen, P.M.T., 2002. Autoregressive spectral estimation by application of Burg algorithm to irregularly sampled data. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 51(6), 1289-1294. https://doi.org/10.1109/TIM.2002.808031

Brockwell, P.J., Davis, R.A., 1991. Times Series: Theory and Methods, Second ed. Springer, New York, 577 pp. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-0320-4

Broersen, P.M.T., de Waele, S. and Bos, R., 2004a. Autoregressive spectral analysis when observations are missing. Automatica, 40, 1495-1504. https://doi.org/10.1016/j.automatica.2004.04.011

Broersen, P.M.T., de Waele, S. and Bos, R., 2004b. Applications of autoregressive spectral analysis to missing data problems. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 53 (4), 981-986. https://doi.org/10.1109/TIM.2004.830597

Burg, J.P., 1967. Maximum entropy spectral analysis. 37th Annual International Meeting of the Society for the Exploration of Geophysics. Oklahoma City, OK, 34-41.

Burg, J.P., 1975. Maximum entropy spectral analysis. PhD Dissertation, Stanford University, 127 pp.

Burshtein, D., and E. Weinstein (1987), Confidence intervals for the maximum entropy spectrum, IEEE Transactions on Acoustic Speech Signal Processing, 35, 504- 510. https://doi.org/10.1109/TASSP.1987.1165156

Chatfield, C., 1991, The analysis of time series (4th ed.). Chapman & Hall, London, 241 pp. Efron, B. and Tibshirani, R. J. 1993. B. An Introduction to the Bootstrap, Chapman and Hall, New York, 1993, 436 pp.

Egozcue, J. J., 1980. Una interpretación del análisis espectral de máxima entropía. Revista de Obras Públicas, 167-172.

Good, P., 2000. Permutation tests. A practical guide to resampling methods for testing hypothesis. Springer, 271 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-3235-1_3

Gnevyshev, M. N., 1977. Essential features of the 11-year solar cycle. Solar Physics, 51, 175-183. https://doi.org/10.1007/BF00240455

Gnevyshev, M. N. and Ohl, A. I., 1948. On the 22-year cycle of solar activity. Astronomicheskii Zhurnal, 25, 18-20.

Heslop, D. and Dekkers, M.J. 2002, Spectral analysis of unevenly spaced climatic time series using CLEAN: signal recovery and derivation of significance levels using a Monte Carlo simulation. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 130, 103-116. https://doi.org/10.1016/S0031-9201(01)00310-7

Larsson, E.G. and Li, J., 2003. Spectral analysis of periodically gapped data. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 39, 3, 1089-1097. https://doi.org/10.1109/TAES.2003.1238761

Lomb, N.R. 1976. Least squares frequency analysis of unequally spaced data. Astrophysics and Space Science, 39, 447-462. https://doi.org/10.1007/BF00648343

Marple, S.L. 1987. Digital spectral analysis with applications. Prentice Hall. Englewood Cliffs, NY, 492 pp.

Papoulis, A., 1984, Probability, random variables and stochastic processes, McGraw-Hill Intern. Editions, Singapore, 576 pp.

Pardo-Igúzquiza, E., Chica-Olmo, M. and Rodríguez-Tovar, F.J. 1994. CYSTRATI: a computer program for spectral analysis of stratigraphic successions. Computers & Geosciences, 20 (4), 511-584. https://doi.org/10.1016/0098-3004(94)90080-9

Pardo-Igúzquiza, E. and Rodríguez-Tovar, F.J. 2000. The permutation test as a non-parametric method for testing the statistical significance of power spectrum estimation in cyclostratigraphic research. Earth and Planetary Science Letters, 181, 175-189. https://doi.org/10.1016/S0012-821X(00)00191-6

Pardo-Igúzquiza, E., Schwarzacher, W. and Rodríguez-Tovar, F.J., 2000. A library of computer programs for assisting teaching and research in cyclostratigraphic analysis. Computers & Geosciences, 26, 723-740. https://doi.org/10.1016/S0098-3004(99)00139-9

Pardo-Igúzquiza, E. and Rodriguez-Tovar, F.J. 2004. POWGRAF2: a computer program for graphical spectral analysis. Computers & Geosciences, 30 (5), 533-542. https://doi.org/10.1016/j.cageo.2004.03.004

Pardo-Igúzquiza, E. and Rodríguez-Tovar, F.J. 2005. MAXENPER: a program for maximum entropy spectral estimation with assessment of statistical significance by the permutation test. Computers & Geosciences, 31 (5), 555-567. https://doi.org/10.1016/j.cageo.2004.11.010

Pardo-Igúzquiza, E. and Rodriguez-Tovar, F. J., 2006. Maximum entropy spectral analysis of climatic time series revisited: Assessing the statistical significance of estimated spectral peaks. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 111, D10202, 1-8. https://doi.org/10.1029/2005JD006293

Pardo-Igúzquiza, E. and Rodríguez-Tovar, F.J. 2012. Spectral and cross-spectral analysis of uneven time series with the smoothed Lomb-Scargle periodogram and Monte Carlo evaluation of statistical significance. Computers & Geosciences, 49, 207-216. https://doi.org/10.1016/j.cageo.2012.06.018

Pardo-Igúzquiza, E. and Rodriguez-Tovar, F.J. 2013. Análisis espectral de series temporales de variables geológicas con muestreo irregular. Boletín Geológico y Minero, 124 (2), 323-337.

Park, J., Lindberg, C.R. and Vernon III, F.L. 1987. Multitaper spectral analysis of high frequency seismograms, Journal of Geophysical Research, 92, 12675-12684. https://doi.org/10.1029/JB092iB12p12675

Percival, D. B., and A. T. Walden (1993), Spectral Analysis for Physical Application. Multitaper and Conventional Univariate Techniques, Cambridge University Press, New York, 583 pp.

Pestiaux, P. and Berger, A. 1984. An optimal approach to the spectral characteristics of deep-sea climatic records. In: Berger A. (ed.), Milankovitch and Climate, Part 1. D. Reidel Publishing Company, Dordrecht, 417-445.

Polyak, V.J. and Asmerom, Y. 2001. Late Holocene Climate and Cultural Changes in the Southwestern United States. Science, 294, 148-151. https://doi.org/10.1126/science.1062771

Press, H. W., Teukolsky, S.A., Vetterling, W.T., and Flannery, B.P. 1992. Numerical recipes in Fortran, (2nd ed.), Cambridge University Press, New York, 963 pp.

Priestley, M. B. (1981). Spectral analysis and time series. London, U.K., Academic Press, 890 pp.

Raymo, M. E., Hodell, D., Jansen, E., 1992. Response of deep ocean circulation to the initiation of Northern Hemisphere glaciation (3-2 myr). Paleoceanograpy, 7, 645-672. https://doi.org/10.1029/92PA01609

Roberts, D.H., Lehár, J. and Dreher, J.W. (1987) Time series analysis with CLEAN; 1: Derivation of a spectrum. Astronomical Journal, 93 (4), 968-989. https://doi.org/10.1086/114383

Scargle, J.D. 1982. Studies in astronomical time series analysis. II. Statistical aspects of spectral analysis of unevenly spaced data. Astrophysical Journal, 263, 835-853. https://doi.org/10.1086/160554

Schulz, M. and Mudelsee, M. 2002. REDFIT: estimating red noise spectra directly from unevenly spaced paleoclimatic time series. Computer & Geosciences, 28 (3), 421-426. https://doi.org/10.1016/S0098-3004(01)00044-9

Schulz, M. and Stattegger, K. 1997. SPECTRUM: spectral analysis of unevenly spaced paleoclimatic time series. Computers & Geosciences, 23 (9), 929-945. https://doi.org/10.1016/S0098-3004(97)00087-3

Schwarzacher, W., 1975. Sedimentation Models and Quantitative Stratigraphy. Developments in Sedimentology, Vol. 19. Elsevier, 382 pp.

Schwarzacher, W., 1993. Cyclostratigraphy and the Milankovitch theory. Developments in Sedimentology, Vol. 52. Elsevier, 224 pp.

Stoica, P. and Sandgren, N. 2006. Spectral analysis of irregularly-sampled data: Paralleling the regularly-sampled data approaches. Digital Signal Processing, 16, 712-734. https://doi.org/10.1016/j.dsp.2006.08.012

Ulrych, T.J. and Bishop, T.N., 1975. Maximum entropy spectral analysis and autoregressive decomposition. Review of Geophysics and Space Physics, 13 (1), 183-200. https://doi.org/10.1029/RG013i001p00183

Vecchio, A., Lepreti, F., Laurenza, M., Alberti, T. and Carbone, V., 2017. Connection between solar activity cycles and grand minima generation. Astronomy & Astrophysics, 559, A58, 1-12. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201629758

Weedon, G.P. 2003. Times-series analysis and cyclostratigraphy: examining stratigraphic records of environmental cycles. Cambridge University Press, Cambridge, 259 pp. https://doi.org/10.1017/CBO9780511535482

Weedon, G. P., Page, K. N. and Jenkyns, H. C., 2019. Cyclostratigraphy, stratigaphic gaps and the duration of the Hettagian Stage (Jurassic): insights from the Blue Lias Fomation of southern Britain, Geological Magazine, 156 (9), 1469-1509. https://doi.org/10.1017/S0016756818000808

Zhang, Y., Baggeroer, A.B. and Bellingham, J.G., 2005. The total variance of a periodogram-based spectral estimate of a stochastic process with spectral uncertainty and its application to classifier design. IEEE Transactions on Signal Processing, 53 (12), 4556-4567. https://doi.org/10.1109/TSP.2005.859346

Descargas

Publicado

2020-06-30

Cómo citar

Pardo-Igúzquiza, E., & Dowd, P. A. (2020). Análisis espectral de máxima entropía para series irregulares en geociencias. Boletín Geológico Y Minero, 131(2), 325–337. https://doi.org/10.21701/bolgeomin.131.2.007

Número

Sección

Artículos

Datos de los fondos

Ministerio de Ciencia e Innovación
Números de la subvención PID2019-106435GB-I00

Artículos más leídos del mismo autor/a