python学习笔记（空气质量指数）

小鱼儿 2021-05-12 11:49 935阅读 0赞

# 每天30min学习python—空气质量指数 #

## 目录 ##

1.  空气质量指数1.0
2.  空气质量指数2.0
3.  空气质量指数3.0
4.  空气质量指数4.0
5.  空气质量指数5.0
6.  空气质量指数6.0+7.0
7.  空气质量指数8.0
8.  空气质量指数9.0+10.0

### 1.0 实现功能 ###

*  根据步骤，计算空气质量指数

--------------------

### 知识点： ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDkxMjE1OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

*  空气质量指数计算公式
    
     *   ( I A Q I p ) = I A Q I H H − I A Q I L o B P H − B P L o ( C P − B P L o ) + I A Q I L o \\left(\\mathrm\{IAQI\}\_\{\\mathrm\{p\}\}\\right)=\\frac\{\\mathrm\{IAQI\}\_\{\\mathrm\{H\}\_\{\\mathrm\{H\}\}\}-\\mathrm\{IAQI\}\_\{\\mathrm\{Lo\}\}\}\{\\mathrm\{BP\}\_\{\\mathrm\{H\}\}-\\mathrm\{BP\}\_\{\\mathrm\{Lo\}\}\}\\left(C\_\{\\mathrm\{P\}\}-\\mathrm\{BP\}\_\{\\mathrm\{Lo\}\}\\right)+\\mathrm\{IAQI\}\_\{\\mathrm\{Lo\}\} (IAQIp)=BPH−BPLoIAQIHH−IAQILo(CP−BPLo)\+IAQILo
        
        式中：IAQIp —— 污染物项目P的空气质量分指数；
        
         Cp —— 污染物项目P的质量浓度；
        
         BPHi ——表1中与Cp的相近的污染物浓度限值的高位值
        
         BPLo ——表1中与Cp的相近的污染物浓度限值的低位值
        
         IAQIHi ——表1中与BPHi对应的空气质量分指数
        
         IAQILo ——表1中与BPLo对应的空气质量分指数
 *  **AQI** = max\{IAQI1，IAQI2，IAQI3…IAQIn \}
 *  例子：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDkxMjE1OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

### 代码区： ###

""" 作者：Troublemaker 功能：检测API 版本：1.0 日期：2020/1/17 19:35 脚本：AQI_1.0.py """
    
    
    def cal_IAQI(iaqi_h, iaqi_l, bp_h, bp_l, c_p):
        iaqi_p = (iaqi_h - iaqi_l) / (bp_h - bp_l) * (c_p - bp_l) + iaqi_l
        return iaqi_p
    
    
    def get_value(value):
        if 0 <= value < 36:
            iaqi_p = cal_IAQI(50, 0, 35, 0, value)
        elif 36 <= value < 75:
            iaqi_p = cal_IAQI(100, 50, 75, 35, value)
        elif 75 <= value < 115:
            iaqi_p = cal_IAQI(150, 100, 115, 75, value)
        elif 115 <= value < 150:
            iaqi_p = cal_IAQI(200, 150, 150, 115, value)
        elif 150 <= value < 250:
            iaqi_p = cal_IAQI(300, 200, 250, 150, value)
        elif 250 <= value < 350:
            iaqi_p = cal_IAQI(400, 300, 350, 250, value)
        elif 350 <= value < 500:
            iaqi_p = cal_IAQI(500, 400, 500, 350, value)
        return iaqi_p
    
    
    def main():
        print("测试IAQI值")
        pm_value = float(input("请输入您当前pm2.5值"))
    
        iaqi_p = get_value(pm_value)
        print("pm2.5为 {} 时，对应的值为{}。".format(pm_value, iaqi_p))
    
    
    if __name__ == "__main__":
        main()

### 2.0 实现功能 ###

*  读取JSON文件
 *  将AQI前5的数据输出到文件

--------------------

### 知识点： ###

*  **JSON格式**
    
     *  JSON(javaScript Object Notation)是一种轻量级数据交换格式
     *  可以对复杂数据进行表达和存储，易于阅读和理解
     *  规则
        
        1.  数据保存在键值对中
        2.  键值对之间由逗号分隔
        3.  花括号用于保存键值对数据组成的对象
        4.  方括号用于保存键值对数据组成的数组
     *  采用对象、数组方式组织起来的键值对可以表示任何结构的数据
     *  JSON格式是互联网上主要使用的复杂数据格式之一
 *  **JSON库**
    
     *  JSON库是处理JSON格式的python标准库
     *  两个过程：
        
         *  编码（encoding），将Python数据类型装换成JSON格式的过程
         *  解码（decoding），从JSON格式中解析数据到Python数据类型的过程
    
    <table> 
     <thead> 
      <tr> 
       <th>函数</th> 
       <th>含义</th> 
      </tr> 
     </thead> 
     <tbody> 
      <tr> 
       <td>json.dumps(content, file)</td> 
       <td>Python数据类型 ——&gt; JSON格式（相当于编码encoding）</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td>json.loads(file)</td> 
       <td>JSON格式 ——&gt; Python数据类型（相当于解码decoding）</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td>json.dump(content, file)</td> 
       <td>与dumps()功能一致，输出到文件</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td>json.load(file)</td> 
       <td>与loads()功能一致，从文件读入</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td>list.sort(func)</td> 
       <td>func指定了排序的方法，func可以通过lambda函数实现</td> 
      </tr> 
     </tbody> 
    </table>

### 代码区： ###

""" 作者：Troublemaker 功能：检测API 版本：2.0 日期：2020/1/17 20:05 脚本：AQI_2.0.py """
    import json
    
    
    def py_to_json(content, file):
        """encoding"""
        f = open(file, "w", encoding="utf-8")
        json.dump(content, f, ensure_ascii=False)
        f.close()
    
    
    def json_to_py(file):
        """decoding"""
        f = open(file, "r", encoding="utf-8")
        content = json.load(f)
        return content
    
    
    def main():
        """主函数"""
        read_file = input("请输入读取文件名")
        py_data = json_to_py(read_file)
        py_data.sort(key=lambda city: city["aqi"])
        py_data_5 = py_data[:5]
        write_file = input("请输入写入文件名")
        py_to_json(py_data_5, write_file)
    
    if __name__ == "__main__":
        main()

### 3.0 实现功能 ###

*  读取已经获取的JSON数据文件
 *  将其转换成CSV文件

--------------------

### 知识点： ###

*  **CSV格式**
    
     *  CSV(Comma-Separated Values) 是一种通用的、相对简单的文件格式
     *  在商业和科学领域上广泛使用
     *  规则
        
        1.  以行为单位
        2.  每行表示一条记录
        3.  以英文逗号分割每列数据（如果数据为空，逗号也要保留）
        4.  列名通常放置在文件第一行
     *  import csv
     *  cvs.wirterow(list) 将列表中的元素写入文件的一行中
        
            # 例如
            writer = csv.writer(file)
                    for content in contents:
                        writer.writerow(content)

### 代码区： ###

""" 作者：Troublemaker 功能：检测API 版本：3.0 日期：2020/1/17 20:35 脚本：AQI_2.0.py """
    import json
    import csv
    
    
    def py_to_json(content, file):
        """encoding"""
        f = open(file, "w", encoding="utf-8")
        json.dump(content, f, ensure_ascii=False)
        f.close()
    
    
    def json_to_py(file):
        """decoding"""
        f = open(file, "r", encoding="utf-8")
        content = json.load(f)
        return content
    
    
    def save_to_csv(contents, file_path):
        """save to csv"""
        with open(file_path, "w", encoding="utf-8", newline="") as f:
            writer = csv.writer(f)
            for content in contents:
                writer.writerow(content)
    
    
    def main():
        """主函数"""
        read_file = input("请输入读取文件名")
        py_data = json_to_py(read_file)
        py_data.sort(key=lambda city: city["aqi"])
        py_data_5 = py_data[:5]
        # print(py_data_5[0].keys())
    
        write_file = input("请输入写入文件名")
        lines = []
        lines.append(py_data_5[0].keys())
        for i in py_data_5:
            lines.append(i.values())
        save_to_csv(lines, write_file)
    
    if __name__ == "__main__":
        main()

### 4.0 实现功能 ###

*  根据输入的文件判断是**JSON格式**还是**CSV格式**，并进行相应的操作

--------------------

### 知识点： ###

*  **CSV文件读取**
    
     *  import csv
     *  csv.reader() 将每行记录作为列表返回
        
            # 例如
            contetns = csv.reader(file)
            for content in contents:
                print(content)
 *  **OS模块**
    
     *  os模块提供了与系统、目录操作相关的功能，不受平台的限制
        
        <table> 
         <thead> 
          <tr> 
           <th>函数</th> 
           <th>含义</th> 
          </tr> 
         </thead> 
         <tbody> 
          <tr> 
           <td>os.remove()</td> 
           <td>删除文件</td> 
          </tr> 
          <tr> 
           <td>os.makedirs()</td> 
           <td>创建多层目录</td> 
          </tr> 
          <tr> 
           <td>os.rmdir()</td> 
           <td>删除单级目录</td> 
          </tr> 
          <tr> 
           <td>os.rename()</td> 
           <td>重命名文件</td> 
          </tr> 
          <tr> 
           <td>os.path.isfile()</td> 
           <td>判断是否为文件</td> 
          </tr> 
          <tr> 
           <td>os.path.isdir()</td> 
           <td>判断是否为目录</td> 
          </tr> 
          <tr> 
           <td>os.path.join()</td> 
           <td>连接目录，如path1 连接path2为：path1/path2</td> 
          </tr> 
          <tr> 
           <td>os.path.splitext()</td> 
           <td>将文件分割成文件名和扩展名，如Troublemaker.csv 分割为Troublemaker和.csv。</td> 
          </tr> 
         </tbody> 
        </table>

### 代码区： ###

""" 作者：Troublemaker 功能：检测API 版本：4.0 日期：2020/1/17 21:35 脚本：AQI_2.0.py """
    import csv
    import json
    import os
    
    
    def read_csv(file):
        """read .csv"""
        with open(file, "r", encoding="utf-8") as f:
            contents = csv.reader(f)
            for content in contents:
                print(content)
    
    
    def read_json(file):
        """read .json"""
        with open(file, "r", encoding="utf-8") as f:
            content = json.load(f)
            print(content)
    
    
    def main():
        file_name = input("请输入文件名")
        name, tail = os.path.splitext(file_name)
    
        if tail == ".csv":
            read_csv(file_name)
        elif tail == ".json":
            read_json(file_name)
        else:
            print("暂时不支持{}格式的文件".format(tail))
    
    
    if __name__ == "__main__":
        main()

### 5.0 实现功能 ###

*  利用网络爬虫实时获取城市的空气质量。

--------------------

### 知识点： ###

*  **网络爬虫步骤**
    
    1.  通过网络链接获取网页内容

1.  对获得的网页内容进行处理

*  **requests模块**
    
     *  requests模块是一个简洁且简单的处理HTTP请求的工具
     *  支持非常丰富的链接访问功能，包括URL获取，HTTP会话，Cookie记录等
     *  requests网页请求
        
        <table> 
         <thead> 
          <tr> 
           <th>函数</th> 
           <th>含义</th> 
          </tr> 
         </thead> 
         <tbody> 
          <tr> 
           <td>get()</td> 
           <td>对应HTTP的GET方式</td> 
          </tr> 
          <tr> 
           <td>post()</td> 
           <td>对应HTTP的POST方式，用于传递用户数据</td> 
          </tr> 
         </tbody> 
        </table>
 *  requests对象属性
    
    <table> 
     <thead> 
      <tr> 
       <th>函数</th> 
       <th>含义</th> 
      </tr> 
     </thead> 
     <tbody> 
      <tr> 
       <td>status_code</td> 
       <td>HTTP请求的返回状态，<strong>200表示连接成功</strong>，<strong>400表示连接失败</strong></td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td>text</td> 
       <td>HTTP相应内容的字符串形式，即URL对应的页面内容</td> 
      </tr> 
     </tbody> 
    </table>
    
    详细链接：[https://2.python-requests.org/en/master/][https_2.python-requests.org_en_master]

### 代码区： ###

""" 作者：Troublemaker 功能：检测API 版本：5.0 日期：2020/1/17 22:35 脚本：AQI_2.0.py """
    import requests
    
    
    def get_url_text(url):
        """ 得到网页文本"""
        r = requests.get(url)
        status = r.status_code
        if status == 200:
            print("连接成功")
        text = r.text
        return text
    
    
    def main():
        """ 主函数 """
        city_pinyin = input('请输入城市拼音：')
        url = 'http://pm25.in/' + city_pinyin
        url_text = get_url_text(url)
        find_str = '''<div class="span12 data"> <div class="span1"> <div class="value"> '''
        index = url_text.find(find_str)
    
        begin_index = index + len(find_str)
        end_index = begin_index + 2
        air_quality = url_text[begin_index: end_index]
        print('{}的空气质量为：{}。'.format(city_pinyin ,air_quality))
    
    
    if __name__ == '__main__':
        main()

### 6.0+7.0 实现功能 ###

*  6.0：高效地解析和处理HTML，beautifulsoup4
 *  7.0：获取所有城市的空气质量数据

--------------------

### 知识点： ###

*  **BeautifulSoup**

1.  用于解析HTML或XML

*  **步骤**
    
    1.  创建BeautifulSoup对象
    2.  查询节点
        
         *  find，找到第一个满足条件的节点
         *  find\_all，找到所有满足条件的节点

*  可按**节点类型**、**属性**或**内容**访问
 *  按类型查找节点
    
     *  bs.find\_all(“a”)
 *  按属性查找节点
    
     *  bs.find\_all(“a”, href=“a.html”, string=“next page”)
     *  bs.find\_all(“a”, **class\_**=“a\_link”)
 *  或者bs.find\_all(“a”, \{“class”: “a\_link”\})

--------------------

### 代码区： ###

""" 作者：Troublemaker 功能：检测API 版本：6.0+7.0 日期：2020/1/17 23:35 脚本：AQI_2.0.py """
    import requests
    from bs4 import BeautifulSoup
    
    
    def get_url_txt(url):
        r = requests.get(url, timeout=30)
        return r.text
    
    
    def get_city_AQI(city_pinyin):
        """ 获取城市AQI """
        url = "http://pm25.in/" + city_pinyin
        text = get_url_txt(url)
        bs = BeautifulSoup(
            text,
            "lxml",
        )
        get_list = bs.find_all("div", { "class": "span1"})
    
        AQI_list = []
        for i in range(len(get_list) - 1):
            get_content = get_list[i]
            caption = get_content.find("div", { "class": "caption"}).text.strip()
            value = get_content.find("div", { "class": "value"}).text.strip()
            AQI_list.append((caption, value))
    
        print("{}的空气质量指数为{}。".format(city_pinyin, AQI_list[0][1]))
    
    
    
    def get_all_city_AQI():
        """获取所有城市名"""
    
        url = "http://pm25.in"
        text = get_url_txt(url)
        bs = BeautifulSoup(
            text,
            "lxml",
        )
    
        all_city = bs.find_all("div", { "class" : "bottom"})[1]
        cities = all_city.find_all("a")
        city_list = []
        for city in cities:
            city_list.append(city.text)
        return city_list
    
    
    def main():
        city_list = get_all_city_AQI()
        for city_name in city_list[ :10]:
            get_city_AQI(city_name)
            
            
    if __name__ == "__main__":
        main()

### 8.0 实现功能 ###

*  将获取的所有城市的空气质量保存成csv数据文件

--------------------

### 知识点： ###

*  利用之前学过的csv保存文件

### 代码区： ###

""" 作者：Troublemaker 功能：检测API 版本：8.0 日期：2020/1/18 13:02 脚本：AQI_8.0.py """
    import requests
    import csv
    from bs4 import BeautifulSoup
    
    
    def get_url_txt(url):
        r = requests.get(url, timeout=30)
        return r.text
    
    
    def save_to_csv(file_path, header, contents):
        """ 保存为csv文件 """
        print(contents)
        with open(file_path, "w+", encoding="utf-8", newline="") as f:
            writer = csv.writer(f)
            writer.writerow(header)
            for i,city_name in enumerate(contents):
                if (i+1) % 10 == 0:
                    print("已处理{}条，总共{}条。".format(i+1, len(contents)))
                city_aqi = get_city_AQI(city_name)
                row = [city_name]  + city_aqi
                writer.writerow(row)
    
    
    def get_city_AQI(city_pinyin):
        """ 获取城市AQI """
        url = "http://pm25.in/" + city_pinyin
        text = get_url_txt(url)
        bs = BeautifulSoup(
            text,
            "lxml",
        )
    
        get_list = bs.find_all("div", { "class": "span1"})
    
        AQI_list = []
        for i in range(len(get_list) - 1):
            get_content = get_list[i]
            caption = get_content.find("div", { "class": "caption"}).text.strip()
            value = get_content.find("div", { "class": "value"}).text.strip()
            AQI_list.append(value)
    
        print("{}的空气质量指数为{}。".format(city_pinyin, AQI_list[0]))
        return AQI_list
    
    
    def get_all_city_AQI():
        """获取所有城市名"""
    
        url = "http://pm25.in"
        text = get_url_txt(url)
        bs = BeautifulSoup(
            text,
            "lxml",
        )
    
        all_city = bs.find_all("div", { "class" : "bottom"})[1]
        cities = all_city.find_all("a")
        city_list = []
        for city in cities:
            city_list.append(city.text)
        return city_list
    
    
    def main():
        """ 主函数 """
        city_list = get_all_city_AQI()
        header = ["City","AQI","PM2.5/1h", "PM2.5/10h","CO/1h","NO2/1h","O3/1h","O3/8h","SO2/1h"]
        file_path = "city10_AQI.csv"
        save_to_csv(file_path, header, city_list)
    
    
    if __name__ == "__main__":
        main()

### 9.0+10.0 实现功能 ###

*  9.0：利用Pandas进行数据处理和分析
 *  10.0：数据清洗，可视化

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### 知识点： ###

#### Series ####

*  类似一维数组的对象
 *  通过list构建Series
    
     *  ser\_obj = pd.Series(range(10))  
        ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDkxMjE1OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]
 *  由数据和索引组成
    
     *  索引在左，数据在右
     *  索引是自动创建的
 *  获取数据和索引
    
     *  ser\_obj.index，ser\_obj.values  
        ![在这里插入图片描述][20200120143341341.png]
 *  预览数据
    
     *  ser\_obj.head(n)，不输入n，默认预览前5个
 *  通过索引获取数据
    
     *  ser\_obj\[index\]
 *  索引与数据的对应关系仍然保持在数组运算的结果中
 *  **通过dict构建Series**
 *  name属性
    
     *  ser\_obj.name，ser\_obj,index.name

#### DataFrame ####

*  类似多维数组/表格数据
 *  每列数据可以是不同的类型
 *  索引包括列索引和行索引
 *  通过ndarray构建DataFrame
 *  通过dict构建DataFrame
 *  通过列索引获取数据
    
     *  df\_obj\[col\_index\] 或者df\_obj.col\_index
 *  增加列数据，类似dict添加key-value
    
     *  df\_obj\[new\_col\_index\] = data
 *  删除列
    
     *  del df\_obj\[col\_index\]
 *  索引操作
    
     *  列索引
        
         *  df\_obj\[“label”\]
     *  不连续索引
        
         *  df\_obj\[\[“label1”, “label2”\]\]
 *  排序
    
     *  sort\_index,索引排序
        
         *  对DataFram 操作时注意轴方向
 *  按值排序
    
     *  sort\_values(by=“label”)

#### Pandas数据清洗 ####

*  处理缺失数据
    
     *  dropna() 丢弃缺失数据
     *  fillna()填充缺失数据
 *  数据过滤
    
     *  df\[filter\_condition\] 根据条件对数据进行过滤

#### Pandas数据可视化 ####

*  plot(kind, x, y, title, figsize)
    
     *  x,y：横纵坐标对应的数据列
     *  title图像名称
     *  figsize图像尺寸
 *  保存图像
    
     *  plt.savefig()
 *  详细请参考：[https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/user\_guide/visualization.html][https_pandas.pydata.org_pandas-docs_stable_user_guide_visualization.html]

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### 代码区： ###

""" 作者：Troublemaker 功能：检测API 版本：9.0 日期：2020/1/18 13:32 脚本：AQI_9.0.py """
    import pandas as pd
    import matplotlib.pyplot as plt
    
    # 解决图标中显示中文问题
    plt.rcParams["font.sans-serif"] = ["SimHei"]
    plt.rcParams["axes.unicode_minus"] = False
    
    
    def main():
        """ 主函数 """
        aqi_data = pd.read_csv("./letc09/china_city_aqi.csv")
        # 基本信息
        print(aqi_data.info())
        # 数据预览
        print(aqi_data.head())
        # 数据清洗（保留AQI>0的数据)
        filter_condition = aqi_data["AQI"] > 5
        clean_data = aqi_data[filter_condition]
        # 按指定排序返回最大值，最小值，均值
        print("...............................................")
        print("最大值：{}，最小值：{}，均值：{}。".format(clean_data["AQI"].max(), clean_data["AQI"].min(), clean_data["AQI"].mean()))
        # top_n
        top10_city = clean_data.sort_values(by=["AQI"]).head(10)
        # bottom_n
        bottom20_city = clean_data.sort_values(by=["AQI"], ascending=False).head(20)
        print("空气质量前10城市：{}，空气质量后20城市：{}。".format(top10_city, bottom20_city))
        # 保存成CSV文件
        bottom20_city.to_csv("bottom_20.csv", encoding="utf-8",index=False)
    
        # top_30_city
        top30_city = clean_data.sort_values(by=["AQI"]).head(30)
        top30_city.plot(kind="bar", x="City", y="AQI", title="空气质量最好的30个city", figsize=(20,10))
        plt.savefig("top30_aqi.png")
        plt.show()
    
    if __name__ == "__main__":
        main()

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDkxMjE1OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20210511/701977fd9ae74c418444b08e93cebb0b.png
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[https_2.python-requests.org_en_master]: https://2.python-requests.org/en/master/
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDkxMjE1OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20210511/5621d87cb9c4465da05a1e73e148bed4.png
[20200120143341341.png]: /images/20210511/6690cb188dfd44918a7fccf9721424fe.png
[https_pandas.pydata.org_pandas-docs_stable_user_guide_visualization.html]: https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/user_guide/visualization.html