Pandas高階教程之:時間處理

flydean發表於2021-10-11

簡介

時間應該是在資料處理中經常會用到的一種資料型別，除了Numpy中datetime64 和 timedelta64 這兩種資料型別之外，pandas 還整合了其他python庫比如 scikits.timeseries 中的功能。

時間分類

pandas中有四種時間型別：

  1. Date times : 日期和時間，可以帶時區。和標準庫中的 datetime.datetime 類似。
  2. Time deltas： 絕對持續時間，和 標準庫中的 datetime.timedelta 類似。
  3. Time spans： 由時間點及其關聯的頻率定義的時間跨度。
  4. Date offsets：基於日曆計算的時間 和 dateutil.relativedelta.relativedelta 類似。

我們用一張表來表示：

型別標量class陣列classpandas資料型別主要建立方法
Date timesTimestampDatetimeIndexdatetime64[ns] or datetime64[ns, tz]to_datetime or date_range
Time deltasTimedeltaTimedeltaIndextimedelta64[ns]to_timedelta or timedelta_range
Time spansPeriodPeriodIndexperiod[freq]Period or period_range
Date offsetsDateOffsetNoneNoneDateOffset

看一個使用的例子：

In [19]: pd.Series(range(3), index=pd.date_range("2000", freq="D", periods=3))
Out[19]: 
2000-01-01    0
2000-01-02    1
2000-01-03    2
Freq: D, dtype: int64

看一下上面資料型別的空值：

In [24]: pd.Timestamp(pd.NaT)
Out[24]: NaT

In [25]: pd.Timedelta(pd.NaT)
Out[25]: NaT

In [26]: pd.Period(pd.NaT)
Out[26]: NaT

# Equality acts as np.nan would
In [27]: pd.NaT == pd.NaT
Out[27]: False

Timestamp

Timestamp 是最基礎的時間型別，我們可以這樣建立：

In [28]: pd.Timestamp(datetime.datetime(2012, 5, 1))
Out[28]: Timestamp('2012-05-01 00:00:00')

In [29]: pd.Timestamp("2012-05-01")
Out[29]: Timestamp('2012-05-01 00:00:00')

In [30]: pd.Timestamp(2012, 5, 1)
Out[30]: Timestamp('2012-05-01 00:00:00')

DatetimeIndex

Timestamp 作為index會自動被轉換為DatetimeIndex：

In [33]: dates = [
   ....:     pd.Timestamp("2012-05-01"),
   ....:     pd.Timestamp("2012-05-02"),
   ....:     pd.Timestamp("2012-05-03"),
   ....: ]
   ....: 

In [34]: ts = pd.Series(np.random.randn(3), dates)

In [35]: type(ts.index)
Out[35]: pandas.core.indexes.datetimes.DatetimeIndex

In [36]: ts.index
Out[36]: DatetimeIndex(['2012-05-01', '2012-05-02', '2012-05-03'], dtype='datetime64[ns]', freq=None)

In [37]: ts
Out[37]: 
2012-05-01    0.469112
2012-05-02   -0.282863
2012-05-03   -1.509059
dtype: float64

date_range 和 bdate_range

還可以使用 date_range 來建立DatetimeIndex：

In [74]: start = datetime.datetime(2011, 1, 1)

In [75]: end = datetime.datetime(2012, 1, 1)

In [76]: index = pd.date_range(start, end)

In [77]: index
Out[77]: 
DatetimeIndex(['2011-01-01', '2011-01-02', '2011-01-03', '2011-01-04',
               '2011-01-05', '2011-01-06', '2011-01-07', '2011-01-08',
               '2011-01-09', '2011-01-10',
               ...
               '2011-12-23', '2011-12-24', '2011-12-25', '2011-12-26',
               '2011-12-27', '2011-12-28', '2011-12-29', '2011-12-30',
               '2011-12-31', '2012-01-01'],
              dtype='datetime64[ns]', length=366, freq='D')

date_range 是日曆範圍，bdate_range 是工作日範圍：

In [78]: index = pd.bdate_range(start, end)

In [79]: index
Out[79]: 
DatetimeIndex(['2011-01-03', '2011-01-04', '2011-01-05', '2011-01-06',
               '2011-01-07', '2011-01-10', '2011-01-11', '2011-01-12',
               '2011-01-13', '2011-01-14',
               ...
               '2011-12-19', '2011-12-20', '2011-12-21', '2011-12-22',
               '2011-12-23', '2011-12-26', '2011-12-27', '2011-12-28',
               '2011-12-29', '2011-12-30'],
              dtype='datetime64[ns]', length=260, freq='B')

兩個方法都可以帶上 start, end, 和 periods 引數。

In [84]: pd.bdate_range(end=end, periods=20)
In [83]: pd.date_range(start, end, freq="W")
In [86]: pd.date_range("2018-01-01", "2018-01-05", periods=5)

origin

使用 origin引數，可以修改 DatetimeIndex 的起點：

In [67]: pd.to_datetime([1, 2, 3], unit="D", origin=pd.Timestamp("1960-01-01"))
Out[67]: DatetimeIndex(['1960-01-02', '1960-01-03', '1960-01-04'], dtype='datetime64[ns]', freq=None)

預設情況下 origin='unix', 也就是起點是 1970-01-01 00:00:00.

In [68]: pd.to_datetime([1, 2, 3], unit="D")
Out[68]: DatetimeIndex(['1970-01-02', '1970-01-03', '1970-01-04'], dtype='datetime64[ns]', freq=None)

格式化

使用format引數可以對時間進行格式化：

In [51]: pd.to_datetime("2010/11/12", format="%Y/%m/%d")
Out[51]: Timestamp('2010-11-12 00:00:00')

In [52]: pd.to_datetime("12-11-2010 00:00", format="%d-%m-%Y %H:%M")
Out[52]: Timestamp('2010-11-12 00:00:00')

Period

Period 表示的是一個時間跨度,通常和freq一起使用：

In [31]: pd.Period("2011-01")
Out[31]: Period('2011-01', 'M')

In [32]: pd.Period("2012-05", freq="D")
Out[32]: Period('2012-05-01', 'D')

Period可以直接進行運算：

In [345]: p = pd.Period("2012", freq="A-DEC")

In [346]: p + 1
Out[346]: Period('2013', 'A-DEC')

In [347]: p - 3
Out[347]: Period('2009', 'A-DEC')

In [348]: p = pd.Period("2012-01", freq="2M")

In [349]: p + 2
Out[349]: Period('2012-05', '2M')

In [350]: p - 1
Out[350]: Period('2011-11', '2M')
注意，Period只有具有相同的freq才能進行算數運算。包括 offsets 和 timedelta
In [352]: p = pd.Period("2014-07-01 09:00", freq="H")

In [353]: p + pd.offsets.Hour(2)
Out[353]: Period('2014-07-01 11:00', 'H')

In [354]: p + datetime.timedelta(minutes=120)
Out[354]: Period('2014-07-01 11:00', 'H')

In [355]: p + np.timedelta64(7200, "s")
Out[355]: Period('2014-07-01 11:00', 'H')

Period作為index可以自動被轉換為PeriodIndex：

In [38]: periods = [pd.Period("2012-01"), pd.Period("2012-02"), pd.Period("2012-03")]

In [39]: ts = pd.Series(np.random.randn(3), periods)

In [40]: type(ts.index)
Out[40]: pandas.core.indexes.period.PeriodIndex

In [41]: ts.index
Out[41]: PeriodIndex(['2012-01', '2012-02', '2012-03'], dtype='period[M]', freq='M')

In [42]: ts
Out[42]: 
2012-01   -1.135632
2012-02    1.212112
2012-03   -0.173215
Freq: M, dtype: float64

可以通過 pd.period_range 方法來建立 PeriodIndex：

In [359]: prng = pd.period_range("1/1/2011", "1/1/2012", freq="M")

In [360]: prng
Out[360]: 
PeriodIndex(['2011-01', '2011-02', '2011-03', '2011-04', '2011-05', '2011-06',
             '2011-07', '2011-08', '2011-09', '2011-10', '2011-11', '2011-12',
             '2012-01'],
            dtype='period[M]', freq='M')

還可以通過PeriodIndex直接建立：

In [361]: pd.PeriodIndex(["2011-1", "2011-2", "2011-3"], freq="M")
Out[361]: PeriodIndex(['2011-01', '2011-02', '2011-03'], dtype='period[M]', freq='M')

DateOffset

DateOffset表示的是頻率物件。它和Timedelta很類似，表示的是一個持續時間，但是有特殊的日曆規則。比如Timedelta一天肯定是24小時，而在 DateOffset中根據夏令時的不同，一天可能會有23，24或者25小時。

# This particular day contains a day light savings time transition
In [144]: ts = pd.Timestamp("2016-10-30 00:00:00", tz="Europe/Helsinki")

# Respects absolute time
In [145]: ts + pd.Timedelta(days=1)
Out[145]: Timestamp('2016-10-30 23:00:00+0200', tz='Europe/Helsinki')

# Respects calendar time
In [146]: ts + pd.DateOffset(days=1)
Out[146]: Timestamp('2016-10-31 00:00:00+0200', tz='Europe/Helsinki')

In [147]: friday = pd.Timestamp("2018-01-05")

In [148]: friday.day_name()
Out[148]: 'Friday'

# Add 2 business days (Friday --> Tuesday)
In [149]: two_business_days = 2 * pd.offsets.BDay()

In [150]: two_business_days.apply(friday)
Out[150]: Timestamp('2018-01-09 00:00:00')

In [151]: friday + two_business_days
Out[151]: Timestamp('2018-01-09 00:00:00')

In [152]: (friday + two_business_days).day_name()
Out[152]: 'Tuesday'

DateOffsets 和Frequency 運算是先關的，看一下可用的Date Offset 和它相關聯的 Frequency：

Date OffsetFrequency String描述
DateOffsetNone通用的offset 類
BDay or BusinessDay'B'工作日
CDay or CustomBusinessDay'C'自定義的工作日
Week'W'一週
WeekOfMonth'WOM'每個月的第幾周的第幾天
LastWeekOfMonth'LWOM'每個月最後一週的第幾天
MonthEnd'M'日曆月末
MonthBegin'MS'日曆月初
BMonthEnd or BusinessMonthEnd'BM'營業月底
BMonthBegin or BusinessMonthBegin'BMS'營業月初
CBMonthEnd or CustomBusinessMonthEnd'CBM'自定義營業月底
CBMonthBegin or CustomBusinessMonthBegin'CBMS'自定義營業月初
SemiMonthEnd'SM'日曆月末的第15天
SemiMonthBegin'SMS'日曆月初的第15天
QuarterEnd'Q'日曆季末
QuarterBegin'QS'日曆季初
BQuarterEnd'BQ工作季末
BQuarterBegin'BQS'工作季初
FY5253Quarter'REQ'零售季（ 52-53 week)
YearEnd'A'日曆年末
YearBegin'AS' or 'BYS'日曆年初
BYearEnd'BA'營業年末
BYearBegin'BAS'營業年初
FY5253'RE'零售年 (aka 52-53 week)
EasterNone復活節假期
BusinessHour'BH'business hour
CustomBusinessHour'CBH'custom business hour
Day'D'一天的絕對時間
Hour'H'一小時
Minute'T' or 'min'一分鐘
Second'S'一秒鐘
Milli'L' or 'ms'一微妙
Micro'U' or 'us'一毫秒
Nano'N'一納秒

DateOffset還有兩個方法 rollforward() 和 rollback() 可以將時間進行移動：

In [153]: ts = pd.Timestamp("2018-01-06 00:00:00")

In [154]: ts.day_name()
Out[154]: 'Saturday'

# BusinessHour's valid offset dates are Monday through Friday
In [155]: offset = pd.offsets.BusinessHour(start="09:00")

# Bring the date to the closest offset date (Monday)
In [156]: offset.rollforward(ts)
Out[156]: Timestamp('2018-01-08 09:00:00')

# Date is brought to the closest offset date first and then the hour is added
In [157]: ts + offset
Out[157]: Timestamp('2018-01-08 10:00:00')

上面的操作會自動儲存小時，分鐘等資訊，如果想要設定為 00:00:00 ， 可以呼叫normalize() 方法：

In [158]: ts = pd.Timestamp("2014-01-01 09:00")

In [159]: day = pd.offsets.Day()

In [160]: day.apply(ts)
Out[160]: Timestamp('2014-01-02 09:00:00')

In [161]: day.apply(ts).normalize()
Out[161]: Timestamp('2014-01-02 00:00:00')

In [162]: ts = pd.Timestamp("2014-01-01 22:00")

In [163]: hour = pd.offsets.Hour()

In [164]: hour.apply(ts)
Out[164]: Timestamp('2014-01-01 23:00:00')

In [165]: hour.apply(ts).normalize()
Out[165]: Timestamp('2014-01-01 00:00:00')

In [166]: hour.apply(pd.Timestamp("2014-01-01 23:30")).normalize()
Out[166]: Timestamp('2014-01-02 00:00:00')

作為index

時間可以作為index，並且作為index的時候會有一些很方便的特性。

可以直接使用時間來獲取相應的資料：

In [99]: ts["1/31/2011"]
Out[99]: 0.11920871129693428

In [100]: ts[datetime.datetime(2011, 12, 25):]
Out[100]: 
2011-12-30    0.56702
Freq: BM, dtype: float64

In [101]: ts["10/31/2011":"12/31/2011"]
Out[101]: 
2011-10-31    0.271860
2011-11-30   -0.424972
2011-12-30    0.567020
Freq: BM, dtype: float64

獲取全年的資料：

In [102]: ts["2011"]
Out[102]: 
2011-01-31    0.119209
2011-02-28   -1.044236
2011-03-31   -0.861849
2011-04-29   -2.104569
2011-05-31   -0.494929
2011-06-30    1.071804
2011-07-29    0.721555
2011-08-31   -0.706771
2011-09-30   -1.039575
2011-10-31    0.271860
2011-11-30   -0.424972
2011-12-30    0.567020
Freq: BM, dtype: float64

獲取某個月的資料：

In [103]: ts["2011-6"]
Out[103]: 
2011-06-30    1.071804
Freq: BM, dtype: float64

DF可以接受時間作為loc的引數：

In [105]: dft
Out[105]: 
                            A
2013-01-01 00:00:00  0.276232
2013-01-01 00:01:00 -1.087401
2013-01-01 00:02:00 -0.673690
2013-01-01 00:03:00  0.113648
2013-01-01 00:04:00 -1.478427
...                       ...
2013-03-11 10:35:00 -0.747967
2013-03-11 10:36:00 -0.034523
2013-03-11 10:37:00 -0.201754
2013-03-11 10:38:00 -1.509067
2013-03-11 10:39:00 -1.693043

[100000 rows x 1 columns]

In [106]: dft.loc["2013"]
Out[106]: 
                            A
2013-01-01 00:00:00  0.276232
2013-01-01 00:01:00 -1.087401
2013-01-01 00:02:00 -0.673690
2013-01-01 00:03:00  0.113648
2013-01-01 00:04:00 -1.478427
...                       ...
2013-03-11 10:35:00 -0.747967
2013-03-11 10:36:00 -0.034523
2013-03-11 10:37:00 -0.201754
2013-03-11 10:38:00 -1.509067
2013-03-11 10:39:00 -1.693043

[100000 rows x 1 columns]

時間切片：

In [107]: dft["2013-1":"2013-2"]
Out[107]: 
                            A
2013-01-01 00:00:00  0.276232
2013-01-01 00:01:00 -1.087401
2013-01-01 00:02:00 -0.673690
2013-01-01 00:03:00  0.113648
2013-01-01 00:04:00 -1.478427
...                       ...
2013-02-28 23:55:00  0.850929
2013-02-28 23:56:00  0.976712
2013-02-28 23:57:00 -2.693884
2013-02-28 23:58:00 -1.575535
2013-02-28 23:59:00 -1.573517

[84960 rows x 1 columns]

切片和完全匹配

考慮下面的一個精度為分的Series物件：

In [120]: series_minute = pd.Series(
   .....:     [1, 2, 3],
   .....:     pd.DatetimeIndex(
   .....:         ["2011-12-31 23:59:00", "2012-01-01 00:00:00", "2012-01-01 00:02:00"]
   .....:     ),
   .....: )
   .....: 

In [121]: series_minute.index.resolution
Out[121]: 'minute'

時間精度小於分的話，返回的是一個Series物件：

In [122]: series_minute["2011-12-31 23"]
Out[122]: 
2011-12-31 23:59:00    1
dtype: int64

時間精度大於分的話，返回的是一個常量：

In [123]: series_minute["2011-12-31 23:59"]
Out[123]: 1

In [124]: series_minute["2011-12-31 23:59:00"]
Out[124]: 1

同樣的，如果精度為秒的話，小於秒會返回一個物件，等於秒會返回常量值。

時間序列的操作

Shifting

使用shift方法可以讓 time series 進行相應的移動：

In [275]: ts = pd.Series(range(len(rng)), index=rng)

In [276]: ts = ts[:5]

In [277]: ts.shift(1)
Out[277]: 
2012-01-01    NaN
2012-01-02    0.0
2012-01-03    1.0
Freq: D, dtype: float64

通過指定 freq ， 可以設定shift的方式：

In [278]: ts.shift(5, freq="D")
Out[278]: 
2012-01-06    0
2012-01-07    1
2012-01-08    2
Freq: D, dtype: int64

In [279]: ts.shift(5, freq=pd.offsets.BDay())
Out[279]: 
2012-01-06    0
2012-01-09    1
2012-01-10    2
dtype: int64

In [280]: ts.shift(5, freq="BM")
Out[280]: 
2012-05-31    0
2012-05-31    1
2012-05-31    2
dtype: int64

頻率轉換

時間序列可以通過呼叫 asfreq 的方法轉換其頻率：

In [281]: dr = pd.date_range("1/1/2010", periods=3, freq=3 * pd.offsets.BDay())

In [282]: ts = pd.Series(np.random.randn(3), index=dr)

In [283]: ts
Out[283]: 
2010-01-01    1.494522
2010-01-06   -0.778425
2010-01-11   -0.253355
Freq: 3B, dtype: float64

In [284]: ts.asfreq(pd.offsets.BDay())
Out[284]: 
2010-01-01    1.494522
2010-01-04         NaN
2010-01-05         NaN
2010-01-06   -0.778425
2010-01-07         NaN
2010-01-08         NaN
2010-01-11   -0.253355
Freq: B, dtype: float64

asfreq還可以指定修改頻率過後的填充方法：

In [285]: ts.asfreq(pd.offsets.BDay(), method="pad")
Out[285]: 
2010-01-01    1.494522
2010-01-04    1.494522
2010-01-05    1.494522
2010-01-06   -0.778425
2010-01-07   -0.778425
2010-01-08   -0.778425
2010-01-11   -0.253355
Freq: B, dtype: float64

Resampling 重新取樣

給定的時間序列可以通過呼叫resample方法來重新取樣：

In [286]: rng = pd.date_range("1/1/2012", periods=100, freq="S")

In [287]: ts = pd.Series(np.random.randint(0, 500, len(rng)), index=rng)

In [288]: ts.resample("5Min").sum()
Out[288]: 
2012-01-01    25103
Freq: 5T, dtype: int64

resample 可以接受各類統計方法，比如： sum, mean, std, sem, max, min, median, first, last, ohlc。

In [289]: ts.resample("5Min").mean()
Out[289]: 
2012-01-01    251.03
Freq: 5T, dtype: float64

In [290]: ts.resample("5Min").ohlc()
Out[290]: 
            open  high  low  close
2012-01-01   308   460    9    205

In [291]: ts.resample("5Min").max()
Out[291]: 
2012-01-01    460
Freq: 5T, dtype: int64

本文已收錄於 http://www.flydean.com/15-python-pandas-time/

最通俗的解讀，最深刻的乾貨，最簡潔的教程，眾多你不知道的小技巧等你來發現！

歡迎關注我的公眾號:「程式那些事」,懂技術，更懂你！

相關文章