1、数据分析的基本流程

• 明确需求和目的
• 数据收集（内部数据、购买数据、爬取数据、调查问卷、其它收集）
• 数据预处理（数据整合、数据清洗、数据转换等）
• 数据分析（描述分析、推断分析、数据建模、数据可视化等）
• 编写报告

2、明确需求和目的

• AQI：空气质量指数，用来衡量空气清洁或污染的程度，值越小，表示空气质量越好。

2.1 需求和目的

运用数据分析的相关技术，对全国城市空气质量进行研究和分析，解决以下问题：

• 哪些城市的空气质量较好/较差？（描述性统计分析）
• 对城市的空气质量按照如下等级划分，每个等级城市数量分布情况如何？（描述性统计分析）
  
• 空气质量在地理位置分布上，是否具有一定的规律性？（描述性统计分析）
• 临海城市的空气质量是否有别于内陆城市？（推断统计分析）
• 全国城市空气质量普遍处于何种水平？（推断统计分析）
• 空气质量主要受哪些因素影响？（相关系数分析）

3、数据收集

• 2015年空气质量指数（AQI）数据集，该数据集包含全国主要城市的相关数据以及空气质量指数。
  

4、数据预处理

4.1 数据整合

4.1.1 加载相关库和数据集

• 使用的库主要有：pandas、numpy、matplotlib、seaborn
• 使用的数据集：2015年空气质量指数（AQI）数据集

import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
import warnings

sns.set(style="darkgrid")
plt.rcParams["font.family"] = "SimHei"     # 设置可以显示中文字体
plt.rcParams["axes.unicode_minus"] = False
warnings.filterwarnings("ignore")          # 忽略警告信息  

data = pd.read_csv("AQI_data.csv")

4.1.2 数据总体概览

print(data.info())             # 展示data的概览信息 
print(data.describe())         # 展示data 数值类型字段的统计信息 
print(data.sample(5))         # 随机抽样10条数据

4.2 数据清洗

4.2.1 缺失值的处理

查看缺失值：

• data.info()
• data.isnull()

data.isnull().sum(axis=0)    # 查看缺失值

-----------------------------------------
City                       0
AQI                        0
Precipitation              4
GDP                        0
Temperature                0
Longitude                  0
Latitude                   0
Altitude                   0
PopulationDensity          0
Coastal                    0
GreenCoverageRate          0
Incineration(10,000ton)    0
dtype: int64

缺失值处理方式：

• 删除缺失值（仅仅适合缺失数量较少的情况）
• 填充缺失值（数值变量使用均值或中位数进行填充，类别变量使用众数填充或单独作为一个类别）
• 缺失值小于20%，直接填充。
• 缺失值在20%-80%之间，填充变量后，同时增加一列，标记该列是否缺失，参与后续建模。
• 缺失值大于80%，不使用原始列，而是增加一列，标记该列是否缺失，参与后续建模。

从上面可以看出，"Precipitation"存在4个缺失值，数量较少，可以直接使用中位数进行填充：

data.fillna({"Precipitation": data["Precipitation"].median()}, inplace=True)
data.isnull().sum(axis=0)    # 再次查看缺失值，验证效果，此时已没有缺失值 

4.2.2 异常值的处理

查看异常值：

• data.describe()，仅能作为一种简单的方式。
• 3 δ 方式：根据正态分布的特性，可以将3 δ之外的数据，视为异常值。
• 箱线图：箱线图是一种常见的异常检测方式。
• 相关异常检测算法

data.describe()   

通过describe()方法可以看出GDP存在异常值，用3 δ 方式进一步查看：

mean, std = data["GDP"].mean(), data["GDP"].std()
min_, max_ = mean - 3 * std, mean + 3 * std

data["GDP"][(data["GDP"] < min_) | (data["GDP"] > max_)]

-------------------------------------
16     22968.60
63     18100.41
202    24964.99
207    17502.99
215    14504.07
230    16538.19
256    17900.00
314    15719.72
Name: GDP, dtype: float64

还可以通过箱线图进行查看：

sns.boxplot(data=data["GDP"])

异常值处理方式：

• 删除异常值
• 视为缺失值处理
• 对数转换：如果数据中存在较大的异常值，通过取对数来进行转换，可以得到一定的缓解。（适合右偏分布，不适合左偏分布）
• 使用临界值进行填充：对异常值进行“截断”处理，使用临界值替换异常值。
• 使用分箱法离散化处理：如果特征对目标值的影响不是线性增加的，可以使用分箱方式对特征进行离散化处理。

对于GDP来说，因为存在较大的异常值，所以可以使用对数转换进行处理：

fig, ax = plt.subplots(1, 2)
fig.set_size_inches(15, 5)
sns.distplot(data["GDP"], ax=ax[0])    # 原始数据

data["GDP"] = np.log(data["GDP"])     # 使用对数转换
sns.distplot(data["GDP"], ax=ax[1])   # 转换之后的数据

从上面可以看出，取对数之后，图像右偏分布情况得到一定程度的缓解。

4.2.3 重复值的处理

查看重复值：

• data.duplicated()

print(data.duplicated().sum())    # 查看重复值的数量
data[data.duplicated(keep=False)]   # 查看哪些记录出现了重复值

重复值的处理：

• 重复值对于数据分析通常没有作用，直接删除即可。

data.drop_duplicates(inplace=True)
data.duplicated().sum()           # 再次查看重复值的数量，验证删除效果

5、数据分析

5.1 描述性统计分析

（1）哪些城市的空气质量较好/较差？

city = data[["City", "AQI"]].sort_values("AQI")   # 按照AQI进行排序
print(city.iloc[:5])                 # 空气质量最好的5个城市
print(city.iloc[-5:])                # 空气质量最差的5个城市

（2）对城市的空气质量按照等级划分，每个等级城市数量分布情况如何？

# 编写函数，将AQI转换为对应的等级。
def value_to_level(AQI):
    if AQI >= 0 and AQI <= 50:
        return "一级"
    elif AQI >= 51 and AQI <= 100:
        return "二级"
    elif AQI >= 101 and AQI <= 150:
        return "三级"
    elif AQI >= 151 and AQI <= 200:
        return "四级"
    elif AQI >= 201 and AQI <= 300:
        return "五级"
    else:
        return "六级"

level = data["AQI"].apply(value_to_level)    # 按照等级对城市进行划分
print(level.value_counts())                  # 统计每个等级的数量分布

（3）空气质量在地理位置分布上，是否具有一定的规律性？

sns.scatterplot(x="Longitude", y="Latitude", hue="AQI", palette=plt.cm.RdYlGn_r, data=data)    # 画出空气质量分布的散点图

从上图可以看出，从大致的地里位置分布上看，西部城市好于东部城市，南部城市好于北部城市。

5.2 推断统计分析

（1）临海城市的空气质量是否有别于内陆城市？

print(data["Coastal"].value_counts())   # 查看临海城市和内陆城市的数量分布
print(data.groupby("Coastal")["AQI"].mean())  # 分组统计AQI的均值

----------------------
Coastal
否    79.644898
是    64.062500

虽然从均值上看，临海城市的AQI更低，但还不能够说明临海城市空气一定比内陆城市好，还需要进行差异检验。

• 进行两样本t检验，来查看临海城市和内陆城市的均值差异是否显著。

from scipy import stats

coastal = data[data["Coastal"] == "是"]["AQI"]
inland = data[data["Coastal"] == "否"]["AQI"]

# 进行方差齐性检验。为后续的两样本t检验服务。
stats.levene(coastal, inland)   
----------------
LeveneResult(statistic=0.03818483157315866, pvalue=0.8451953286335765)

# 进行两样本t检验。注意，两样本的方差相同与不相同，取得的结果是不同的。
r = stats.ttest_ind(coastal, inland, equal_var=True)
print(r)
p = stats.t.sf(r.statistic, df=len(coastal)+len(inland)-2)
print("P-Value值：",p)
----------------------
Ttest_indResult(statistic=-2.804017387113549, pvalue=0.005352397281668703)
P-Value值： 0.9973238013591657

从以上结果来看，P值为0.997，那么我们可以认为临海城市的空气质量确实要好于内陆城市。

（2）全国城市空气质量普遍处于何种水平？

mean = data["AQI"].mean()
std = data["AQI"].std()
# 求出空气质量指数 95%的置信区间
stats.t.interval(0.95, df=len(data) - 1, loc=mean, scale=std / np.sqrt(len(data)))

求出95%的置信区间，我们可以认为全国城市空气质量普遍处于该区间范围内。

5.3 相关系数分析

• 协方差：体现两个变量之间的分散性以及两个变量变化步调是否一致。
• 相关系数：体现两个连续变量之间的相关性，最为常用的是皮尔逊相关系数。

两个变量的相关系数，定义为：

相关系数的取值范围为[-1,1]，我们可以根据相关系数的取值来衡量两个变量的相关性（负数表示负相关，步调相反）：

• 0.8-1.0：极强相关
• 0.6-0.8：强相关
• 0.4-0.6：中等强度相关
• 0.2-0.4：弱相关
• 0.0-0.2：极弱相关或无相关

（1）空气质量主要受哪些因素影响？

x = data["AQI"]
y = data["Precipitation"]

a = (x - x.mean()) * (y - y.mean()) 			# 公式计算AQI与Precipitation的协方差。
cov = np.sum(a) / (len(a) - 1)
print("协方差：", cov)

corr = cov / np.sqrt(x.var() * y.var()) 		 # 公式计算AQI与Precipitation的相关系数。
print("相关系数：", corr)

print("协方差：", x.cov(y))       # 内置方法计算协方差
print("相关系数：", x.corr(y))      # 内置方法计算相关系数

data.corr()                    # 内置方法计算所有特征之间的相关系数

可以使用热力图来显示相关系数：

plt.figure(figsize=(15, 10))
ax = sns.heatmap(data.corr(), cmap=plt.cm.RdYlGn, annot=True, fmt=".2f")
a, b = ax.get_ylim()
ax.set_ylim(a + 0.5, b - 0.5)

从以上结果可以看出：空气质量指数主要受降雨量（相关系数-0.40）和纬度（相关系数0.55）的影响。

6、编写报告

• 根据前面的分析，对结果进行汇总，得到分析报告。