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使用Pandas高效补全DataFrame中的时间序列缺失行

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发布时间:2025-09-26 13:17:01

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来源于php中文网

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使用Pandas高效补全DataFrame中的时间序列缺失行

本教程详细介绍了如何使用Pandas在DataFrame中补全缺失的时间序列数据。针对按类别(如key)分组的数据,通过结合groupby、reindex和自定义函数,系统性地填充了指定日期范围内的所有缺失日期行,并对新增行的key和value列进行了合理填充,确保数据完整性和分析可用性。

在数据分析和处理中,我们经常会遇到时间序列数据不完整的情况。例如,某个产品在某些日期没有销售记录,或者某个传感器在特定时间点没有传输数据。当这些数据还需要按特定维度(如产品id、传感器id)进行分组分析时,缺失的日期行会给分析带来挑战。本文将介绍一种高效且灵活的pandas方法,用于在dataframe中按组补全所有缺失的日期行,并填充相应的值。

核心策略

解决这类问题的核心策略是结合Pandas的groupby操作和时间序列的reindex功能。具体来说,我们将数据按关键维度(例如,key列)进行分组,然后对每个组应用一个自定义函数。该函数负责生成完整的日期范围,并将组内数据重新索引到这个日期范围上,从而插入所有缺失的日期行。最后,对新生成的缺失值进行恰当的填充。

详细步骤与代码实现

我们将通过一个具体的例子来演示这个过程。假设我们有一个包含date、key和value列的DataFrame,其中date列可能存在不连续性,且我们希望为每个key补全所有日期。

1. 示例数据准备

首先,我们创建初始的DataFrame:

import pandas as pd
import numpy as np

data = {
    'date': ['2023-12-01', '2023-12-03', '2023-12-04', '2023-12-01'],
    'key': ['K0', 'K1', 'K0', 'K1'],
    'value': [9, 3, 10, 8]
}
df = pd.DataFrame(data)
df['date'] = pd.to_datetime(df['date']) # 确保日期列为datetime类型

print("原始 DataFrame:")
print(df)

原始 DataFrame 如下所示:

        date key  value
0 2023-12-01  K0      9
1 2023-12-03  K1      3
2 2023-12-04  K0     10
3 2023-12-01  K1      8

2. 确定全局日期范围

为了确保所有key都拥有相同的完整日期范围,我们需要确定整个DataFrame的最小和最大日期。这将作为生成完整日期序列的基准。

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min_date = df['date'].min()
max_date = df['date'].max()
print(f"\n全局最小日期: {min_date}, 全局最大日期: {max_date}")

3. 定义自定义填充函数

这是实现核心逻辑的关键部分。该函数接收一个分组后的子DataFrame (group_df),以及全局的最小 (global_min_date) 和最大 (global_max_date) 日期作为参数。

def fill_missing_dates(group_df, global_min_date, global_max_date):
    # 1. 生成完整的日期范围
    full_date_range = pd.date_range(start=global_min_date, end=global_max_date)

    # 2. 将日期列设置为索引,并重新索引到完整的日期范围
    # 这将插入所有缺失的日期行,缺失值填充为NaN
    group_df_reindexed = group_df.set_index("date").reindex(full_date_range).reset_index()

    # 3. 填充 'key' 列
    # 对于新插入的行,'key' 列会是 NaN。我们使用前向和后向填充来确保 'key' 值正确。
    # 由于是分组操作,group_df_reindexed['key']在ffill()后就会是正确的值。
    group_df_reindexed["key"] = group_df_reindexed["key"].ffill().bfill()

    # 4. 填充 'value' 列
    # 对于缺失的 'value',我们将其填充为 0,并转换为整数类型。
    group_df_reindexed["value"] = group_df_reindexed["value"].fillna(0).astype(int)

    # 重命名新生成的日期索引列为 'date',以保持一致性
    group_df_reindexed = group_df_reindexed.rename(columns={'index': 'date'})
    return group_df_reindexed

4. 应用函数到分组数据

最后,我们使用groupby方法按key列对DataFrame进行分组,并对每个分组应用上面定义的fill_missing_dates函数。group_keys=False参数用于防止groupby在结果中创建额外的分组键层级。

# 确保全局最小和最大日期是datetime类型
min_date = df['date'].min()
max_date = df['date'].max()

output_df = df.groupby("key", group_keys=False).apply(
    fill_missing_dates,
    global_min_date=min_date,
    global_max_date=max_date
)

print("\n填充后的 DataFrame:")
print(output_df)

填充后的 DataFrame 如下所示:

        date key  value
0 2023-12-01  K0      9
1 2023-12-02  K0      0
2 2023-12-03  K0      0
3 2023-12-04  K0     10
0 2023-12-01  K1      8
1 2023-12-02  K1      0
2 2023-12-03  K1      3
3 2023-12-04  K1      0

注意事项

  • 日期类型: 务必确保日期列是Pandas的datetime类型。如果不是,需要使用pd.to_datetime()进行转换。
  • 全局日期范围: 本方法使用整个DataFrame的最小和最大日期来定义完整的日期范围。这意味着即使某个key在某个日期范围内没有数据,也会为它创建这些日期行。如果需要为每个key使用其自身的日期范围,则需要调整fill_missing_dates函数的参数传递方式,或者在函数内部计算group_df的min()和max()日期。但通常情况下,为了时间序列的对齐分析,全局日期范围更为常见。
  • 缺失值填充策略:
    • key列的ffill().bfill():对于分组数据,ffill()通常足以填充新插入行中的key值,因为key在组内是恒定的。bfill()提供了额外的健壮性。
    • value列的fillna(0):这里我们将缺失值填充为0。根据具体的业务需求,也可以选择其他填充方法,例如:
      • ffill() (前向填充):用前一个有效值填充。
      • bfill() (后向填充):用后一个有效值填充。
      • interpolate():进行插值填充。
      • fillna(group_df['value'].mean()):用该组的平均值填充。
  • group_keys=False: 在groupby().apply()中使用group_keys=False可以避免在结果DataFrame中将分组键作为额外的索引层级,从而使输出结构更扁平、更易于处理。
  • 性能: 对于非常大的DataFrame,groupby().apply()可能会有性能开销。如果性能成为瓶颈,可以考虑其他更底层的Pandas操作(如merge一个完整的日期-键组合表)或使用pivot_table等方法。然而,对于大多数常见场景,此方法已经足够高效和灵活。

总结

通过结合groupby、reindex和自定义填充逻辑,我们能够有效地解决Pandas DataFrame中时间序列数据的缺失日期行问题。这种方法不仅能够确保时间序列的完整性,还允许我们根据业务需求灵活地处理缺失值,为后续的数据分析和建模奠定坚实的基础。掌握这一技巧对于处理不规则或稀疏的时间序列数据至关重要。

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