Generating large-scale samples of stationary random fields is of great importance in the fields such as geomaterial modeling and uncertainty quantification. Traditional methodologies based on covariance matrix decomposition have the diffculty of being computationally expensive, which is even more serious when the dimension of the random field is large. This paper proposes an effcient stochastic realization approach for sampling Gaussian stationary random fields from a systems and control point of view. Specifically, we take the exponential and Gaussian covariance functions as examples and make a decoupling assumption when there are multiple dimensions. Then a rational spectral density is constructed in each dimension using techniques from covariance extension, and the corresponding autoregressive moving-average (ARMA) model is obtained via spectral factorization. As a result, samples of the random field with a specific covariance function can be generated very effciently in the space domain by implementing the ARMA recursion using a white noise input. Such a procedure is computationally cheap due to the fact that the constructed ARMA model has a low order. Furthermore, the same method is integrated to multiscale simulations where interpolations of the generated samples are achieved when one zooms into finer scales. Both theoretical analysis and simulation results show that our approach performs favorably compared with covariance matrix decomposition methods.


翻译:在地质材料建模和不确定性量化等领域,基于共变矩阵分解的传统方法具有计算昂贵的难度,当随机字段的尺寸较大时,这种难度甚至更为严重。本文建议从系统和控制角度对高斯固定随机字段进行取样时,采用高效的随机化实现方法。具体地说,我们将指数和高斯常态共变函数作为实例,并在多个维度存在时作出脱钩的假设。然后,利用共变扩展技术在每个维度中构建合理的光谱密度,而相应的自动递减移动平均(ARMA)模型则通过光谱因子化获得。结果,具有特定共变异功能的随机化字段的样本可以在空间领域通过使用白色噪音输入来实施ARMA回流,从而产生非常高效的实现。由于构建的ARMA模型模型具有低序,因此这种程序计算成本较低。此外,在进行多级模拟时,将同一方法与多级模拟模型的模拟结果结合起来。

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