S24L01 – 决策树与随机森林

在Python中实现决策树、随机森林、XGBoost和AdaBoost进行天气预测

目录

  1. 简介
  2. 数据集概述
  3. 数据预处理
  4. 模型实现与评估
  5. 可视化决策区域
  6. 结论
  7. 参考文献

简介

预测天气状况是机器学习中的经典问题,为农业、航空和活动策划等多个行业提供了宝贵的见解。在本综合指南中,我们将深入探讨实现几种机器学习模型——包括决策树随机森林XGBoostAdaBoost——以预测明天是否会下雨,使用的是澳大利亚天气数据集。我们将详细介绍数据预处理、模型训练、评估,甚至将这些模型部署到实际的网络应用中。

数据集概述

澳大利亚天气数据集,来源于Kaggle,包含与澳大利亚各地记录的天气状况相关的24个特征。主要目标是预测RainTomorrow属性,指示第二天是否会下雨。

数据集特征

  • Date: 观测日期。
  • Location: 气象站的地理位置。
  • MinTemp: 最低温度,单位°C。
  • MaxTemp: 最高温度,单位°C。
  • Rainfall: 降雨量,单位毫米。
  • Evaporation: 蒸发量,单位毫米。
  • Sunshine: 日照时数。
  • WindGustDir: 最强阵风的风向。
  • WindGustSpeed: 最强阵风的风速,单位km/h。
  • WindDir9am: 上午9点的风向。
  • WindDir3pm: 下午3点的风向。
  • …以及更多。

数据预处理

有效的数据预处理对构建准确可靠的机器学习模型至关重要。我们将涵盖处理缺失值、编码分类变量、特征选择和缩放。

处理缺失值

缺失数据可能会显著影响模型性能。我们将分别处理数值和分类数据的缺失值。

数值数据

对于数值列,我们将使用均值填充来填补缺失值。

分类数据

对于分类列,我们将使用众数填充

编码分类变量

机器学习算法需要数值输入。我们将根据每个特征中唯一类别的数量,采用标签编码独热编码

特征选择

为了提高模型性能并减少计算复杂性,我们将使用SelectKBest方法与卡方统计量选择前几个重要特征。

训练集与测试集划分及特征缩放

将数据划分为训练集和测试集,确保模型性能在未见过的数据上得到评估。

模型实现与评估

我们将实现各种机器学习模型,并使用准确率来评估它们的性能。

K-近邻算法 (KNN)

KNN 准确率: 0.80

逻辑回归

逻辑回归准确率: 0.83

高斯朴素贝叶斯

高斯朴素贝叶斯准确率: 0.80

支持向量机 (SVM)

SVM 准确率: 0.83

决策树

决策树准确率: 0.83

随机森林

随机森林准确率: 0.83

XGBoost和AdaBoost

虽然初始实现未涵盖XGBoost和AdaBoost,这些集成方法可以进一步提升模型性能。以下是如何实现它们的简要示例:

XGBoost

AdaBoost

注意: 确保您已使用pip install xgboost安装了xgboost库。

可视化决策区域

可视化决策边界有助于理解不同模型如何分类数据。以下是使用鸢尾花数据集的示例:

可视化输出: 展示KNN分类器创建的决策边界的图表。

结论

在本指南中,我们探讨了使用澳大利亚天气数据集实现各种机器学习模型——决策树、随机森林、逻辑回归、KNN、高斯朴素贝叶斯和SVM——来预测天气状况。每个模型都展示了具有竞争力的准确率,逻辑回归、SVM、决策树和随机森林的准确率均达到约83%。

为了提升性能,可以整合像XGBoost和AdaBoost这样的集成方法。此外,将这些模型部署到网络应用中,可以提供实时天气预测,使最终用户能够将这些见解付诸实践。

参考文献

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