Python数据分析案例03——天气K均值聚类分析

聚类常用的算法肯定是K均值聚类了，本次案例采用陕西的十个地区的天气数据，构建特征，进行聚类分析。

数据 预处理

import os
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
import numpy as np
import pandas as pd
import datetime as dt
import re
#from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
%matplotlib inline

pd.options.display.float_format = '{:,.4f}'.format
np.set_printoptions(precision=4)
plt.rcParams ['font.sans-serif'] ='SimHei'               #显示中文
plt.rcParams ['axes.unicode_minus']=False               #显示负号

获取文件和地区名称

file_name=os.listdir(f'./天气数据')
print(file_name)
region_name=[i[:2] for i in file_name]
region_name

定义一些函数，用来处理数据

def date_transform(x) :
    a= x.split(' ')[0]
    a = pd.to_datetime(a, format='%Y-%m-%d')
    return a
def C_check(C):
    a=C.split('℃')
    return int(a[0])
def tianqi_check1(txt):
    if '转' in txt:
        a=re.findall('w{1,5}转',txt)
        a=a[0].split('转')
        a=a[0]
    elif '~' in txt:
        a=re.findall('w{1,5}~',txt)
        a=a[0].split('~')
        a=a[0]
    else:
        a=txt
    return a
def tianqi_check2(txt):
    if '到' in txt:
        a=re.findall('到w{1,5}',txt)
        a=a[0].split('到')
        a=a[1]
    else:
        a=txt
    return a
df_最高气温=pd.DataFrame()
df_最低气温=pd.DataFrame()
df_天气=pd.DataFrame()
dic_天气={'晴':0,'晴到多云':0.5,'晴间多云':0.5,'局部多云':0.5,'多云':1,'少云':1.5,'阴':2,'阴天':2,'雾':2.5,'霾':2.5,'小雨':3,'雨':3,'阴到小雨':2.5,
            '小到中雨':3.5,'小雨到中雨':3.5,'阵雨':3.5,'中雨':4,'小雨到大雨':4,'雷阵雨':4,'雷雨':4,'中到大雨':4.5,'大雨':5,'大到暴雨':5.5,
            '暴雨':6,'暴风雨':6.5,'小雪':7,'雨夹雪 ':7,'雪':7,'中雪':8,'大雪':9,'浮尘':2.5,'扬沙':2.5,'风':2.5}

开始读取和处理

for i,f in enumerate(file_name):
    #print(i)
    file_path = f'./天气数据/{f}'
    data=pd.read_excel(file_path,usecols=['日期','最高气温','最低气温','天气'])
    data['日期']=data['日期'].apply(date_transform)
    data['最高气温']=data['最高气温'].apply(C_check)
    data['最低气温']=data['最低气温'].apply(C_check)
    data['天气']=data['天气'].astype(str).apply(tianqi_check1)
    data['天气']=data['天气'].astype(str).apply(tianqi_check2)
    data.loc[:,'天气']=data['天气'].map(dic_天气)
    data['天气'].fillna(data['天气'].mean)
    data=data.set_index('日期').resample('M').mean()
    #print(len(data))
    df_最高气温[region_name[i]]=data['最高气温']
    df_最低气温[region_name[i]]=data['最低气温']
    df_天气[region_name[i]]=data['天气']

最后是形成了三个数据框，最高温和最低温，还有天气情况（比如下雨还是晴天等等），天气情况我用 map进行了映射，都变成了数值型变量。

描述性 统计

df_最高气温.plot(title='各地区每月最高温变化图',figsize=(14,5),xlabel='日期',ylabel='最高温')

df_最低气温.plot(title='各地区每月最低温变化图',figsize=(14,5),xlabel='日期',ylabel='最低温')

df_天气.plot(title='各地区每月天气变化图',figsize=(14,5),xlabel='日期',ylabel='天气')

都具有很明显的周期性，天气因为是自己映射的数值型数据，所以有点杂乱。

然后画出最高温的箱线图：

column = df_最高气温.columns.tolist() # 列表头
fig = plt.figure(figsize=(20, 8), dpi=128)  # 指定绘图对象宽度和高度
for i in range(len(column)):
    plt.subplot(2,5, i + 1)  # 2行5列子图
    sns.boxplot(data=df_最高气温[column[i]], orient="v",width=0.5)  # 箱式图
    plt.ylabel(column[i], fontsize=16)
    plt.title(f'{region_name[i]}每月最高温箱线图',fontsize=16)
plt.tight_layout()
plt.show()

最低温和天气也是一样画，数据框名称改一下就行。

下面画出最低温的核密度图（同理最高温和天气也是一样的）

fig = plt.figure(figsize=(20, 8), dpi=128)  # 指定绘图对象宽度和高度
for i in range(len(column)):
    plt.subplot(2,5, i + 1)  # 2行5列子图
    ax = sns.kdeplot(data=df_最低气温[column[i]],color='blue',shade= True)
    plt.ylabel(column[i], fontsize=16)
    plt.title(f'{region_name[i]}每月最低温核密度图',fontsize=16)
plt.tight_layout()
plt.show()

画出天气的相关性热力图

fig = plt.figure(figsize=(8, 8), dpi=128) 
corr= sns.heatmap(df_天气[column].corr(),annot=True,square=True)

最高温和最低温也是一样，改一下数据框名称就行。可以看到哪些地区的天气相关性高

K均值 聚类

因为本次构建了三个特征，可以进行三次K均值聚类，我们可以比较一下聚类的结果，首先使用最高温进行聚类：

最高温的聚类

from sklearn.cluster import KMeans 
kmeans_model = KMeans(n_clusters=3, random_state=123, n_init=20)
kmeans_model.fit(df_最高气温.T)
kmeans_model.inertia_   #组内平方和

# kmeans_cc=kmeans_model.cluster_centers_   # 聚类中心
# kmeans_cc

kmeans_labels = kmeans_model.labels_   # 样本的类别标签
kmeans_labels 

pd.Series(kmeans_labels).value_counts()   # 统计不同类别样本的数目

映射一下类别的数值

dic_rusult={}
for i in range(10):
    dic_rusult[df_最高气温.T.index[i]]=kmeans_labels[i]
dic_rusult

统计一下，打印结果

第一类地区=[]
第二类地区=[]
第三类地区=[]
for k,v in dic_rusult.items():
    if v==0:
        第一类地区.append(k)
    elif v==1:
        第二类地区.append(k)
    elif v==2:
        第三类地区.append(k)
print(f'从最高气温来看的聚类的结果，将地区分为三个地区,n第一个地区为：{第一类地区}，n第二个地区为：{第二类地区}，n第三个地区为：{第三类地区}')

可以去地图上看看，聚类的结果还是很有道理的，聚类出来的地区都是挨得很近的地方。

最低温度K均值聚类

kmeans_model = KMeans(n_clusters=3, random_state=123, n_init=20)
kmeans_model.fit(df_最低气温.T)

kmeans_labels = kmeans_model.labels_   # 样本的类别标签
kmeans_labels 

pd.Series(kmeans_labels).value_counts()   # 统计不同类别样本的数目

dic_rusult2={}
for i in range(10):
    dic_rusult2[df_最低气温.T.index[i]]=kmeans_labels[i]
dic_rusult2

第一类地区=[]
第二类地区=[]
第三类地区=[]
for k,v in dic_rusult2.items():
    if v==2:
        第一类地区.append(k)
    elif v==1:
        第二类地区.append(k)
    elif v==0:
        第三类地区.append(k)
print(f'从最低气温来看的聚类的结果，将地区分为三个地区,n第一个地区为：{第一类地区}，n第二个地区为：{第二类地区}，n第三个地区为：{第三类地区}')

和最高温的聚类结果差不多

第一个地区对应的关中

第二个地区对应的陕北

第三个地区对应的陕南

天气K均值聚类

kmeans_model = KMeans(n_clusters=3, random_state=123, n_init=20)
kmeans_model.fit(df_天气.T)
kmeans_labels = kmeans_model.labels_   # 样本的类别标签
pd.Series(kmeans_labels).value_counts()   # 统计不同类别样本的数目 
dic_rusult3={}
for i in range(10):
    dic_rusult3[df_天气.T.index[i]]=kmeans_labels[i]
dic_rusult3
第一类地区=[]
第二类地区=[]
第三类地区=[]
for k,v in dic_rusult3.items():
    if v==1:
        第一类地区.append(k)
    elif v==2:
        第二类地区.append(k)
    elif v==0:
        第三类地区.append(k)
print(f'从天气来看的聚类的结果，将地区分为三个地区,n第一个地区为：{第一类地区}，n第二个地区为：{第二类地区}，n第三个地区为：{第三类地区}')