Previsión basada en bosque (Minería de patrones en espacio-tiempo)

Resumen

Predice los valores de cada ubicación de un cubo de espacio-tiempo utilizando una adaptación del algoritmo de bosque aleatorio de Leo Breiman. El modelo de regresión de bosque se entrena usando ventanas de tiempo en cada ubicación del cubo de espacio-tiempo.

Más información sobre cómo funciona Predicción basada en bosque

Ilustración

Serie temporal de predicción con la herramienta Predicción basada en bosque.

Uso

• Esta herramienta acepta archivos netCDF creados con las herramientas Crear cubo de espacio-tiempo agregando puntos, Crear cubo de espacio-tiempo a partir de entidades definidas y Crear cubo de espacio-tiempo a partir de capa ráster multidimensional.

• En comparación con otras herramientas de predicción del conjunto de herramientas Predicción de serie temporal, esta herramienta es la más compleja, pero es la que incluye el menor número de suposiciones acerca de los datos. Se recomienda para series temporales con formas y tendencias complicadas que son difíciles de modelar con funciones matemáticas simples o cuando no se satisfacen las suposiciones de otros métodos.

• Se pueden comparar y fusionar varios cubos de espacio-tiempo predichos mediante la herramienta Evaluar previsiones por ubicación. Esto permite crear varios cubos de previsión con parámetros y herramientas de previsión diferentes; la herramienta identificará la mejor previsión correspondiente a cada ubicación por medio del error cuadrático medio de previsión (RMSE) o el RMSE de validación.

• Por cada ubicación del Cubo de espacio-tiempo de entrada, la herramienta genera dos modelos que sirven para fines diferentes.

  • Modelo de predicción: este modelo se utiliza para predecir los valores del cubo de espacio-tiempo creando un bosque con los valores de las series temporales y utilizando este bosque para predecir los valores de los futuros periodos de tiempo. El ajuste del modelo de previsión a los valores del cubo de espacio-tiempo se mide mediante el valor de RMSE de previsión.
  • Modelo de validación: este modelo se utiliza para validar el modelo de predicción y evaluar con qué precisión es capaz de predecir los valores. Si se especifica un número mayor que 0 en el parámetro Número de periodos de tiempo a excluir para la validación, este modelo se crea utilizando los periodos de tiempo incluidos y se utiliza para predecir los valores de los periodos de tiempo excluidos. Permite ver con qué precisión el modelo puede predecir valores. El ajuste de los valores previstos a los valores excluidos se mide mediante el valor RMSE de validación.

  Más información sobre el modelo de previsión, el modelo de validación y la estadística de RMSE

• Los valores del parámetro Entidades de salida se agregarán al panel Contenido con una representación en pantalla basada en el periodo de tiempo predicho final.

• Esta herramienta genera mensajes de geoprocesamiento y gráficos emergentes para facilitar la compresión y visualización de los resultados de previsión. Los mensajes contienen información sobre la estructura del cubo de espacio-tiempo y estadísticas resumidas de los valores de RMSE y la duración de las estaciones. Al hacer clic en una entidad con la herramienta de navegación Explorar, aparece un gráfico de líneas en el panel Elementos emergentes que muestra los valores del cubo de espacio-tiempo, los valores del bosque ajustados, los valores predichos y los límites de confianza de esa ubicación.

• El parámetro Opción de valor atípico se puede utilizar para detectar valores atípicos estadísticamente significativos en los valores de la serie temporal de cada ubicación.

  Más información sobre cómo detectar valores atípicos de series temporales

• Si elige la opción Identificar valores atípicos del parámetro Opción de valor atípico, se recomienda que proporcione un valor para el parámetro Ventana de periodo de tiempo en lugar de dejar el parámetro vacío y estimar una ventana de periodo de tiempo diferente en cada ubicación. Para cada ubicación, el modelo de bosque utiliza los periodos de tiempo de la primera ventana de periodo de tiempo para entrenar el modelo de predicción y solo se detectan valores atípicos para los periodos de tiempo restantes. Si las diferentes ubicaciones excluyen diferentes números de periodos de tiempo para el entrenamiento, las estadísticas de resumen como el valor medio y los números mínimo y máximo de valores atípicos por periodo de tiempo o por ubicación pueden resultar confusas.

• La decisión sobre cuántos periodos de tiempo deben excluirse para la validación es importante. Cuantos más periodos de tiempo se excluyan, menores periodos de tiempo se mantienen para estimar el modelo de validación. No obstante, si se excluyen muy pocos periodos de tiempo, el RMSE de validación se estimará usando una pequeña cantidad de datos y puede llevar a engaño. Se recomienda excluir los máximos periodos de tiempo posibles, pero manteniendo a la vez suficientes periodos de tiempo para estimar el modelo de validación. También se recomienda mantener al menos tanto periodos de tiempo para validación como número de periodos de tiempo pretenda pronosticar si el cubo de espacio-tiempo tiene suficientes periodos de tiempo para permitirlo.

Parámetros

Cuadro de diálogo

Etiqueta	Explicación	Tipo de datos
Cubo de espacio-tiempo de entrada	El cubo netCDF que contiene la variable para predecir los periodos de tiempo futuros. Este archivo debe tener una extensión .nc y se debe haber creado utilizando las herramientas Crear cubo de espacio-tiempo agregando puntos, Crear cubo de espacio-tiempo a partir de ubicaciones definidas o Crear cubo de espacio-tiempo a partir de capa ráster multidimensional.	File
Variable de análisis	Variable numérica del archivo netCDF que se pronosticará en periodos de tiempo futuros.	String
Entidades de salida	Clase de entidad de salida de todas las ubicaciones en el cubo de espacio-tiempo con valores previstos almacenados como campos. La capa muestra la predicción del paso de tiempo final y contiene gráficos emergentes que muestran las series de tiempo, las predicciones y los límites de confianza del 90 por ciento de cada ubicación.	Feature Class
Cubo de espacio-tiempo de salida (Opcional)	Nuevo cubo de espacio-tiempo (archivo .nc) que contiene los valores del cubo de espacio-tiempo de entrada con los periodos de tiempo previstos anexados. La herramienta Visualizar cubo de espacio-tiempo en 3D puede utilizarse para ver todos los valores observados y previstos de forma simultánea.	File
Número de periodos de tiempo para previsión (Opcional)	Entero positivo que especifica el número de periodos de tiempo de la previsión. Este valor no puede ser mayor que el 50% de los periodos de tiempo totales del cubo de espacio-tiempo de entrada. El valor predeterminado es un periodo de tiempo.	Long
Ventana de pasos de tiempo (Opcional)	El número de periodos de tiempo anteriores que se desea usar para entrenar el modelo. Si sus datos presentan estacionalidad (ciclos que se repiten), proporcione el número de periodos de tiempo correspondientes a una estación. Este valor no puede ser mayor que un tercio del número de pasos de tiempo del cubo de espacio-tiempo de entrada. Si no se proporciona ningún valor, se estima una ventana de tiempo para cada ubicación utilizando una función de densidad espectral. Más información sobre la estacionalidad y la elección de una ventana de tiempo	Long
Número de periodos de tiempo a excluir para validación (Opcional)	Número de periodos de tiempo al final de cada serie temporal que se van a excluir para validación. El valor predeterminado es el 10% (redondeado por defecto) del número de periodos de tiempo de entrada y no puede ser mayor que el 25% del número de periodos de tiempo. Si no quiere excluir ningún periodo de tiempo, introduzca el valor 0.	Long
Número de árboles (Opcional)	La cantidad de árboles que se crearán en el modelo de bosque. Un mayor número de árboles por lo general dará lugar a una predicción de modelo más precisa, pero el modelo tardará más en calcularse. El número predeterminado de árboles es de 100, y el valor debe ser al menos 1 y no mayor de 1.000.	Long
Tamaño mínimo de hoja (Opcional)	El número mínimo de observaciones que se requieren para conservar una hoja (es decir, el nodo terminal de un árbol que no tiene más divisiones). En el caso de datos muy grandes, si aumenta este número se reducirá el tiempo de ejecución de la herramienta.	Long
Profundidad máxima de árbol (Opcional)	El número máximo de divisiones que se realizarán en un árbol. Si se utiliza una profundidad máxima grande, se podrán crear más divisiones, lo cual puede aumentar las probabilidades de exceso de ajuste en el modelo. Si no se proporciona ningún valor, la herramienta identificará un valor basado en el número de árboles creados por el modelo y el tamaño de la ventana de periodos de tiempo.	Long
Porcentaje de entrenamiento disponible por árbol (Opcional)	El porcentaje de datos de entrenamiento que se utilizarán para ajustar el modelo de predicción. Los datos de entrenamiento constan de variables explicativas y dependientes asociadas construidas usando ventanas de tiempo. Todos los datos de entrenamiento restantes se utilizarán para optimizar los parámetros del modelo de predicción. El valor predeterminado es del 100 por ciento.	Long
Planteamiento de predicción (Opcional)	Especifica cómo se representarán las variables explicativas y dependientes al entrenar el modelo de bosque en cada ubicación. Para entrenar el modelo de bosque que se utilizará para la predicción, se deben crear conjuntos de variables explicativas y dependientes utilizando ventanas de tiempo. Utilice este parámetro para especificar si la eliminación de tendencia en estas variables será lineal y si la variable dependiente se representará por su valor bruto o por el residual de un modelo de regresión lineal. Este modelo de regresión lineal utiliza todos los pasos de tiempo de una ventana de tiempo como variables explicativas y utiliza el siguiente paso de tiempo como variable dependiente. El residual se calcula restando el valor predicho basado en la regresión lineal del valor bruto de la variable dependiente. Crear modelo por valor—Los valores de la ventana de tiempo no serán objeto de eliminación de tendencia y la variable dependiente se representará por su valor bruto. Crear modelo por valor tras eliminación de la tendencia—Los valores de la ventana de tiempo serán objeto de eliminación de tendencia lineal y la variable dependiente se representará por su valor de eliminación de tendencia. Esta es la opción predeterminada. Crear modelo por residual—Los valores de la ventana de tiempo no serán objeto de eliminación de tendencia y la variable dependiente se representará por el residual de un modelo de regresión lineal que utiliza los valores de la ventana de tiempo como variables explicativas. Crear modelo por residual tras eliminación de la tendencia—Los valores de la ventana de tiempo serán objeto de eliminación de tendencia lineal y la variable dependiente se representará por el residual de un modelo de regresión lineal que utiliza los valores de la ventana de tiempo con eliminación de tendencia como variables explicativas.	String
Opción de valor atípico (Opcional)	Especifica si se identificarán valores atípicos de series temporales estadísticamente significativos. Nada—No se identificarán valores atípicos. Esta es la opción predeterminada. Identificar valores atípicos—Se identificarán valores atípicos utilizando la prueba de ESD generalizada.	String
Nivel de confianza (Opcional)	Especifica el nivel de confianza para la prueba de los valores atípicos de series temporales. 90%—El nivel de confianza para la prueba es de un 90 por ciento. Esta es la opción predeterminada. 95%—El nivel de confianza para la prueba es de un 95 por ciento. 99%—El nivel de confianza para la prueba es de un 99 por ciento.	String
Número máximo de valores atípicos	El número máximo de periodos de tiempo que se pueden declarar como valores atípicos para cada ubicación. El valor predeterminado corresponde a un cinco por ciento (redondeado a la baja) del número de periodos de tiempo del cubo de espacio-tiempo de entrada (siempre se utilizará un valor de al menos 1). Este valor no puede superar el 20 por ciento del número de periodos de tiempo.	Long

Python

arcpy.stpm.ForestBasedForecast(in_cube, analysis_variable, output_features, {output_cube}, {number_of_time_steps_to_forecast}, {time_window}, {number_for_validation}, {number_of_trees}, {minimum_leaf_size}, {maximum_depth}, {sample_size}, {forecast_approach}, {outlier_option}, {level_of_confidence}, maximum_number_of_outliers)

Nombre	Explicación	Tipo de datos
in_cube	El cubo netCDF que contiene la variable para predecir los periodos de tiempo futuros. Este archivo debe tener una extensión .nc y se debe haber creado utilizando las herramientas Crear cubo de espacio-tiempo agregando puntos, Crear cubo de espacio-tiempo a partir de ubicaciones definidas o Crear cubo de espacio-tiempo a partir de capa ráster multidimensional.	File
analysis_variable	Variable numérica del archivo netCDF que se pronosticará en periodos de tiempo futuros.	String
output_features	Clase de entidad de salida de todas las ubicaciones en el cubo de espacio-tiempo con valores previstos almacenados como campos. La capa muestra la predicción del paso de tiempo final y contiene gráficos emergentes que muestran las series de tiempo, las predicciones y los límites de confianza del 90 por ciento de cada ubicación.	Feature Class
output_cube (Opcional)	Nuevo cubo de espacio-tiempo (archivo .nc) que contiene los valores del cubo de espacio-tiempo de entrada con los periodos de tiempo previstos anexados. La herramienta Visualizar cubo de espacio-tiempo en 3D puede utilizarse para ver todos los valores observados y previstos de forma simultánea.	File
number_of_time_steps_to_forecast (Opcional)	Entero positivo que especifica el número de periodos de tiempo de la previsión. Este valor no puede ser mayor que el 50% de los periodos de tiempo totales del cubo de espacio-tiempo de entrada. El valor predeterminado es un periodo de tiempo.	Long
time_window (Opcional)	El número de periodos de tiempo anteriores que se desea usar para entrenar el modelo. Si sus datos presentan estacionalidad (ciclos que se repiten), proporcione el número de periodos de tiempo correspondientes a una estación. Este valor no puede ser mayor que un tercio del número de pasos de tiempo del cubo de espacio-tiempo de entrada. Si no se proporciona ningún valor, se estima una ventana de tiempo para cada ubicación utilizando una función de densidad espectral.	Long
number_for_validation (Opcional)	Número de periodos de tiempo al final de cada serie temporal que se van a excluir para validación. El valor predeterminado es el 10% (redondeado por defecto) del número de periodos de tiempo de entrada y no puede ser mayor que el 25% del número de periodos de tiempo. Si no quiere excluir ningún periodo de tiempo, introduzca el valor 0.	Long
number_of_trees (Opcional)	La cantidad de árboles que se crearán en el modelo de bosque. Un mayor número de árboles por lo general dará lugar a una predicción de modelo más precisa, pero el modelo tardará más en calcularse. El número predeterminado de árboles es de 100, y el valor debe ser al menos 1 y no mayor de 1.000.	Long
minimum_leaf_size (Opcional)	El número mínimo de observaciones que se requieren para conservar una hoja (es decir, el nodo terminal de un árbol que no tiene más divisiones). En el caso de datos muy grandes, si aumenta este número se reducirá el tiempo de ejecución de la herramienta.	Long
maximum_depth (Opcional)	El número máximo de divisiones que se realizarán en un árbol. Si se utiliza una profundidad máxima grande, se podrán crear más divisiones, lo cual puede aumentar las probabilidades de exceso de ajuste en el modelo. Si no se proporciona ningún valor, la herramienta identificará un valor basado en el número de árboles creados por el modelo y el tamaño de la ventana de periodos de tiempo.	Long
sample_size (Opcional)	El porcentaje de datos de entrenamiento que se utilizarán para ajustar el modelo de predicción. Los datos de entrenamiento constan de variables explicativas y dependientes asociadas construidas usando ventanas de tiempo. Todos los datos de entrenamiento restantes se utilizarán para optimizar los parámetros del modelo de predicción. El valor predeterminado es del 100 por ciento. Más información sobre el entrenamiento del modelo de predicción de bosque	Long
forecast_approach (Opcional)	Especifica cómo se representarán las variables explicativas y dependientes al entrenar el modelo de bosque en cada ubicación. Para entrenar el modelo de bosque que se utilizará para la predicción, se deben crear conjuntos de variables explicativas y dependientes utilizando ventanas de tiempo. Utilice este parámetro para especificar si la eliminación de tendencia en estas variables será lineal y si la variable dependiente se representará por su valor bruto o por el residual de un modelo de regresión lineal. Este modelo de regresión lineal utiliza todos los pasos de tiempo de una ventana de tiempo como variables explicativas y utiliza el siguiente paso de tiempo como variable dependiente. El residual se calcula restando el valor predicho basado en la regresión lineal del valor bruto de la variable dependiente. Más información sobre el parámetro Planteamiento de predicción VALUE—Los valores de la ventana de tiempo no serán objeto de eliminación de tendencia y la variable dependiente se representará por su valor bruto. VALUE_DETREND—Los valores de la ventana de tiempo serán objeto de eliminación de tendencia lineal y la variable dependiente se representará por su valor de eliminación de tendencia. Esta es la opción predeterminada. RESIDUAL—Los valores de la ventana de tiempo no serán objeto de eliminación de tendencia y la variable dependiente se representará por el residual de un modelo de regresión lineal que utiliza los valores de la ventana de tiempo como variables explicativas. RESIDUAL_DETREND—Los valores de la ventana de tiempo serán objeto de eliminación de tendencia lineal y la variable dependiente se representará por el residual de un modelo de regresión lineal que utiliza los valores de la ventana de tiempo con eliminación de tendencia como variables explicativas.	String
outlier_option (Opcional)	Especifica si se identificarán valores atípicos de series temporales estadísticamente significativos. NONE—No se identificarán valores atípicos. Esta es la opción predeterminada. IDENTIFY—Se identificarán valores atípicos utilizando la prueba de ESD generalizada.	String
level_of_confidence (Opcional)	Especifica el nivel de confianza para la prueba de los valores atípicos de series temporales. 90%—El nivel de confianza para la prueba es de un 90 por ciento. Esta es la opción predeterminada. 95%—El nivel de confianza para la prueba es de un 95 por ciento. 99%—El nivel de confianza para la prueba es de un 99 por ciento.	String
maximum_number_of_outliers	El número máximo de periodos de tiempo que se pueden declarar como valores atípicos para cada ubicación. El valor predeterminado corresponde a un cinco por ciento (redondeado a la baja) del número de periodos de tiempo del cubo de espacio-tiempo de entrada (siempre se utilizará un valor de al menos 1). Este valor no puede superar el 20 por ciento del número de periodos de tiempo.	Long

Muestra de código

Ejemplo 1 de ForestBasedForecast (ventana de Python)

En el siguiente script de Python se muestra cómo utilizar la herramienta ForestBasedForecast.

import arcpy
arcpy.env.workspace = "C:/Analysis"

# Forecast four time steps using a random forest with detrending.
arcpy.stpm.ForestBasedForecast("CarTheft.nc","Cars_NONE_ZEROS", 
                               "Analysis.gdb/Forecasts", "outForecastCube.nc"
                               4, 3, 5, 100, "", "", 100, "VALUE_DETREND")

Ejemplo 2 de ForestBasedForecast (script independiente)

En el siguiente script de Python se muestra cómo utilizar la herramienta ForestBasedForecast para predecir el recuento de delitos de robo de vehículos.

# Forecast change in car thefts using a random forest.

# Import system modules.
import arcpy

# Set property to overwrite existing output, by default.
arcpy.env.overwriteOutput = True

# Set workspace.
workspace = r"C:\Analysis"
arcpy.env.workspace = workspace

# Forecast three time steps using a random forest based on change.
arcpy.stpm.ForestBasedForecast("CarTheft.nc","Cars_NONE_ZEROS", 
                               "Analysis.gdb/Forecasts", "outForecastCube.nc"
                               4, 3, 5, 100, "", "", 100, "CHANGE",
                               "IDENTIFY", "90%", 4)

# Create a feature class visualizing the forecasts.
arcpy.stpm.VisualizeSpaceTimeCube3D("outForecastCube.nc", "Cars_NONE_ZEROS", 
                                    "VALUE", "Analysis.gdb/ForecastsFC")

Entornos

Factor de procesamiento en paralelo, Generador de números aleatorios, Sistema de coordenadas de salida

Casos especiales

Información de licenciamiento

• Basic: Sí
• Standard: Sí
• Advanced: Sí