习题：数据操作

• 题目:csv文件为纽约市出租车的出行数据，数据包括上/下车的位置坐标，上/下车的人数。研究区域范围如图 1所示，其左上角坐标为(0,1)，右下角坐标为(1,0)。

  
  图1

要求：将研究区域划分为32*32的网格，按从左到右、从上到下对网格进行编号（1~1024），并分别求出每个网格的上/下车的人数，数据保存格式如表 1所示，保存为csv文件。

表1

• 首先，读取数据，查看数据有哪些，生成描述性统计，同时查看是否有缺失值。

import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt

file_name = 'nyc_taxi_data.csv'
data_pd = pd.read_csv(file_name)

print(data_pd.head())
print(data_pd.shape)
print(data_pd.isnull().sum())

运行结果如图2所示： 图2

从结果可以看出数据大概有一千万行，共有5列，分别为 passengers、up_y、up_x、off_y、off_x，同时数据中没有缺失值。

• 先将数据可视化，观察上下车地点。

fig = plt.figure(figsize=(20,10))
alpha = 0.05

ax1 = fig.add_subplot(121)
plt.scatter(up_x, up_y, c='green', marker='.', alpha=alpha)
ax1.set_title('up location')

ax2 = fig.add_subplot(122)
plt.scatter(off_x, off_y, c='red', marker='.', alpha=alpha)
ax2.set_title('off location')

plt.show()

运行结果如图3所示： 图3

从图中能够看出上下车的分布情况，其中左边是上车的地点，右边为下车的地点。

• 思路：先初始化三个32*32的零矩阵，里面分别存放1024个区域的索引、每个区域的上车人数和下车人数。

up_passengers = np.zeros((32,32))
off_passengers = np.zeros((32,32))
grid_index = np.zeros(32*32)

• 将1024个区域建立索引

 for i in range(32*32):
     grid_index[i] = i+1

• 然后向1024各区域中添加元素，由于索引方式是从左到右、从上到下。所以先确定点在哪个区域内，再将属于该区域的点添加到索引中去，最后将索引区域内的人数进行统计。

length = len(data_pd)
for i in trange(length):
    up_passengers[int((1-up_y[i])*32), int(up_x[i]*32)] += passengers[i]
    off_passengers[int((1-off_y[i])*32), int(off_x[i]*32)] += passengers[i]

其中，[int((1-up_y[i])32), int(up_x[i]32)]是区域的索引，每个区域的刻度为1/32，y值从1到0，x值从0到1。因为索引为整数，所以需要用到int()函数，将值转换为整数。右边的式子是将属于该区域的passengers人数添加到矩阵中。这里用的是 trange而不是range，是因为trange可以看到进度条。
注意：这里面涉及到数据的遍历，pandas数据遍历有这几种方式：for…in循环迭代方式、iterrows()生成器方式、apply()方法循环方式、Pandas series 的矢量化方式、Numpy arrays的矢量化方式。其中最后一种方式速度最快，所以需要将数据进行一下处理。

up_y = data_pd.up_y.values
up_x = data_pd.up_x.values
off_y = data_pd.off_y.values
off_x = data_pd.off_x.values
passengers = data_pd.passengers.values

实测Pandas series 的矢量化方式需要10分钟左右，而Numpy arrays的矢量化方式只需要50秒左右，大大提高了速度。

• 接下来将数据转进行保存，这里的range函数全部改为trange。

up_passengers = up_passengers.reshape(-1)
off_passengers = off_passengers.reshape(-1)
data_all = np.zeros((1024,3))

for i in trange(1024):
    data_all[i,0] = grid_index[i]
    data_all[i,1] = up_passengers[i]
    data_all[i,2] = off_passengers[i]

data = pd.DataFrame(data_all, columns=["grid_index", "up_passengers",
                                       "off_passengers"])
data.to_csv("nyc_taxi_grid_data.csv", index=False)
return data_all

到这里，程序就完成了。当然，这里还有其他方式保存数据，比如采取字典的形式，将索引设置为key，上下车人数为value。还有，数据量达到了300M可以通过优化内存的方式来减少内存的使用，提高数据的读取效率。