数据清洗、合并、转化和重构

时间:2022-06-07
本文章向大家介绍数据清洗、合并、转化和重构，主要内容包括其使用实例、应用技巧、基本知识点总结和需要注意事项，具有一定的参考价值，需要的朋友可以参考一下。

文章来源：Python数据分析

目录：

  • DIKW模型与数据工程
  • 科学计算工具Numpy
  • 数据分析工具Pandas
  • Pandas的函数应用、层级索引、统计计算
  • Pandas分组与聚合
  • 数据清洗、合并、转化和重构
  • 数据清洗是数据分析关键的一步，直接影响之后的处理工作
  • 数据需要修改吗？有什么需要修改的吗？数据应该怎么调整才能适用于接下来的分析和挖掘？
  • 是一个迭代的过程，实际项目中可能需要不止一次地执行这些清洗操作
  • 处理缺失数据：pd.fillna()，pd.dropna()

1.数据连接(pd.merge)

  • pd.merge
  • 根据单个或多个键将不同DataFrame的行连接起来
  • 类似数据库的连接操作

示例代码：

import pandas as pd
import numpy as np

df_obj1 = pd.DataFrame({'key': ['b', 'b', 'a', 'c', 'a', 'a', 'b'],
                        'data1' : np.random.randint(0,10,7)})
df_obj2 = pd.DataFrame({'key': ['a', 'b', 'd'],
                        'data2' : np.random.randint(0,10,3)})

print(df_obj1)
print(df_obj2)

运行结果：

   data1 key
   data1 key
0      8   b
1      8   b
2      3   a
3      5   c
4      4   a
5      9   a
6      6   b

   data2 key
0      9   a
1      0   b
2      3   d

1. 默认将重叠列的列名作为“外键”进行连接

示例代码：

# 默认将重叠列的列名作为“外键”进行连接
print(pd.merge(df_obj1, df_obj2))

运行结果：

   data1 key  data2
0      8   b      0
1      8   b      0
2      6   b      0
3      3   a      9
4      4   a      9
5      9   a      9

2. on显示指定“外键”

示例代码：

# on显示指定“外键”
print(pd.merge(df_obj1, df_obj2, on='key'))

运行结果：

   data1 key  data2
0      8   b      0
1      8   b      0
2      6   b      0
3      3   a      9
4      4   a      9
5      9   a      9

3. left_on，左侧数据的“外键”，right_on，右侧数据的“外键”

示例代码：

# left_on，right_on分别指定左侧数据和右侧数据的“外键”

# 更改列名
df_obj1 = df_obj1.rename(columns={'key':'key1'})
df_obj2 = df_obj2.rename(columns={'key':'key2'})

print(pd.merge(df_obj1, df_obj2, left_on='key1', right_on='key2'))

运行结果：

   data1 key1  data2 key2
0      8    b      0    b
1      8    b      0    b
2      6    b      0    b
3      3    a      9    a
4      4    a      9    a
5      9    a      9    a

默认是“内连接”(inner)，即结果中的键是交集 how指定连接方式

4. “外连接”(outer)，结果中的键是并集

示例代码：

# “外连接”
print(pd.merge(df_obj1, df_obj2, left_on='key1', right_on='key2', how='outer'))

运行结果：

   data1 key1  data2 key2
0    8.0    b    0.0    b
1    8.0    b    0.0    b
2    6.0    b    0.0    b
3    3.0    a    9.0    a
4    4.0    a    9.0    a
5    9.0    a    9.0    a
6    5.0    c    NaN  NaN
7    NaN  NaN    3.0    d

5. “左连接”(left)

示例代码：

# 左连接
print(pd.merge(df_obj1, df_obj2, left_on='key1', right_on='key2', how='left'))

运行结果：

   data1 key1  data2 key2
0      8    b    0.0    b
1      8    b    0.0    b
2      3    a    9.0    a
3      5    c    NaN  NaN
4      4    a    9.0    a
5      9    a    9.0    a
6      6    b    0.0    b

6. “右连接”(right)

示例代码：

# 右连接
print(pd.merge(df_obj1, df_obj2, left_on='key1', right_on='key2', how='right'))

运行结果：

   data1 key1  data2 key2
0    8.0    b      0    b
1    8.0    b      0    b
2    6.0    b      0    b
3    3.0    a      9    a
4    4.0    a      9    a
5    9.0    a      9    a
6    NaN  NaN      3    d

7. 处理重复列名

suffixes，默认为_x, _y

示例代码：

# 处理重复列名
df_obj1 = pd.DataFrame({'key': ['b', 'b', 'a', 'c', 'a', 'a', 'b'],
                        'data' : np.random.randint(0,10,7)})
df_obj2 = pd.DataFrame({'key': ['a', 'b', 'd'],
                        'data' : np.random.randint(0,10,3)})

print(pd.merge(df_obj1, df_obj2, on='key', suffixes=('_left', '_right')))

运行结果：

   data_left key  data_right
0          9   b           1
1          5   b           1
2          1   b           1
3          2   a           8
4          2   a           8
5          5   a           8

8. 按索引连接

left_index=True或right_index=True

示例代码：

# 按索引连接
df_obj1 = pd.DataFrame({'key': ['b', 'b', 'a', 'c', 'a', 'a', 'b'],
                        'data1' : np.random.randint(0,10,7)})
df_obj2 = pd.DataFrame({'data2' : np.random.randint(0,10,3)}, index=['a', 'b', 'd'])

print(pd.merge(df_obj1, df_obj2, left_on='key', right_index=True))

运行结果：

   data1 key  data2
0      3   b      6
1      4   b      6
6      8   b      6
2      6   a      0
4      3   a      0
5      0   a      0

2.数据合并(pd.concat)

  • 沿轴方向将多个对象合并到一起

1. NumPy的concat

np.concatenate

示例代码：

import numpy as np
import pandas as pd

arr1 = np.random.randint(0, 10, (3, 4))
arr2 = np.random.randint(0, 10, (3, 4))

print(arr1)
print(arr2)

print(np.concatenate([arr1, arr2]))
print(np.concatenate([arr1, arr2], axis=1))

运行结果：

# print(arr1)
[[3 3 0 8]
 [2 0 3 1]
 [4 8 8 2]]

# print(arr2)
[[6 8 7 3]
 [1 6 8 7]
 [1 4 7 1]]

# print(np.concatenate([arr1, arr2]))
 [[3 3 0 8]
 [2 0 3 1]
 [4 8 8 2]
 [6 8 7 3]
 [1 6 8 7]
 [1 4 7 1]]

# print(np.concatenate([arr1, arr2], axis=1)) 
[[3 3 0 8 6 8 7 3]
 [2 0 3 1 1 6 8 7]
 [4 8 8 2 1 4 7 1]]

2. pd.concat

  • 注意指定轴方向，默认axis=0
  • join指定合并方式，默认为outer
  • Series合并时查看行索引有无重复

1) index 没有重复的情况

示例代码：

# index 没有重复的情况
ser_obj1 = pd.Series(np.random.randint(0, 10, 5), index=range(0,5))
ser_obj2 = pd.Series(np.random.randint(0, 10, 4), index=range(5,9))
ser_obj3 = pd.Series(np.random.randint(0, 10, 3), index=range(9,12))

print(ser_obj1)
print(ser_obj2)
print(ser_obj3)

print(pd.concat([ser_obj1, ser_obj2, ser_obj3]))
print(pd.concat([ser_obj1, ser_obj2, ser_obj3], axis=1))

运行结果：

# print(ser_obj1)
0    1
1    8
2    4
3    9
4    4
dtype: int64

# print(ser_obj2)
5    2
6    6
7    4
8    2
dtype: int64

# print(ser_obj3)
9     6
10    2
11    7
dtype: int64

# print(pd.concat([ser_obj1, ser_obj2, ser_obj3]))
0     1
1     8
2     4
3     9
4     4
5     2
6     6
7     4
8     2
9     6
10    2
11    7
dtype: int64

# print(pd.concat([ser_obj1, ser_obj2, ser_obj3], axis=1))
      0    1    2
0   1.0  NaN  NaN
1   5.0  NaN  NaN
2   3.0  NaN  NaN
3   2.0  NaN  NaN
4   4.0  NaN  NaN
5   NaN  9.0  NaN
6   NaN  8.0  NaN
7   NaN  3.0  NaN
8   NaN  6.0  NaN
9   NaN  NaN  2.0
10  NaN  NaN  3.0
11  NaN  NaN  3.0

2) index 有重复的情况

示例代码：

# index 有重复的情况
ser_obj1 = pd.Series(np.random.randint(0, 10, 5), index=range(5))
ser_obj2 = pd.Series(np.random.randint(0, 10, 4), index=range(4))
ser_obj3 = pd.Series(np.random.randint(0, 10, 3), index=range(3))

print(ser_obj1)
print(ser_obj2)
print(ser_obj3)

print(pd.concat([ser_obj1, ser_obj2, ser_obj3]))

运行结果：

# print(ser_obj1)
0    0
1    3
2    7
3    2
4    5
dtype: int64

# print(ser_obj2)
0    5
1    1
2    9
3    9
dtype: int64

# print(ser_obj3)
0    8
1    7
2    9
dtype: int64

# print(pd.concat([ser_obj1, ser_obj2, ser_obj3]))
0    0
1    3
2    7
3    2
4    5
0    5
1    1
2    9
3    9
0    8
1    7
2    9
dtype: int64

# print(pd.concat([ser_obj1, ser_obj2, ser_obj3], axis=1, join='inner')) 
# join='inner' 将去除NaN所在的行或列
   0  1  2
0  0  5  8
1  3  1  7
2  7  9  9

3) DataFrame合并时同时查看行索引和列索引有无重复

示例代码：

df_obj1 = pd.DataFrame(np.random.randint(0, 10, (3, 2)), index=['a', 'b', 'c'],
                       columns=['A', 'B'])
df_obj2 = pd.DataFrame(np.random.randint(0, 10, (2, 2)), index=['a', 'b'],
                       columns=['C', 'D'])
print(df_obj1)
print(df_obj2)

print(pd.concat([df_obj1, df_obj2]))
print(pd.concat([df_obj1, df_obj2], axis=1, join='inner'))

运行结果：

# print(df_obj1)
   A  B
a  3  3
b  5  4
c  8  6

# print(df_obj2)
   C  D
a  1  9
b  6  8

# print(pd.concat([df_obj1, df_obj2]))
     A    B    C    D
a  3.0  3.0  NaN  NaN
b  5.0  4.0  NaN  NaN
c  8.0  6.0  NaN  NaN
a  NaN  NaN  1.0  9.0
b  NaN  NaN  6.0  8.0

# print(pd.concat([df_obj1, df_obj2], axis=1, join='inner'))
   A  B  C  D
a  3  3  1  9
b  5  4  6  8

数据重构

1. stack

  • 将列索引旋转为行索引，完成层级索引
  • DataFrame->Series

示例代码：

import numpy as np
import pandas as pd

df_obj = pd.DataFrame(np.random.randint(0,10, (5,2)), columns=['data1', 'data2'])
print(df_obj)

stacked = df_obj.stack()
print(stacked)

运行结果：

# print(df_obj)
   data1  data2
0      7      9
1      7      8
2      8      9
3      4      1
4      1      2

# print(stacked)
0  data1    7
   data2    9
1  data1    7
   data2    8
2  data1    8
   data2    9
3  data1    4
   data2    1
4  data1    1
   data2    2
dtype: int64

2. unstack

  • 将层级索引展开
  • Series->DataFrame
  • 认操作内层索引，即level=-1

示例代码：

# 默认操作内层索引
print(stacked.unstack())

# 通过level指定操作索引的级别
print(stacked.unstack(level=0))

运行结果：

# print(stacked.unstack())
   data1  data2
0      7      9
1      7      8
2      8      9
3      4      1
4      1      2

# print(stacked.unstack(level=0))
       0  1  2  3  4
data1  7  7  8  4  1
data2  9  8  9  1  2

数据转换

一、 处理重复数据

1 duplicated() 返回布尔型Series表示每行是否为重复行

示例代码：

import numpy as np
import pandas as pd

df_obj = pd.DataFrame({'data1' : ['a'] * 4 + ['b'] * 4,
                       'data2' : np.random.randint(0, 4, 8)})
print(df_obj)

print(df_obj.duplicated())

运行结果：

# print(df_obj)
  data1  data2
0     a      3
1     a      2
2     a      3
3     a      3
4     b      1
5     b      0
6     b      3
7     b      0

# print(df_obj.duplicated())
0    False
1    False
2     True
3     True
4    False
5    False
6    False
7     True
dtype: bool

2 drop_duplicates() 过滤重复行

默认判断全部列 可指定按某些列判断

示例代码：

print(df_obj.drop_duplicates())
print(df_obj.drop_duplicates('data2'))

运行结果：

# print(df_obj.drop_duplicates())
  data1  data2
0     a      3
1     a      2
4     b      1
5     b      0
6     b      3

# print(df_obj.drop_duplicates('data2'))
  data1  data2
0     a      3
1     a      2
4     b      1
5     b      0

3. 根据map传入的函数对每行或每列进行转换

  • Series根据map传入的函数对每行或每列进行转换

示例代码：

ser_obj = pd.Series(np.random.randint(0,10,10))
print(ser_obj)

print(ser_obj.map(lambda x : x ** 2))

运行结果：

# print(ser_obj)
0    1
1    4
2    8
3    6
4    8
5    6
6    6
7    4
8    7
9    3
dtype: int64

# print(ser_obj.map(lambda x : x ** 2))
0     1
1    16
2    64
3    36
4    64
5    36
6    36
7    16
8    49
9     9
dtype: int64

二、数据替换

replace根据值的内容进行替换

示例代码：

# 单个值替换单个值
print(ser_obj.replace(1, -100))

# 多个值替换一个值
print(ser_obj.replace([6, 8], -100))

# 多个值替换多个值
print(ser_obj.replace([4, 7], [-100, -200]))

运行结果：

# print(ser_obj.replace(1, -100))
0   -100
1      4
2      8
3      6
4      8
5      6
6      6
7      4
8      7
9      3
dtype: int64

# print(ser_obj.replace([6, 8], -100))
0      1
1      4
2   -100
3   -100
4   -100
5   -100
6   -100
7      4
8      7
9      3
dtype: int64

# print(ser_obj.replace([4, 7], [-100, -200]))
0      1
1   -100
2      8
3      6
4      8
5      6
6      6
7   -100
8   -200
9      3
dtype: int64

三、全球食品数据分析

项目参考：https://www.kaggle.com/bhouwens/d/openfoodfacts/world-food-facts/how-much-sugar-do-we-eat/discussion 

# -*- coding : utf-8 -*-

# 处理zip压缩文件
import zipfile
import os
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt


def unzip(zip_filepath, dest_path):
    """
        解压zip文件
    """
    with zipfile.ZipFile(zip_filepath) as zf:
        zf.extractall(path=dest_path)


def get_dataset_filename(zip_filepath):
    """
            获取数据集文件名
    """
    with zipfile.ZipFile(zip_filepath) as zf:
        return zf.namelist()[0]


def main():
    """
        主函数
    """
    # 声明变量
    dataset_path = './data'  # 数据集路径
    zip_filename = 'open-food-facts.zip'  # zip文件名
    zip_filepath = os.path.join(dataset_path, zip_filename)  # zip文件路径
    dataset_filename = get_dataset_filename(zip_filepath)  # 数据集文件名（在zip中）
    dataset_filepath = os.path.join(dataset_path, dataset_filename)  # 数据集文件路径

    print('解压zip...', end='')
    unzip(zip_filepath, dataset_path)
    print('完成.')

    # 读取数据
    data = pd.read_csv(dataset_filepath, usecols=['countries_en', 'additives_n'])

    # 分析各国家食物中的食品添加剂种类个数
    # 1. 数据清理
    # 去除缺失数据
    data = data.dropna()    # 或者data.dropna(inplace=True)

    # 将国家名称转换为小写
    data['countries_en'] = data['countries_en'].str.lower()

    # 2. 数据分组统计
    country_additives = data['additives_n'].groupby(data['countries_en']).mean()

    # 3. 按值从大到小排序
    result = country_additives.sort_values(ascending=False)

    # 4. pandas可视化top10
    result.iloc[:10].plot.bar()
    plt.show()

    # 5. 保存处理结果
    result.to_csv('./country_additives.csv')

    # 删除解压数据，清理空间(可选操作)
    if os.path.exists(dataset_filepath):
        os.remove(dataset_filepath)

if __name__ == '__main__':
    main()

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