天氣預(yù)報檢驗方法匯總

寫在開始之前,由于本人水平有限,代碼還有許多不完善或設(shè)計漏洞,請指正交流,共同進步.

連續(xù)變量

對于連續(xù)變量類檢驗:平均誤差(ME)、平均絕對誤差(MAE)、相關(guān)系數(shù)(R)、均方根誤差(RMSE)。

  • ME \frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}(F_{i}-O_{i})
  • MAE \frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}(|F_{i}-O_{i}|)
  • RMSE \sqrt{\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}(F_{i}-O_{i})^2}
    -R \frac{\sum_{i=1}^{N}(F_{i} - \bar{F})(O_{i}-\bar{O})}{\sqrt{\sum_{i=1}^{N}(F_{i} - \bar{F})^2\sum_{i=1}^{N}(O_{i} - \bar{O})^2}}

離散變量(等級)

2)對于等級變量統(tǒng)計檢驗:TS評分破托、漏報率(PO)、空報率(FAR)歧蒋、預(yù)報偏差(BS)


image.png
  • TS \frac{NA}{NA+NB+NC}
  • PO \frac{NC}{NA+NC}
  • FAR \frac{NB}{NA+NB}
  • BS \frac{NA+NB}{NA+NC}

介紹完畢,下面直接貼代碼

import os
import datetime
import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn.metrics import confusion_matrix


class Verify(object):
    def __init__(self):
        super(Verify, self).__init__()
        self.confusion_matrix = None
        self.NA = None
        self.NB = None
        self.NC = None

    def _get_level_verify(self, real_value, predict_value, levels):
        self.__init__()
        real_level, predict_level = self._check_levels(
            real_value, predict_value, levels)
        self.confusion_matrix = self._get_confusion_matric(
            real_level, predict_level)
        if self.NA is None or self.NB is None or self.NC is None:
            self.NA = {}
            self.NB = {}
            self.NC = {}
        for ivalue, vvalue in enumerate(self.confusion_matrix.columns):
            self.NA[vvalue] = self.confusion_matrix.ix[vvalue, vvalue]
            self.NB[vvalue] = self.confusion_matrix.ix[slice(
                None), vvalue].sum()
            self.NC[vvalue] = self.confusion_matrix.ix[vvalue,
                                                       slice(None)].sum()

    def _check_and_remove_nan(self, real_value, predict_value):
        logical_nan = ~np.logical_or(
            np.isnan(predict_value), np.isnan(real_value))
        predict_value = predict_value[logical_nan]
        real_value = real_value[logical_nan]
        return real_value, predict_value

    def _get_confusion_matric(self, real_level, predict_level):
        return pd.DataFrame(confusion_matrix(real_level, predict_level),
                            index=np.unique([real_level, predict_level]), columns=np.unique([real_level, predict_level]))

    def _check_levels(self, real_value, predict_value, levels):
        '''
        引用https://docs.scipy.org/doc/numpy-1.13.0/reference/generated/numpy.digitize.html
        使用numpy.digitize 函數(shù)
        '''
        real_value, predict_value = self._check_and_remove_nan(
            real_value, predict_value)
        predict_level = np.digitize(predict_value, levels)
        real_level = np.digitize(real_value, levels)

        return real_level, predict_level

    def _calc_RMSE(self, real_value, predict_value):
        real_value, predict_value = self._check_and_remove_nan(
            real_value, predict_value)
        return np.sqrt(np.mean((predict_value - real_value) ** 2))

    def _calc_MAE(self, real_value, predict_value):
        real_value, predict_value = self._check_and_remove_nan(
            real_value, predict_value)
        return np.mean(np.abs(predict_value - real_value))

    def _calc_ME(self, real_value, predict_value):
        real_value, predict_value = self._check_and_remove_nan(
            real_value, predict_value)
        return np.mean(predict_value - real_value)

    def _calc_R(self, real_value, predict_value):
        real_value, predict_value = self._check_and_remove_nan(
            real_value, predict_value)
        return np.corrcoef(real_value, predict_value)[1, 0]

    def _calc_TS(self, real_value, predict_value, levels):
        '''
        根據(jù)等級計算TS評分,即等級預(yù)報的準確率
        TS = True / True + Flase Alarm + True negetive
        '''
        self._get_level_verify(real_value, predict_value, levels)
        return (pd.Series(self.NA) / (pd.Series(self.NB) + pd.Series(self.NA) + pd.Series(self.NC))).to_json()

    def _calc_PO(self, real_value, predict_value, levels):
        '''
        PO = True/ True + True negetive
        '''
        self._get_level_verify(real_value, predict_value, levels)
        return (pd.Series(self.NC) / (pd.Series(self.NA) + pd.Series(self.NC))).to_json()

    def _calc_FAR(self, real_value, predict_value, levels):
        '''
        FAR = False Alarm / True + True negetive
        '''
        self._get_level_verify(real_value, predict_value, levels)
        return (pd.Series(self.NB) / (pd.Series(self.NB) + pd.Series(self.NA))).to_json()

    def _calc_BS(self, real_value, predict_value, levels):
        '''
        BS = True + False Alarm / True + True negetive
        '''
        self._get_level_verify(real_value, predict_value, levels)
        return ((pd.Series(self.NA) + pd.Series(self.NB)) / (pd.Series(self.NA) + pd.Series(self.NC))).to_json()

'''
# 方法調(diào)試示例
verify_obj = Verify()
real_value = np.random.randint(0, 10, 100)
predict_value = np.random.randint(0, 10, 100)
print(verify_obj._calc_RMSE(real_value, predict_value))
print(verify_obj._calc_MAE(real_value, predict_value))
print(verify_obj._calc_ME(real_value, predict_value))
print(verify_obj._calc_R(real_value, predict_value))
print(verify_obj._calc_TS(real_value, predict_value, [2, 5, 7, 9]))
print(verify_obj._calc_PO(real_value, predict_value, [3, 5, 7, 9]))
print(verify_obj._calc_FAR(real_value, predict_value, [2, 5, 7, 9]))
print(verify_obj._calc_BS(real_value, predict_value, [2, 5, 7, 9]))
'''
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