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系統識別號 U0002-0409201216123900
中文論文名稱 臭氧事件之預測分析-以高雄左營地區為例
英文論文名稱 Prediction of Ozone Episode Days- A Case Study of Zuoying Area in Kaohsiung
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 水資源及環境工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Water Resources and Environmental Engineering
學年度 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 李振豪
研究生英文姓名 Chen-Hao Li
學號 698480455
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 中文
口試日期 2012-07-16
論文頁數 84頁
口試委員 指導教授-黃富國
委員-江旭程
委員-王淑娟
中文關鍵字 臭氧事件日  判別分析  邏輯迴歸  類神經網路  支持向量機 
英文關鍵字 ozone episodes  discriminant analysis  logistic regression  artifical neural network  support vector machine 
學科別分類 學科別應用科學環境工程
中文摘要 高屏地區之光化學污染問題值得長期關注,如何預測及降低臭氧濃度為目前空氣品質污染防制的重要課題。本研究以高雄市臭氧污染較嚴重之左營地區為例,分別採用判別分析(discriminant analysis, DA)、邏輯迴歸(logistic regression, LR)、類神經網路(artificial neural network, ANN),以及較新之支持向量機(support vector machine, SVM)等四種模式作臭氧事件日之預測分析,各模式之預測成果雖互有差異,但相較於直接預測臭氧濃度,本研究展示了探討臭氧問題之另一可行途徑。
本文之研究,利用包括檢測機率(POD)、誤警率(FAR)、誤判率(FPR)、漏判率(FNR)及準確率(ACC)等指標作為模式優劣評判之依據。依美國臭氧事件標準,於臭氧事件日與否之資料數目有偏差的情況下,DA雖然有最高之POD,但卻有最差之FAR及FPR,導致預測結果表現不佳。而SVM之FAR、FPR及ACC雖然不錯,整體而言,還是以ANN呈現之預測結果最為理想;而依台灣臭氧事件標準,在臭氧事件日與否之資料數目沒有偏差之情況下,顯示DA及LR模式在預測臭氧事件日之表現上均較不理想。ANN有最高之準確率ACC、最低之FPR及最低之FAR。相較之下,SVM雖有較高之FAR,不過有最高之POD及最低之FNR;整體表現雖不如ANN理想,不過POD值、FNR值均表現不錯,若考量臭氧事件對民眾健康的影響,採用SVM模式來預測臭氧事件日,仍為一可資採用之選擇。
英文摘要 It’s a problem worthy of much attention in the long term for the photochemical air pollution in Kaohsiung/Ping-Dong area. How to predict and reduce the ozone concentration is an important issue for the air quality pollution control. In this research, a case study of ozone pollution is performed for the Zuoying area in Kaohsiung. In order to predict the ozone episode days, four models, i.e., discriminant analysis (DA), logistic regression (LR), artificial neural network (ANN), and the support vector machine (SVM), are used to analysis and comparison, respectively. Rather than predicting the ozone concentration directly, the occurrence of ozone episode days is forecast instead in the analysis which demonstrates another way to explore the ozone issue.
In this study, five indicators including probability of detection (POD), false alarm rate (FAR), false positive rate (FPR), false negative rate (FNR) and accuracy (ACC) are used as a basis to assess the model performance. If based on the biased data according to the U.S. standard for ozone episodes, DA has the highest POD, but with the worst FAR and FPR, led to the poor performance of the prediction results. Whereas SVM has the better FAR, FPR, and the ACC, the performance of ANN prediction is the best overall. On the other hand, if based on the unbiased data according to the Taiwan standard for ozone episodes, the performance of DA and LR models is not satisfactory. ANN has the highest ACC and the lowest FPR and FAR. In contrast, although SVM has the higher FAR, it with the highest POD and the lowest FNR. The performance of SVM is not good than ANN in general, however, its POD and FNR values show good. If the influences of ozone episodes on the public health are considered, it will be a not bad choice by the SVM model to predict the ozone episode days.
論文目次 目錄 I
表目錄 III
圖目錄 V

目錄
第一章 前言 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 研究架構及流程 2
第二章 台灣地區空氣品質概述及文獻回顧 5
2.1 台灣地區空氣品質概述 5
2.1.1 空氣品質概述 5
2.1.2 臭氧形成機制 7
2.1.3 台灣地區空氣品質標準 8
2.2文獻回顧 10
2.2.1 判別分析法之相關研究 10
2.2.2 邏輯迴歸法之相關研究 10
2.2.3 類神經網路之相關研究 11
2.2.4 支持向量機之相關研究 12
第三章 研究方法 15
3.1 判別分析法(DA) 15
3.2 邏輯迴歸分析法(LR) 17
3.3 類神經網路分析法(ANN) 19
3.3.1 倒傳遞類神經網路 19
3.3.2 倒傳遞類神經網路演算法 20
3.4 支持向量機分析法(SVM) 23
3.4.1線性支持向量機 24
3.4.2 非線性支持向量機 28
3.5 評估指標 30
3.5.1分類矩陣 30
3.5.2 熵值 32
第四章 左營地區臭氧事件案例探討 35
4.1 場址特性及監測資料 35
4.1.1 左營測站場址特性 35
4.1.2 左營測站監測資料 36
4.2 分析參數研究 44
4.3 判別分析 48
4.3.1 採用台灣臭氧事件日之標準 48
4.3.2 採用美國臭氧事件日之標準 52
4.4 邏輯迴歸分析 53
4.4.1採用台灣臭氧事件日之標準 53
4.4.2採用美國臭氧事件日之標準 57
4.5 類神經網路分析 58
4.5.1採用台灣臭氧事件日之標準 58
4.5.2採用美國臭氧事件日之標準 63
4.6 支持向量機分析 64
4.6.1採用台灣臭氧事件日之標準 64
4.6.2採用美國臭氧事件日之標準 68
4.7 各模式綜合比較 69
4.7.1採用台灣臭氧事件日之標準 69
4.7.2採用美國臭氧事件日之標準 74
第五章 結論與建議 79
5.1 結論 79
5.2 建議 80
參考文獻 81

表目錄
表2.1 污染物濃度與污染副指標值對照表(環保署,2012) 7
表2.2 台灣地區空氣品質標準(環保署,2012) 9
表3.1 SVM常用的核函數(Hsu et al., 2009) 29
表3.2 分類矩陣(classification matrix) 30
表3.3 分類矩陣-事件日及非事件日加總 33
表3.4 頻率矩陣 34
表4.1 各模式輸入之參數及資料來源 38
表4.2各模式訓練、測試及預測資料相關數據 39
表4.3 O3自相關係數表 45
表4.4 目標輸出之臭氧事件日與O3_1之交叉相關表 47
表4.5 判別分析之模式摘要 48
表4.6 判別函數係數與結構係數彙總表 50
表4.7 台灣標準之DA結果分類矩陣 51
表4.8 美國標準之DA結果分類矩陣 52
表4.9 LR模式摘要表 53
表4.10 Hosmer-Lemeshow擬合優度指標 54
表4.11 LR方程式中的變數 56
表4.12台灣標準之LR結果分類矩陣 57
表4.13美國標準之LR結果分類矩陣 58
表4.14 神經元個數與均方根誤差(RMSE)關係表 59
表4.15 類神經網路架構及參數設定資料 61
表4.16 台灣標準之ANN結果分類矩陣 63
表4.17 美國標準之ANN結果分類矩陣 63
表4.18 台灣標準之SVM結果分類矩陣 68
表4.19美國標準之SVM結果分類矩陣 68
表4.20台灣標準之各模式頻率矩陣值 70
表4.21採用台灣臭氧事件日標準之模式評估指標綜合比較表 72
表4.22台灣標準之模式與評估指標整理比較表 73
表4.23採用美國臭氧事件日標準之模式評估指標綜合比較表 75

圖目錄
圖1.1研究架構及流程圖 3
圖2.1 台灣地區2000-2011年O3與PM10之PSI值>100比例圖 6
圖3.1 判別分析幾何圖形(林震岩,2006) 16
圖3.2 邏輯函數曲線圖(王與郭,2010) 18
圖3.3 倒傳遞類神經網路(BPNN)架構圖(張&張,2010) 20
圖3.4 誤差倒傳遞演算法流程(張&張,2010) 22
圖3.5 SVM實際風險示意圖(修改自Vapnik, 1995) 23
圖3.6 SVM之線性可分情況(修改自Burges, 1998) 24
圖3.7 SVM之線性不可分情況(修改自Burges, 1998) 27
圖4.1台灣高屏空品區之左營測站及高雄氣象站位置圖 36
圖4.2 O3、NO2及太陽角φ隨時間變化情形 41
圖4.3雲量、最高溫度及最大溫度差隨時間變化情形 42
圖4.4日溫度差、風速及相對濕度隨時間變化情形 43
圖4.5 O3自相關係數圖 45
圖4.6目標輸出之臭氧事件日與否與O3_1之交叉相關圖 46
圖4.7神經元個數與均方根誤差(RMSE)關係圖 59
圖4.8ANN之各層神經元個數示意圖 60
圖4.9 ANN輸入參數之貢獻圖 62
圖4.10 SVM資料處理流程圖(黃承龍等,2004) 65
圖4.11 SVM網格搜尋法調整參數流程圖(黃承龍等,2004) 66
圖4.12 SVM正確率等高線圖 67
圖4.13各模式之R/Rmax值比較 70
圖4.14 台灣標準之各模式POD vs.FAR 74
圖4.15 美國標準之各模式POD vs.FAR 76
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論文使用權限
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