数据分析-Pandas如何轻松处理时间序列数据

Pandas-如何轻松处理时间序列数据

时间序列数据在数据分析建模中很常见，例如天气预报，空气状态监测，股票交易等金融场景。此处选择巴黎、伦敦欧洲城市空气质量监测$N{O}_2$数据作为样例。

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监测的时间序列数据

比如，air quality no2 数据表中，主要是巴黎，伦敦等城市的每小时环境监测数据：

In [2]: air_quality.head()
Out[2]: 
    city country                   datetime location parameter  value   unit
0  Paris      FR  2019-06-21 00:00:00+00:00  FR04014       no2   20.0  μg/m3
1  Paris      FR  2019-06-20 23:00:00+00:00  FR04014       no2   21.8  μg/m3
2  Paris      FR  2019-06-20 22:00:00+00:00  FR04014       no2   26.5  μg/m3
3  Paris      FR  2019-06-20 21:00:00+00:00  FR04014       no2   24.9  μg/m3
4  Paris      FR  2019-06-20 20:00:00+00:00  FR04014       no2   21.4  μg/m3

In [3]: air_quality.city.unique()
Out[3]: array(['Paris', 'Antwerpen', 'London'], dtype=object)

转换为日期时间对象

默认读取的日期数据，实际上是字符串string 类型，无法进行日期时间的操作，可以转换为datetime数据对象类型，可以用to_datetime() 函数这样操作：

In [5]: air_quality["datetime"] = pd.to_datetime(air_quality["datetime"])

In [6]: air_quality["datetime"]
Out[6]: 
0      2019-06-21 00:00:00+00:00
1      2019-06-20 23:00:00+00:00
2      2019-06-20 22:00:00+00:00
3      2019-06-20 21:00:00+00:00
4      2019-06-20 20:00:00+00:00
                  ...           
2063   2019-05-07 06:00:00+00:00
2064   2019-05-07 04:00:00+00:00
2065   2019-05-07 03:00:00+00:00
2066   2019-05-07 02:00:00+00:00
2067   2019-05-07 01:00:00+00:00
Name: datetime, Length: 2068, dtype: datetime64[ns, UTC]

当然，也可以在pandas.read_csv(), 和 pandas.read_json()函数中，直接就解析转换为datetime类型，parse_dates 参数

pd.read_csv("../data/air_quality_no2_long.csv", parse_dates=["datetime"])

时间操作的典型问题

如何找到序列中的时间开始和时间结束？

In [7]: air_quality["datetime"].min(), air_quality["datetime"].max()
Out[7]: 
(Timestamp('2019-05-07 01:00:00+0000', tz='UTC'),
 Timestamp('2019-06-21 00:00:00+0000', tz='UTC'))

通过min（）函数，找到时间最小值，也就是开始时间；max（）函数，找到时间序列最大值，也就是结束时间。

如何比较两个时间点？如何计算时间跨度，或者持续时间？

In [8]: air_quality["datetime"].max() - air_quality["datetime"].min()
Out[8]: Timedelta('44 days 23:00:00')

pandas.Timestamp 可以直接计算差值，结果为pandas.Timedelta 类型，类似于python库的时间跨度，datetime.timedelta

如何仅关注某个时间单位？

比如年，月，日，比如增加一列，表示月份？

In [11]: air_quality["month"] = air_quality["datetime"].dt.month

In [12]: air_quality.head()
Out[12]: 
    city country                  datetime  ... value   unit  month
0  Paris      FR 2019-06-21 00:00:00+00:00  ...  20.0  μg/m3      6
1  Paris      FR 2019-06-20 23:00:00+00:00  ...  21.8  μg/m3      6
2  Paris      FR 2019-06-20 22:00:00+00:00  ...  26.5  μg/m3      6
3  Paris      FR 2019-06-20 21:00:00+00:00  ...  24.9  μg/m3      6
4  Paris      FR 2019-06-20 20:00:00+00:00  ...  21.4  μg/m3      6

[5 rows x 8 columns]

使用timestamp的 dt.month属性，提取月份数值。类似的，也可以提取年，日，季节等等时间属性。

如何计算每周，每个城市的No2浓度平均值？

In [13]: air_quality.groupby(
   ....:     [air_quality["datetime"].dt.weekday, "location"])["value"].mean()
   ....: 
Out[13]: 
datetime  location          
0         BETR801               27.875000
          FR04014               24.856250
          London Westminster    23.969697
1         BETR801               22.214286
          FR04014               30.999359
                                  ...    
5         FR04014               25.266154
          London Westminster    24.977612
6         BETR801               21.896552
          FR04014               23.274306
          London Westminster    24.859155
Name: value, Length: 21, dtype: float64

使用groupby函数，按照周为时间单位，按城市分组然后合并归集，计算组内均值。

如何把时间Datetime作为索引？

In [18]: no_2 = air_quality.pivot(index="datetime", columns="location", values="value")

In [19]: no_2.head()
Out[19]: 
location                   BETR801  FR04014  London Westminster
datetime                                                       
2019-05-07 01:00:00+00:00     50.5     25.0                23.0
2019-05-07 02:00:00+00:00     45.0     27.7                19.0
2019-05-07 03:00:00+00:00      NaN     50.4                19.0
2019-05-07 04:00:00+00:00      NaN     61.9                16.0
2019-05-07 05:00:00+00:00      NaN     72.4                 NaN

pivot()函数，指定索引 index，列属性columns和数值values，生成二维表。

另外，也可以通过set_index函数。

如何更新频度的重采样？

比如，把当前每小时的采样频度，更新为每个月，取最大值作为采样值。

In [22]: monthly_max = no_2.resample("M").max()

In [23]: monthly_max
Out[23]: 
location                   BETR801  FR04014  London Westminster
datetime                                                       
2019-05-31 00:00:00+00:00     74.5     97.0                97.0
2019-06-30 00:00:00+00:00     52.5     84.7                52.0

resample()函数，类似于groupby分组聚合函数。

以上代码只是一个简单示例，示例代码中的表达式可以根据实际问题进行修改。

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