xgboostで桜開花予想をしてみる
昨年の3月から今年の2月までのデータを利用
Python
初心者
機械学習

1.目的

AIさくら予想というのがあり、xgboostを使っているという記事があったので、xgboostでさくら開花予想をしてみた。
https://www.businessinsider.jp/post-186528

2.結論

微妙な結果でした。上記AIさくら予想が優秀なことがわかりました。

開花時期に影響が大きい要素として、年間平均気温、7月の日照時間、8月の雨量、10月の最低気温とされました。
年間平均気温はわかりますが、7月の日照時間、8月の雨量、10月の最低気温あたりは意外でした。

3.データソース

https://www.data.jma.go.jp/gmd/risk/obsdl/index.php
上記気象庁のデータを加工のうえ利用しました。

4.コード解説

import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
from xgboost import XGBRegressor, plot_importance
from sklearn.model_selection import GridSearchCV, KFold
from tqdm import tqdm_notebook
path="./"
train = pd.read_csv(path+"kikou5train.csv")
x_test = pd.read_csv(path+"kikou5test.csv")

y_train = train.kaika.copy()
x_train = train.drop("kaika", axis=1)
train_id = x_train.Id
x_train.head()
date	avtmp3	maxtmp3	mintmp3	ame3	nisho3	joki3	kumo3	avtmp4	maxtmp4	...	kumo13	avtmp14	maxtmp14	mintmp14	ame14	nisho14	joki14	kumo14	kaika	TotalInc
Id																					
1	1961	8.2	21.9	-0.4	106.6	181.1	6.7	6.3	14.9	26.0	...	3.8	5.9	24.5	-2.6	13.5	195.0	4.5	4.1	NaN	193.6
2	1962	8.2	18.8	-0.8	65.5	189.8	6.3	4.7	14.1	24.5	...	2.0	4.8	15.3	-4.1	21.3	199.9	4.1	4.9	NaN	182.3

結合

df = pd.concat([x_train, x_test])
df.head()

特徴量エンジニアリング年平均気温を追加

df["TotalInc"] = df.avtmp3 + df.avtmp4 + df.avtmp5 + df.avtmp6 + df.avtmp7 + df.avtmp8 + df.avtmp9 + df.avtmp10 + df.avtmp11 + df.avtmp12 + df.avtmp13 + df.avtmp14 #平均温度の

df.head()
date	avtmp3	maxtmp3	mintmp3	ame3	nisho3	joki3	kumo3	avtmp4	maxtmp4	...	kumo13	avtmp14	maxtmp14	mintmp14	ame14	nisho14	joki14	kumo14	kaika	TotalInc
0	1980	8.2	21.2	1.3	173.5	157.5	6	6.2	13.6	24	...	2.9	5.3	17.2	-3.5	38	157.3	4.6	5.5	NaN	183.4
1 rows × 87 columns

x_train = df[df.Id.isin(train_id)].set_index("Id")
x_test = df[~df.Id.isin(train_id)].set_index("Id")

最適なハイパーパラメータ探索

random_state = 0
params = {
          "learning_rate": [0.01, 0.05, 0.1],
          "min_child_weight": [0.1],
          "gamma": [0],
          "reg_alpha": [0],
          "reg_lambda": [1],
          "max_depth": [3, 5, 7],
          "max_delta_step": [0],
          "random_state": [random_state],
          "n_estimators": [50, 100, 200],
          }
reg = XGBRegressor()
cv = KFold(n_splits=3, shuffle=True, random_state=random_state)
reg_gs = GridSearchCV(reg, params, cv=cv)
reg_gs.fit(x_train, y_train)
GridSearchCV(cv=KFold(n_splits=3, random_state=0, shuffle=True),
             estimator=XGBRegressor(base_score=None, booster=None,
                                    colsample_bylevel=None,
                                    colsample_bynode=None,
                                    colsample_bytree=None, gamma=None,
                                    gpu_id=None, importance_type='gain',
                                    interaction_constraints=None,
                                    learning_rate=None, max_delta_step=None,
                                    max_depth=None, min_child_weight=None,
                                    missing=nan, monoto...
                                    num_parallel_tree=None, random_state=None,
                                    reg_alpha=None, reg_lambda=None,
                                    scale_pos_weight=None, subsample=None,
                                    tree_method=None, validate_parameters=None,
                                    verbosity=None),
             param_grid={'gamma': [0], 'learning_rate': [0.01, 0.05, 0.1],
                         'max_delta_step': [0], 'max_depth': [3, 5, 7],
                         'min_child_weight': [0.1],
                         'n_estimators': [50, 100, 200], 'random_state': [0],
                         'reg_alpha': [0], 'reg_lambda': [1]})
display(reg_gs.best_params_)
display(reg_gs.best_score_)
ax = plot_importance(reg_gs.best_estimator_, importance_type="gain")
fig = ax.figure
fig.set_size_inches(250, 250)
ax.figure.set_size_inches(18,18)
{'gamma': 0,
 'learning_rate': 0.1,
 'max_delta_step': 0,
 'max_depth': 5,
 'min_child_weight': 0.1,
 'n_estimators': 50,
 'random_state': 0,
 'reg_alpha': 0,
 'reg_lambda': 1}
0.36250088820449333

予測

y_pred3 = reg_gs.predict(x_test)

正解ラベルとの誤差を評価

y_true = pd.read_csv(path+"kikou5test.csv")
preds = pd.DataFrame({"pred3": y_pred3})
df_out = pd.concat([y_true, preds], axis=1)
df_out.head()
Id	date	avtmp3	maxtmp3	mintmp3	ame3	nisho3	joki3	kumo3	avtmp4	...	avtmp14	maxtmp14	mintmp14	ame14	nisho14	joki14	kumo14	kaika	pred3	loss3
0	100	1966	9.6	21.6	1.2	99.9	150.4	7.0	6.6	13.6	...	4.9	19.1	-4.0	43.8	162.6	5.1	5.0	30	29.816103	0.033818

RMSE

df_out["loss3"] = (df_out.kaika - df_out.pred3)**2
df_out.iloc[:, -3:].mean()
kaika    24.909091
pred3    26.849123
loss3    23.966188
dtype: float64
from sklearn.metrics import mean_squared_error, mean_absolute_error
# RMSE
rmse_kaika = np.sqrt(mean_squared_error(df_out.kaika, df_out.pred3))
rmse_kaika
4.895527368155607

さくらの開花の予測精度が、５日弱。意外と予測できているが、微妙でした。