大数据——数据预处理

前言

数据预处理（data preprocessing）是指在主要的处理以前对数据进行的一系列处理，如对大部分地球物理面积性观测数据在进行转换或增强处理之前，首先将不规则分布的测网经过插值转换为规则网的处理，以利于计算机的运算。

一、数据预处理的重要性

有效的数据预处理能够清洗和转换原始数据，使其适合用于机器学习模型训练。它可以帮助去除噪声、处理缺失值和异常数据，从而提升模型的准确性和稳定性。同时，数据预处理也是数据挖掘中一个热门的研究方面，毕竟现实世界中的数据几乎都是“脏数据”，需要通过预处理来提高数据挖掘模式的质量。

二、数据预处理的步骤

数据预处理的流程可分为数据清洗、数据集成、数据规约和数据转换4个步骤。从应用的角度可分为如何得到正确的数据、如何筛选建模变量、建模变量的数据变换3个阶段。其中数据清洗和数据集成属于得到正确的数据阶段，数据规约属于数据筛选建模数据阶段，建模变量的数据变换为建模前的最后准备阶段。

2.1数据清洗：

数据清洗是数据预处理的核心环节，主要是对数据进行清洗和整理，以去除无关数据、填补缺失值、平滑噪声数据等。

（1）检测缺失值：

利用Python中的pandas库，通过isnull().sum()等方法检测数据中的缺失值。对于缺失率较高的变量，可以直接删除；对于缺失率较低的变量，则可以采用统计量填充（如均值、中位数、众数等）、插值法填充（如随机插值、多重差补法等）或模型填充（如回归、贝叶斯、随机森林等）等方法进行填补。

（2）处理异常值：

异常值是指数据分布中的离群点，通常是由于数据录入错误或测量误差等原因造成的。处理异常值的方法包括简单统计分析（如箱线图、各分位点判断）、基于绝对离差中位数（MAD）的方法、基于距离的方法（如K近邻算法）、基于密度的方法和基于聚类的方法等。

（3）数据平滑：

通过一定的算法对数据进行处理，以去除噪声和波动，使数据更加平滑。常用的数据平滑方法包括分箱法（等频或等宽分箱）、回归法等。

（4）处理不一致数据：

记录的数据可能存在不一致的情况，需要进行清理，如通过数据比对、规则检测等方法进行更正。

2.2数据集成：

数据集成是指将多个数据源中的数据合并存放到统一数据库中的过程。

（1）实体识别：

匹配来自多个不同信息源的现实世界实体，确保不同数据库中的不同字段名能够指向同一实体。

（2）数据冗余处理：

如果一个属性能由另一个或另一组属性“导出”，则此属性可能是冗余的。属性或维度命名的不一致也可能导致数据集中的冗余。

（3）数据值冲突检测与处理：

不同数据源在统一合并时，可能会存在数据值冲突的情况，需要通过数据比对、规则检测等方法进行冲突检测和处理。

2.3数据规约：

数据规约是在保持数据原貌的基础上，最大限度地精简数据量，以得到较小数据集的操作。

（1）维度规约：

通过删除不相关的属性或减少属性的数量来降低数据的维度，有助于减少数据量，提高数据分析的效率。

（2）数值规约：

通过选择替代的数据表示形式来减少数据量，例如，可以使用参数模型（如线性回归模型）来替代实际数据，或者使用聚类、抽样和直方图等方法来减少数据量。

（3）数据压缩：

通过数据压缩算法（如主成分分析PCA、奇异值分解SVD等）将数据从高维空间映射到低维空间，以减少数据的存储和计算负担。

2.4数据变换：

数据变换是指对数据进行规范化、离散化、稀疏化等处理，以使数据更适合挖掘和分析。

（1）数据规范化：

由于数据中不同特征的量纲可能不一致，数值间的差别可能很大，因此需要对数据按照一定比例进行缩放，使之落在一个特定的区域（如[0,1]区间或[-1,1]区间）。这有助于消除量纲对数据分析结果的影响。

（2）数据离散化：

将连续的数据进行分段，使其变为一段段离散化的区间，有助于将连续数据转换为分类数据，以便进行后续的分类分析或关联规则挖掘等。

（3）数据稀疏化：

针对离散型且标称变量，无法进行有序的LabelEncoder时，通常考虑将变量做0,1哑变量的稀疏化处理。这既有利于模型快速收敛，又能提升模型的抗噪能力。

三、数据预处理的应用场景

数据预处理在多个领域都有广泛的应用，如电商、金融、医疗等。在电商领域中，可能需要从用户行为、商品属性、订单信息等多个维度进行数据清洗和整合，以便更好地理解用户需求和市场趋势。在金融领域中，可能需要从股票价格、财务报告等大量数据中提取关键信息，并进行相应的数据转换和集成，以支持投资决策。

四、数据预处理的应用工具

在大数据预处理阶段，有多种工具可供选择和应用：

（1）Apache Spark：

大数据领域中的明星项目，被广泛用于数据预处理阶段。它是一种快速、通用的大数据处理引擎，能够处理TB至PB级的数据。Spark内置了丰富的数据操作函数，可以方便地进行数据清洗、转换和聚合等操作。

（2）Tableau：

一款功能强大的数据可视化工具，可以帮助数据分析师快速创建清晰、直观的数据视图。同时，Tableau还提供了强大的数据连接和预处理功能，使得用户可以轻松地将各类数据源进行整合，进一步提高数据分析的效率。

（3）TensorFlow：

谷歌开发的一款强大的机器学习框架，被广泛应用于各种数据科学和机器学习项目中。TensorFlow支持大规模的数据输入和处理，能够在分布式计算环境中高效运行。它提供了多种高级的API，使得用户可以方便地构建神经网络模型并进行训练。

五、数据预处理的挑战与解决方案

5.1数据预处理面临的主要挑战包括：

（1）数据量大

（2）数据类型多样

（3）数据质量参差不齐等。

5.2为了解决这些挑战，可以采取以下解决方案：

（1）利用高效的算法和工具来提高数据处理的效率。

（2）采用合适的数据清洗和集成方法，以确保数据的准确性和一致性。

（3）对数据进行适当的规约和变换，以减少数据量和提高数据的可挖掘性。

六、总结

数据预处理是大数据分析中不可或缺的一环，涉及数据清洗、集成、规约和变换等多个步骤。通过清洗，去除无关、缺失和异常数据；集成，合并多个数据源；规约，精简数据量；变换，规范化和离散化数据，使之更适合挖掘和分析。数据预处理能显著提升数据质量，确保分析结果的准确性和稳定性。借助Apache Spark、Tableau等工具，高效完成预处理工作，为后续数据挖掘和机器学习奠定坚实基础。