《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于EWT-ARIMA组合模型的银杏液流预测与因子关联分析*
电子技术应用
王子祥,李颜娥,武 斌,徐达宇,吴 斌
(1.浙江农林大学 数学与计算机学院,浙江 杭州 311300;2.浙江省林业智能监测与信息技术实验室, 浙江 杭州 311300; 3.林业感知技术与智能装备国家林业局重点实验室, 浙江 杭州 311300)
摘要: 树干液流速率由于受到外在环境因子与内在生长机理的综合作用,往往呈现出非线性与高随机的特点,单一的预测方法往往难以对其做出较为准确的预测。对此,提出引入经验小波变换(EWT)方法,对非线性、高随机的银杏液流数据进行分解,得到两组多分辨率分析分量,分别对分量采用统计模型ARIMA进行预测。根据真实数据实验结果验证,提出了EWT-ARIMA组合模型能够较为准确地预测树干液流的变化趋势,模型评价指标MSE、MAE、MAPE、R2分别为11.05、2.488、0.1640、0.9599,相较单一ARIMA模型各项评价指标均有较大提升。此外,还利用传递熵(EWT),无模型假设地对时滞内环境因子与银杏液流之间的因果关系进行了探讨。
中圖分類號(hào):TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.233969
中文引用格式: 王子祥,李顏娥,武斌,等. 基于EWT-ARIMA組合模型的銀杏液流預(yù)測(cè)與因子關(guān)聯(lián)分析[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2023,49(10):89-95.
英文引用格式: Wang Zixiang,Li Yane,Wu Bin,et al. Ginkgo sap flow prediction based on EWT-ARIMA model and factor correlation analysis[J]. Application of Electronic Technique,2023,49(10):89-95.
Ginkgo sap flow prediction based on EWT-ARIMA model and factor correlation analysis
Wang Zixiang1,2,3,Li Yan’e1,2,3,Wu Bin1,Xu Dayu1,Wu Bin1
(1.College of Mathematics and Computer Science, Zhejiang A & F University, Hangzhou 311300, China; 2.Key Laboratory of Forestry Intelligent Monitoring and Information Technology of Zhejiang Province, Hangzhou 311300,China; 3.China Key Laboratory of State Forestry and Grassland Administration on Forestry Sensing Technology and Intelligent Equipment, Hangzhou 311300, China)
Abstract: Due to the comprehensive effect of environmental factors and growth mechanism, the sap flow often presents the characteristics of nonlinearity and high randomness, and it is often difficult to predict it accurately by a single prediction method. This paper proposes to introduce the empirical wavelet transform (EWT) method to decompose the nonlinear and highly random ginkgo sap flow data to obtain two sets of multi-resolution components, and the ARIMA model is used to predict the components respectively. According to the results, it is proposed that the EWT-ARIMA model can accurately predict the change trend of sap flow, and the model evaluation indicators MSE, MAE, MAPE, R2 are 11.05, 0.1640, 0.9599 and 0.9598, respectively, which are greatly improved compared with the single ARIMA model. In this paper, transfer entropy (TE) is also used to explore the causal reflection between environmental factors in time delay and ginkgo sap flow without model assumptions.
Key words : ginkgo sap flow prediction;empirical wavelet transform;ARIMA;transfer entropy;causal analysis

0 引言

進(jìn)入二十一世紀(jì),人類正面臨氣候惡化這一全球性問(wèn)題。碳排放造成的全球變暖會(huì)對(duì)人類和生態(tài)系統(tǒng)造成影響嚴(yán)重且不可逆轉(zhuǎn)的危害[1],利用植物生態(tài)系這一巨大天然碳庫(kù)去實(shí)現(xiàn)固碳目標(biāo)被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)有效的方法[2]。同時(shí)植物也是城市公園內(nèi)固碳效益的主體,在常見(jiàn)的城市公園樹(shù)木中,銀杏的固碳能力明顯高于其他植物,屬于第一梯隊(duì)[3]。除此之外,銀杏還是一種的珍貴的中藥材和觀賞植物,具有廣泛的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值[4-5]。為了生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,尋找一種準(zhǔn)確評(píng)估樹(shù)木蒸騰耗水的穩(wěn)健方法十分有必要[6],而植物蒸騰耗水量的99%以上來(lái)自莖干液流,精確測(cè)定莖干液流量能夠反映林木的蒸騰耗水量[7]。液流法也成為了近年來(lái)莖分和林分尺度蒸騰耗水研究的熱點(diǎn)方法[8]。

基于樹(shù)木液流的蒸騰評(píng)估,需要克服液流這類自然序列普遍存在的非線性與高隨機(jī)性。因此本文提出一種基于經(jīng)驗(yàn)小波變換(Empirical Wavelet Transform, EWT)和ARIMA(Auto Regressive Integrated Moving Average)組合的銀杏液流預(yù)測(cè)模型。銀杏液流序列先經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)小波分解,得到平穩(wěn)的多分辨分析分量(Multi Resolution Analysis, MRA),針對(duì)各分量信號(hào)分別構(gòu)建ARIMA模型進(jìn)行預(yù)測(cè)并重構(gòu)集成為目標(biāo)預(yù)測(cè)信號(hào),并與單一ARIMA模型進(jìn)行對(duì)比分析。此外,有許多研究證明樹(shù)木液流與環(huán)境因子有著密切的關(guān)系。但以往的研究多采用線性分析工具,在理論上有局限性,因此本文借助無(wú)需模型假設(shè)的轉(zhuǎn)移熵(Transfer Entropy, TE)對(duì)環(huán)境因子和銀杏液流時(shí)滯內(nèi)的因果關(guān)系進(jìn)行了探究。



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作者信息:

王子祥1,2,3,李顏娥1,2,3,武斌1,徐達(dá)宇1,吳斌1

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院,浙江 杭州 311300;2.浙江省林業(yè)智能監(jiān)測(cè)與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 311300;3.林業(yè)感知技術(shù)與智能裝備國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 311300)


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