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标题: LSTM实现天气模子练习与猜测 [打印本页]

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作者: 嚴華    时间: 2024-12-28 04:35
标题: LSTM实现天气模子练习与猜测
要实现一个天气猜测的模子，并确保该模子可以反复举行练习和更新，先设计：
设计方案

• 数据获取：
  
  
  
  • 使用公开的天气数据API（例如OpenWeather API或其他类似的API）获取天气数据。
    
  • 确保数据以合适的格式（如CSV或JSON）举行存储和处置惩罚，数据应该包含时间戳、温度、湿度、降水量等字段。
    
  
  
• 数据预处置惩罚：
  
  
  
  • 对天气数据举行洗濯，包括处置惩罚缺失值、异常值、日期时间格式处置惩罚等。
    
  • 将数据转化为适合机器学习模子练习的格式，举行特征工程（如尺度化、归一化等）。
    
  
  
• 模子选择：
  
  
  
  • 使用时间序列猜测模子（如ARIMA、Prophet）或机器学习模子（如Random Forest、XGBoost等）来举行天气猜测。
    
  • 如果必要处置惩罚多种特征（如温度、湿度等），可以选择集成方法或深度学习模子（如LSTM、GRU等）。
    
  
  
• 练习与评估：
  
  
  
  • 将数据分为练习集和测试集，举行模子练习，并使用交织验证等方法来评估模子性能。
    
  • 练习后保存模子（可以使用joblib、pickle等工具）以便反复使用。
    
  
  
• 模子更新：
  
  
  
  • 定期获取新的数据并用其举行模子更新。
    
  • 必要设置定时任务，自动下载新数据并更新模子。
    
  
  

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详细实现

以下是设计后的方案和代码：
项目文件夹布局

1. weather-prediction/
2. ├── data/
3. │   ├── raw/                  # 原始天气数据文件
4. │   ├── processed/            # 预处理后的数据文件
5. │   └── model/                # 存储训练好的模型
6. ├── scripts/
7. │   ├── download_weather_data.py   # 下载天气数据并保存为CSV
8. │   ├── preprocess_data.py         # 数据预处理脚本
9. │   ├── train_model.py            # 训练LSTM模型脚本
10. │   ├── continue_training.py      # 持续训练脚本
11. │   └── predict_weather.py        # 预测天气脚本
12. ├── models/
13. │   ├── weather_lstm_model.h5    # 保存的LSTM模型
14. └── requirements.txt           # 项目依赖包

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详细步骤

• 下载天气数据脚本（download_weather_data.py）：从API获取并保存到CSV文件。
  
• 数据预处置惩罚脚本（preprocess_data.py）：加载CSV，处置惩罚数据并保存为尺度格式。
  
• 练习模子脚本（train_model.py）：使用LSTM模子举行练习并保存模子。
  
• 持续练习脚本（continue_training.py）：加载已保存的模子，使用新数据举行模子更新。
  
• 猜测天气脚本（predict_weather.py）：使用练习好的模子举行天气猜测。
  

1. 下载天气数据并保存到CSV文件（download_weather_data.py）

1. import requests
2. import pandas as pd
3. import os
4. from datetime import datetime
6. # 下载天气数据
7. def fetch_weather_data(api_key, city="Beijing"):
8.     url = f"http://api.openweathermap.org/data/2.5/forecast?q={city}&appid={api_key}&units=metric"
9.     response = requests.get(url)
10.     data = response.json()
11.     weather_data = []
13.     for item in data['list']:
14.         weather_data.append({
15.             "datetime": item['dt_txt'],
16.             "temperature": item['main']['temp'],
17.             "humidity": item['main']['humidity'],
18.             "pressure": item['main']['pressure'],
19.             "wind_speed": item['wind']['speed'],
20.             "rain": item.get('rain', {}).get('3h', 0)
21.         })
23.     df = pd.DataFrame(weather_data)
24.     return df
26. def save_weather_data_to_csv(df, filename="../data/raw/weather_data.csv"):
27.     if not os.path.exists(os.path.dirname(filename)):
28.         os.makedirs(os.path.dirname(filename))
29.     df.to_csv(filename, index=False)
30.     print(f"Weather data saved to {filename}")
32. def main():
33.     api_key = "your_openweather_api_key"
34.     city = "Beijing"
35.     df = fetch_weather_data(api_key, city)
36.     save_weather_data_to_csv(df)
38. if __name__ == "__main__":
39.     main()

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2. 数据预处置惩罚脚本（preprocess_data.py）

1. import pandas as pd
2. from sklearn.preprocessing import StandardScaler
3. import os
5. def load_data(filename="../data/raw/weather_data.csv"):
6.     df = pd.read_csv(filename)
7.     df['datetime'] = pd.to_datetime(df['datetime'])
8.     return df
10. def preprocess_data(df):
11.     # 时间特征处理
12.     df['hour'] = df['datetime'].dt.hour
13.     df['day'] = df['datetime'].dt.dayofweek
14.     df['month'] = df['datetime'].dt.month
15.     df['year'] = df['datetime'].dt.year
17.     # 特征选择
18.     features = ['temperature', 'humidity', 'pressure', 'wind_speed', 'rain', 'hour', 'day', 'month', 'year']
19.     df = df[features]
21.     # 标准化特征
22.     scaler = StandardScaler()
23.     df[features] = scaler.fit_transform(df[features])
25.     return df, scaler
27. def save_processed_data(df, filename="../data/processed/processed_weather_data.csv"):
28.     df.to_csv(filename, index=False)
29.     print(f"Processed data saved to {filename}")
31. def main():
32.     df = load_data()
33.     processed_data, scaler = preprocess_data(df)
34.     save_processed_data(processed_data)
35.     return scaler
37. if __name__ == "__main__":
38.     main()

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3. 练习LSTM模子脚本（train_model.py）

1. import pandas as pd
2. import numpy as np
3. import tensorflow as tf
4. from tensorflow.keras.models import Sequential
5. from tensorflow.keras.layers import LSTM, Dense, Dropout
6. from sklearn.model_selection import train_test_split
7. import os
9. def load_processed_data(filename="../data/processed/processed_weather_data.csv"):
10.     return pd.read_csv(filename)
12. def prepare_lstm_data(df, time_steps=10):
13.     X, y = [], []
14.     for i in range(time_steps, len(df)):
15.         X.append(df.iloc[i-time_steps:i, :-1].values)  # 选择过去的时间步作为特征
16.         y.append(df.iloc[i, 0])  # 预测当前温度
17.     X, y = np.array(X), np.array(y)
18.     return X, y
20. def create_lstm_model(input_shape):
21.     model = Sequential([
22.         LSTM(50, return_sequences=True, input_shape=input_shape),
23.         Dropout(0.2),
24.         LSTM(50, return_sequences=False),
25.         Dropout(0.2),
26.         Dense(1)
27.     ])
28.     model.compile(optimizer='adam', loss='mean_squared_error')
29.     return model
31. def train_model(X, y):
32.     X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)
33.     model = create_lstm_model((X_train.shape[1], X_train.shape[2]))
34.     model.fit(X_train, y_train, epochs=20, batch_size=32, validation_data=(X_test, y_test))
35.     return model
37. def save_model(model, filename="../models/weather_lstm_model.h5"):
38.     if not os.path.exists(os.path.dirname(filename)):
39.         os.makedirs(os.path.dirname(filename))
40.     model.save(filename)
41.     print(f"Model saved to {filename}")
43. def main():
44.     df = load_processed_data()
45.     X, y = prepare_lstm_data(df)
46.     model = train_model(X, y)
47.     save_model(model)
49. if __name__ == "__main__":
50.     main()

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4. 持续练习脚本（continue_training.py）

1. import tensorflow as tf
2. import pandas as pd
3. from train_model import load_processed_data, prepare_lstm_data, create_lstm_model, save_model
4. import os
6. def load_model(filename="../models/weather_lstm_model.h5"):
7.     return tf.keras.models.load_model(filename)
9. def continue_training(model, df, time_steps=10):
10.     X, y = prepare_lstm_data(df, time_steps)
11.     model.fit(X, y, epochs=10, batch_size=32)
12.     return model
14. def main():
15.     df = load_processed_data()
16.     model = load_model()
17.     updated_model = continue_training(model, df)
18.     save_model(updated_model)
20. if __name__ == "__main__":
21.     main()

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5. 猜测天气脚本（predict_weather.py）

1. import tensorflow as tf
2. import pandas as pd
3. from train_model import prepare_lstm_data
5. def load_model(filename="../models/weather_lstm_model.h5"):
6.     return tf.keras.models.load_model(filename)
8. def predict_weather(model, df, time_steps=10):
9.     X, _ = prepare_lstm_data(df, time_steps)
10.     predictions = model.predict(X)
11.     return predictions
13. def main():
14.     df = pd.read_csv("../data/processed/processed_weather_data.csv")
15.     model = load_model()
16.     predictions = predict_weather(model, df)
17.     print(predictions)
19. if __name__ == "__main__":
20.     main()

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6. 依赖文件（requirements.txt）

1. pandas
2. numpy
3. scikit-learn
4. tensorflow
5. requests

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代码说明

• 下载天气数据并保存：
  
  
  
  • download_weather_data.py脚本从OpenWeather API获取数据并保存为CSV文件。
    
  
  
• 数据预处置惩罚：
  
  
  
  • preprocess_data.py脚本举行数据洗濯、尺度化以及特征处置惩罚，保存为预处置惩罚过的CSV文件。
    
  
  
• 练习LSTM模子：
  
  
  
  • train_model.py通过使用过去的时间序列数据来练习LSTM模子，并保存模子。
    
  
  
• 持续练习：
  
  
  
  • continue_training.py脚本加载已保存的模子，并继续使用新数据举行练习。
    
  
  
• 猜测天气：
  
  
  
  • predict_weather.py加载练习好的模子并对新数据举行天气猜测。
    
  
  

   没有谁生来就是优秀的人，你可以不优秀，但是不可以失去动力，不求上进，只会荒废一生。

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