2021年美赛C题训练

# <center>21年美赛做题总结-编程的角度 ## 1.lenet图像分类 1. 第一题：说明并讨论是否可以预测这种有害生物随时间的传播，以及精确程度如何 由于要预测，我们首先查看了数据集，发现positive的数量并不多并且大部分为不确定的或者是未被处理过的，  于是我们看了第二题，‘仅使用提供的数据集文件和（可能）提供的图像文件来创建、分析和讨论预测错误分类可能性的模型‘，意思是要我们根据图像来对不确定的样本进行预测，于是就考虑先做第二题，先进行图像分类，因为要进行图像分类，所以就想到了要用神经网络，于是经过了...搜索，发现matlab有个可以进行**深度学习网络搭建的工具**可以使用下面的命令打开 ``` deepNetworkDesigner ``` 打开后就只需要把不同类别的图片放到不同的文件夹，使用类似于画流程图的方式搭建好网络就可以自动开始训练的，于是就考虑将不同类别的图片分到不同的文件夹下，要做到👈这点，首先需要通过GlobalID，将2021MCM_ProblemC_ Images_by_GlobalID文件中的FileName和2021MCMProblemC_DataSet.xlsx中的Lab Status放到一个表中，这块的编程如下： % chubu1.m ```matlab %用于将找到id和filename的对应关系，得到yongyutupianchuli.xlsx表格，表格备注在文件备注.xlsx中 %% % 文件读取 [~,~,imgs]=xlsread('2021MCM_ProblemC_ Images_by_GlobalID.xlsx'); [~,~,details]=xlsread('2021MCMProblemC_DataSet.xlsx'); %% usedforp{1,1}='GlobalID'; usedforp{1,2}='Lab Status'; usedforp{1,3}='FileName'; % 将图片表格里面id摘出来 imgsid=imgs(:,2); imgname=imgs(:,1); % 新表的索引 k=2; unknow=[]; for i=2:4441 item=details{i,1}; index=find(strcmp(imgsid,item)); if length(index)==0 unknow=[unknow,i]; usedforp{k,1}=details{i,1}; usedforp{k,2}=details{i,4}; k=k+1; continue; end indexl=length(index); for j=1:indexl usedforp{k,1}=imgsid{index(j),1}; usedforp{k,2}=details{i,4}; usedforp{k,3}=imgname{index(j),1}; k=k+1; end end %% % 存入表格 xlswrite('yongyutupianchuli.xlsx',usedforp,1); ``` **注：** 1. 非常重要！一个id可能对应多张图片，在搜索的时候一定要注意，最开始我没注意到，所以以为有些图片没有id，但实际是每张图片都有id，并且有的id没有图片，只有notes（关于这些怎么分类请看后文） 2. 那个看起来全是图片的文件夹里面有pdf和视频文件，这里我们是先根据文件名也就是使用上述程序先对不同文件分好类，然后在对应类的文件下把pdf中的图片取出，每个视频截三张图（这块取出和截图的时候要注意命名，因为还要通过文件名找到对应id 分好文件夹后（**分好的文件详见文件夹-'/处理后的data-classify2'**）就可以进行神经网络的搭建了，我最开始用一个叫sqeeze net，据说那个用来图像分类效果很好，但是我注意到它有68层，所以，，，后面它就把我的电脑跑崩了，于是我就换成了最基础的lenet-5来分类，下面是网络的流程图，对图片进行的增强（由于positive的样本实在太少，所以进行了增强）以及训练结果    训练后**使用分类器对图像分类得到的分类结果详见表classify.xlsx** ------ ------ ## 2. LSTM文本分类 上面说到由于有些id（指globalid，以下出现同义）没有图片、pdf和视频，就没办法使用以上方法进行分类，于是就考虑使用文本分析，就使用了lstm根据notes对没有label（指最初就没有label的）进行分类，lstm的代码如下： % lstmfenlei.py ```python % lstm文本分类 import pandas as pd import re import json import numpy as np import nltk from sklearn.metrics import accuracy_score, classification_report from tensorflow.keras.preprocessing.text import Tokenizer from tensorflow.keras.preprocessing.sequence import pad_sequences from tensorflow.keras.models import Sequential from tensorflow.keras.layers import Dense, Embedding, LSTM, SpatialDropout1D from sklearn.model_selection import train_test_split from tensorflow.keras.callbacks import EarlyStopping import jieba as jb # 读入数据 comment_data=pd.read_excel('havelabel.xlsx') # print(comment_data.shape) # print(comment_data.head()) # 数据预处理删除所有记录中包含的空值或空字符串 comment_data=comment_data.dropna() guolv=comment_data['Notes']!=' ' comment_data=comment_data[guolv] # print(comment_data.shape) # 将label转换成id0，1，2这样 comment_data['label_id']=comment_data['Lab Status'].factorize()[0] comment_id = comment_data[['Lab Status', 'label_id']].drop_duplicates().sort_values('label_id').reset_index(drop=True) # 加载停用词 stopwords = nltk.corpus.stopwords.words("english") # 分词并过滤停用词 comment_data['cNotes']=comment_data['Notes'].apply(lambda x: " ".join([w for w in list(jb.cut(x)) if w not in stopwords])) # print(comment_data) # LSTM建模 MAX_NB_WORDS = 50000 # 每条cut_review最大的长度 MAX_SEQUENCE_LENGTH = 250 # 设置Embeddingceng层的维度 EMBEDDING_DIM = 100 tokenizer = Tokenizer(num_words=MAX_NB_WORDS, filters='!"#$%&()*+,-./:;<=>?@[\]^_`{|}~', lower=True) tokenizer.fit_on_texts(comment_data['cNotes'].values) word_index = tokenizer.word_index # print('共有 %s 个不相同的词语.' % len(word_index)) X = tokenizer.texts_to_sequences(comment_data['cNotes'].values) # 填充X,让X的各个列的长度统一 X = pad_sequences(X, maxlen=MAX_SEQUENCE_LENGTH) # 多类标签的onehot展开 Y = pd.get_dummies(comment_data['label_id']).values # print(X.shape,Y.shape) # print(X) # print(Y) # 拆分训练集和测试集 X_train, X_test, Y_train, Y_test = train_test_split(X, Y, test_size=0.10, random_state=42) print(X_train.shape, Y_train.shape) print(X_test.shape, Y_test.shape) # 定义模型 model = Sequential() model.add(Embedding(MAX_NB_WORDS, EMBEDDING_DIM, input_length=X.shape[1])) model.add(SpatialDropout1D(0.2)) model.add(LSTM(100, dropout=0.2, recurrent_dropout=0.2)) model.add(Dense(2, activation='softmax')) model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='adam', metrics=['accuracy']) model.summary() # 模型训练 epochs = 5 batch_size = 64 history = model.fit(X_train, Y_train, epochs=epochs, batch_size=batch_size, validation_split=0.1, callbacks=[EarlyStopping(monitor='val_loss', patience=3, min_delta=0.0001)]) accr = model.evaluate(X_test, Y_test) print('Test set\n Loss: {:0.3f}\n Accuracy: {:0.3f}'.format(accr[0], accr[1])) # LSTM模型的评估 y_pred = model.predict(X_test) y_pred = y_pred.argmax(axis=1) Y_test = Y_test.argmax(axis=1) print('accuracy %s' % accuracy_score(y_pred, Y_test)) print(classification_report(Y_test, y_pred, target_names=comment_id['Lab Status'].values)) def predict(text): txt = text txt = [" ".join([w for w in list(jb.cut(txt.lower())) if w not in stopwords])] seq = tokenizer.texts_to_sequences(txt) padded = pad_sequences(seq, maxlen=MAX_SEQUENCE_LENGTH) pred = model.predict(padded) cat_id = pred.argmax(axis=1)[0] return comment_id[comment_id.label_id == cat_id]['Lab Status'].values[0] # 分类 unpro=pd.read_excel('unpro.xlsx') # print(unpro['Notes'][len(unpro)-1]) # print() unpro['nlplabel'] = unpro['Lab Status'] for i in range(len(unpro)): unpro['nlplabel'][i]=predict(unpro['Note