环境数据分析与机器学习

Environmental Data Analysis and Machine Learning

前言

人类进入21世纪以来，数据越来越多、越来越大，也越来越复杂、越来越重要，并被视为非物质形态的关键生产要素，是深度学习(Deep Learning, DL)为代表的人工智能（Artificial Intelligence， AI）技术快速发展的核心驱动力之一。当前，数字经济正在重塑世界经济结构，而数据与智能的融合技术（数智融合）是推动数字经济发展的核心力量。2023年9月7日，习近平总书记在新时代推动东北全面振兴座谈会上的讲话中提出“新质生产力”这一全新概念，而数智融合是形成和发展新质生产力的重要技术，更是大国科技竞争的战略领域。

在本书编写过程中的2023年3月，美国OpenAI公司基于深度学习技术开发的多模态大语言模型（LLM）ChatGPT推出了 4.0版本，能够与人类进行对话，并解答常识问题和专业问题，能够进行创意写作，理解人类输入的图片，支持多种语言的翻译，并具有学习能力，逐渐适应用户的个性和习惯，提供更加个性化和定制化的服务。2024年2月，OpenAI公司又推出了根据文本生成视频的大模型Sora，能够准确理解物体在物理世界中的存在，并生成具有丰富情感的角色。此外，美国Google、DeepMind、Meta、Anthropic以及我国的华为、腾讯、百度、阿里巴巴、科大讯飞、智谱AI等公司，均在开发与ChatGPT竞争的多模态大语言模型。

今天，AI已经在工业、农业、服务业等各个领域得到广泛应用，生产和工作更高效，数据分析更准确，决策支持更智能，服务体验更加个性化，艺术设计更具创造力，甚至辅助科学家进行科学研究。AI正在改变人类的教育方式、生活方式、社交方式、医疗方式和工作方式。同时，AI的广泛应用，也带来了各种问题：隐私安全问题，就业机会变化，伦理道德问题等。但AI的发展和应用无可阻挡，各行各业也需要掌握大数据分析方法和机器学习建模技术的人才。新的时代，有新的机会，更需要储备新知识的人才。

本书基于R语言介绍环境数据分析与机器学习建模，使环境科学与工程等专业本科生和研究生掌握R语言进行数据导入、整理与可视化并进行统计分析和建模，同时熟悉R语言机器学习建模方法和了解R语言深度学习建模方法，拓展学生知识架构，提高数智素养，培养符合数智化时代要求的新工科、新理科人才。

本书内容分为六章。第一章介绍数据类型、基本统计术语以及R语言和R Studio的安装，第二章介绍R语言编程基础知识，第三章介绍数据导入、整理和可视化，第四章介绍统计分析和建模，第五章介绍机器学习建模，第六章介绍深度学习建模。本书侧重于以案例和代码来介绍R语言在环境数据分析与建模中的应用，对分析方法和算法不进行深入讨论。因此，读者需要自行阅读相关书籍和文献以了解各种分析方法和算法的原理。

本书为安徽农业大学规划教材，作为环境科学与工程专业《环境数据分析与机器学习》课程的配套教材，亦可供该专业研究生、研究人员和从事环境保护工作的专业人员参考。

限于编者的学识水平，且缺乏足够经验，加上时间仓促，书中难免存在错误与不足之处，恳请读者批评指正。

编者

2024年4月于合肥