Python数据清洗的实用方法与步骤

在机器学习或统计建模之前，数据清洗几乎是绕不开的一步。一堆杂乱无章的数据扔进模型，指望它输出有意义的结果，基本是天方夜谭。

所谓数据清洗，就是从记录集、表或数据库中检测并修正（或删除）受损、不准确记录的过程。它要把数据中不完善、不准确或不相关的部分揪出来，然后替换、修改或直接清除这些“脏”数据。定义听上去就不短，实际执行起来更是既枯燥又耗时。

为了让这个流程简单点，这里整理了一份在Python中执行数据清洗的完整分步指南。读完你就能掌握如何识别并处理以下几类问题：

• 缺失数据
• 不规则数据（异常值）
• 不必要数据：重复数据、复制数据等
• 不一致数据：大小写、地址等

我们选用的数据集来自Kaggle竞赛——Sberbank俄罗斯房地产价值预测项目（目标是预测俄罗斯房价波动）。当然，没有用全部数据，只抽取了其中一部分样本。在正式进入清洗流程之前，先看看数据长什么样。

# import packages
import pandas as pd
import numpy as np
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.mlab as mlab
import matplotlib
plt.style.use('ggplot')
from matplotlib.pyplot import figure
%matplotlib inline
matplotlib.rcParams['figure.figsize'] = (12,8)
pd.options.mode.chained_assignment = None

# read the data
df = pd.read_csv('sberbank.csv')

# shape and data types of the data
print(df.shape)
print(df.dtypes)

# select numeric columns
df_numeric = df.select_dtypes(include=[np.number])
numeric_cols = df_numeric.columns.values
print(numeric_cols)

# select non numeric columns
df_non_numeric = df.select_dtypes(exclude=[np.number])
non_numeric_cols = df_non_numeric.columns.values
print(non_numeric_cols)

从输出可以看到，数据集共有30,471行、292列，同时能分辨出哪些特征是数值型、哪些是分类型——都是之后要考虑的信息。

接下来，我们对照这份“脏数据”检查清单，逐个击破。开始吧。

缺失数据

处理缺失值可以说是数据清洗里最棘手也最常见的环节。很多模型能容忍其他类型的数据问题，但面对缺失数据，绝大多数模型会直接“罢工”。

如何找出缺失数据？

这里介绍三种方法，帮你全面了解数据集中的缺失情况。

方法1：缺失数据热图

当特征数量不多时，热图是一种非常直观的可视化方式。

cols = df.columns[:30] # first 30 columns
colours = ['#000099', '#ffff00'] # specify the colours - yellow is missing. blue is not missing.
sns.heatmap(df[cols].isnull(), cmap=sns.color_palette(colours))

下图展示了前30个特征的缺失模式。横轴是特征名，纵轴是观察值/行数，黄色表示缺失，蓝色表示完整。比如，特征life_sq在多行中都有缺失值，而floor只在第7000行左右出现零星的缺失。

方法2：缺失数据百分比列表

当特征很多时，热图可能变得拥挤。这时可以列出每个特征的缺失百分比。

# if it's a larger dataset and the visualization takes too long can do this.
# % of missing.
for col in df.columns:
    pct_missing = np.mean(df[col].isnull())
    print('{} - {}%'.format(col, round(pct_missing*100)))

得到的结果能清晰看到每个特征的缺失比例：life_sq有21%缺失，而floor只有1%。这个列表可以说是热图的有效补充。

方法3：缺失数据直方图

当特征数量庞大时，还可以用直方图从观察值角度查看缺失模式。

# first create missing indicator for features with missing data
for col in df.columns:
    missing = df[col].isnull()
    num_missing = np.sum(missing)
    if num_missing > 0:  
        print('created missing indicator for: {}'.format(col))
        df['{}_ismissing'.format(col)] = missing

# then based on the indicator, plot the histogram of missing values
ismissing_cols = [col for col in df.columns if 'ismissing' in col]
df['num_missing'] = df[ismissing_cols].sum(axis=1)
df['num_missing'].value_counts().reset_index().sort_values(by='index').plot.bar(x='index', y='num_missing')

这张直方图能帮我们识别30,471行观察值中的缺失状况。例如，超过6000个观察值没有任何缺失，接近4000个观察值只有1个缺失值。

如何处理缺失数据？

这个问题没有统一的答案。必须针对具体的特征和数据集来决定最佳方式。下面是四种最常用的方法；如果情况复杂，可能需要创造性地使用更复杂的思路，比如对缺失数据本身进行建模。

解决方案1：丢弃观察值

统计学中这叫成列删除（listwise deletion），直接删除包含缺失值的整行观察值。只有当你能确信缺失数据不提供任何信息时，才建议使用。否则，考虑其他方案。

举例：从缺失直方图看到，只有少量观察值的缺失数量超过35。那么可以创建一个新数据集df_less_missing_rows，把缺失数多于35的行删掉。

# drop rows with a lot of missing values.
ind_missing = df[df['num_missing'] > 35].index
df_less_missing_rows = df.drop(ind_missing, axis=0)

解决方案2：丢弃特征

和上面类似，只有确认某个特征真的无法提供有用信息时才丢掉它。比如hospital_beds_raion缺失比例高达47%，可能直接扔掉更合适。

# hospital_beds_raion has a lot of missing.
# If we want to drop.
cols_to_drop = ['hospital_beds_raion']
df_less_hos_beds_raion = df.drop(cols_to_drop, axis=1)

解决方案3：填充缺失数据

对于数值特征，可以用同一特征其他非缺失值的平均值或中位数来替换缺失值。对于分类特征，常用众数（最频值）来填充。

以life_sq为例，用中位数填充：

# replace missing values with the median.
med = df['life_sq'].median()
print(med)
df['life_sq'] = df['life_sq'].fillna(med)

也可以一次性对所有数值特征应用同样的策略：

# impute the missing values and create the missing value indicator variables for each numeric column.
df_numeric = df.select_dtypes(include=[np.number])
numeric_cols = df_numeric.columns.values
for col in numeric_cols:
    missing = df[col].isnull()
    num_missing = np.sum(missing)
    if num_missing > 0:  # only do the imputation for the columns that ha ve missing values.
        print('imputing missing values for: {}'.format(col))
        df['{}_ismissing'.format(col)] = missing
        med = df[col].median()
        df[col] = df[col].fillna(med)

这个数据集里的分类特征很幸运没有缺失值。如果遇到，也可以统一用众数填充：

# impute the missing values and create the missing value indicator variables for each non-numeric column.
df_non_numeric = df.select_dtypes(exclude=[np.number])
non_numeric_cols = df_non_numeric.columns.values
for col in non_numeric_cols:
    missing = df[col].isnull()
    num_missing = np.sum(missing)
    if num_missing > 0:  # only do the imputation for the columns that ha ve missing values.
        print('imputing missing values for: {}'.format(col))
        df['{}_ismissing'.format(col)] = missing
        top = df[col].describe()['top'] # impute with the most frequent value.
        df[col] = df[col].fillna(top)

解决方案4：替换缺失值

对于分类特征，可以新增一个类别如_MISSING_。对于数值特征，可以用一个特殊值（比如-999）来替换。这样保留了缺失信息，让缺失本身也可能成为有价值的信号。

# categorical
df['sub_area'] = df['sub_area'].fillna('_MISSING_')
# numeric
df['life_sq'] = df['life_sq'].fillna(-999)

不规则数据（异常值）

异常值是指与其他观察值差异显著的数据点，可能是真正的极端值，也可能是录入错误。

如何找出异常值？

根据特征的类型（数值或分类），有不同的检测方法。

方法1：直方图/箱形图

对于数值特征，直方图和箱形图非常直接。下图是life_sq的直方图：

# histogram of life_sq.
df['life_sq'].hist(bins=100)

数据高度偏斜，很可能存在异常值。

再来看箱形图：

# box plot.
df.boxplot(column=['life_sq'])

从图上看，有一个大于7000的数值明显是异常值。

方法2：描述统计学

有时异常值太极端，箱形图可能显示不全。查看特征的描述性统计就能发现：life_sq的最大值是7478，而上四分位数只有43——7478无疑是个异常点。

df['life_sq'].describe()

方法3：条形图

对于分类特征，可以用条形图观察类别分布。比如ecology的分布看起来还算合理；但如果某个类别（比如“other”）只有一个值，那它就可能是异常值。

# bar chart -  distribution of a categorical variable
df['ecology'].value_counts().plot.bar()

其他方法还包括散点图、z分数、聚类等，这里不一一展开。

如何处理异常值？

检测异常值不难，但如何处理高度依赖数据集和项目目标。和缺失值类似，无非是丢弃、修改或保留三种策略（可参考上一节的解决方案）。

不必要数据

处理完缺失值和异常值，接下来是不必要数据。这部分相对更直接——送入模型的所有数据都应该服务于项目目标，无法增加价值的数据就是不必要的。

这里介绍三种主要类型。

不必要数据类型1：信息不足/重复

有时候，一个特征不提供信息是因为它的大部分行值都相同。怎么找出来？可以创建一个列表，列出那些超过95%行都是相同值的特征。

num_rows = len(df.index)
low_information_cols = []
for col in df.columns:
    cnts = df[col].value_counts(dropna=False)
    top_pct = (cnts/num_rows).iloc[0]
    if top_pct > 0.95:
        low_information_cols.append(col)
        print('{0}: {1:.5f}%'.format(col, top_pct*100))
        print(cnts)
        print()

对于这些特征，逐个确认它们是否真的有用，没用的就丢弃。

不必要数据类型2：不相关

再次强调：数据必须与问题相关。如果一个特征和项目目标毫无关系，就是不相关数据。

如何找出？手动浏览特征列表。比如“多伦多气温”这个特征，对俄罗斯房价预测项目毫无帮助。

如何处理？直接删除。

不必要数据类型3：复制

复制数据指存在完全重复或部分重复的观察值。主要有两种子类型。

基于所有特征的复制

这种复制很容易找——所有特征值完全相同。先暂时去掉唯一标识符id，然后用drop_duplicates()去重，对比前后行数即可知道有多少重复。

# we know that column 'id' is unique, but what if we drop it?
df_dedupped = df.drop('id', axis=1).drop_duplicates()
# there were duplicate rows
print(df.shape)
print(df_dedupped.shape)

结果显示有10行是完全重复的观察值。

处理方法：直接删除。

基于关键特征的复制

有时更好的做法是基于一组唯一标识符来检查。比如，两次房产交易在同一时间、相同使用面积、相同楼层、相同建造年份、相同房间数和相同价格，几乎不可能同时发生。我们可以用timestamp、full_sq、life_sq、floor、build_year、num_room、price_doc作为关键特征进行分组。

key = ['timestamp', 'full_sq', 'life_sq', 'floor', 'build_year', 'num_room', 'price_doc']
df.fillna(-999).groupby(key)['id'].count().sort_values(ascending=False).head(20)

基于这组关键特征，找到了16条复制数据。

处理方法：同样删除。

# drop duplicates based on an subset of variables.
key = ['timestamp', 'full_sq', 'life_sq', 'floor', 'build_year', 'num_room', 'price_doc']
df_dedupped2 = df.drop_duplicates(subset=key)
print(df.shape)
print(df_dedupped2.shape)

删除后得到新数据集df_dedupped2。

不一致数据

模型对数据的一致性也很敏感。需要用不同的方式去发现不一致，很大程度上依赖观察和经验——不存在一行代码就能跑出所有不一致问题的万能脚本。

下面介绍四种常见的不一致类型。

不一致数据类型1：大写

类别值中混用大小写是常见错误。Python对大小写敏感，这可能导致麻烦。

如何发现？看特征sub_area：

df['sub_area'].value_counts(dropna=False)

看起来地区名称挺标准化的。

但同一特征内可能有不一致的大小写——例如“Poselenie Sosenskoe”和“pOseleNie sosenskeo”实际指同一个地区。

如何处理？将所有字母统一转为小写（或大写）：

# make everything lower case.
df['sub_area_lower'] = df['sub_area'].str.lower()
df['sub_area_lower'].value_counts(dropna=False)

不一致数据类型2：格式

另一个需要标准化的地方是数据格式，比如把字符串格式的日期转为DateTime格式。

如何发现？特征timestamp目前是字符串：

df

如何转换？使用pd.to_datetime，然后提取年份、月份等信息：

df['timestamp_dt'] = pd.to_datetime(df['timestamp'], format='%Y-%m-%d')
df['year'] = df['timestamp_dt'].dt.year
df['month'] = df['timestamp_dt'].dt.month
df['weekday'] = df['timestamp_dt'].dt.weekday
print(df['year'].value_counts(dropna=False))
print()
print(df['month'].value_counts(dropna=False))

不一致数据类型3：类别值

分类变量的取值数量有限，但拼写错误可能导致意外的值出现。

如何发现？需要人工观察。这个房地产数据集不存在这个问题，所以我们创建一个示例数据集来说明。假设城市变量应该有四个值：toronto、vancouver、montreal、calgary，但实际数据中间出现了“torontoo”、“tronto”、“vancover”等错误拼写。

一种简单的识别方式是模糊逻辑（编辑距离），衡量一个词变成另一个词需要修改的字母数。与正确词距离越小，越可能是拼写错误。

from nltk.metrics import edit_distance
df_city_ex = pd.DataFrame(data={'city': ['torontoo', 'toronto', 'tronto', 'vancouver', 'vancover', 'vancouvr', 'montreal', 'calgary']})
df_city_ex['city_distance_toronto'] = df_city_ex['city'].map(lambda x: edit_distance(x, 'toronto'))
df_city_ex['city_distance_vancouver'] = df_city_ex['city'].map(lambda x: edit_distance(x, 'vancouver'))
df_city_ex

如何处理？设定一个阈值，比如距离≤2的视为拼写错误，统一修正：

msk = df_city_ex['city_distance_toronto'] <= 2
df_city_ex.loc[msk, 'city'] = 'toronto'
msk = df_city_ex['city_distance_vancouver'] <= 2
df_city_ex.loc[msk, 'city'] = 'vancouver'
df_city_ex

不一致数据类型4：地址

地址数据是很多人头疼的老问题。通常人们输入地址时不会遵循统一格式。

如何发现？直接浏览就能看出混乱。即便看不出，也可以运行标准化代码。这个房地产数据集不含地址列，所以创建一个示例：

# no address column in the housing dataset. So create one to show the code.
df_add_ex = pd.DataFrame(['123 MAIN St Apartment 15', '123 Main Street Apt 12   ', '543 FirSt A v', '  876 FIRst A ve.'], columns=['address'])
df_add_ex

地址看起来相当混乱。

如何处理？把字母转为小写，去除首尾空格，去掉句点，并将常用词标准化：

df_add_ex['address_std'] = df_add_ex['address'].str.lower()
df_add_ex['address_std'] = df_add_ex['address_std'].str.strip() # remove leading and trailing whitespace.
df_add_ex['address_std'] = df_add_ex['address_std'].str.replace('.', '') # remove period.
df_add_ex['address_std'] = df_add_ex['address_std'].str.replace('bstreetb', 'st') # replace street with st.
df_add_ex['address_std'] = df_add_ex['address_std'].str.replace('bapartmentb', 'apt') # replace apartment with apt.
df_add_ex['address_std'] = df_add_ex['address_std'].str.replace('ba vb', 'a ve') # replace apartment with apt.
df_add_ex

现在看起来干净多了。

好了，数据清洗的旅程到此结束。现在你可以用文章里介绍的方法，清洗掉所有阻碍模型训练的“脏”数据了。

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