数据预处理-python实现
Posted 彭祥.
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了数据预处理-python实现相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
首先是数据读取：格式主要有excel,csv,txt等
import pandas as pd
data = pd.read_csv(r'../filename.csv') #读取csv文件
data = pd.read_table(r'../filename.txt') #读取txt文件
data = pd.read_excel(r'../filename.xlsx') #读取excel文件
# 获取数据库中的数据
import pymysql
conn = pymysql.connect(host='localhost',user='root',passwd='12345',db='mydb') #连接数据库,注意修改成要连的数据库信息
cur = conn.cursor() #创建游标
cur.execute("select * from train_data limit 100") #train_data是要读取的数据名
data = cur.fetchall() #获取数据
cols = cur.description #获取列名
conn.commit() #执行
cur.close() #关闭游标
conn.close() #关闭数据库连接
col = []
for i in cols:
col.append(i[0])
data = list(map(list,data))
data = pd.DataFrame(data,columns=col)
数据读取完成后，可以查看数据内容
data.head() #显示前五行数据
data.tail() #显示末尾五行数据
data.info() #查看各字段的信息
data.shape #查看数据集有几行几列,data.shape[0]是行数,data.shape[1]是列数
data.describe() #查看数据的大体情况，均值，最值，分位数值...
data.columns.tolist() #得到列名的list
数据预处理的意义
数据处理相关的工作时间占据了整个项目的70%以上。数据的质量，直接决定了模型的预测和泛化能力的好坏。它涉及很多因素，包括：准确性、完整性、一致性、时效性、可信性和解释性。而在真实数据中，我们拿到的数据可能包含了大量的缺失值，可能包含大量的噪音，也可能因为人工录入错误导致有异常点存在，非常不利于算法模型的训练。数据清洗的结果是对各种脏数据进行对应方式的处理，得到标准的、干净的、连续的数据，提供给数据统计、数据挖掘等使用。
预处理方法介绍
数据预处理的主要步骤分为：数据清理、数据集成、数据规约和数据变换。
数据清理
数据清理(data cleaning) 的主要思想是通过填补缺失值、光滑噪声数据，平滑或删除离群点，并解决数据的不一致性来“清理“数据。如果用户认为数据时脏乱的，他们不太会相信基于这些数据的挖掘结果，即输出的结果是不可靠的。
1、缺失值的处理
由于现实世界中，获取信息和数据的过程中，会存在各类的原因导致数据丢失和空缺。
查看缺失值
print(data.isnull().sum()) #统计每列有几个缺失值
missing_col = data.columns[data.isnull().any()].tolist() #找出存在缺失值的列
import numpy as np
#统计每个变量的缺失值占比
def CountNA(data):
cols = data.columns.tolist() #cols为data的所有列名
n_df = data.shape[0] #n_df为数据的行数
for col in cols:
missing = np.count_nonzero(data[col].isnull().values) #col列中存在的缺失值个数
mis_perc = float(missing) / n_df * 100
print("col的缺失比例是miss%".format(col=col,miss=mis_perc))
当然有的算法（贝叶斯、xgboost、神经网络等）对缺失值不敏感，或者有些字段对结果分析作用不大，此时就没必要费时费力去处理缺失值啦
针对这些缺失值的处理方法，主要是基于变量的分布特性和变量的重要性（信息量和预测能力）采用不同的方法。主要分为以下几种：
删除变量：若变量的缺失率较高（大于80%），覆盖率较低，且重要性较低，可以直接将变量删除。
在数据量比较大时候或者一条记录中多个字段缺失，不方便填补的时候可以选择删除缺失值，指的是将该变量（特征）删除
data.dropna(axis=0,how="any",inplace=True) #axis=0代表'行','any'代表任何空值行,若是'all'则代表所有值都为空时，才删除该行
data.dropna(axis=0,inplace=True) #删除带有空值的行
data.dropna(axis=1,inplace=True) #删除带有空值的列
定值填充：工程中常见用-9999进行替代
data = data.fillna(0) #缺失值全部用0插补
data['col_name'] = data['col_name'].fillna('UNKNOWN') #某列缺失值用固定值插补
统计量填充：若缺失率较低（小于95%）且重要性较低，则根据数据分布的情况进行填充。对于数据符合均匀分布，用该变量的均值填补缺失，对于数据存在倾斜分布的情况，采用中位数进行填补。
出现最频繁值填充
即众数插补，离散/连续数据都行，适用于名义变量，如性别
freq_port = data.col_name.dropna().mode()[0] # mode返回出现最多的数据,col_name为列名
data['col_name'] = data['col_name'].fillna(freq_port) #采用出现最频繁的值插补
中位数/均值插补
data['col_name'].fillna(data['col_name'].dropna().median(),inplace=True) #中位数插补，适用于偏态分布或者有离群点的分布
data['col_name'].fillna(data['col_name'].dropna().mean(),inplace=True) #均值插补，适用于正态
插值法填充：包括随机插值，多重差补法，热平台插补，拉格朗日插值，牛顿插值等
拉格朗日插值法
一般针对有序的数据，如带有时间列的数据集,且缺失值为连续型数值小批量数据
from scipy.interpolate import lagrange
#自定义列向量插值函数,s为列向量,n为被插值的位置,k为取前后的数据个数，默认5
def ployinterp_columns(s, n, k=5):
y = s[list(range(n-k,n)) + list(range(n+1,n+1+k))] #取数
y = y[y.notnull()] #剔除空值
return lagrange(y.index, list(y))(n) #插值并返回插值结果
#逐个元素判断是否需要插值
for i in data.columns:
for j in range(len(data)):
if (data[i].isnull())[j]: #如果为空即插值
data[i][j] = ployinterp_columns(data[i],j)
模型填充：使用回归、贝叶斯、随机森林、决策树等模型对缺失数据进行预测。
哑变量填充：若变量是离散型，且不同值较少，可转换成哑变量，例如性别SEX变量，存在male,fameal,NA三个不同的值，可将该列转换成 IS_SEX_MALE, IS_SEX_FEMALE, IS_SEX_NA。若某个变量存在十几个不同的值，可根据每个值的频数，将频数较小的值归为一类’other’，降低维度。此做法可最大化保留变量的信息。
总结来看，常用的做法是：先用pandas.isnull.sum()检测出变量的缺失比例，考虑删除或者填充，若需要填充的变量是连续型，一般采用均值法和随机差值进行填充，若变量是离散型，通常采用中位数或哑变量进行填充。
注意：若对变量进行分箱离散化，一般会将缺失值单独作为一个箱子（离散变量的一个值）
2、噪声处理
噪声是变量的随机误差和方差，是观测点和真实点之间的误差，即偏差则是度量算法的期望输出与真实标记的区别，表达了学习算法对数据的拟合能力。而噪声则表示数据的真实标记与数据在数据集上标记的区别，表明算法在当前任务上能达到的测试误差的下界。
假设数据集用D 表示，测试样本x，y 表示x 在数据集上的标记，
y
‾
\\overline\\texty
y 表示x 的真实标记，f ( x ; D )表示从训练集D上学得的模型 f 的预测输出。令
f(x)
‾
\\overline\\textf(x)
f(x)表示从不同训练集上学得模型的期望输出，则
f(x) ‾ \\overline\\textf(x) f(x) = E D [ f ( x ; D ) ]
则可以定义方差、偏差和噪声的表达，
方差为：
var(x)=E D [ (f(x;D)− f(x) ) 2 ]
偏差为：
bias2( x ) = [ f(x) ‾ \\overline\\textf(x) f(x) − y ‾ \\overline\\texty y ] 2
噪声为：
ϵ2 = E D [ (
y
‾
\\overline\\texty
y − y ) 2 ]
如果对期望泛化误差进行分解，可以得到:
E ( f ; D ) = bias2 ( x ) + v a r ( x ) + ϵ2
即算法的期望泛化误差可以分解为偏差、方差和噪声之和。
通常的处理办法：对数据进行分箱操作，等频或等宽分箱，然后用每个箱的平均数，中位数或者边界值（不同数据分布，处理方法不同）代替箱中所有的数，起到平滑数据的作用。另外一种做法是，建立该变量和预测变量的回归模型，根据回归系数和预测变量，反解出自变量的近似值。
3、离群点处理
异常值是数据分布的常态，处于特定分布区域或范围之外的数据通常被定义为异常或噪声。异常分为两种：“伪异常”，由于特定的业务运营动作产生，是正常反应业务的状态，而不是数据本身的异常；“真异常”，不是由于特定的业务运营动作产生，而是数据本身分布异常，即离群点。主要有以下检测离群点的方法：
简单统计分析：根据箱线图、各分位点判断是否存在异常，例如pandas的describe函数可以快速发现异常值。
基于绝对离差中位数（MAD）：这是一种稳健对抗离群数据的距离值方法，采用计算各观测值与平均值的距离总和的方法。放大了离群值的影响。
基于距离：通过定义对象之间的临近性度量，根据距离判断异常对象是否远离其他对象，缺点是计算复杂度较高，不适用于大数据集和存在不同密度区域的数据集
基于密度：离群点的局部密度显著低于大部分近邻点，适用于非均匀的数据集
基于聚类：利用聚类算法，丢弃远离其他簇的小簇。
总结来看，在数据处理阶段将离群点作为影响数据质量的异常点考虑，而不是作为通常所说的异常检测目标点，因而一般采用较为简单直观的方法，结合箱线图和MAD的统计方法判断变量的离群点。
具体的处理手段：
根据异常点的数量和影响，考虑是否将该条记录删除，信息损失多
若对数据做了log-scale 对数变换后消除了异常值，则此方法生效，且不损失信息
平均值或中位数替代异常点，简单高效，信息的损失较少
在训练树模型时，树模型对离群点的鲁棒性较高，无信息损失，不影响模型训练效果
数据集成
数据分析任务多半涉及数据集成。数据集成将多个数据源中的数据结合成、存放在一个一致的数据存储，如数据仓库中。这些源可能包括多个数据库、数据方或一般文件。
实体识别问题：例如，数据分析者或计算机如何才能确信一个数 据库中的 customer_id 和另一个数据库中的 cust_number 指的是同一实体?通常，数据库和数据仓库 有元数据——关于数据的数据。这种元数据可以帮助避免模式集成中的错误。
冗余问题。一个属性是冗余的，如果它能由另一个表“导出”;如年薪。属性或 维命名的不一致也可能导致数据集中的冗余。 用相关性检测冗余：数值型变量可计算相关系数矩阵，标称型变量可计算卡方检验。
数据值的冲突和处理：不同数据源，在统一合并时，保持规范化，去重。
代码举例
CSV文件合并，这是数据集成的一个方式
实际数据可能分布在一个个的小的csv或者txt文档，而建模分析时可能需要读取所有数据，这时呢，需要将一个个小的文档合并到一个文件中：
#合并多个csv文件成一个文件
import glob
#合并
def hebing():
csv_list = glob.glob('*.csv') #查看同文件夹下的csv文件数
print(u'共发现%s个CSV文件'% len(csv_list))
print(u'正在处理............')
for i in csv_list: #循环读取同文件夹下的csv文件
fr = open(i,'rb').read()
with open('result.csv','ab') as f: #将结果保存为result.csv
f.write(fr)
print(u'合并完毕！')
#去重
def quchong(file):
df = pd.read_csv(file,header=0)
datalist = df.drop_duplicates()
datalist.to_csv(file)
if __name__ == '__main__':
hebing()
quchong("result.csv.csv")
数据规约
数据归约技术可以用来得到数据集的归约表示，它小得多，但仍接近地保持原数据的完整性。 这样，在归约后的数据集上挖掘将更有效，并产生相同(或几乎相同)的分析结果。一般有如下策略：
1、维度规约
用于数据分析的数据可能包含数以百计的属性，其中大部分属性与挖掘任务不相关，是冗余的。维度归约通过删除不相关的属性，来减少数据量，并保证信息的损失最小。
属性子集选择：目标是找出最小属性集，使得数据类的概率分布尽可能地接近使用所有属性的原分布。在压缩 的属性集上挖掘还有其它的优点。它减少了出现在发现模式上的属性的数目，使得模式更易于理解。
逐步向前选择：该过程由空属性集开始，选择原属性集中最好的属性，并将它添加到该集合中。在其后的每一次迭代，将原属性集剩下的属性中的最好的属性添加到该集合中。
逐步向后删除：该过程由整个属性集开始。在每一步，删除掉尚在属性集中的最坏属性。
向前选择和向后删除的结合：向前选择和向后删除方法可以结合在一起，每一步选择一个最 好的属性，并在剩余属性中删除一个最坏的属性。
python scikit-learn 中的递归特征消除算法Recursive feature elimination (RFE)，就是利用这样的思想进行特征子集筛选的，一般考虑建立SVM或回归模型。
单变量重要性：分析单变量和目标变量的相关性，删除预测能力较低的变量。这种方法不同于属性子集选择，通常从统计学和信息的角度去分析。
pearson相关系数和卡方检验，分析目标变量和单变量的相关性。
回归系数：训练线性回归或逻辑回归，提取每个变量的表决系数，进行重要性排序。
树模型的Gini指数：训练决策树模型，提取每个变量的重要度，即Gini指数进行排序。
Lasso正则化：训练回归模型时，加入L1正则化参数，将特征向量稀疏化。
IV指标：风控模型中，通常求解每个变量的IV值，来定义变量的重要度，一般将阀值设定在0.02以上。
以上提到的方法，没有讲解具体的理论知识和实现方法，需要自己去熟悉掌握。通常的做法是根据业务需求来定，如果基于业务的用户或商品特征，需要较多的解释性，考虑采用统计上的一些方法，如变量的分布曲线，直方图等，再计算相关性指标，最后去考虑一些模型方法。如果建模需要，则通常采用模型方法去筛选特征，如果用一些更为复杂的GBDT，DNN等模型，建议不做特征选择，而做特征交叉。
2、维度变换：
维度变换是将现有数据降低到更小的维度，尽量保证数据信息的完整性。这里介绍常用的几种有损失的维度变换方法，将大大地提高实践中建模的效率
主成分分析（PCA）和因子分析（FA）：PCA通过空间映射的方式，将当前维度映射到更低的维度，使得每个变量在新空间的方差最大。FA则是找到当前特征向量的公因子（维度更小），用公因子的线性组合来描述当前的特征向量。
奇异值分解（SVD）：SVD的降维可解释性较低，且计算量比PCA大，一般用在稀疏矩阵上降维，例如图片压缩，推荐系统。
聚类：将某一类具有相似性的特征聚到单个变量，从而大大降低维度。
线性组合：将多个变量做线性回归，根据每个变量的表决系数，赋予变量权重，可将该类变量根据权重组合成一个变量。
数据变换
数据变换包括对数据进行规范化，离散化，稀疏化处理，达到适用于挖掘的目的。
1、规范化处理
数据中不同特征的量纲可能不一致，数值间的差别可能很大，不进行处理可能会影响到数据分析的结果，因此，需要对数据按照一定比例进行缩放，使之落在一个特定的区域，便于进行综合分析。特别是基于距离的挖掘方法，聚类，KNN，SVM一定要做规范化处理。
最大 - 最小规范化：将数据映射到[0,1]区间，
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
x_scaler = MinMaxScaler()
y_scaler = MinMaxScaler()
#特征归一化
x_train_sca = x_scaler.fit_transform(X_train)
x_test_sca = x_scaler.transform(X_test)
y_train_sca = y_scaler.fit_transform(pd.DataFrame(y_train))
Z-Score标准化：处理后的数据均值为0，方差为1，
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
#一般把train和test集放在一起做标准化，或者在train集上做标准化后，用同样的标准化器去标准化test集
scaler = StandardScaler()
train = scaler.fit_transform(train)
test = scaler.transform(test)
Log变换：在时间序列数据中，对于数据量级相差较大的变量，通常做Log函数的变换，
大多数机器学习算法中，会选择StandardScaler来进行特征缩放，因为MinMaxScaler对异常值非常敏感。在PCA，聚类，逻辑回归，支持向量机，神经网络这些算法中StandardScaler往往是最好的选择。
MinMaxScaler在不涉及距离度量、梯度、协方差计算以及数据需要被压缩到特定区间时使用广泛，比如数字图像处理中量化像素强度时，都会使用MinMaxScaler将数据压缩于[0,1]区间之中。
建议先试试看StandardScaler，效果不好换MinMaxScaler。
2、离散化处理
数据离散化是指将连续的数据进行分段，使其变为一段段离散化的区间。分段的原则有基于等距离、等频率或优化的方法。数据离散化的原因主要有以下几点：
模型需要：比如决策树、朴素贝叶斯等算法，都是基于离散型的数据展开的。如果要使用该类算法，必须将离散型的数据进行。有效的离散化能减小算法的时间和空间开销，提高系统对样本的分类聚类能力和抗噪声能力。离散化的特征相对于连续型特征更易理解。可以有效的克服数据中隐藏的缺陷，使模型结果更加稳定。
等频法：使得每个箱中的样本数量相等，例如总样本n=100，分成k=5个箱，则分箱原则是保证落入每个箱的样本量=20。
等宽法：使得属性的箱宽度相等，例如年龄变量（0-100之间），可分成 [0,20]，[20,40]，[40,60]，[60,80]，[80,100]五个等宽的箱。
聚类法：根据聚类出来的簇，每个簇中的数据为一个箱，簇的数量模型给定。
3、稀疏化处理
针对离散型且标称变量，无法进行有序的LabelEncoder时，通常考虑将变量做0，1哑变量的稀疏化处理，例如动物类型变量中含有猫，狗，猪，羊四个不同值，将该变量转换成is_猪，is_猫，is_狗，is_羊四个哑变量。若是变量的不同值较多，则根据频数，将出现次数较少的值统一归为一类’rare’。稀疏化处理既有利于模型快速收敛，又能提升模型的抗噪能力。
哑变量与独热编码
关于分箱操作
分箱就是把数据按特定的规则进行分组，实现数据的离散化，增强数据稳定性，减少过拟合风险。逻辑回归中进行分箱是非常必要的，其他树模型可以不进行分箱。
数据分箱（Binning）作为数据预处理的一部分，也被称为离散分箱或数据分段。其实分箱的概念其实很好理解，它的本质上就是把数据进行分组。
我们以年龄为例，看下面的表格，左边是原始年龄数据，右边是分箱后的数据：
这里补充一句，虽然在实际建模中，分箱一般都是针对连续型数据（如价格、销量、年龄）进行的。但是从理论上，分箱也可以对分类型数据进行。比如，有些分类型数据可取的值非常多，像中国的城市这种数据，这种情况下可以通过分箱，让已经是离散型的数据变得更加离散，比如，城市可以被划分为一级城市、二级城市、三级城市，或者把垃圾分为有害垃圾、可回收垃圾、湿垃圾、干垃圾等等。
其他处理
描述性变量转换为数值型
大部分机器学习算法要求输入的数据必须是数字，不能是字符串，这就要求将数据中的描述性变量（如性别）转换为数值型数据
#寻找描述变量，并将其存储到cat_vars这个list中去
cat_vars = []
print('\\n描述变量有:')
cols = data.columns.tolist()
for col in cols:
if data[col].dtype == 'object':
print(col)
cat_vars.append(col)
##若变量是有序的##
print('\\n开始转换描述变量...')
from sklearn import preprocessing
le = preprocessing.LabelEncoder()
#将描述变量自动转换为数值型变量，并将转换后的数据附加到原始数据上
for col in cat_vars:
tran = le.fit_transform(data[col].tolist())
tran_df = pd.DataFrame(tran,columns=['num_'+col])
print('col经过转化为num_col'.format(col=col,num_col='num_'+col))
data = pd.concat([data, tran_df], axis=1)
del data[col] #删除原来的列
##若变量是无序变量##
#值得注意的是one-hot可能引发维度爆炸
for col in cat_vars:
onehot_tran = pd.get_dummies(data.col)
data = data.join(onehot_tran) #将one-hot后的数据添加到data中
del data[col] #删除原来的列
以上是关于数据预处理-python实现的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章