机器学习实战5-天气预测系列:利用数据集可视化分析数据，并预测某个城市的天气情况

大家好，我是微学AI，最近天气真的是多变啊，忽冷忽热，今天再次给大家带来天气的话题，机器学习实战5-天气预测系列，我们将探讨一个城市的气象数据集，并利用机器学习来预测该城市的天气状况。该数据集包含年平均温度和湿度等信息。

一、准备工作

首先，我们需要了解一下数据集中包含哪些信息。原始数据集可能包含多个变量，但我们主要关注年平均温度和湿度这两个因素对天气状况的影响。年平均温度和湿度可以很好地反映该城市的气候状况，因此它们是预测天气状况的重要变量。我们会对数据集中的各种字段进行分析。

在数据预处理和分析完成之后，我们可以使用各种机器学习算法进行预测。这些算法可以分为有监督学习和无监督学习。有监督学习算法需要使用标记数据集进行训练，以生成预测模型。常用的有监督学习算法包括线性回归、决策树、随机森林、向量机分类模型(SVC算法)等。无监督学习算法则不需要标记数据集，而是通过发现数据集中的潜在规律进行预测。常用的无监督学习算法包括聚类、降维等。本文采用向量机分类模型进行分类预测。

 二、代码实践

1.数据导入

import pandas as pd 

import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei']

df = pd.read_csv('weather_dataset.csv')
labels = pd.read_csv('weather_labels.csv')

我们将导入数据，数据的获取链接：https://pan.baidu.com/s/17M4oR-G_HVcDfFq1ap2rqw?pwd=9iu1 
提取码：9iu1

数据样例：

DATE	MONTH	BASEL_cloud_cover	BASEL_humidity	BASEL_pressure	BASEL_global_radiation	BASEL_precipitation	BASEL_sunshine	BASEL_temp_mean	BASEL_temp_min	BASEL_temp_max	BUDAPEST_cloud_cover	BUDAPEST_humidity	BUDAPEST_pressure
20000101	1	8	0.89	1.0286	0.2	0.03	0	2.9	1.6	3.9	3	0.92	1.0268
20000102	1	8	0.87	1.0318	0.25	0	0	3.6	2.7	4.8	8	0.94	1.0297
20000103	1	5	0.81	1.0314	0.5	0	3.7	2.2	0.1	4.8	6	0.95	1.0295
20000104	1	7	0.79	1.0262	0.63	0.35	6.9	3.9	0.5	7.5	8	0.94	1.0252
20000105	1	5	0.9	1.0246	0.51	0.07	3.7	6	3.8	8.6	5	0.88	1.0235
20000106	1	3	0.85	1.0244	0.56	0	5.7	4.2	1.9	6.9	5	0.89	1.026
20000107	1	8	0.84	1.0267	0.2	0	0	4.7	1.8	6.2	8	1	1.0299
20000108	1	4	0.79	1.0248	0.54	0	4.3	5.6	4.1	8.4	8	0.97	1.0302
20000109	1	8	0.88	1.0243	0.11	0.65	0	4.6	3.8	5.7	8	0.95	1.0289
20000110	1	8	0.91	1.0337	0.06	0.09	0	2.4	1.4	3.8	6	0.89	1.0323
20000111	1	8	0.88	1.0373	0.06	0	0	3.2	2.6	3.9	7	0.86	1.0381
20000112	1	8	0.77	1.0319	0.1	0	0	2.4	0.8	3	6	0.78	1.0378

2.2000年的温度变化图

f_budapest = pd.concat([df.iloc[:,:2],df.iloc[:,11:19]],axis=1)
df_budapest['DATE'] = pd.to_datetime(df_budapest['DATE'],format='%Y%m%d')

def mean_for_mth(feature):
    mean = []
    for x in range(12):
        mean.append(
            float("{:.2f}".format(df_budapest[df_budapest['MONTH'] == (x+1)][feature].mean())))
    return mean

df_budapest.drop(['MONTH'],axis=1).describe()

#sns.set(style="darkgrid")
plt.figure(figsize=(12,6))
plt.plot(df_budapest['DATE'][:365],df_budapest['BUDAPEST_temp_mean'][:365])
plt.title('2000年的温度变化图')
plt.xlabel('DATE')
plt.ylabel('DEGREE')

plt.show()

3.布达佩斯(匈牙利首都)年平均温度

months = ['Jan', 'Febr', 'Mar', 'Apr', 'May', 'Jun', 'Jul',
          'Aug', 'Sep', 'Oct', 'Nov', 'Dec']
mean_temp = mean_for_mth('BUDAPEST_temp_mean')

plt.figure(figsize=(12,6))
bar = plt.bar(x = months,height = mean_temp, width = 0.8, color=['thistle','mediumaquamarine',                'orange'])
plt.xticks(rotation = 45)
plt.xlabel('MONTHS')
plt.ylabel('DEGREES')
plt.title('布达佩斯(匈牙利首都)年平均温度')
plt.bar_label(bar)
plt.show()

4.布达佩斯(匈牙利首都)的年平均湿度

mean_temp = mean_for_mth('BUDAPEST_humidity')
plt.figure(figsize=(12,6))
bar = plt.bar(x = months, height = mean_temp, width = 0.8, color=['thistle','mediumaquamarine',                'orange'])
plt.xticks(rotation = 45)
plt.xlabel('MONTHS')
plt.ylabel('HUMIDITY')
plt.title('布达佩斯(匈牙利首都)的年平均湿度')
plt.bar_label(bar)
plt.show()

5.各指标的分布次数图

fig, axs = plt.subplots(2, 2, figsize=(12,8))
fig.suptitle('各指标的分布次数图')
sns.histplot(data = df_budapest, x ='BUDAPEST_pressure', ax=axs[0,0], color='red', kde=True)
sns.histplot(data = df_budapest, x ='BUDAPEST_humidity', ax=axs[0,1], color='orange', kde=True)
sns.histplot(data = df_budapest, x ='BUDAPEST_temp_mean', ax=axs[1,0], kde=True)
sns.histplot(data = df_budapest, x ='BUDAPEST_global_radiation', ax=axs[1,1], color='green', kde=True)
plt.show()

6. 分析天气标签提供一些基本的数据探索和采样策略

针对数据进行了一些数据探索和取样，具体包括以下步骤：

1.统计 天气标签（labels）的数量分布并使用 seaborn 绘制了计数图；

2.计算天气标签（labels）为真和为假的百分比；

3.将 天气标签转换为整数，并使用 seaborn 绘制了标签（labels）与温度的关系；

4.统计了过采样后的天气标签（labels）的数量分布并使用 seaborn 绘制了计数图；

5.绘制了数据集的特征之间的相关性热图。

labels_budapest = labels['BUDAPEST_BBQ_weather']
sns.set(style="darkgrid")
plt.figure(figsize=(12,6))
sns.countplot(x = labels_budapest).set(title='Labels for BUDAPEST')

true_val = len(labels_budapest[labels_budapest == True])
false_val = len(labels_budapest[labels_budapest == False])
print('Precent of True values: {0:.2f}%'.format(true_val/(true_val+false_val)*100))
print('Precent of False values: {0:.2f}%'.format(false_val/(true_val+false_val)*100))


labels_budapest = labels_budapest.astype(int)
plt.figure(figsize=(12,6))
sns.set(style="darkgrid")
sns.boxplot(y = df_budapest['BUDAPEST_temp_mean'], x = labels_budapest).set(title='Relation between the temperature and the bbq weather')

labels_budapest = labels_budapest.astype(int)
df_budapest = df_budapest.drop(['DATE'],axis=1)
from imblearn.over_sampling import RandomOverSampler
oversample = RandomOverSampler()
ovrspl_X, ovrspl_y  = oversample.fit_resample(df_budapest, labels_budapest)

labels_budapest = labels['BUDAPEST_BBQ_weather']
sns.set(style="darkgrid")
plt.figure(figsize=(12,6))
sns.countplot(x = ovrspl_y).set(title='Oversampled Labels for BUDAPEST')

true_val = len(ovrspl_y[ovrspl_y == 1])
false_val = len(ovrspl_y[ovrspl_y == 0])
print('Precent of True values: {0:.1f}%'.format(true_val/(true_val+false_val)*100))
print('Precent of False values: {0:.1f}%'.format(false_val/(true_val+false_val)*100))

plt.figure(figsize=(12,6))
sns.set(style="darkgrid")
sns.heatmap(df_budapest.corr(),annot=True,cmap='coolwarm').set(title='Correlation between features')
plt.show()

 

 

 

 

7. 基于SVC模型的机器学习预测天气分类

from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler

scaler = MinMaxScaler()
norm_X = scaler.fit_transform(ovrspl_X)
norm_X = pd.DataFrame(norm_X, columns=df_budapest.columns)
norm_X.describe()

from sklearn.model_selection import train_test_split
# Splitting dataset on training and testing datasets
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(ovrspl_X,ovrspl_y, test_size = 0.3, random_state = 42)
print('Training set: ' + str(len(X_train)))
print('Testing set: ' + str(len(X_test)))

from sklearn.svm import SVC

model = SVC(verbose=True, kernel = 'linear', random_state = 0)
model.fit(X_train,y_train)

y_predict = model.predict(X_test)
from sklearn.metrics import classification_report, confusion_matrix, accuracy_score
print('Classification report--------------------------------')
print(classification_report(y_test,y_predict))
sns.heatmap(confusion_matrix(y_test,y_predict), annot=True, fmt='g').set(title='Confusion Matrix')

print('Model accuracy is: {0:.2f}%'.format(accuracy_score(y_test, y_predict)*100))

 运行结果：

Training set: 3235
Testing set: 1387
[LibSVM]................................*...............................*................................................*
optimization finished, #iter = 110434
obj = -581.485644, rho = -4.010761
nSV = 647, nBSV = 635
Total nSV = 647
Classification report--------------------------------
              precision    recall  f1-score   support

           0       0.98      0.91      0.95       712
           1       0.92      0.98      0.95       675

    accuracy                           0.95      1387
   macro avg       0.95      0.95      0.95      1387
weighted avg       0.95      0.95      0.95      1387

Model accuracy is: 94.66%

文章结束，欢迎大家咨询与合作。