Estimating effects of spatially structured exposures is complicated by unmeasured spatial confounders, which undermine identifiability in spatial linear regression models unless structural assumptions are imposed. We develop a general framework for effect estimation in spatial regression models that relaxes the commonly assumed requirement that exposures contain higher-frequency variation than confounders. We propose basis voting, a plurality-rule estimator - novel in the spatial literature - that consistently identifies causal effects only under the assumption that, in a spatial basis expansion of the exposure and confounder, there exist several basis functions in the support of the exposure but not the confounder. This assumption generalizes existing assumptions of differential basis support used for identification of the causal effect under spatial confounding, and does not require prior knowledge of which basis functions satisfy this support condition. We design this estimator as the mode of several candidate estimators each computed based on a single working basis function. We also show that the standard projection-based candidate estimator typically used in other plurality-rule based methods is inefficient, and provide a more efficient novel candidate. Extensive simulations and a real-world application demonstrate that our approach reliably recovers unbiased causal estimates whenever exposure and confounder signals are separable on a plurality of basis functions. By not relying on higher-frequency variation, our method remains applicable to settings where exposures are smooth spatial functions, such as distance to pollution sources or major roadways, common in environmental studies.


翻译:在估计具有空间结构的暴露变量效应时,未测量的空间混杂因素会使问题复杂化,除非施加结构性假设,否则会破坏空间线性回归模型的可识别性。本文开发了一个空间回归模型中效应估计的通用框架,该框架放宽了通常假设的"暴露变量需比混杂因素包含更高频变异"的要求。我们提出基函数投票法——一种在空间文献中具有新颖性的多数表决估计器,其仅在以下假设下能一致识别因果效应:在暴露变量与混杂因素的空间基展开中,存在若干基函数属于暴露变量的支撑集但不属于混杂因素的支撑集。该假设推广了现有用于空间混杂下因果效应识别的差分基支撑假设,且无需预先知晓哪些基函数满足此支撑条件。我们将该估计器设计为多个候选估计器的众数,其中每个候选估计器基于单一工作基函数计算。我们还证明其他基于多数表决的方法中常用的标准投影候选估计器通常效率低下,并提出了一种更高效的新型候选估计器。大量模拟实验与真实案例应用表明,只要暴露变量与混杂信号在多数基函数上可分离,我们的方法就能可靠地恢复无偏因果估计。由于不依赖更高频变异,本方法可适用于暴露变量为平滑空间函数(如环境污染源或主干道的距离)的场景,这在环境研究中十分常见。

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