《电子技术应用》
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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。
中图分类号:TP391 文献标志码:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.233969
中文引用格式: 王子祥,李颜娥,武斌,等. 基于EWT-ARIMA组合模型的银杏液流预测与因子关联分析[J]. 电子技术应用,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

进入二十一世纪,人类正面临气候恶化这一全球性问题。碳排放造成的全球变暖会对人类和生态系统造成影响严重且不可逆转的危害[1],利用植物生态系这一巨大天然碳库去实现固碳目标被认为是经济有效的方法[2]。同时植物也是城市公园内固碳效益的主体,在常见的城市公园树木中,银杏的固碳能力明显高于其他植物,属于第一梯队[3]。除此之外,银杏还是一种的珍贵的中药材和观赏植物,具有广泛的生态、经济和社会价值[4-5]。为了生态环境的可持续发展,寻找一种准确评估树木蒸腾耗水的稳健方法十分有必要[6],而植物蒸腾耗水量的99%以上来自茎干液流,精确测定茎干液流量能够反映林木的蒸腾耗水量[7]。液流法也成为了近年来茎分和林分尺度蒸腾耗水研究的热点方法[8]。

基于树木液流的蒸腾评估,需要克服液流这类自然序列普遍存在的非线性与高随机性。因此本文提出一种基于经验小波变换(Empirical Wavelet Transform, EWT)和ARIMA(Auto Regressive Integrated Moving Average)组合的银杏液流预测模型。银杏液流序列先经过经验小波分解,得到平稳的多分辨分析分量(Multi Resolution Analysis, MRA),针对各分量信号分别构建ARIMA模型进行预测并重构集成为目标预测信号,并与单一ARIMA模型进行对比分析。此外,有许多研究证明树木液流与环境因子有着密切的关系。但以往的研究多采用线性分析工具,在理论上有局限性,因此本文借助无需模型假设的转移熵(Transfer Entropy, TE)对环境因子和银杏液流时滞内的因果关系进行了探究。



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作者信息:

王子祥1,2,3,李颜娥1,2,3,武斌1,徐达宇1,吴斌1

(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)


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