Ajuste de equações lineares e não lineares por grupo

Vamos ajustar alguns modelos para estimar a altura dominante, lineares e não-lineares, e compará-los em seguida. Vamos utilizar os primeiros 10 talhões do dado de exmplo exfm16.

library(forestmangr)
library(dplyr)
library(tidyr)

data(exfm14)
dados <- exfm14 %>% filter(strata%in%1:10)
dados
#> # A tibble: 485 x 4
#>   strata  plot   age    dh
#>    <dbl> <dbl> <dbl> <dbl>
#> 1      1     2    30  12.3
#> 2      1     2    42  16.3
#> 3      1     2    54  17.6
#> 4      1     2    66  18.9
#> 5      1     2    78  21.0
#> 6      1     2    90  20.5
#> # ... with 479 more rows

Para ajustar o modelo de Schumacher para altura dominante em função da idade, podemos utilizar lm_table. Observe que, não há a necessidade de criar novas variáveis para realizar o ajuste, graças às funções log e inv:

mod1 <- lm_table(dados, log(dh) ~ inv(age))
mod1
#>         b0        b1      Rsqr  Rsqr_adj Std.Error
#> 1 3.484289 -24.84688 0.5774814 0.5766066 0.1489379

Para ajustar um modelo não linear, como o de Chapman-Richards, podemos utilizar a função nls_table. Esta utiliza o algoritimo Levenberg-Marquardt por padrão, garantindo um ótimo ajuste. Por ser um ajuste não linear, valores iniciais para os coeficientes devem ser informados:

mod2 <- nls_table(dados, dh ~ b0 * (1 - exp( -b1 * age )  )^b2, 
          mod_start = c( b0=23, b1=0.03, b2 = 1.3  ) )
mod2
#>         b0         b1       b2
#> 1 25.07289 0.04864685 2.210243

Se quisermos fazer esses ajustes por estrato, basta utilizar o argumento .groups:

mod1 <- lm_table(dados, log(dh) ~ inv(age), .groups = "strata")
mod1
#>    strata       b0        b1      Rsqr  Rsqr_adj Std.Error
#> 1       1 3.409597 -23.89531 0.6735579 0.6626765 0.1231461
#> 2       2 3.438958 -20.93546 0.5838795 0.5748334 0.1161602
#> 3       3 3.466038 -24.71091 0.5240282 0.5145088 0.1672240
#> 4       4 3.503344 -23.68113 0.6594713 0.6511657 0.1146404
#> 5       5 3.536465 -26.23788 0.5750804 0.5692596 0.1571615
#> 6       6 3.541486 -26.18396 0.5843789 0.5758968 0.1589094
#> 7       7 3.546067 -28.33781 0.7170698 0.7125789 0.1331317
#> 8       8 3.385322 -22.29504 0.5114795 0.4966758 0.1641533
#> 9       9 3.444338 -23.34891 0.5151849 0.5062068 0.1638949
#> 10     10 3.411819 -24.00458 0.5749233 0.5585742 0.1491196
mod2 <- nls_table(dados, dh ~ b0 * (1 - exp( -b1 * age )  )^b2, 
          mod_start = c( b0=23, b1=0.03, b2 = 1.3  ),
          .groups = "strata" )
mod2
#>    strata       b0         b1        b2
#> 1       1 22.38251 0.06883817 3.9495071
#> 2       2 23.61424 0.08097176 5.4171092
#> 3       3 24.09040 0.05813164 2.9428225
#> 4       4 29.73188 0.02172249 0.8875606
#> 5       5 26.74705 0.04163860 1.8799458
#> 6       6 25.63739 0.05955898 3.4005108
#> 7       7 26.68246 0.03878189 1.8419905
#> 8       8 23.35938 0.05159001 2.2394412
#> 9       9 27.31603 0.02544091 0.9842925
#> 10     10 22.95016 0.06214439 3.3861913

Se o ajuste não ficar adequado, é possível utilizar um dataframe com chutes específicos para cada grupo, e utilizá-lo como start:

tab_start <- data.frame(strata = c(1:10), 
              rbind(
              data.frame(b0=rep(23, 5),b1=rep(0.03,5),b2=rep(1.3,5) ), 
              data.frame(b0=rep(23, 5),b1=rep(0.03,5),b2=rep(.5,5) )))
tab_start
#>    strata b0   b1  b2
#> 1       1 23 0.03 1.3
#> 2       2 23 0.03 1.3
#> 3       3 23 0.03 1.3
#> 4       4 23 0.03 1.3
#> 5       5 23 0.03 1.3
#> 6       6 23 0.03 0.5
#> 7       7 23 0.03 0.5
#> 8       8 23 0.03 0.5
#> 9       9 23 0.03 0.5
#> 10     10 23 0.03 0.5
mod2 <- nls_table(dados, dh ~ b0 * (1 - exp( -b1 * age )  )^b2, 
          mod_start = tab_start,
          .groups = "strata" )
mod2
#>    strata       b0         b1        b2
#> 1       1 22.38251 0.06883817 3.9495071
#> 2       2 23.61424 0.08097176 5.4171092
#> 3       3 24.09040 0.05813164 2.9428225
#> 4       4 29.73188 0.02172249 0.8875606
#> 5       5 26.74705 0.04163860 1.8799458
#> 6       6 25.63740 0.05955884 3.4004949
#> 7       7 26.68250 0.03878163 1.8419741
#> 8       8 23.35905 0.05159620 2.2398949
#> 9       9 27.31667 0.02543790 0.9841984
#> 10     10 22.95016 0.06214456 3.3862119

Agora vamos ajustar mais alguns modelos. Os modelos utilizados serão:

Schumacher: \[ Ln(DH) = \beta_0 + \beta_1 * \frac{1}{age} \]

Chapman-Richards: \[ DH = \beta_0 * (1 - exp^{-\beta_1 * age})^{\beta_2} \]

Bayley-Clutter: \[ Ln(DH) = \beta_0 + \beta_1 * \begin{pmatrix} \frac{1}{age} \end{pmatrix} ^{\beta_2} \]

Curtis: \[ DH = \beta_0 + \beta_1 * \frac{1}{age} \]

E iremos adicionar os valores estimados aos dados originais, utilizando o output merge_est, nomeando as variáveis estimadas utilizando est.name:

dados_est <- dados %>% 
  lm_table(log(dh) ~ inv(age), .groups = "strata",
           output = "merge_est", est.name = "Schumacher") %>% 
  
  nls_table(dh ~ b0 * (1 - exp( -b1 * age )  )^b2, 
          mod_start = c( b0=23, b1=0.03, b2 = 1.3  ),.groups="strata",
          output ="merge_est",est.name="Chapman-Richards") %>% 
  
  nls_table(log(dh) ~ b0 + b1 * ( inv(age)^b2 ) , 
          mod_start = c( b0=3, b1=-130, b2 = 1.5),.groups = "strata",
          output ="merge_est",est.name = "Bailey-Clutter") %>% 
  
  lm_table(dh ~ inv(age), .groups = "strata",
           output = "merge_est", est.name = "Curtis") 

head(dados_est)  
#>   strata plot age       dh Schumacher Chapman-Richards Bailey-Clutter
#> 1      1    2  30 12.29841   13.64110         13.10199       12.58661
#> 2      1    2  42 16.32000   17.12709         17.86289       18.23334
#> 3      1    2  54 17.58000   19.43531         20.31013       20.32246
#> 4      1    2  66 18.94000   21.06362         21.45677       21.20276
#> 5      1    2  78 21.04000   22.27015         21.97365       21.62661
#> 6      1    2  90 20.48000   23.19865         22.20283       21.85316
#>     Curtis
#> 1 13.61765
#> 2 17.58237
#> 3 19.78499
#> 4 21.18665
#> 5 22.15704
#> 6 22.86866

Obs: as funções lm_table e nls_table verificam se o modelo possui log na variável y, e caso possua, ele o retira automaticamente. Por isso, não há a necessidade de calcular a exponencial dos dados estimados.

Para comparar os modelos, podemos calcular a raiz qudrada do erro médio, e o bias de todos os modelos. Para isso, vamos unir as variáveis estimadas em uma única coluna com tidyr::gather, agrupar por variável, e utilizar as funções rmse_per e bias_per:

dados_est %>% 
  gather(Model, Value, 
         Schumacher, `Chapman-Richards`, `Bailey-Clutter`, Curtis) %>% 
  group_by(Model) %>% 
  summarise(
    RMSE = rmse_per(y = dh, yhat = Value),
    BIAS = bias_per(y = dh, yhat = Value) )
#> # A tibble: 4 x 3
#>   Model             RMSE      BIAS
#>   <chr>            <dbl>     <dbl>
#> 1 Bailey-Clutter    14.8  1.03e+ 0
#> 2 Chapman-Richards  14.7 -7.37e- 4
#> 3 Curtis            14.8  2.94e-15
#> 4 Schumacher        15.0  1.03e+ 0

Outra forma de avaliar estes modelos é utilizando gráficos de resíduos. Para isso, podemos utilizar a função resid_plot:

resid_plot(dados_est, "dh", "Schumacher", "Chapman-Richards", "Bailey-Clutter", "Curtis")

Podemos utlizar outros tipos de gráficos, como histogramas:

resid_plot(dados_est, "dh", "Schumacher","Chapman-Richards","Bailey-Clutter", "Curtis",
           type = "histogram_curve")

E gráfico de versus:

resid_plot(dados_est, "dh", "Schumacher", "Chapman-Richards", "Bailey-Clutter", "Curtis",
           type = "versus")