干净整洁的数据是后续进行研究和分析的基础。数据科学家们会花费大量的时间来清理数据集，毫不夸张地说，数据清洗会占据他们80%的工作时间，而真正用来分析数据的时间只占到20%左右。
所以，数据清洗到底是在清洗些什么？
通常来说，你所获取到的原始数据不能直接用来分析，因为它们会有各种各样的问题，如包含无效信息，列名不规范、格式不一致，存在重复值，缺失值，异常值等.....
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本文会给大家介绍如何用Python中自带的Pandas和NumPy库进行数据清洗。在正式讲解之前，先简单介绍一下这两个非常好用的库。
Pandas的名称来自于Panel data和Python数据分析data analysis，是Python的一个数据分析包，最初由AQR Capital Management于2008年4月开发，被作为金融数据分析工具，为时间序列分析提供了很好的支持，并于2009年底开源出来。
NumPy是Numeric Python的缩写，是Python的一种开源的数值计算扩展，可用来存储和处理大型矩阵matrix，比Python自身的嵌套列表结构要高效的多，提供了许多高级的数值编程工具，如：矩阵数据类型、矢量处理，以及精密的运算库，专为进行严格的数字处理而产生。
目录
一、了解数据
二、清洗数据
去除不需要的行、列
重新命名列
重新设置索引
用字符串操作规范列
用函数规范列
删除重复数据
填充缺失值
三、总结
【注】为了清晰直观地展示数据清洗操作，本文会用到几个不同的数据集，重点是方法的讲解。
【工具】Python 3
一、了解数据
拿到一个全新的数据集，应该从哪里入手？
没错，我们需要先了解数据，看看它长什么样子。这里用tushare.pro上面的日线行情数据进行展示，以浦发银行（600000.SH）为例。常用的方法和属性如下：
.head()
.tail()
.shape
.columns
.info()
.describe()
.value_counts()
首先，获取数据：
importpandasaspd
importnumpyasnp
importmatplotlib.pyplotasplt
importtushareasts
pd.set_option('display.max_columns',100)# 设置显示数据的最大列数，防止出现省略号…，导致数据显示不全
pd.set_option('expand_frame_repr',False)# 当列太多时不自动换行
pro = ts.pro_api()
df = pro.daily(ts_code='600000.SH', start_date='20190401', end_date='20190430')
.head() 查看前n行数据，默认值是5
df.head()
Out[1]:
ts_codetrade_dateopenhighlowclosepre_closechangepct_chgvolamount
0 600000.SH20190430 11.7012.0911.7011.9711.480.494.26831234747.381466714.710
1 600000.SH20190429 11.3511.5411.3411.4811.320.161.4134385869.38442046.727
2 600000.SH20190426 11.4311.5611.2811.3211.54-0.22-1.9064424695.81485267.261
3 600000.SH20190425 11.5611.6911.4811.5411.62-0.08-0.6885408761.29473973.527
4 600000.SH20190424 11.7611.7711.5111.6211.70-0.08-0.6838382011.08444929.313
.tail() 查看后n行数据，默认值是5
df.tail()
Out[2]:
ts_codetrade_dateopenhighlowclosepre_closechangepct_chgvolamount
16 600000.SH20190408 11.7911.9611.6511.7211.710.010.0854778703.73920513.531
17 600000.SH20190404 11.5511.7111.5411.7111.500.211.8261752325.27876099.547
18 600000.SH20190403 11.3711.5411.3411.5011.440.060.5245502710.29575799.446
19 600000.SH20190402 11.5011.5211.4111.4411.440.000.0000467147.10534896.810
20 600000.SH20190401 11.3611.5211.2911.4411.280.161.4184706374.05808657.530
.shape 查看数据维数
df.shape
Out[3]: (21, 11)
.columns 查看所有列名
df.columns
Out[4]:
Index(['ts_code','trade_date','open','high','low','close','pre_close',
'change','pct_chg','vol','amount'],
dtype='object')
.info() 查看索引、数据类型和内存信息
df.info()
RangeIndex:21entries,0to20
Data columns (total11columns):
ts_code21non-nullobject
trade_date21non-nullobject
open21non-nullfloat64
high21non-nullfloat64
low21non-nullfloat64
close21non-nullfloat64
pre_close21non-nullfloat64
change21non-nullfloat64
pct_chg21non-nullfloat64
vol21non-nullfloat64
amount21non-nullfloat64
dtypes: float64(9),object(2)
memory usage:1.9+ KB
.describe() 查看每列数据的基本统计值，包括计数值、均值、标准差、最小最大值、1/4、1/2、3/4分位数。
df.describe()
Out[7]:
openhighlowclosepre_closechangepct_chgvolamount
count21.00000021.00000021.00000021.00000021.00000021.00000021.0000002.100000e+01 2.100000e+01
mean11.63047611.77761911.52428611.63714311.6042860.0328570.2962525.734931e+05 6.704836e+05
std0.2153480.2289300.1848400.2075120.2067990.1932131.6710992.333355e+05 2.792896e+05
min11.35000011.52000011.28000011.32000011.280000-0.300000-2.4979002.627369e+05 3.017520e+05
25% 11.47000011.56000011.41000011.48000011.470000-0.060000-0.5199004.102754e+05 4.739735e+05
50% 11.56000011.75000011.48000011.54000011.5400000.0000000.0000005.027103e+05 5.757994e+05
75% 11.76000011.99000011.65000011.72000011.7100000.1000000.8396007.050917e+05 8.161270e+05
max12.02000012.20000011.88000012.01000012.0100000.4900004.2683001.234747e+06 1.466715e+06
.value_counts() 查看Series对象的唯一值和计数值
df['close'].value_counts(dropna=False)
Out[8]:
11.482
11.472
11.712
11.542
11.912
11.442
11.721
11.951
11.701
11.321
11.491
12.011
11.621
11.501
11.971
Name:close, dtype:int64
如果上面这些操作还不够直观的话，就作图看看，需要先导入Python可视化库matplotlib, 为了规范代码书写，统一写在了最前面。
① 直方图
df['close'].plot(kind='hist', rot=0)
plt.show()
② 箱型图
df.boxplot(column='close',by='ts_code', rot=0)
plt.show()
③ 散点图
df.plot(kind='scatter', x='close', y='pre_close', rot=0)
plt.show()
二、清洗数据
了解数据集之后，我们就可以开始对数据集进行清洗了，前面提到通常要处理的问题有包含无效信息，列名不规范、格式不一致，存在重复值，缺失值，异常值等，下面我们一个一个来看。
01
去除不需要的行、列
在分析一个数据集的时候，很多信息其实是用不到的，因此，需要去除不必要的行或列。这里以csv文件为例，在导入的时候就可以通过设置pd.read_csv()里面的参数来实现这个目的。
先来感受一下官方文档中给出的详细解释，里面的参数是相当的多，本文只介绍比较常用的几个，感兴趣的话，可以好好研究一下文档，这些参数还是非常好用的，能省去很多导入后整理的工作。
【header】默认header=0，即将文件中的0行作为列名和数据的开头，但有时候0行的数据是无关的，我们想跳过0行，让1行作为数据的开头，可以通过将header设置为1来实现。
【usecols】根据列的位置或名字，如[0,1,2]或[‘a’, ‘b’, ‘c’]，选出特定的列。
【nrows】要导入的数据行数，在数据量很大、但只想导入其中一部分时使用。
获取数据：
从NYC OpenData网站下载csv格式原始数据
数据样本如下：
导入数据，只选取前100行和特定几列。
subset_columns= ['Job #','Doc #','Borough','Initial Cost','Total Est. Fee']
df = pd.read_csv('文件路径', nrows=100, usecols=subset_columns)
df.head()
Out[15]:
Job# Doc # Borough Initial Cost Total Est. Fee
04202917941QUEENS$2000.00$100.00
14202918011QUEENS$15000.00$151.50
23406441281BROOKLYN$44726.00$234.00
34216854391QUEENS$0.00$243.00
44216779742QUEENS$105000.00$1275.60
再看一下将header设置为1的效果，但这里其实不需要这么做，因为0行数据是有用的。
df= pd.read_csv('文件路径', nrows=100, header=1)
df.head()
Out[15]:
04202917941QUEENS$2000.00$100.00
14202918011QUEENS$15000.00$151.50
23406441281BROOKLYN$44726.00$234.00
34216854391QUEENS$0.00$243.00
44216779742QUEENS$105000.00$1275.60
如果在数据导入之后，还想删除某些行和列，可以用 .drop() 方法。
先创建一个列表list，把不需要的列名放进去，再调用.drop() 方法，参数axis为1时代表列，为0时代表行，参数inplace=True表示不创建新的对象，直接对原始对象进行修改。这里我们删除前两列。
to_drop= ['Job #','Doc #']
df.drop(to_drop, axis=1, inplace=True)
df.head()
Out[22]:
Borough Initial Cost Total Est. Fee
0QUEENS$2000.00$100.00
1QUEENS$15000.00$151.50
2BROOKLYN$44726.00$234.00
3QUEENS$0.00$243.00
4QUEENS$105000.00$1275.60
02
重新命名列
当原始数据的列名不好理解，或者不够简洁时，可以用.rename()方法进行修改。这里我们把英文的列名改成中文，先创建一个字典，把要修改的列名定义好，然后调用rename()方法。
new_names = {'Borough':'区','Initial Cost':'初始成本','Total Est. Fee':'总附加费用'}
df.rename(columns=new_names, inplace=True)
df.head()
Out[23]:
区 初始成本 总附加费用
0 QUEENS$2000.00$100.00
1 QUEENS$15000.00$151.50
2 BROOKLYN$44726.00$234.00
3 QUEENS$0.00$243.00
4 QUEENS$105000.00$1275.60
03
重新设置索引
数据默认的索引是从0开始的有序整数，但如果想把某一列设置为新的索引，可以用.set_index()方法实现，在示例中我们把"区"这列设置为新索引。
df.set_index('区', inplace=True)
df.head()
Out[24]:
初始成本 总附加费用
区
QUEENS$2000.00$100.00
QUEENS$15000.00$151.50
BROOKLYN$44726.00$234.00
QUEENS$0.00$243.00
QUEENS$105000.00$1275.60
04
用字符串操作规范列
字符串str操作是非常实用的，因为列中总是会包含不必要的字符，常用的方法如下：
lower()
upper()
capitalize()
replace()
strip()
split()
get()
contains()
find()
str.lower() 是把大写转换成小写，同理，str.upper()是把小写转换成大写，将示例中用大写字母表示的索引转换成小写，效果如下：
df.index = df.index.str.lower()
df.head()
Out[25]:
初始成本 总附加费用
区
queens$2000.00$100.00
queens$15000.00$151.50
brooklyn$44726.00$234.00
queens$0.00$243.00
queens$105000.00$1275.60
str.capitalize() 设置首字母大写
df.index = df.index.str.capitalize()
df.head()
Out[26]:
初始成本 总附加费用
区
Queens$2000.00$100.00
Queens$15000.00$151.50
Brooklyn$44726.00$234.00
Queens$0.00$243.00
Queens$105000.00$1275.60
str.replace('$', '') 替换特定字符。这里把列中的美元符号$去掉，替换成空字符。
df['初始成本'] = df['初始成本'].str.replace('$','')
df['总附加费用'] = df['总附加费用'].str.replace('$','')
df.head()
Out[27]:
初始成本 总附加费用
区
Queens2000.00100.00
Queens15000.00151.50
Brooklyn44726.00234.00
Queens0.00243.00
Queens105000.001275.60
str.strip() 去除字符串中的头尾空格、以及\n \t
df['初始成本'] = ' ' + df['初始成本']
df['初始成本'][0]
Out[28]: ' 2000.00'
df['初始成本'] = df['初始成本'].str.strip()
df['初始成本'][0]
Out[29]: '2000.00'
str.split('x') 使用字符串中的'x'字符作为分隔符，将字符串分隔成列表。这里将列中的值以'.'进行分割，效果如下：
df['总附加费用'] = df['总附加费用'].str.split('.')
df.head()
Out[30]:
初始成本 总附加费用
区
Queens2000.00[100,00]
Queens15000.00[151,50]
Brooklyn44726.00[234,00]
Queens0.00[243,00]
Queens105000.00[1275,60]
str.get() 选取列表中某个位置的值。接着上面分割后的结果，我们用str.get(0)取出列表中前一个位置的数值，生成新的一列“总附加费用_整数”，即取出金额中的整数部分。
df['总附加费用_整数'] = df['总附加费用'].str.get(0)
df.head()
Out[31]:
初始成本 总附加费用 总附加费用_整数
区
Queens2000.00[100,00]100
Queens15000.00[151,50]151
Brooklyn44726.00[234,00]234
Queens0.00[243,00]243
Queens105000.00[1275,60]1275
str.contains() 判断是否存在某个字符，返回的是布尔值。这里判断一下"总附加费用_整数"列中是否包含字符'0'。
df['总附加费用_整数'].str.contains('0')
Out[33]:
区
QueensTrue
QueensFalse
BrooklynFalse
QueensFalse
QueensFalse
str.find()检测字符串中是否包含子字符串str，如果是，则返回该子字符串开始位置的索引值。示例中的'0'字符最开始出现的位置是1。
df['总附加费用_整数'][0]
Out[13]: '100'
df['总附加费用_整数'][0].find('0')
Out[14]: 1
学完基本的字符串操作方法，我们来看一下如何结合NumPy来提高字符串操作的效率。
获取数据，这里我们用一个新的数据集，下载链接如下，里面包含两个csv文件和一个txt文件：
https://github.com/realpython/python-data-cleaning
① BL-Flickr-Images-Book.csv
② olympics.csv
③ university_towns.txt
导入csv文件①，先观察一下"Place of Publication"这一列。
df = pd.read_csv('文件路径')
df['Place of Publication'].head(10)
Out[38]:
0London
1London; Virtue & Yorston
2London
3London
4London
5London
6London
7pp.40. G. Bryan & Co: Oxford,1898
8London]
9London
Name: PlaceofPublication, dtype:object
我们发现，这一列中的格式并不统一，比如1行中的London; Virtue & Yorston，London后面的部分我们不需要，还有7行的pp. 40. G. Bryan & Co: Oxford, 1898，有效信息只是Oxford。
再用.tail(10)方法观察这一列的最后十行：
df['Place of Publication'].tail(10)
Out[39]:
8277New York
8278London
8279New York
8280London
8281Newcastle-upon-Tyne
8282London
8283Derby
8284London
8285Newcastle upon Tyne
8286London
Name: PlaceofPublication, dtype:object
我们发现，8281行的Newcastle-upon-Tyne中间有连字符，但8285行却没有，这些都是要解决的格式不规范的问题。
为了清洗这一列，我们可以将Pandas中的.str()方法与NumPy的np.where函数相结合，np.where函数是Excel的IF()宏的矢量化形式，它的语法如下:
>>> np.where(condition,then,else)
如果condition条件为真，则执行then，否则执行else。这里的condition条件可以是一个类数组的对象，也可以是一个布尔表达式，我们也可以利用np.where函数嵌套多个条件进行矢量化计算和判断。
>>> np.where(condition1, x1,
np.where(condition2, x2,
np.where(condition3, x3, ...)))
下面的这个实例，就是同时嵌套两个条件解决上面提到的那两个字符串问题。思路是，如果字符串里面包含'London'，就用'London'代替，这样可以去除其他冗余信息，否则，如果字符串里面包含'Oxford'，则用'Oxford'代替，同时如果字符串里面包含符号'-'，则用空格代替。
pub = df['Place of Publication']
london = pub.str.contains('London')
oxford = pub.str.contains('Oxford')
df['Place of Publication'] = np.where(london,'London',
np.where(oxford,'Oxford',
pub.str.replace('-',' ')))
打印出前十行和后十行，结果如下，可以和整理前的数据进行对比。
df['Place of Publication'].head(10)
Out[42]:
0London
1London
2London
3London
4London
5London
6London
7Oxford
8London
9London
Name: PlaceofPublication, dtype:object
df['Place of Publication'].tail(10)
Out[43]:
8277New York
8278London
8279New York
8280London
8281Newcastle upon Tyne
8282London
8283Derby
8284London
8285Newcastle upon Tyne
8286London
Name: PlaceofPublication, dtype:object
05
用函数规范列
在某些情况下，数据不规范的情况并不局限于某一列，而是更广泛地分布在整个表格中。因此，自定义函数并应用于整个表格中的每个元素会更加高效。用applymap()方法可以实现这个功能，它类似于内置的map()函数，只不过它是将函数应用于整个表格中的所有元素。
我们打开文件txt文件③，先观察一下数据：
$ head Datasets/univerisity_towns.txt
Alabama[edit]
Auburn (Auburn University)[1]
Florence (University of North Alabama)
Jacksonville (Jacksonville State University)[2]
Livingston (University of West Alabama)[2]
Montevallo (University of Montevallo)[2]
Troy (Troy University)[2]
Tuscaloosa (University of Alabama, Stillman College, Shelton State)[3][4]
Tuskegee (Tuskegee University)[5]
Alaska[edit]
观察发现，数据格式有如下特点：
州A[edit]
城市A（大学）
城市B（大学）
州B[edit]
城市A（大学）
城市B（大学）
......
我们可以利用这一数据格式，创建一个(州、市)元组列表，并将该列表转化成一个DataFrame。先创建一个列表，列表中包含州和城市（大学）信息。
university_towns = []
withopen('D:/code/tushare interpret and tech team/python-data-cleaning-master/Datasets/university_towns.txt')asfile:
forlineinfile:
if'[edit]'inline:# 该行有[edit]
state = line# 将改行信息赋值给“州”，记住这个“州”，直到找到下一个为止
else:
university_towns.append((state, line))# 否则，改行为城市信息，并且它们都属于上面的“州”
university_towns[:5]
Out[44]:
[('Alabama[edit]\n','Auburn (Auburn University)[1]\n'),
('Alabama[edit]\n','Florence (University of North Alabama)\n'),
('Alabama[edit]\n','Jacksonville (Jacksonville State University)[2]\n'),
('Alabama[edit]\n','Livingston (University of West Alabama)[2]\n'),
('Alabama[edit]\n','Montevallo (University of Montevallo)[2]\n')]
用pd.DataFrame()方法将这个列表转换成一个DataFrame，并将列设置为"State"和"RegionName"。Pandas将接受列表中的每个元素，并将元组左边的值传入"State"列，右边的值传入"RegionName"列。
towns_df = pd.DataFrame(university_towns, columns=['State','RegionName'])
towns_df.head()
Out[45]:
State RegionName
0Alabama[edit]\n Auburn (Auburn University)[1]\n
1Alabama[edit]\n Florence (UniversityofNorth Alabama)\n
2Alabama[edit]\n Jacksonville (Jacksonville State University)[2]\n
3Alabama[edit]\n Livingston (UniversityofWest Alabama)[2]\n
4Alabama[edit]\n Montevallo (UniversityofMontevallo)[2]\n
接下来就要对列中的字符串进行整理，"State"列中的有效信息是州名，"RegionName"列中的有效信息是城市名，其他的字符都可以删掉。当然，除了用之前提到的利用循环和.str()方法相结合的方式进行操作，我们还可以选择用applymap()方法，它会将传入的函数作用于整个DataFrame所有行列中的每个元素。
先定义函数get_citystate(item)，功能是只提取元素中的有效信息。
defget_citystate(item):
if' ('initem:
returnitem[:item.find(' (')]
elif'['initem:
returnitem[:item.find('[')]
else:
returnitem
然后，我们将这个函数传入applymap()，并应用于towns_df，结果如下：
towns_df = towns_df.applymap(get_citystate)
towns_df.head()
Out[48]:
State RegionName
0 Alabama Auburn
1 Alabama Florence
2 Alabama Jacksonville
3 Alabama Livingston
4 Alabama Montevallo
现在towns_df表格看起来是不是干净多了！
06
删除重复数据
重复数据会消耗不必要的内存，在处理数据时执行不必要的计算，还会使分析结果出现偏差。因此，我们有必要学习如何删除重复数据。
先看一个来自DataCamp的数据集，调用info()方法打印出每列数据的具体信息和内存信息，共有24092行数据，内存占用量是753.0+ KB。
tracks = billboard[['year','artist','track','time']]
print(tracks.info())
RangeIndex:24092entries,0to24091
Data columns (total4columns):
year24092non-nullint64
artist24092non-nullobject
track24092non-nullobject
time24092non-nullobject
dtypes: int64(1),object(3)
memory usage:753.0+ KB
None
下面调用.drop_duplicates()函数删除重复数据。
In [11]: tracks_no_duplicates = tracks.drop_duplicates()
... print(tracks_no_duplicates.info())
...
Int64Index:317entries,0to316
Data columns (total4columns):
year317non-nullint64
artist317non-nullobject
track317non-nullobject
time317non-nullobject
dtypes: int64(1),object(3)
memory usage:12.4+ KB
None
删完之后我们发现，数据量减少到了317个，内存占用缩减至12.4+ KB。
07
填充缺失值
数据集中经常会存在缺失值，学会正确处理它们很重要，因为在计算的时候，有些无法处理缺失值，有些则在默认情况下跳过缺失值。而且，了解缺失的数据，并思考用什么值来填充它们，对做出无偏的数据分析至关重要。
同样是来自DataCamp的一个存在缺失值的数据集：
In[3]:airquality.head(10)
Out[3]:
OzoneSolar.RWindTempMonthDay
0 41.0190.07.467 5 1
1 36.0118.08.072 5 2
2 12.0149.012.674 5 3
3 18.0313.011.562 5 4
4NaNNaN14.356 5 5
5 28.0NaN14.966 5 6
6 23.0299.08.665 5 7
7 19.099.013.859 5 8
8 8.019.020.161 5 9
9NaN194.08.669 5 10
以"Ozone"列为例，我们可以调用fillna()函数，用该列的均值.mean()填充NaN值。
oz_mean = airquality.Ozone.mean()
airquality['Ozone'] = airquality['Ozone'].fillna(oz_mean)
print(airquality.head(10))
Ozone Solar.R Wind Temp Month Day
041.000000190.07.46751
136.000000118.08.07252
212.000000149.012.67453
318.000000313.011.56254
443.195402NaN14.35655
528.000000NaN14.96656
623.000000299.08.66557
719.00000099.013.85958
88.00000019.020.16159
943.195402194.08.669510
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三、总结
了解如何进行数据清洗非常重要，因为它是数据科学的重要组成部分。好在Python提供了非常好用的Pandas和NumPy库来帮助我们清理数据集，本文介绍的方法都是在实际中经常会用到的，希望大家能牢记于心。
