Gaussian random fields with Mat\'ern covariance functions are popular models in spatial statistics and machine learning. In this work, we develop a spatio-temporal extension of the Gaussian Mat\'ern fields formulated as solutions to a stochastic partial differential equation. The spatially stationary subset of the models have marginal spatial Mat\'ern covariances, and the model also extends to Whittle-Mat\'ern fields on curved manifolds, and to more general non-stationary fields. In addition to the parameters of the spatial dependence (variance, smoothness, and practical correlation range) it additionally has parameters controlling the practical correlation range in time, the smoothness in time, and the type of non-separability of the spatio-temporal covariance. Through the separability parameter, the model also allows for separable covariance functions. We provide a sparse representation based on a finite element approximation, that is well suited for statistical inference and which is implemented in the R-INLA software. The flexibility of the model is illustrated in an application to spatio-temporal modeling of global temperature data.


翻译:高斯马特恩场的随机场和协方差函数是在空间统计和机器学习中广泛使用的模型。本文中,我们将其扩展为通过随机偏微分方程定义的解决时空问题的扩散式模型。模型的空间静止子集具有边缘空间马特恩协方差,还可以扩展到弯曲流形上的惠特尔-马特恩场以及更一般的非静止场。除了空间依赖性的参数(方差、光滑性和实际相关距离)之外,它还具有控制时间实际相关距离、时间平滑度和时空协方差非可分性类型的参数。通过可分离参数,该模型还允许可分离的协方差函数。我们提供了一种基于有限元逼近的稀疏表示,非常适合进行统计推断,并在R-INLA软件中实现。该模型的灵活性在全球气温数据的时空建模中得到了应用。

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