机器学习算法实战案例：时间序列数据最全的预处理方法总结

1 缺失值处理

数据缺失主要包括记录缺失和字段信息缺失等情况，其对数据分析会有较大影响，导致结果不确定性更加显著，缺失值的处理：

• 删除记录
• 数据插补
• 不处理

首先导入相应的库文件，处理缺失值的库主要是pandas。

import matplotlib.pyplot as plt

首先参加示例数据用于分析：

df = pd.DataFrame({'time':['2023-12-11 00:00','2023-12-11 01:00','2023-12-11 02:00','2023-12-11 03:00','2023-12-11 04:00','2023-12-11 05:00','2023-12-11 06:00','2023-12-11 07:00','2023-12-11 08:00','2023-12-11 09:00','2023-12-11 010:00'],

                  'feature1':[12,33,45,23,np.nan,np.nan,66,54,np.nan,99,190],

                  'feature2':[np.nan,3.3,4.5,np.nan,5.2,np.nan,6.6,5.4,np.nan,9.9,1.0]})

1.1 统计缺失值

(1) df.info()和df.describe()函数

可以通过df.info()函数大概查看缺失值情况，df.info()可以查看列的数据类型，数据数量信息，df.describe()函数用于查看数据的统计信息。

• info： info方法返回DataFrame中的行数，列数，DataFrame中每一列的名称以及该列的非空值的数目以及每一列的数据类型。
• describe： describe方法返回有关DataFrame中数字数据的一些有用统计信息，例如均值，标准偏差，最大值和最小值以及一些百分位数。

df.info()

(2) isnull，notnull判断是否是缺失值

• isnull：缺失值为True，非缺失值为False
• notnull：缺失值为False，非缺失值为True

df[df['feature2'].notnull()]

df["column_name"].isnull().sum(axis=0)

1.2 删除缺失值

当数据存在缺失值，可以通过不同的方式删除缺失值

df.dropna()#只要某个数据行中有缺失值，则此操作就会将该行删除

df.dropna(subset=['column_1', 'column_2'])#如果column_1和column_2两列数据中存在缺失值，则将缺失值所在的行删除，而不需要考虑其他列是否为缺失值

df.dropna(axis=1,how="all")

df.dropna(axis=0,subset=["Name","Age"])#将会删除"Name"和“Age"中有缺失值的行

1.3 指定值填充

缺失值插补有多种方法，可以通过df.fillna()函数实现：

• 均值/中位数/众数插补
• 临近值插补
• 插值法

df.fillna(value=None, method=None, axis=None, inplace=False, limit=None, downcast=None,

• value 参数表示要填充的值
• method 参数表示填充的方法
• axis 参数表示要填充的轴(0 表示行，1 表示列)
• inplace 参数表示是否在原数据框上进行修改
• limit 参数表示最多填充多少个空值
• downcast 参数表示在填充完成后对数据进行类型转换。

指定值填充可以通过df.fillna和df.replace实现

df1.fillna(0,inplace = True)

# df.replace(to_replace=None, value=None, inplace=False, limit=None, regex=False, method='pad', axis=None)

df2['feature1'].replace(np.nan,'0',inplace = True)

1.4 均值/中位数/众数填充

均值/中位数/众数可以通过 mean()、median()、mode()实现

df4['feature1'].fillna(df4['feature1'].mean(),inplace = True)

df4['feature1'].fillna(df4['feature1'].median(),inplace = True)

df4['feature1'].fillna(df4['feature1'].mode(),inplace = True)

1.5 前后项填充

前后项填充用前面和后面的值进行填充，一般两个一起用，避免最前面和最后面一行的值填充不到。

# pad / ffill → 用之前的数据填充 

# backfill / bfill → 用之后的数据填充 

df4['feature2'].fillna(method = 'pad',inplace = True)

2 异常值处理

异常值是指样本中的个别值，其数值明显偏离其余的观测值，异常值也称离群点，异常值的分析也称为离群点的分析

• 异常值分析 → 3σ原则 / 箱型图分析
• 异常值处理方法 → 删除 / 修正填补

首先创建一组数据用于分析：

data = pd.Series(np.random.randn(10000)*100)

2.1 3σ原则分析

首先计算均值和标准差，然后绘制密度曲线，发现数据服从正态分布。

mean = data.mean()  # 计算均值

std = data.std()  # 计算标准差

print('均值为：%.3f，标准差为：%.3f' % (mean, std))

stats.kstest(data, 'norm', (mean, std))

fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(2, 1, figsize=(10, 6))

data.plot(kind='kde', grid=True, style='-k', title='密度曲线', ax=ax1)

然后根据计算的均值和标准差通过3σ原则可视化异常值。

error = data[np.abs(data - mean) > 3 * std]

data_c = data[np.abs(data - mean) <= 3 * std]

print('异常值共%i条' % len(error))

# 筛选出异常值error、剔除异常值之后的数据data_c

ax2.scatter(data_c.index, data_c, color='b', marker='.', alpha=0.3, label='正常值')

ax2.scatter(error.index, error, color='r', marker='.', alpha=0.5, label='异常值')

ax2.set_xlim([-10, 10010])

2.2 箱型图分析

与上面3σ原则分析类似，知识检测的标准笔筒，箱型图分析采用四分位数进行统计。首先计算基本的统计量，然后绘值箱型图。

data = pd.Series(np.random.randn(10000) * 100)

fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(2, 1, figsize=(10, 6))

print('分位差为：%.3f，下限为：%.3f，上限为：%.3f' % (iqr, mi, ma))

color = dict(boxes='DarkGreen', whiskers='DarkOrange', medians='DarkBlue', caps='Gray')

data.plot.box(vert=False, grid=True, color=color, ax=ax1, label='样本数据')

然后根据计算的统计量通过四分位数可视化异常值。

# 筛选出异常值error、剔除异常值之后的数据data_c

error = data[(data < mi) | (data > ma)]

data_c = data[(data >= mi) & (data <= ma)]

print('异常值共%i条' % len(error))

ax2.scatter(data_c.index, data_c, color='b', marker='.', alpha=0.3, label='正常值')

ax2.scatter(error.index, error, color='r', marker='.', alpha=0.5, label='异常值')

ax2.set_xlim([-10, 10010])

3 重复值处理

3.1 重复值计数

同样创建一组数据用于分析，数据的1和2行是重复数据：

df = pd.DataFrame({'time':['2023-12-11 00:00','2023-12-11 00:00','2023-12-11 01:00','2023-12-11 02:00','2023-12-11 03:00','2023-12-11 04:00','2023-12-11 05:00','2023-12-11 06:00','2023-12-11 07:00','2023-12-11 08:00','2023-12-11 09:00','2023-12-11 010:00'],

                  'feature1':[12,12,33,45,23,np.nan,np.nan,66,54,np.nan,99,190],

                  'feature2':[5.8,5.8,3.3,4.5,np.nan,5.2,np.nan,6.6,5.4,np.nan,9.9,1.0]})

可以通过下面的的语句查看重复值，可以看到有1个重复项：

df.duplicated().value_counts()

3.2 drop_duplicates重复值处理

用df.drop_duplicates的方法对某几列下面的重复行删除。

df.drop_duplicates(subset=None, keep='first', inplace=False)

• subset：是用来指定特定的列，默认为所有列

• keep：

  当keep='first'时，就是保留第一次出现的重复行，其余删除  
  当keep='last'时，就是保留最后一次出现的重复行，其余删除  
  当keep=False时，就是删除所有重复行
  

• inplace是指是否直接在原数据上进行修改，默认为否

df.drop_duplicates(keep='first',inplace=True)

3 数据归一化/标准化

数据的标准化（normalization）是将数据按比例缩放，使之落入一个小的特定区间。在某些比较和评价的指标处理中经常会用到，去除数据的单位限制，将其转化为无量纲的纯数值，便于不同单位或量级的指标能够进行比较和加权。最典型的就是数据的归一化处理，即将数据统一映射到[0,1]区间上

• 0-1标准化
• Z-score标准化

3.1 0-1标准化

将数据的最大最小值记录下来，并通过Max-Min作为基数（即Min=0，Max=1）进行数据的归一化处理，计算公式

• x = (x - Min) / (Max - Min)

同样创建一组数据用于分析：

df = pd.DataFrame({"feature1": np.random.rand(10) * 20, 'feature2': np.random.rand(10) * 100})

使用公式进行标准化：

def data_norm(df, *cols):

        max_val = df_n[col].max()

        min_val = df_n[col].min()

        df_n[col] = (df_n[col] - max_val) / (max_val - min_val)

df_n = data_norm(df, 'feature1', 'feature2')

使用库函数实现0-1标准化：

from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler

X_scaled = scaler.fit_transform(df['feature1'].values.reshape(-1, 1))

3.2 Z-score标准化

Z分数（z-score）,是一个分数与平均数的差再除以标准差的过程 → z=(x-μ)/σ，其中x为某一具体分数，μ为平均数，σ为标准差，Z值的量代表着原始分数和母体平均值之间的距离，是以标准差为单位计算。在原始分数低于平均值时Z则为负数，反之则为正数。

同样创建一组数据用于分析：

df = pd.DataFrame({"feature1":np.random.rand(10) * 100,

                  'feature2':np.random.rand(10) * 100})

使用公式进行标准化，归一化后可以检测数据的均值和标准差：

def data_Znorm(df, *cols):

        u = df_n[col].mean()

        std = df_n[col].std()

        df_n[col] = (df_n[col] - u) / std

# 使用功能函数实现Z-score标准化并替换原始数据

df = data_Znorm(df, 'feature1', 'feature2')

使用库函数实现z-score标准化：

from sklearn.preprocessing import StandardScaler

scaler = StandardScaler()

X_scaled = scaler.fit_transform(df['feature1'].values.reshape(-1, 1))

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