DataPreprocessing

数据预处理工具集

此项目为大气环境数据挖掘实验室成员在大气污染物监测数据挖掘项目中常用的数据预处理方法整理,更多的是为数据处理分析的流程和方法做列举,仅供学习. 代码持续更新中,不足之处欢迎批评指正. git here

目录结构：

数据清洗 /DataCleaning
1. 空值处理 MissingDataHandle.py
  1. 删除 delete_handle(data_class, handel_index)
  2. 中位数插补 median_interpolation_handle(data_class, handel_index)
  3. 众数插补 mode_interpolation_handle(data_class, handel_index)
  4. 均值插补 mean_interpolation_handle(data_class, handel_index)
  5. 固定值插补 fixed_value_padding_handle(data_class, handel_index, padding_value)
  6. 间值法插补 mid_interpolation_handle(data_class, handel_index)
  7. 线性回归法
  8. 拉格朗日法
2. 异常值 OutlierHandle.py
  1. Z-Score法 z_score_detection(data_class, handel_index, z_thr=3.0)
  2. 滑动平均法
数据集成 /Discretization
1. 合并
2. 去重
数据变换 /DataTransformation
1. 函数变换
2. 归一化 NormalizeHandle.py
  1. 离差标准化 min_max_normalize(data_class, handel_index)
  2. 反离差标准化 anti_min_max_normalize(data_class, handel_index)
3. 标准化 StandardizationHandle.py
  1. 标准化 standardization(data_class, handel_index)
  2. 反标准化 anti_standardization(data_class, handel_index)
数据规约 /DataReduction
1. 属性选择 RoughSetAttrSelecter
  1. 基于粗糙集理论的属性选择 attribute_select(data_class)
数据离散 /DataIntegration
1. 分箱
  1. 等值分箱
  2. 等频分箱
  3. 基于Gini指数分箱
  4. 基于熵增分箱
2. one-hot编码
数据集结构 DataClass.py
1. 数据读取 read(self, path, has_head, split_tag='\t')
2. 数据格式转换 parse(self)
3. 打印 print(self)
稀疏数据处理
日志记录 LogHelper.py

数据处理流程

一、数据表结构DataClass

1.1 属性:

二维的数据表data = [[]]
表头head
每一列的数据类型type_list
归一化时的最大值列表（用于反归一化）normalize_max
归一化时的最小值列表（用于反归一化）normalize_min
标准化时的均值（用于反标准化）standard_mean
标准化时的标准差（用于反标准化）standard_std

1.2 方法：

数据读取 read(self, path, has_head, split_tag='\t'):
- path:文件路径
- has_head：是否有表头
- split_tag：切分字符
数据格式转换 parse(self)

在调用数据转换方法parse(self)时，格式错误的数据将被替换为空值.

data = DataClass([str] + [float] * 12)  # 数据格式声明
data.read(r".\sample\fz_micro.txt", True)  # 数据读取
data.parse()  # 数据转换

数据样例 .\sample\fz_micro.txt （部分）

RECEIVETIME	CO	NO2	SO2	O3	PM25	PM10	TEMP	HUM	PM05N	PM1N	PM25N	PM10N
2017/1/9 18:00		634.38	619.43	733.52	57.33	57.76	15.19	65.14	4026.38	1944.57	401.29	24.81
2017/1/9 19:00	431.47	962.93	570.17	824.27	51.8	52.17	14	67.8	3646.73	1758.57	357.47	22.6
2017/1/9 20:00	423	756.33	556.43	854.57	48.57	48.73	14	68.3	3513	1687.4	339.77	20.7
2017/1/9 21:00	419.93	1008.57	499.47	908.13	46	46.47	13.8	68.33	3345.13	1600.43	326.17	20.87
2017/1/9 22:00		1019.47	476.07	927.67	46.27	46.77	13.03	68.83	3401.73	1633.37	328.7	18.83
2017/1/9 23:00		904.8	475.37	947.03	53.47	53.8	13	68.63	3838.1	1856.47	379.37	22.07
2017/1/10 0:00	412.9	1052.7	467.23	955.4	60.5	60.87	A5	68.3	4242.37	2075.77	428.53	25.93
2017/1/10 1:00	412.93	876.2	503.9	930.7	66.8	67.17	13	68.07	4635.37

二、数据清洗 /DataCleaning

2.1 空值处理 MissingDataHandle.py

2.1.1 空值删除 delete_handle(data_class, handel_index)

data_class类型为DataClass的数据
handel_index要处理的列的下标

import DataClass as dc

data = dc.DataClass([str] + [float] * 12)
data.read(r".\sample\fz_micro.txt", False)
delete_handle(data,[i for i in range(1, 13)])
data.parse()

处理后的 .data (空值删除并不会检查数据类型是否合法，如A5并不会被删除)

RECEIVETIME	CO	NO2	SO2	O3	PM25	PM10	TEMP	HUM	PM05N	PM1N	PM25N	PM10N
2017/1/9 19:00	431.47	962.93	570.17	824.27	51.8	52.17	14	67.8	3646.73	1758.57	357.47	22.6
2017/1/9 20:00	423	756.33	556.43	854.57	48.57	48.73	14	68.3	3513	1687.4	339.77	20.7
2017/1/9 21:00	419.93	1008.57	499.47	908.13	46	46.47	13.8	68.33	3345.13	1600.43	326.17	20.87
2017/1/10 0:00	412.9	1052.7	467.23	955.4	60.5	60.87	A5	68.3	4242.37	2075.77	428.53	25.93

2.1.2 均数填充 mean_interpolation_handle(data_class, handel_index)

要处理的属性必须是数值的，不是数值元素按空值处理

处理后的 .data

RECEIVETIME	CO	NO2	SO2	O3	PM25	PM10	TEMP	HUM	PM05N	PM1N	PM25N	PM10N
2017/1/9 18:00	411.02	634.38	619.43	733.52	57.33	57.76	15.19	65.14	4026.38	1944.57	401.29	24.81
2017/1/9 19:00	431.47	962.93	570.17	824.27	51.8	52.17	14	67.8	3646.73	1758.57	357.47	22.6
2017/1/9 20:00	423	756.33	556.43	854.57	48.57	48.73	14	68.3	3513	1687.4	339.77	20.7
2017/1/9 21:00	419.93	1008.57	499.47	908.13	46	46.47	13.8	68.33	3345.13	1600.43	326.17	20.87
2017/1/9 22:00	411.02	1019.47	476.07	927.67	46.27	46.77	13.03	68.83	3401.73	1633.37	328.7	18.83
2017/1/9 23:00	411.02	904.8	475.37	947.03	53.47	53.8	13	68.63	3838.1	1856.47	379.37	22.07
2017/1/10 0:00	412.9	1052.7	467.23	955.4	60.5	60.87	13.28	68.3	4242.37	2075.77	428.53	25.93
2017/1/10 1:00	412.93	876.2	503.9	930.7	66.8	67.17	13	68.07	4635.37	2279.67	469.8	28.93

2.1.3 插值法填充 mid_interpolation_handle(data_class, handel_index)

要处理的属性必须是数值的，不是数值元素按空值处理.

若空值处于首位，则插值取空值的下一个最近的非空的元素.
若空值位于末尾，则插值取空值的上一个最近的非空的元素.
若一个或多个连续的空值位于前后两个非空元素之间，则差值取前后非空元素的等差间值.

处理后的 .data

RECEIVETIME	CO	NO2	SO2	O3	PM25	PM10	TEMP	HUM	PM05N	PM1N	PM25N	PM10N
2017/1/9 18:00	431.47	634.38	619.43	733.52	57.33	57.76	15.19	65.14	4026.38	1944.57	401.29	24.81
2017/1/9 19:00	431.47	962.93	570.17	824.27	51.8	52.17	14	67.8	3646.73	1758.57	357.47	22.6
2017/1/9 20:00	423	756.33	556.43	854.57	48.57	48.73	14	68.3	3513	1687.4	339.77	20.7
2017/1/9 21:00	419.93	1008.57	499.47	908.13	46	46.47	13.8	68.33	3345.13	1600.43	326.17	20.87
2017/1/9 22:00	417.58	1019.47	476.07	927.67	46.27	46.77	13.03	68.83	3401.73	1633.37	328.7	18.83
2017/1/9 23:00	415.24	904.8	475.37	947.03	53.47	53.8	13	68.63	3838.1	1856.47	379.37	22.07
2017/1/10 0:00	412.9	1052.7	467.23	955.4	60.5	60.87	13	68.3	4242.37	2075.77	428.53	25.93
2017/1/10 1:00	412.93	876.2	503.9	930.7	66.8	67.17	13	68.07	4635.37	2360.77	489.71	29.58

2.1.4+ 中数填充众数填充固定值填充等

调用方法与插值法填充类似.

2.2 离异值（异常值）处理 OutlierHandle.py

2.2.1 Z-Score异常值检测 z_score_detection(data_class, handel_index, z_thr=3.0)

data_class类型为DataClass的数据.
handel_index要处理的列的下标.
z_thr识别阈值. 一般取 2.5, 3.0, 3.5
:return每一列离异值的下标.

条件：-1. 数据无空值. -2. 数据经过 parse() 方法格式转换.调用方法如下

import DataClass as dc
import DataCleaning.MissingDataHandle as mdh
import DataCleaning.OutlierHandle as oh

data = dc.DataClass([str] + [float] * 12)
data.read(r".\sample\fz_micro.txt", False)
data.parse()
mdh.mid_interpolation_handle(data, [i for i in range(1, 13)])  # 插值法填充
oh.outlier_none_handle(data, [i for i in range(1, 13)], "z_score", 3.0)  # 通过`z_score`方法识别异常，并置为空值
data.print()

三、数据变换 /DataTransformation

3.1 归一化 NormalizeHandle.py

3.1.1 离差归一化 min_max_normalize(data_class, handel_index)

import DataClass as dc
import DataCleaning.MissingDataHandle as mdh
import DataTransformation.NormalizeHandle as nh

data = dc.DataClass([str] + [float] * 12)
data.read(r".\sample\fz_micro.txt", False)
data.parse()
mdh.mid_interpolation_handle(data, [i for i in range(1, 13)])  # 插值法填充
nh.min_max_normalize(data, [i for i in range(1, 13)])  # 离差归一化
data.print()

条件：-1. 数据无空值. -2. 数据经过 parse() 方法格式转换处理. 处理后的 .data

RECEIVETIME	CO	NO2	SO2	O3	PM25	PM10	TEMP	HUM	PM05N	PM1N	PM25N	PM10N
2017/1/9 18:00	0.87	0.27	0.83	0.31	0.48	0.48	0.55	0.52	0.54	0.51	0.45	0.36
2017/1/9 19:00	0.87	0.51	0.76	0.44	0.43	0.43	0.43	0.57	0.49	0.46	0.4	0.33
2017/1/9 20:00	0.71	0.36	0.74	0.48	0.4	0.4	0.43	0.58	0.47	0.44	0.37	0.3
2017/1/9 21:00	0.66	0.55	0.66	0.56	0.38	0.38	0.41	0.58	0.44	0.41	0.36	0.3
2017/1/9 22:00	0.61	0.56	0.63	0.59	0.38	0.38	0.34	0.59	0.45	0.42	0.36	0.27
2017/1/9 23:00	0.57	0.47	0.63	0.61	0.45	0.44	0.33	0.59	0.52	0.48	0.42	0.32
2017/1/10 0:00	0.52	0.58	0.61	0.63	0.51	0.5	0.33	0.58	0.58	0.54	0.48	0.38
2017/1/10 1:00	0.53	0.45	0.67	0.59	0.56	0.56	0.33	0.58	0.63	0.62	0.55	0.44

3.1.2 反离差归一化 min_max_normalize(data_class, handel_index)

运行示例

import DataClass as dc
import DataCleaning.MissingDataHandle as mdh
import DataTransformation.NormalizeHandle as nh

data = dc.DataClass([str] + [float] * 12)
data.read(r".\sample\fz_micro.txt", False)
data.parse()
mdh.mid_interpolation_handle(data, [i for i in range(1, 13)])  # 插值法填充
nh.min_max_normalize(data, [i for i in range(1, 13)])  # 离差归一化
nh.anti_min_max_normalize(data, [i for i in range(1, 13)])  # 反离差归一化
data.print()

运行结果

RECEIVETIME	CO	NO2	SO2	O3	PM25	PM10	TEMP	HUM	PM05N	PM1N	PM25N	PM10N
2017/1/9 18:00	431.47	634.38	619.43	733.52	57.33	57.76	15.19	65.14	4026.38	1944.57	401.29	24.81
2017/1/9 19:00	431.47	962.93	570.17	824.27	51.80	52.17	14.00	67.80	3646.73	1758.57	357.47	22.60
2017/1/9 20:00	423.00	756.33	556.43	854.57	48.57	48.73	14.00	68.30	3513.00	1687.40	339.77	20.70
2017/1/9 21:00	419.93	1008.57	499.47	908.13	46.00	46.47	13.80	68.33	3345.13	1600.43	326.17	20.87
2017/1/9 22:00	417.59	1019.47	476.07	927.67	46.27	46.77	13.03	68.83	3401.73	1633.37	328.70	18.83
2017/1/9 23:00	415.24	904.80	475.37	947.03	53.47	53.80	13.00	68.63	3838.10	1856.47	379.37	22.07
2017/1/10 0:00	412.90	1052.70	467.23	955.40	60.50	60.87	13.00	68.30	4242.37	2075.77	428.53	25.93
2017/1/10 1:00	412.93	876.20	503.90	930.70	66.80	67.17	13.00	68.07	4635.37	2360.77	489.71	29.58

3.2 标准化 StandardizationHandle.py

3.2.1 标准化 standardization(data_class, handel_index)

import DataClass as dc
import DataTransformation.StandardizationHandle as sdh

data = dc.DataClass([str] + [float] * 12)
data.read(r"E:\_Python\DataPreprocessing\sample\fz_micro.txt", False)
data.parse()
mdh.mid_interpolation_handle(data, [i for i in range(1, 13)])  # 插值法填充
sdh.standardization(data, [i for i in range(1, 13)])  # 标准化
data.print()

条件：-1.数据无空值 -2.数据经过 parse() 方法格式转换. 执行结果

RECEIVETIME	CO	NO2	SO2	O3	PM25	PM10	TEMP	HUM	PM05N	PM1N	PM25N	PM10N
2017/1/9 18:00	1.47	-0.29	0.80	-0.81	0.05	0.04	1.04	-0.44	0.08	0.06	0.02	-0.14
2017/1/9 19:00	1.47	0.89	0.50	-0.21	-0.16	-0.17	0.39	-0.20	-0.16	-0.16	-0.22	-0.30
2017/1/9 20:00	0.86	0.15	0.42	-0.01	-0.29	-0.30	0.39	-0.16	-0.25	-0.25	-0.31	-0.44
2017/1/9 21:00	0.63	1.06	0.07	0.35	-0.39	-0.39	0.28	-0.15	-0.35	-0.35	-0.38	-0.42
2017/1/9 22:00	0.46	1.10	-0.08	0.48	-0.38	-0.38	-0.14	-0.11	-0.32	-0.31	-0.37	-0.57
2017/1/9 23:00	0.29	0.68	-0.08	0.60	-0.10	-0.11	-0.15	-0.13	-0.04	-0.05	-0.10	-0.34
2017/1/10 0:00	0.12	1.22	-0.13	0.66	0.17	0.16	-0.15	-0.16	0.22	0.21	0.16	-0.06
2017/1/10 1:00	0.12	0.58	0.09	0.50	0.41	0.40	-0.15	-0.18	0.46	0.55	0.49	0.21

3.2.2 反标准化 anti_standardization(data_class, handel_index)

运行示例

import DataClass as dc
import DataTransformation.StandardizationHandle as sdh

data = dc.DataClass([str] + [float] * 12)
data.read(r"E:\_Python\DataPreprocessing\sample\fz_micro.txt", False)
data.parse()
mdh.mid_interpolation_handle(data, [i for i in range(1, 13)])  # 插值法填充
sdh.standardization(data, [i for i in range(1, 13)])  # 标准化
sdh.anti_standardization(data, [i for i in range(1, 13)])  # 反标准化
data.print()

四、数据规约 /DataReduction

4.1 属性选择 RoughSetAttrSelecter.py

4.1.1 基于粗糙集理论的属性选择 attribute_select(data_class)

Workflow:

计算数据的CORE属性集:core = get_core(dc),
以CORE中的属性作为初始的属性选择,检查在选定的属性集下,是否存在不可区分集(即计算选定属性集在所有决策属性的下近似) check_distinct(dc, core, considered_instence) $$Initial:SelectedAttrs={CORE}$$ $$POS_{{SelectedAttrs}}(D)=U_{CX}$$
若存在不可区分集,进行下一步迭代.若不存在不可区分集,则CORE就是Reduct.
从剩下的属性中依次选取一个属性$a_i$加入:$$SelectedAttrs={CORE}+{a_i}$$ 检查在选定的属性集下,是否存在不可区分集.
若存在一个或多个个数相同的属性集,都不会产生不可区分集,则在这些属性中选取值种类数较少的属性加入并返回SelectedAttrs,并返回SelectedAttrs,程序运行结束.
若对于所有的${CORE}+{a_i}$属性集,都会产生不可区分集(没有 Reduct )),则选择区分集个数最少的属性进入下一轮迭代(第4步).

Case 1: data: (其中a,b,c,d为条件属性, E为决策属性)

U	a	b	c	d	E
u₁	1	0	2	1	1
u₂	1	0	2	0	1
u₃	1	2	0	0	2
u₄	1	2	2	1	0
u₅	2	1	0	0	2
u₆	2	1	1	0	2
u₇	2	1	2	1	1

# 方法测试
dc = DataClass.DataClass([str] * 5, data)
core = get_core(dc)
assert core == [1]  # CORE(cd)=1 (the second attr)

considered_instence = np.array([True] * dc.len, np.bool)
is_reduct, classify_num, considered_instence = check_distinct(dc, core, considered_instence)
assert (is_reduct, classify_num, considered_instence) == (False, 1, [False] * 2 + [True] * 5)

# 属性选择
selected_attr, max_classify_num = attribute_select(dc)
assert selected_attr == [1, 3]  # 选择{b,d}作为约简后的属性集

方法说明: 其中get_core(data)方法通过构造 Discernibility Matrix 的方法选出CORE属性. check_distinct方法用来检查在选定的属性集下,是否存在不可区分集. 并返回分类个数和数据集约简

不可区分集: 存在两条或多条记录,它们的(已选择的)条件属性相同,但对应的决策属性不同,则这些记录构成了不可区分集,如:当选择{a,b}作为Reduct时,

U	a	b	E
u₃	1	2	2
u₄	1	2	0
u₅	2	1	2
u₆	2	1	2
u₇	2	1	1

a₁b₂→E₂, a₁b₂→E₀ ({u₃,u₄}构成不可区分集) a₂b₁→E₂, a₂b₁→E₁ ({u₅,u₆,u₇}构成不可区分集)

Case 2:

# [case2]
dc = DataClass.DataClass([str] * 5)
dc.read(r'..\sample\weather.txt', True)

selected_attr, max_classify_num = attribute_select(dc)
assert selected_attr == {0, 1, 3}  # 选择属性 {Outlook, Temperature, Windy}

Weather数据集:

U	Outlook	Temperature	Humidity	Windy	Play
x₁	sunny	hot	high	false	no
x₂	sunny	hot	high	true	no
x₃	overcast	hot	high	false	yes
x₄	rainy	mild	high	false	yes
x₅	rainy	cool	normal	false	no
x₆	overcast	cool	normal	true	yes
x₇	sunny	mild	high	false	no
x₈	sunny	cool	normal	false	yes
x₉	rainy	mild	normal	false	yes
x₁₀	sunny	mild	normal	true	yes
x₁₁	overcast	mild	high	true	yes
x₁₂	overcast	hot	normal	false	yes
x₁₃	rainy	mild	high	true	no

属性化简后的数据:

U	Outlook	Temperature	Windy	Play
x₁	sunny	hot	false	no
x₂	sunny	hot	true	no
x₃	overcast	hot	false	yes
x₄	rainy	mild	false	yes
x₅	rainy	cool	false	no
x₆	overcast	cool	true	yes
x₇	sunny	mild	false	no
x₈	sunny	cool	false	yes
x₉	rainy	mild	false	yes
x₁₀	sunny	mild	true	yes
x₁₁	overcast	mild	true	yes
x₁₂	overcast	hot	false	yes
x₁₃	rainy	mild	true	no

Name		Name	Last commit message	Last commit date
Latest commit History 14 Commits
.idea		.idea
DataCleaning		DataCleaning
DataReduction		DataReduction
DataTransformation		DataTransformation
pdf		pdf
picture		picture
sample		sample
.gitattributes		.gitattributes
.gitignore		.gitignore
DataClass.py		DataClass.py
LogHelper.py		LogHelper.py
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数据预处理工具集

目录结构：

数据处理流程

一、数据表结构DataClass

1.1 属性:

1.2 方法：

二、数据清洗 /DataCleaning

2.1 空值处理 MissingDataHandle.py

2.1.1 空值删除 delete_handle(data_class, handel_index)

2.1.2 均数填充 mean_interpolation_handle(data_class, handel_index)

2.1.3 插值法填充 mid_interpolation_handle(data_class, handel_index)

2.1.4+ 中数填充众数填充固定值填充等

2.2 离异值（异常值）处理 OutlierHandle.py

2.2.1 Z-Score异常值检测 z_score_detection(data_class, handel_index, z_thr=3.0)

三、数据变换 /DataTransformation

3.1 归一化 NormalizeHandle.py

3.1.1 离差归一化 min_max_normalize(data_class, handel_index)

3.1.2 反离差归一化 min_max_normalize(data_class, handel_index)

3.2 标准化 StandardizationHandle.py

3.2.1 标准化 standardization(data_class, handel_index)

3.2.2 反标准化 anti_standardization(data_class, handel_index)

四、数据规约 /DataReduction

4.1 属性选择 RoughSetAttrSelecter.py

4.1.1 基于粗糙集理论的属性选择 attribute_select(data_class)

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2.1.1 空值删除 delete_handle(data_class, handel_index)

2.1.2 均数填充 mean_interpolation_handle(data_class, handel_index)

2.1.3 插值法填充 mid_interpolation_handle(data_class, handel_index)

2.1.4+ 中数填充 众数填充 固定值填充 等

2.2 离异值（异常值）处理 OutlierHandle.py

2.2.1 Z-Score异常值检测 z_score_detection(data_class, handel_index, z_thr=3.0)

三、数据变换 /DataTransformation

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3.1.1 离差归一化 min_max_normalize(data_class, handel_index)

3.1.2 反离差归一化 min_max_normalize(data_class, handel_index)

3.2 标准化 StandardizationHandle.py

3.2.1 标准化 standardization(data_class, handel_index)

3.2.2 反标准化 anti_standardization(data_class, handel_index)

四、数据规约 /DataReduction

4.1 属性选择 RoughSetAttrSelecter.py

4.1.1 基于粗糙集理论的属性选择 attribute_select(data_class)

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