【RNN练习】天气预测

news2024/12/24 11:27:02

🍨 本文为🔗365天深度学习训练营中的学习记录博客
🍖 原作者：K同学啊

一、环境及数据准备

1. 我的环境

语言环境：Python3.11.9
编译器：Jupyter notebook
深度学习框架：TensorFlow 2.15.0

2. 导入数据

import numpy as np
import pandas as pd
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')

from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Dense, Activation,Dropout
from tensorflow.keras.callbacks import EarlyStopping
from tensorflow.keras.layers import Dropout
from sklearn.metrics import classification_report,confusion_matrix
from sklearn.metrics import r2_score
from sklearn.metrics import mean_absolute_error , mean_absolute_percentage_error , mean_squared_error

data = pd.read_csv(r"D:\Personal Data\Learning Data\DL Learning Data\weatherAUS.csv")
df = data.copy()
data.head()

输出：
在这里插入图片描述

data.dtypes

在这里插入图片描述

data['Date'] = pd.to_datetime(data['Date'])
data['Date']

输出：
在这里插入图片描述

data['year'] = data['Date'].dt.year
data['Month'] = data['Date'].dt.month
data['day'] = data['Date'].dt.day
data.head()

输出：
在这里插入图片描述

data.drop('Date', axis=1, inplace=True)

data.columns

输出：
在这里插入图片描述

二、探索式数据分析

1. 数据相关性探索

plt.figure(figsize=(15,13))
numeric_data = data.select_dtypes(include=[np.number])
# data.corr()表示了data中的两个变量之间的相关性
ax = sns.heatmap(numeric_data.corr(), square=True, annot=True, fmt='.2f')
ax.set_xticklabels(ax.get_xticklabels(), rotation=90)
plt.show()

输出：
在这里插入图片描述

2.是否会下雨

sns.set(style="darkgrid")
plt.figure(figsize=(4,3))
sns.countplot(x='RainTomorrow',data=data)

输出：
在这里插入图片描述

plt.figure(figsize=(4,3))
sns.countplot(x='RainToday',data=data)

在这里插入图片描述

x = pd.crosstab(data['RainTomorrow'], data['RainToday'])
x

输出：
在这里插入图片描述

y = x / x.transpose().sum().values.reshape(2,1)*100
y

如果今天不下雨，那么明天下雨的机会 = 53.22%
如果今天下雨明天下雨的机会 = 46.78%

y.plot(kind='bar', figsize=(4, 3), color=['#006666', '#d279a6'])

在这里插入图片描述

3. 地理位置与下雨的关系

x=pd.crosstab(data['Location'],data['RainToday'])
#获取每个城市下雨天数和非下雨天数的百分比
y=x/x.transpose().sum().values.reshape((-1,1))*100
#按每个城市的雨天百分比排序
y=y.sort_values(by='Yes',ascending=True)
color=['#cc6699','#006699','#006666','#862d86','#ff9966' ]
y.Yes.plot(kind="barh",figsize=(15,20),color=color)

输出：
在这里插入图片描述

4.湿度和压力对下雨的影响

plt.figure(figsize=(8,6))
sns.scatterplot(data=data,x='Pressure9am',y='Pressure3pm',hue='RainTomorrow')

在这里插入图片描述

plt.figure(figsize=(8,6))
sns.scatterplot(data=data,x='Humidity9am',y='Humidity3pm',hue='RainTomorrow')

输出：
在这里插入图片描述
低压与高湿度会增加第二天下雨的概率，尤其下午3点的空气湿度。

5. 气温对下雨的影响

plt.figure(figsize=(8,6))
sns.scatterplot(x='MaxTemp',y='MinTemp',data=data,hue='RainTomorrow')

在这里插入图片描述
结论：当一天的最高气温和最低气温接近时，第二天下雨的概率会增加。

三、数据预处理

1. 处理缺损值

#每列中缺失数据的百分比
data.isnull().sum()/data.shape[0]*100

输出：
在这里插入图片描述

#在该列中随机选择数进行填充
lst=['Evaporation','Sunshine','Cloud9am','Cloud3pm']
for col in lst:
    fill_list =data[col].dropna()
    data[col] =data[col].fillna(pd.Series(np.random.choice(fill_list,size=len(data.index))))

s=(data.dtypes =="object")
object_cols=list(s[s].index)
object_cols

输出：
在这里插入图片描述

#inplace=True：直接修改原对象，不创建副本
#data[i].mode()[0] 返回频率出现最高的选项，众数

for i in object_cols:
    data[i].fillna(data[i].mode()[0],inplace=True)

t=(data.dtypes =="float64")
num_cols=list(t[t].index)
num_cols

输出：
在这里插入图片描述

#.median(), 中位数
for i in num_cols:
    data[i].fillna(data[i].median(), inplace=True)
data.isnull().sum()

输出：
在这里插入图片描述

2. 构建数据集

from sklearn.preprocessing import LabelEncoder

label_encoder=LabelEncoder()
for i in object_cols:
    data[i] =label_encoder.fit_transform(data[i])

X=data.drop(['RainTomorrow','day'],axis=1).values
y=data['RainTomorrow'].values

X_train,X_test, y_train, y_test =train_test_split(X,y,test_size=0.25,random_state=101)

scaler=MinMaxScaler()
scaler.fit(X_train)
X_train=scaler.transform(X_train)
X_test =scaler.transform(X_test)

model=Sequential()
model.add(Dense(units=24,activation='tanh',))
model.add(Dense(units=18,activation='tanh'))
model.add(Dense(units=23,activation='tanh'))
model.add(Dropout(0.5))
model.add(Dense(units=12,activation='tanh'))
model.add(Dropout(0.2))
model.add(Dense(units=1,activation='sigmoid'))

四、预测是否会下雨

1. 搭建神经网络

from tensorflow.keras.optimizers import Adam

optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=1e-4)

model.compile(loss='binary_crossentropy',
              optimizer=optimizer,
              metrics="accuracy")

early_stop=EarlyStopping(monitor='val_loss',
                         mode='min',
                         min_delta=0.001,
                         verbose=1,
                         patience=25,
                         restore_best_weights=True)

2. 模型训练

history=model.fit(x=X_train,
y=y_train,
validation_data=(X_test,y_test), verbose=1,
callbacks=[early_stop],
epochs =10,
batch_size =32
)

在这里插入图片描述

3. 结果可视化

import matplotlib.pyplot as plt

acc = model.history.history['accuracy']
val_acc = model.history.history['val_accuracy']

loss = model.history.history['loss']
val_loss = model.history.history['val_loss']

epochs_range = range(10)

plt.figure(figsize=(14, 4))
plt.subplot(1, 2, 1)

plt.plot(epochs_range, acc, label='Training Accuracy')
plt.plot(epochs_range, val_acc, label='Validation Accuracy')
plt.legend(loc='lower right')
plt.title('Training and Validation Accuracy')

plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(epochs_range, loss, label='Training Loss')
plt.plot(epochs_range, val_loss, label='Validation Loss')
plt.legend(loc='upper right')
plt.title('Training and Validation Loss')
plt.show()