Keras：如何为 CNN 和 LSTM 层塑造输入？

Question

我正在构建一个模型来预测地理时空数据集。

我的数据具有原始维度（特征、纬度、经度、时间），即对于每个特征和每个纬度/经度点都有一个时间序列。

我已经像这样使用 Keras 创建了一个 CNN-LSTM 模型（我假设下面需要修改，这只是第一次尝试）：

def define_model_cnn_lstm(features, lats, lons, times):
    """
    Create and return a model with CN and LSTM layers. Input and output data is 
    expected to have shape (lats, lons, times).

    :param lats: latitude dimension of input 3-D array 
    :param lons: longitude dimension of input 3-D array
    :param times: time dimension of input 3-D array
    :return: CNN-LSTM model appropriate to the expected input array
    """
    # define the CNN model layers, wrapping each CNN layer in a TimeDistributed layer
    model = Sequential()
    model.add(TimeDistributed(Conv2D(features, (3, 3), 
                                     activation='relu', 
                                     padding='same', 
                                     input_shape=(lats, lons, times))))
    model.add(TimeDistributed(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2))))
    model.add(TimeDistributed(Flatten()))

    # add the LSTM layer, and a final Dense layer
    model.add(LSTM(units=times, activation='relu', stateful=True))
    model.add(Dense(1))

    model.compile(optimizer='adam', loss='mse')

    return model

我的假设是该模型将采用具有形状（特征、纬度、经度、时间）的数据，例如，如果我的地理空间网格为 180 x 360 并且每个点有 100 个时间步长，并且每个观察点有 4 个特征/样本，那么形状将是 (4, 180, 360, 100)。

我假设我希望模型将具有形状（特征、纬度、经度、时间）的数组作为输入，并能够预测具有形状（标签、纬度、经度、时间）的标签数组作为输出。 我首先使用单个变量作为我的标签，但稍后也能有多变量输出（即标签 > 1）可能会很有趣。

我应该如何最好地塑造我的输入数据，和/或如何以最适合此应用程序的方式构建模型层？

Answer 1

好吧，我认为最好将您的数据重塑为(time, lats, lons, features) ，即它是多通道（即特征）空间图的时间序列：

data = np.transpose(data, [3, 1, 2, 0])

然后，您可以轻松地将Conv2D和MaxPooling2D层包装在TimeDistributed层中，以在每个时间步处理（多通道）贴图：

num_steps = 50
lats = 128
lons = 128
features = 4
out_feats = 3

model = Sequential()
model.add(TimeDistributed(Conv2D(16, (3, 3), activation='relu', padding='same'), 
                          input_shape=(num_steps, lats, lons, features)))
model.add(TimeDistributed(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2))))
model.add(TimeDistributed(Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', padding='same')))
model.add(TimeDistributed(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2))))
model.add(TimeDistributed(Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', padding='same')))
model.add(TimeDistributed(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2))))

到目前为止，我们将有一个形状为(50, 16, 16, 32)的张量。 然后我们可以使用Flatten层（当然，包裹在TimeDistributed层中以免丢失时间轴）并将结果提供给一个或多个 LSTM 层（使用return_sequence=True获取每个时间步的输出）：

model.add(TimeDistributed(Flatten()))

# you may stack multiple LSTM layers on top of each other here
model.add(LSTM(units=64, return_sequences=True))

然后我们需要回去。 所以我们需要先对 LSTM 层的结果进行 reshape 使其成为 2D，然后使用UpSampling2D和Conv2D层的组合来UpSampling2D原始地图的形状：

model.add(TimeDistributed(Reshape((8, 8, 1))))
model.add(TimeDistributed(UpSampling2D((2,2))))
model.add(TimeDistributed(Conv2D(32, (3,3), activation='relu', padding='same')))
model.add(TimeDistributed(UpSampling2D((2,2))))
model.add(TimeDistributed(Conv2D(32, (3,3), activation='relu', padding='same')))
model.add(TimeDistributed(UpSampling2D((2,2))))
model.add(TimeDistributed(Conv2D(16, (3,3), activation='relu', padding='same')))
model.add(TimeDistributed(UpSampling2D((2,2))))
model.add(TimeDistributed(Conv2D(out_feats, (3,3), padding='same')))

这是模型摘要：

_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
time_distributed_132 (TimeDi (None, 50, 128, 128, 16)  592       
_________________________________________________________________
time_distributed_133 (TimeDi (None, 50, 64, 64, 16)    0         
_________________________________________________________________
time_distributed_134 (TimeDi (None, 50, 64, 64, 32)    4640      
_________________________________________________________________
time_distributed_135 (TimeDi (None, 50, 32, 32, 32)    0         
_________________________________________________________________
time_distributed_136 (TimeDi (None, 50, 32, 32, 32)    9248      
_________________________________________________________________
time_distributed_137 (TimeDi (None, 50, 16, 16, 32)    0         
_________________________________________________________________
time_distributed_138 (TimeDi (None, 50, 8192)          0         
_________________________________________________________________
lstm_13 (LSTM)               (None, 50, 64)            2113792   
_________________________________________________________________
time_distributed_139 (TimeDi (None, 50, 8, 8, 1)       0         
_________________________________________________________________
time_distributed_140 (TimeDi (None, 50, 16, 16, 1)     0         
_________________________________________________________________
time_distributed_141 (TimeDi (None, 50, 16, 16, 32)    320       
_________________________________________________________________
time_distributed_142 (TimeDi (None, 50, 32, 32, 32)    0         
_________________________________________________________________
time_distributed_143 (TimeDi (None, 50, 32, 32, 32)    9248      
_________________________________________________________________
time_distributed_144 (TimeDi (None, 50, 64, 64, 32)    0         
_________________________________________________________________
time_distributed_145 (TimeDi (None, 50, 64, 64, 16)    4624      
_________________________________________________________________
time_distributed_146 (TimeDi (None, 50, 128, 128, 16)  0         
_________________________________________________________________
time_distributed_147 (TimeDi (None, 50, 128, 128, 3)   435       
=================================================================
Total params: 2,142,899
Trainable params: 2,142,899
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________

如您所见，我们有一个形状为(50, 128, 128, 3)的输出张量，其中 3 指的是我们想要在每个时间步预测位置的所需标签的数量。

补充说明：

• As层和参数的数量增加（即，模型变深），则可能需要处理诸如消失梯度（问题1 ， 2 ）和过拟合（ 1 ， 2 ， 3 ）。 前者的一种解决方案是在每个（可训练的）层之后立即使用BatchNormalization层，以确保馈送到下一层的数据是规范化的。 为了防止过度拟合，您可以使用Dropout层（和/或在LSTM层中设置dropout和recurrent_dropout参数）。

• 正如您在上面看到的，我假设我们正在为模型提供长度为 50 的时间序列。这与数据预处理步骤有关，您需要从整个（长）时间序列中创建窗口训练（和测试）样本并提供它们分批发送到您的模型进行训练。

• 正如我在代码中所评论的，您可以在彼此之上添加多个 LSTM 层以增加网络的表示能力。 但请注意，它可能会增加训练时间，并使您的模型（更多）容易过度拟合。 所以如果你有正当的理由（即你已经尝试过一个 LSTM 层并且没有得到好的结果），那就去做吧。 或者，您可以改用GRU层，但与 LSTM 层相比，可能需要在表示能力和计算成本（即训练时间）之间进行权衡。

• 为了使网络的输出形状与数据的形状兼容，您可以在 LSTM 层之后使用Dense层或调整最后一个 LSTM 层的单元数。

• 显然，上面的代码只是为了演示，你可能需要调整它的超参数（例如层数、过滤器数量、内核大小、使用的优化器、激活函数等）和实验（很多！）以实现最终工作模型非常准确。

• 如果您在 GPU 上训练，您可以使用CuDNNLSTM ( CuDNNGRU ) 层而不是LSTM (GRU) 来提高训练速度，因为它已针对 GPU 进行了优化。

• 并且不要忘记对训练数据进行归一化（这非常重要并且对训练过程有很大帮​​助）。