3种机器学习方法预报风电功率的对比

根据甘肃省华家岭风力发电场的风场变化特征,利用风电场2017年8月-2018年7月的风电功率监测数据及同期欧洲中期天气预报中心的数值模式预报资料,用随机森林(RF)算法分析和筛选出主要的预报因子,分别选择RF、极限学习机和支持向量机3种机器学习方法建立预报模型,通过对比预报效果,得出适合的预报方法和模型.结果表明, RF算法的平均预报均方根误差为15.6%,预报效果优于极限学习机和支持向量机(预报均方根误差分别为16.8%和17.2%). RF算法在风电功率的短期预报方面取得了更好的效果,预报值与实际监测值更加接近;基于3种机器学习算法建立的风电功率预报模型的预报结果误差值都会随着风速的增大而增大,随着风速的减小而减小.     

华中区域夏季日用电量气象预报模型研究

利用华中地区三省2004年～2006年夏季(6～8月)逐日用电量和气温资料,计算分析了湖北省及华中地区三省日用电量与对应区域日平均气温≥30℃的台站数、日平均气温、日最高气温和日最低气温的相关关系,并以前两年对应资料建立了用电量气象预报模型,以2006年的资料进行预报效果的独立样本检验.结果表明:日平均气温≥30℃的台站数与日用电量有较好的峰谷对应关系;日用电量与4个气象要素指标的相关性均达到极显著程度,其中又以与日平均气温的相关系数最高;应用逐步回归方法分别建立了湖北省及华中地区三省夏季日用电量气象预报模型,其中日平均气温≥30℃台站数均入选了预报方程;两套模型的预报值与实际值拟合效果都较好.     

基于随机漂移粒子群优化的随机森林预测模型及水文应用实例

提出一种基于随机漂移粒子群(RDPSO)算法优化的随机森林(RF)预测方法,利用RDPSO算法优化RF决策树数量和分裂属性个数两个关键参数,构建RDPSO-RF预测模型,并与基于RDPSO算法优化的支持向量机(SVM)、BP神经网络预测模型作对比,以某水文站枯水期1～3月月径流预测为例,利用实例前43年和后10年资料对3种模型进行训练和预测.结果表明,RDPSO-RF模型对实例1～3月月径流训练、预测的平均相对误差绝对值分别为4.28%、3.88%、5.67%和3.74%、4.57%、4.88%,训练、预测精度均优于RDPSO-SVM、RDPSO-BP模型,具较好的预测精度和泛化能力,可为相关预测研究提供参考和借鉴.     

引汉济渭工程调水区月径流预报模型研究

针对各预报模型预报结果精度评价不统一的现状,考虑径流具有非线性、突变及非平稳性等特点,本文构建了包含均方根误差(RMSE)、平均绝对百分误差(MAPE)和Nash效率系数(NSE)三项指标的综合评价系统,对自回归滑动平均模型(ARMA)、人工神经网络模型(ANN)和支持向量机模型(SVM)在径流汛期和非汛期内进行了预报精度评价。结果表明:(1)单一评价指标下,ARMA模型与SVM模型预报结果精度相近,而综合评价系统表明,SVM模型预报精度优于ARMA模型;(2)三种模型在非汛期预报精度均高于汛期预报精度,SVM预报效果均最好。将径流进行分割后预报,预报精度可提高。本研究获得了可靠性和精度较高的月径流预报模型,可为工程水资源高效配置提供理论和技术支撑。     

基于CF融入SSA优化SVM和RF模型的滑坡易发性评价

针对传统的区域滑坡易发性评价建模过程可能存在的样本数据量纲不统一以及模型参数选取误差等问题,本文以陕西省留坝县为研究区,选取高程、坡度、水系、降雨量、地层岩性等10个评价因子,采用确定性系数模型(CF)计算各评价因子的敏感值作为支持向量机模型(SVM)和随机森林模型(RF)的输入样本属性值,引入麻雀搜索算法(SSA)分别对SVM模型和RF模型的参数进行优化,获取最优参数对两种模型进行训练,最终构建了CF-SSA-SVM和CF-SSA-RF模型,从而对整个研究区进行预测,完成滑坡易发性评价,并通过受试者工作特征曲线(ROC)对两种模型进行精度验证。结果表明,两种模型的评价结果均有较多滑坡点落在极高易发区,无滑坡点落在极低易发区,评价结果均有较高的准确率。其中,CF-SSA-RF模型的成功率和预测率曲线AUC值分别为0.994和0.940,高于CF-SSA-SVM模型;并以三处典型滑坡为例进行验证,结果显示易发性分区与历史滑坡点分布较为吻合。进一步表明CF-SSA-RF模型更适用于留坝县的滑坡易发性评价,为当地滑坡灾害风险评估提供了指导依据。     

ECMWF和T639数值预报产品在兰州市空气质量预报应用中的对比

利用2013-2015年兰州市空气污染逐日监测资料,分析了兰州市6种主要空气污染物PM_(10)、PM_(2.5)、NO_2、SO_2、CO和O_3的污染特征;以2014年欧洲中期天气预报中心(ECMWF)资料与T639气象要素预报产品,结合兰州市同期污染物质量浓度监测数据,分别建立了基于最小二乘法支持向量机(LS-SVM)的6种主要空气污染物未来2d的日均质量浓度预报模型;将ECMWF和T639中2015年2月1日-10月31日的气象要素与同期污染物质量浓度监测数据分别输入各模型进行试预报检验.结果表明,以ECMWF建立的预报模型对未来2 d的PM_(10)、PM_(2.5)、NO_2、SO_2和CO的日均质量浓度的预报效果优于T639,而T639对预报O_3有一定优势.用ECMWF建立的预报模型对未来24 h的空气质量指数等级和首要污染物的预报成功率为86.14%,48 h的为82.33%;T639对应的未来24 h预报成功率为83.52%,48 h的为74.43%.两种数值预报产品均可应用于基于LS-SVM预报模型的空气质量预报,其中使用ECMWF的预报产品的释用预报效果整体上更好.     

数据驱动的中小河流智能洪水预报方法对比研究

近几年在洪水预报中,数据驱动洪水预报模型得到了广泛的应用,并取得了良好的效果,但是数据驱动模型大都用于大流域,很少用于小流域.中小河流大多位于资料短缺的山丘区,洪水具有突发性强,汇流时间快,预见期短的特点.为此分别构建了SVM模型、BP神经网络模型、RBF网络模型、极限学习机(ELM)模型,并利用所构建的模型对昌化流域进行预报;结果表明,SVM模型和RBF网络模型在低流量区段预测较准确,而且模型预报稳定;BP神经网络模型在高流量区段较准确,但是模型预报结果不稳定;ELM模型预报误差较大,而且预报不稳定;于是采用组合模型方式:低流量区段采用SVM模型或RBF网络模型,高流量区段采用BP神经网络模型,实验结果表明组合模型预报效果更好.     

宁夏石嘴山地区盐碱地变化的目标级检测

采用同一地区、不同时相的Landsat 8OLI影像数据,结合影像的光谱、纹理和地理特征等24个变量,分别采用随机森林分类法(RF)和支持向量机分类法(SVM)对宁夏石嘴山地区进行影像分类,研究发现:影响分类模型精度的有DEM数据、归一化差异植被指数(NDVI)、短波红外波段、归一化差异湿度指数(NDMI)与第一主分量均值(M)等重要参量。RF的分类精度略高于SVM,总体分类精度为95.492%,Kappa系数为0.947;盐碱地的分类精度为98.510%,计算效率是SVM的16.5倍;RF方法更适合进行盐碱地目标级的变化检测。根据两个时相影像的RF分类结果,得到2014—2017年研究区盐碱地面积减少约133.56km2,减少比例56.368%,生态环境改善和盐碱地改良趋势较好。     

利用支撑向量机预报大气污染物浓度

针对污染物浓度序列具有强非线性和显著长程相关性的特点,结合相空间重构和支撑向量机(SVM)构建了一个多步预报的递归模型.对理想混沌序列和多种污染物浓度资料的实验结果表明,模型预报的准确率和效率均显著优于人工神经网络.这种通用建模方法的优势在于对系统非线性机制的反馈十分清晰,充分发挥了SVM适用于小样本问题、映射能力强、全局最优等特点,对非线性时间序列预报适用的其他领域同样具有启发意义.     

基于多模式预报优选融合技术的短时定量降水预报

为提升短时定量降水预报准确率,使其更好地支撑城市暴雨洪涝及中小河流洪水预报,基于多源数值天气模式预报值,构建了基于预报成员优选融合的短时(0~12h)逐小时定量降水预报模型,模型由单模式百分位映射订正技术模块、模式订正预报成员实时优选技术模块、预报成员实时融合技术模块和融合预报的百分位映射订正技术模块4个技术模块组成。以河南省为例对模型进行检验,结果表明:模型预报降水分布和强度随着预报时效临近更接近实况降水;模型提前6h预报出郑州“7·20”暴雨最强时段降水的落区和强度;在2021年1—9月降水预报对比检验中,模型预报准确率高于任意单模式订正预报和原始模式预报,且准确率随着预报时效的临近逐步提高。     

基于近红外光谱的杏仁糖中糖含量预测模型的研究

本研究以32个杏仁糖样品为研究对象,使用4种不同近红外光谱仪采集样品的光谱数据,利用二阶导数光谱法处理数据,并结合Savizky-Golay平滑方法,计算二阶导数光谱。将数据集预处理后,建立偏最小二乘(PLS)和支持向量机(SVM)模型用于预测未知样品的糖含量,通过对两个模型的应用发现,PLS模型预测值与真实值偏差较大,均方根误差为2.9822,而SVM模型中利用10折交叉验证优化参数,优化参数后预测值几乎全部与真实值相同,预测值与真实值间均方根误差为0.0127,误差极小。综上所述, SVM模型均方根误差较小,所以选择SVM模型作为糖的预测模型,为杏仁糖样品中糖含量的快速检测提供一种精确简单的方法,此模型可推广至食品中糖含量的定量分析。     

北京市空气污染与气象条件的关系及其预报

利用北京市2015-2017年逐日、逐小时w(PM_(2.5))、w(SO_2)和w(O_3)资料,及同期NCEP/NCAR的高分辨率全球预报系统数值预报产品,计算了相关空气污染气象参数,研究了北京市空气污染物质量浓度与气象条件的关系.采用逐步回归方法,建立了北京市空气污染物w(PM_(2.5))、w(SO_2)和w(O_3)的预报方程,并对预报结果进行了检验.结果表明,稳定能量和涡度与w(PM_(2.5))、w(SO_2)以正相关为主,与w(O_3)以负相关为主.低层平均风速和边界层厚度与w(PM_(2.5))、w(SO_2)以负相关为主,与w(O_3)以正相关为主.地面露点温度与w(PM_(2.5))、w(SO_2)和w(O_3)以正相关为主;在优选空气污染气象参数的基础上,利用逐小时空气污染物质量浓度资料和逐步回归方法,筛选了最佳预报因子,建立了北京市逐3 h的0～72 h短期精细化空气污染物质量浓度预报模型,能够拟合w(PM_(2.5))、w(SO_2)和w(O_3)随边界层气象条件的变化趋势.     

基于RF模型的高分辨率遥感影像分类评价

以QuickBird高分辨率遥感影像为主要数据源,采用多尺度影像分割方法提取地物对象的光谱、纹理和形状特征;在此基础上,构建基于随机森林（RF）方法的遥感影像分类模型,分析和评价特征变量对模型重要性与稳定性的影响。结果表明:1研究区最优分割尺度参数为70、形状因子0.2、色彩因子0.8,同时构建研究区乔木、灌木和草地等8个景观类型的光谱、纹理和形状等32个特征变量信息;2选择5 000棵树和1个节点变量构建的RF分类模型的总体精度为0.94,Kappa系数为0.93,OOB（Out of Bag）数据泛化误差为6.01%;3通过分析特征变量的重要性发现,Ratio_la₁和Ratio_la₂等光谱特征的重要性值明显比形状特征和纹理特征的高;4基于平均下降精度,选择16个变量构建RF模型时总体精度达到0.94,Kappa系数0.93;5基于基尼指数构建的RF模型,在19个变量时总体精度和Kappa系数达到峰值。相比较而言,基于平均下降精度构建的RF较稳定。     

应用RF和SVM的城镇土地利用面向对象分类

中尺度城镇土地资源空间信息提取是资源环境监测的重要内容。以鄂州、黄冈区域城镇为案例,基于Landsat 8数据,使用面向对象方法提取地类光谱、纹理、几何和地形特征,并应用RF和SVM算法实施城镇土地利用分类。结果表明,合理尺度分割能够增强用地类型可识别性,提升解译效率; RF和SVM算法很好地模拟了地类对象属性特征地物类别间的模式规则,RF分类模型总体精度达89. 18%,Kappa系数为86. 33%,SVM模型总体精度为88. 03%,Kappa系数为81. 60%,整体而言RF分类结果优于SVM。该方案兼具可操作性、准确性,对大中尺度的土地资源信息提取适用性良好。     

机器学习模型在地下水埋深模拟中的适应性分析

基于京津冀气象、社会资料及地下水埋深数据,构建支持向量机(SVM)、循环神经网络(RNN)和长短期记忆神经网络(LSTM)模型对京津冀地区13个城市地下水埋深进行了模拟,并以确定系数、均方根误差、平均绝对百分比误差、纳什系数对3个模型的适应性进行了评价。结果表明：LSTM模型模拟效果最好,其次是RNN,SVM最差;不同城市基于LSTM模型进行地下水埋深模拟时参数调整最少,适应性最好,SVM模型参数调整最多。将3个模型应用于随机选择的6个测站进行验证,在华北地区浅层地下水埋深模拟方面,LSTM模型模拟精度和可信度最好,适应性最强,是该地区地下水埋深模拟的首选机器学习模型。     

基于图像特征的大气能见度估算方法

针对现有图像能见度测量方法存在目标物架设复杂和物理量解算困难的问题,该文提出一种简单有效的基于图像特征的大气能见度估算方法。采用图像梯度和对比度作为能见度的特征变量,将图像感兴趣区进行分窗处理后,利用支持向量机(SVM)和随机森林(RF)两种算法建立能见度数值与图像特征的关系模型。结果表明,图像梯度和对比度特征能够准确反映能见度数值大小;窗口总数对模型精度有影响。窗口总数小于35时SVM算法优于RF算法;在窗口总数为70、窗口大小为140×10时,RF算法的像素精度最高,最优模型决定系数R2为0.965,均方根误差为658.13 m。     

基于北太平洋海温的河北省冬小麦白粉病发生趋势预报

基于全球气候系统的遥相关机制,北太平洋海温经常作为中国中长期天气和气候预报的指示因子.为延长冬小麦白粉病预报时效,提高预报的实用价值,利用北太平洋海面温度的逐月5(经度)×5(纬度)网格数据,通过1990-2010年历史数据的相关分析和逐步回归分析,发现前1年5月~当年4月的北太平洋赤道中部和西北部区域的太平洋海面温度(SST)对河北省冬小麦白粉病发生面积存在显著影响;进而筛选并利用关键海温因子建立不同时段的河北省白粉病发生面积预报模型,即利用前1年5月~12月的海温、可在年前进行白粉病预报的年前预报模型以及利用前1年5月~当年3或4月海温进行预报的白粉病早春模型或仲春模型;并根据贝叶斯分类规则,进一步建立了白粉病流行程度的等级预报模型.经检验,3个时段模型的面积预报历史拟合率分别为82.6%,83%,80.5%,贝叶斯模型对发病程度历史拟合的最大误差为1个等级;在2011-2013年的实际应用预报中,2012年将中等偏轻的实况预报为偏重发生,相差2个等级,其他年份预报结果与实际发生趋势一致.另外,分析结果还表明,白粉病发生面积与前1年发生面积显著相关,因此,建立了基于前1年生物基数和太平洋海温预报的小麦白粉病中长期综合预报模型.结果表明,海温对小麦白粉病害具有较强的气候指示效应,辅以其他因子的综合预报方法,能够较早、较好地预报出冬小麦白粉病流行程度,从而提高白粉病的长期预报能力,为生产部门的管理决策和提高防保效率提供可靠依据.     

基于单个特征分类准确率的特征选择方法研究

【目的】随着遥感技术迅猛发展,在影像解译过程中提取的信息越来越繁杂多样。为提高地物分类准确率,常加入更多的特征信息,而由此往往造成一定的信息冗余,导致分类效率甚至准确率降低。笔者利用随机森林(RF)和支持向量机(SVM)分类器,探索在遥感分类过程中保证分类精度的同时又能降低特征维度的方法。【方法】以吉林省安图县福兴林场部分区域为研究对象,利用2015年Landsat-8影像为数据源,提取光谱信息(红、绿、蓝、近红外和短波红外波段)、植被指数(NDVI、增强型植被指数、比值植被指数和裸土植被指数)、纹理(同质性、均值、二阶矩、方差、差异性、对比度、熵和相关性)和地形信息(坡度和坡向)共19个指标作为分类特征变量。以RF分类器估测的特征重要性进行特征选择为对照,分别以单个特征在RF和SVM两分类器中的分类准确率为依据进行特征选择,并对选取的特征进行主成分分析,与未做主成分分析的进行区分,再分别用RF和SVM分类器进行分类,评价分类精度,确定最优特征和分类器组合。【结果】①基于SVM单个特征分类准确率选取特征,对选取的特征进行主成分分析,再用RF进行分类,该方法与其他方法相比分类性能最好,当特征维度为5时,总体精度为0.86,Kappa系数为0.83; 与输入全部特征进行分类相比,不仅提高了分类精度,而且降低了特征维度,使分类效率得以提升。基于RF特征重要性选取特征的RF分类取得了较高的分类准确率,但特征维数小于7时,分类准确率波动较大; 在特征维数为4时分类准确率增至最大值(0.88),随后骤降为0.83,之后基本保持在此水平。而基于单个特征分类准确率选取特征,分类准确率变化较为平缓,如上所提最优分类性能方法的分类准确率波动范围基本在0.02。②基于单个特征在RF和SVM分类器中的分类准确率进行特征选择,在随后的分类过程中,SVM分类器分类精度总体高于RF。基于RF单个特征分类准确率选取特征的SVM分类,及基于SVM单个特征分类准确率选取特征并对选取特征进行主成分分析的RF分类,较仅利用SVM或RF单个分类器选取特征并分类的分类准确率更高。【结论】①基于单个特征分类准确率的特征选择方法,可在保证分类精度的同时降低特征维度,且在较低维度时,基于该方法选取特征的分类精度较基于特征重要性选取特征的分类精度更稳定。②基于单个特征分类准确率进行特征选择,不同分类器选取的特征有所差异,分类准确率也不同,利用多个分类器较单个分类器选取特征并分类的性能更好。③在中低维度时,RF分类器的分类准确率可能与特征输入顺序有关,对输入特征进行主成分分析有利于提高分类器的分类精度及稳定性。     

基于最大Lyapunov指数的市场出清电价预测

应用相空间重构和最大Lyapunov指数的计算方法对市场出清电价序列特性进行判定.依据最大Lyapunov指数预报模式,构建基于一种新的出清电价预测模型.对某电力市场1999-01-01-1999-08-31的电价进行混沌时间序列判定,采用最大Lyapunov指数预报模型和AR(2)模型进行预测.研究结果表明:采用最大Lyapunov指数预报模型预测所得市场出清电价预测值与实际值的平均绝对误差率为7.234 7％,最大绝对误差率为17.017 5％;采用AR(2)模型预测预测所得市场出清电价预测值与实际值的平均绝对误差率为5.540 8％,最大绝对误差率为11.830 0％;总体上,最大Lyapunov指数预报模型预测结果的精度略比AR(2)模型预测结果的精度低,但绝对误差率大于6％的时点数少于AR(2)的预测数,这表明应用最大Lyapunov指数对出清电价进行预测具有可行性.     

基于SVM和线性光谱混合模型的城市不透水面丰度提取

不透水面丰度的提取在城市环境监测和规划研究中具有重要价值.基于2006年7月30日合肥市TM影像数据,运用支持向量机(SVM)监督分类与线性光谱混合模型(LSMM)相结合的方法提取研究区不透水面丰度值,并与单一运用线性光谱混合模型提取结果进行比较.研究结果表明:支持向量机监督分类和线性光谱混合模型相结合的方法RMSE为12.8%,提取精度高于线性光谱混合模型,该方法提高了城市不透水面丰度提取的精度.