数据平滑和离群值检测

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数据平滑和离群值检测

2023-09-25 12:40| 来源: 网络整理| 查看: 265

移动窗口方法

移动窗口方法是分批处理数据的方式,通常是为了从统计角度表示数据中的相邻点。移动平均值是一种常见的数据平滑技术,它沿着数据滑动窗,同时计算每个窗内点的均值。这可以帮助消除从一个数据点到下一个数据点的非显著变化。

例如,假设每分钟测量一次风速,持续约 3 小时。使用 movmean 函数和 5 分钟的窗口大小可去除高速阵风。

load windData.mat mins = 1:length(speed); window = 5; meanspeed = movmean(speed,window); plot(mins,speed,mins,meanspeed) axis tight legend("Measured Wind Speed","Average Wind Speed over 5 min Window") xlabel("Time") ylabel("Speed")

同样,您可以使用 movmedian 函数计算滑动窗中的风速中位数。

medianspeed = movmedian(speed,window); plot(mins,speed,mins,medianspeed) axis tight legend("Measured Wind Speed","Median Wind Speed over 5 min Window") xlabel("Time") ylabel("Speed")

并非所有数据都适合用移动窗口方法进行平滑处理。例如,创建插入了随机噪声的正弦信号。

t = 1:0.2:15; A = sin(2*pi*t) + cos(2*pi*0.5*t); Anoise = A + 0.5*rand(1,length(t)); plot(t,A,t,Anoise) axis tight legend("Original Data","Noisy Data")

使用移动均值和大小为 3 的窗口对含噪数据进行平滑处理。

window = 3; Amean = movmean(Anoise,window); plot(t,A,t,Amean) axis tight legend("Original Data","Moving Mean - Window Size 3")

移动均值方法可获得数据的大致形状,但不能非常准确地捕获波谷(局部最小值)。由于波谷点在每个窗口中两个较大的邻点之间,因此均值不是那些点的理想近似值。如果使窗口大小变大,均值将完全消除较短的波峰。对于这种类型的数据,您可能需要考虑其他平滑技术。

Amean = movmean(Anoise,5); plot(t,A,t,Amean) axis tight legend("Original Data","Moving Mean - Window Size 5")

常见的平滑方法

smoothdata 函数提供几种平滑选项,如 Savitzky-Golay 方法,这是一种常用的信号处理平滑技术。默认情况下,smoothdata 根据数据为方法选择最佳估计窗口大小。

使用 Savitzky-Golay 方法可对含噪信号 Anoise 进行平滑处理,并输出它使用的窗口大小。与 movmean 相比,该方法可提供更好的波谷近似值。

[Asgolay,window] = smoothdata(Anoise,"sgolay"); plot(t,A,t,Asgolay) axis tight legend("Original Data","Savitzky-Golay","location","best")

windowwindow = 3

稳健的 Lowess 方法是另一种平滑方法,尤其适用于含噪数据还包含离群值的情形。在含噪数据中插入离群值,并使用稳健的 Lowess 方法对数据进行平滑处理,从而消除离群值。

Anoise(36) = 20; Arlowess = smoothdata(Anoise,"rlowess",5); plot(t,Anoise,t,Arlowess) axis tight legend("Noisy Data","Robust Lowess")

检测离群值

数据中的离群值可能使数据处理结果和其他计算量严重失真。例如,如果您尝试用移动平均值方法对包含离群值的数据进行平滑处理,则可能得到误导性的波峰或波谷。

Amedian = smoothdata(Anoise,"movmedian"); plot(t,Anoise,t,Amedian) axis tight legend("Noisy Data","Moving Median")

当检测到离群值时,isoutlier 函数返回逻辑值 1。验证 Anoise 中离群值的索引和值。

TF = isoutlier(Anoise); ind = find(TF)ind = 36 Aoutlier = Anoise(ind)Aoutlier = 20

您可以使用 filloutliers 函数并指定填充方法来替换数据中的离群值。例如,用紧挨 Anoise 中离群值右侧的邻点值填充该离群值。

Afill = filloutliers(Anoise,"next"); plot(t,Anoise,t,Afill,"o-") axis tight legend("Noisy Data with Outlier","Noisy Data with Filled Outlier")

您也可以使用 rmoutliers 函数从数据中删除离群值。例如,删除 Anoise 中的离群值。

Aremove = rmoutliers(Anoise); plot(t,Anoise,t(~TF),Aremove,"o-") axis tight legend("Noisy Data with Outlier","Noisy Data with Outlier Removed")

非均匀数据

并非所有数据都由等间距点组成,这会影响数据处理的方法。创建一个 datetime 向量,其中包含 Airreg 中数据的不规则采样时间。time 向量表示了前 30 分钟内每分钟采集一次的样本和两天内每小时采集一次的样本。

t0 = datetime(2014,1,1,1,1,1); timeminutes = sort(t0 + minutes(1:30)); timehours = t0 + hours(1:48); time = [timeminutes timehours]; Airreg = rand(1,length(time)); plot(time,Airreg) axis tight

默认情况下,smoothdata 按照等间距整数进行平滑处理,在本例中为 1,2,...,78。由于整数时间戳与 Airreg 中各点的采样不协调,前半小时的数据在平滑后仍然出现噪声。

Adefault = smoothdata(Airreg,"movmean",3); plot(time,Airreg,time,Adefault) axis tight legend("Original Data","Smoothed Data with Default Sample Points")

MATLAB® 中的许多数据处理函数(包括 smoothdata、movmean 和 filloutliers)允许您提供样本点,从而确保相对于其采样单位和频率处理数据。要消除 Airreg 中前半小时数据的高频变化,请将 SamplePoints 名称-值参数和 time 中的时间戳结合使用。

Asamplepoints = smoothdata(Airreg,"movmean", ... hours(3),"SamplePoints",time); plot(time,Airreg,time,Asamplepoints) axis tight legend("Original Data","Smoothed Data with Sample Points")



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