Ту задачу, которую вы пытаетесь решить, можно отнести к классу задач пространственно-временной (гео)статистики, в частности - пространственно-временной интерполяции. Что-то есть на русском, гораздо больше информации на английском. Гуглите по словосочетанию "spatio-temporal interpolation".
Для R можно начать, например, вот отсюда
r-video-tutorial.blogspot.com/2015/08/spatio-tempo...
Задача, сразу предупреждаю, не из простых.