04 马尾松毛虫精细化预报多层感知器建模试验.docx
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04马尾松毛虫精细化预报多层感知器建模试验
马尾松毛虫精细化预报多层感知器建模试验
张国庆
(安徽省潜山县林业局安徽246300)
摘要:
经过多次神经网络多层感知器试验,筛选拟合度高的马尾松毛虫精细化预报模型。
试验结果表明,R2均大于0.9,多层感知器马尾松毛虫预报模型要优于径向基函数与回归方法建立的模型。
关键词:
马尾松毛虫;精细化预报;多层感知器;神经网络;试验
1.数据来源
马尾松毛虫发生量、发生期数据来源于潜山县监测数据,气象数据来源于国家气候中心。
2.数据预处理
将越冬代数据与上一年第二代数据合并,在时间上保持了一个马尾松毛虫世代的完整性,以便于建模和预测。
经过SPSS相关性分析和逐步回归,排出相关性较低的变量,第一代发生量选择相关性绝对值较高的第1、2龄极低气温,卵期极低气温,上一代防治效果,上一代防治面积,第1、2龄降雨量;第二代发生量选择第1、2龄极低气温,上一代防治面积,卵期极低气温,上一代防治效果,第1、2龄降雨量,卵期降雨量;第一代幼虫高峰期选择成虫始见期,第1、2龄平均气温,第1、2龄积温,第1、2龄极低气温,卵期极低气温,卵期平均气温,卵期积温;第二代幼虫高峰期发生期选择成虫始见期,卵期平均气温,卵期积温,第1、2龄极低气温,第1、2龄平均气温,第1、2龄积温,卵期极低气温。
3.试验工具
IBMSPSSStatistics22中神经网络多层感知器分析工具。
4.第一代发生量建模试验
先后选择第1、2龄极低气温,卵期极低气温,上一代防治效果,上一代防治面积,第1、2龄降雨量等变量进行建模试验,选择拟合度较高的模型。
通过试验比较,因子变量选择上一代防治面积、上一代防治效果、卵期极低气温与第1、2龄极低气温,协变量选择卵期降雨量和第1、2龄降雨量建模效果较好。
过程为:
*MultilayerPerceptronNetwork.
MLP发生面积合计(MLEVEL=S)BY上一代防治面积上一代防治效果卵期极低气温第12龄极低气温WITH卵期降雨量第12龄降雨量
/RESCALECOVARIATE=STANDARDIZED
/PARTITIONTRAINING=7TESTING=3HOLDOUT=0
/ARCHITECTUREAUTOMATIC=YES(MINUNITS=1MAXUNITS=50)
/CRITERIATRAINING=BATCHOPTIMIZATION=SCALEDCONJUGATELAMBDAINITIAL=0.0000005SIGMAINITIAL=0.00005INTERVALCENTER=0INTERVALOFFSET=0.5MEMSIZE=1000
/PRINTCPSNETWORKINFOSUMMARYSOLUTION
/PLOTNETWORKPREDICTEDRESIDUAL
/SAVEPREDVAL
/OUTFILEMODEL='E:
\课题\精细化课题2015\建模数据\04多层感知器分析数据\多层感知器分析发生量数据第1代突触权重.xml'
/STOPPINGRULESERRORSTEPS=1(DATA=AUTO)TRAININGTIMER=ON(MAXTIME=15)MAXEPOCHS=AUTOERRORCHANGE=1.0E-4ERRORRATIO=0.0010
/MISSINGUSERMISSING=EXCLUDE.
实验结果为:
表1观察值处理摘要
N
百分比
样本
训练
21
95.5%
Testing
1
4.5%
有效
22
100.0%
已排除
9
总计
31
表2网络信息
输入阶层
因素
1
上一代防治面积
2
上一代防治效果
3
卵期极低气温
4
第12龄极低气温
共变量
1
卵期降雨量
2
第12龄降雨量
单位数a
68
共变量的重新计算方法
标准化
隐藏阶层
隐藏阶层的数目
1
隐藏阶层1的单位数a
9
启动函数
双曲线正切值
输出阶层
因变数
1
发生面积合计
单位数
1
尺度相依的重新计算方法
标准化
启动函数
单位
错误函数
平方和
a.排除偏差单位
表3模型摘要
训练
平方和错误
.494
相对错误
.049
已使用中止规则
1连续步骤(含错误缩减)a
训练时间
0:
00:
00.02
Testing
平方和错误
6.986E-6
相对错误
.b
应变数:
发生面积合计
a.错误计算是以测试样本为基础。
b.无法计算。
测试样本中的应变量可能是常数。
表4参数评估
默认值
预测值
隐藏阶层1
输出阶层
H(1:
1)
H(1:
2)
H(1:
3)
H(1:
4)
H(1:
5)
H(1:
6)
H(1:
7)
H(1:
8)
H(1:
9)
发生面积合计
输入阶层
(偏差)
-.378
.085
.055
-.371
-.025
-.544
-.533
-.550
-.001
[上一代防治面积=.00]
-.407
.475
.230
.025
-.461
.421
.270
-.585
.723
[上一代防治面积=100.00]
.109
-.257
-.063
.429
.751
.371
-.408
.112
.132
[上一代防治面积=228.00]
.090
.074
.023
-.390
.191
-.154
-.099
-.034
-.637
[上一代防治面积=337.33]
.015
-.242
-.154
.457
.164
.603
.237
.046
.597
[上一代防治面积=606.67]
-.285
-.459
.376
.601
-.369
-.457
-.214
.100
.463
[上一代防治面积=666.67]
-.181
-.654
-.616
.147
.058
-.265
.344
-.364
.154
[上一代防治面积=1651.00]
.487
-.247
.015
-.569
.105
-.127
-.129
-.311
.324
[上一代防治面积=1785.07]
-.210
.109
-.512
.090
-.302
-.440
.101
-.208
-.357
[上一代防治面积=2980.00]
-.025
.167
-.316
-.564
-.035
.020
.069
.123
-.721
[上一代防治面积=5240.00]
-.426
.382
.287
.155
-.494
.242
.298
-.028
-.626
[上一代防治面积=5295.13]
.137
.410
.106
-.347
-.144
.554
-.048
-.146
-.118
[上一代防治面积=6313.33]
-.787
-.301
-.008
-.130
-.145
-.699
.403
-.164
.431
[上一代防治面积=6966.67]
.506
-.117
.603
.284
.400
.116
.192
.498
-.672
[上一代防治面积=12040.00]
.122
.125
.379
.372
-.253
-.325
-.567
-.141
.185
[上一代防治面积=17040.87]
.137
.619
.278
-.169
.242
-.521
-.205
-.148
.185
[上一代防治面积=33381.40]
-.361
.130
.806
.438
.247
-.195
.414
-.177
-.359
[上一代防治效果=.00]
.040
.052
.445
.226
-.162
.675
.119
-.092
.253
[上一代防治效果=.36]
.020
-.290
.586
.306
.059
.061
.465
-.345
.112
[上一代防治效果=.78]
-.413
-.415
-.826
.361
.219
-.212
-.607
-.177
.296
[上一代防治效果=.80]
.080
.354
-.169
.401
-.159
-.487
-.333
-.692
-.118
[上一代防治效果=.82]
-.256
-.324
-.413
.036
-.394
.729
-.702
.534
-.217
[上一代防治效果=.86]
.063
-.284
.362
-.129
-.335
.211
.195
-.447
-.541
[上一代防治效果=.88]
-.099
-.133
-.545
.715
.349
-.056
.101
.235
.592
[上一代防治效果=.90]
-.582
-.048
.846
.106
-.058
.733
-.176
.011
.234
[上一代防治效果=.92]
-.570
.202
-.102
.688
.311
.174
-.173
-.102
-.230
[上一代防治效果=.96]
-.247
-.599
.157
-.123
.506
-.229
.483
.439
-.107
[卵期极低气温=13.2]
-.445
-.416
-.218
-.034
.311
-.623
-.390
-.446
-.142
[卵期极低气温=16.3]
-.091
.183
.713
.578
.009
-.102
-.117
.368
-.411
[卵期极低气温=16.7]
-.109
.265
.119
-.310
.220
.324
-.611
-.092
.187
[卵期极低气温=17.3]
.416
-.332
.062
-.098
-.756
.447
-.561
.303
-.050
[卵期极低气温=17.5]
-.281
-.043
-.656
.432
-.649
-.194
.230
.287
.057
[卵期极低气温=18.3]
.687
.333
.217
.495
.426
.169
.195
.428
.169
[卵期极低气温=18.5]
.120
.290
.429
-.178
-.184
-.138
-.159
.018
-.504
[卵期极低气温=18.6]
.057
.212
.667
.231
-.224
.338
.554
-.704
-.021
[卵期极低气温=18.7]
.027
.490
-.034
.431
.334
.114
.194
-.006
.292
[卵期极低气温=18.8]
-.081
.157
.420
-.079
.311
-.380
.733
.341
-.029
[卵期极低气温=18.9]
-.386
.140
-.120
.608
-.656
-.449
.122
-.197
-.308
[卵期极低气温=19.0]
.257
-.457
.150
-.102
-.493
-.332
-.241
.173
-.172
[卵期极低气温=19.6]
-.385
-.512
.032
.033
-.112
-.067
.174
.222
.080
[卵期极低气温=19.7]
-.090
.109
.348
.001
.392
-.142
-.025
-.118
.417
[卵期极低气温=19.8]
.192
-.490
-.434
.580
-.182
-.301
.205
.422
-.463
[卵期极低气温=20.1]
-.236
-.064
-.029
.387
.129
-.184
-.187
-.277
-.162
[卵期极低气温=20.6]
-.252
-.483
-.362
-.544
.499
.583
.157
.065
.044
[卵期极低气温=21.1]
.344
-.470
.575
.001
.653
.136
.005
-.025
.111
[卵期极低气温=23.7]
-.323
.267
-.204
.036
-.434
-.056
-.025
.270
-.173
[第12龄极低气温=13.2]
-.113
.378
-.160
.238
.417
.097
-.214
-.111
-.151
[第12龄极低气温=16.3]
.196
.275
-.399
-.618
-.251
-.338
.158
-.540
-.164
[第12龄极低气温=17.3]
.097
.188
-.064
.353
.336
-.372
.375
.458
-.132
[第12龄极低气温=17.5]
-.331
.139
-.524
-.451
-.067
.302
-.545
-.316
-.729
[第12龄极低气温=18.3]
.144
.132
-.311
.291
-.369
-.712
-.083
.121
.268
[第12龄极低气温=18.5]
-.317
-.039
.201
.454
-.186
-.241
-.422
.041
-.519
[第12龄极低气温=18.6]
.216
-.178
.387
-.039
-.220
.370
.286
.602
.156
[第12龄极低气温=18.7]
-.387
.002
.328
-.398
-.310
-.060
.364
-.191
.213
[第12龄极低气温=18.8]
-.126
-.312
.200
.698
-.237
.054
-.389
.229
-.143
[第12龄极低气温=18.9]
.688
.339
.588
.121
-.650
.439
.085
.016
-.641
[第12龄极低气温=19.0]
-.058
.681
.268
.459
.180
.081
.444
.386
.077
[第12龄极低气温=19.1]
-.079
-.568
.087
.030
.148
.095
-.462
-.239
-.391
[第12龄极低气温=19.2]
.103
.742
.516
.172
.139
-.060
-.397
.405
.498
[第12龄极低气温=19.3]
.230
.299
.385
.223
.190
-.369
-.241
-.350
.342
[第12龄极低气温=19.7]
.028
.316
.294
-.206
.481
-.552
-.116
.284
-.387
[第12龄极低气温=19.8]
-.045
-.153
-.407
-.462
.277
.265
-.583
-.378
.564
[第12龄极低气温=20.1]
.037
.645
-.187
.710
-.386
.014
-.400
.003
.715
[第12龄极低气温=21.0]
.213
.280
.758
-.637
-.419
.591
.139
.042
.330
[第12龄极低气温=21.1]
-.301
.339
.610
.514
-.496
.105
.699
-.072
.249
[第12龄极低气温=22.0]
.063
-.073
-.191
-.313
-.270
.407
-.555
.109
.027
[第12龄极低气温=23.7]
.646
-.291
-.059
-.399
-.079
-.424
.201
-.063
-.470
卵期降雨量
.117
.352
-.172
-.251
.712
-.347
-.228
-.274
-.021
第12龄降雨量
.435
-.284
.032
.200
-.112
.308
-.122
-.060
.083
隐藏阶层1
(偏差)
.286
H(1:
1)
-.027
H(1:
2)
.172
H(1:
3)
-1.228
H(1:
4)
-.334
H(1:
5)
-.103
H(1:
6)
-.429
H(1:
7)
.050
H(1:
8)
-.574
H(1:
9)
-.159
试验结果表明,R2=0.957,模型拟合度高。
5.第二代发生量建模试验
选择第1、2龄极低气温,上一代防治面积,卵期极低气温,上一代防治效果对第二代马尾松毛虫发生量分次进行建模试验,选择拟合度较高的模型。
经过多次试验,因子变量选择第1、2龄极低气温和上一代防治面积,协变量选择卵期极低气温,分区变量分配个案选择上一代防治效果,模型拟合度极高。
过程为:
*MultilayerPerceptronNetwork.
MLP发生面积合计(MLEVEL=S)BY第12龄极低气温上一代防治面积WITH卵期极低气温
/RESCALECOVARIATE=STANDARDIZED
/PARTITIONVARIABLE=上一代防治效果
/ARCHITECTUREAUTOMATIC=YES(MINUNITS=1MAXUNITS=50)
/CRITERIATRAINING=BATCHOPTIMIZATION=SCALEDCONJUGATELAMBDAINITIAL=0.0000005SIGMAINITIAL=0.00005INTERVALCENTER=0INTERVALOFFSET=0.5MEMSIZE=1000
/PRINTCPSNETWORKINFOSUMMARYCLASSIFICATIONSOLUTION
/PLOTNETWORKPREDICTEDRESIDUAL
/SAVEPREDVAL
/OUTFILEMODEL='E:
\课题\精细化课题2015\建模数据\04多层感知器分析数据\多层感知器分析发生量数据第2代突触权重.xml'
/STOPPINGRULESERRORSTEPS=1(DATA=AUTO)TRAININGTIMER=ON(MAXTIME=15)MAXEPOCHS=AUTOERRORCHANGE=1.0E-4ERRORRATIO=0.0010
/MISSINGUSERMISSING=EXCLUDE.
试验结果为:
表5观察值处理摘要
N
百分比
样本
训练
16
100.0%
有效
16
100.0%
已排除
16
总计
32
表6网络信息
输入阶层
因素
1
第12龄极低气温
2
上一代防治面积
共变量
1
卵期极低气温
单位数a
31
共变量的重新计算方法
标准化
隐藏阶层
隐藏阶层的数目
1
隐藏阶层1的单位数a
8
启动函数
双曲线正切值
输出阶层
因变数
1
发生面积合计
单位数
1
尺度相依的重新计算方法
标准化
启动函数
单位
错误函数
平方和
a.排除偏差单位
表7模型摘要
训练
平方和错误
.003
相对错误
.000
已使用中止规则
达到训练错误比例准则(.001)
训练时间
0:
00:
00.03
应变数:
发生面积合计
表8参数评估
默认值
预测值
隐藏阶层1
输出阶层
H(1:
1)
H(1:
2)
H(1:
3)
H(1:
4)
H(1:
5)
H(1:
6)
H(1:
7)
H(1:
8)
发生面积合计
输入阶层
(偏差)
-.322
.436
-.860
.080
-.539
-.139
-.222
-.066
[第12龄极低气温=17.3]
-.924
.275
.264
.414
-.136
-.155
.018
.167
[第12龄极低气温=17.9]
-.523
.118
.435
.068
-.047
.287
-.757
-.332
[第12龄极低气温=18.6]
.855
.219
-.626
.228
.519
.161
-.448
.298
[第12龄极低气温=19.0]
.859
-.533
.292
-.017
-.140
.393
-.299
-.357
[第12龄极低气温=19.5]
-.172
-.247
-.028
.497
.293
.367
.109
-.125
[第12龄极低气温=19.7]
.601
-.316
-.140
-.591
-.084
-.230
-.351
.130
[第12龄极低气温=19.9]
.100
-.630
.766
.022
.065
.621
-.322
.773
[第12龄极低气温=20.0]
-.089
.237
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