特征预处理——编码

2023-08-06

tonglin0325

1.Label编码
2.顺序编码
3.one-hot编码
4.target编码
5.模型自动编码

对于标称型数据，在特征处理的时候，需要对其进行编码

在编码之前，如果训练集和测试集是分开的，则需要对其进行合并，避免标称数据丢失

# 合并
df = train.append(test).reset_index()
# 列名
original_columns = list(df.columns)

常用的编码方式如下

1.Label编码#

对于一个有m个category的特征，经过label encoding以后，每个category会映射到0到m-1之间的一个数。label encoding适用于ordinal feature （特征存在内在顺序）。

from sklearn import preprocessing

for col in original_columns:
    enc = preprocessing.LabelEncoder()
    enc.fit(np.concatenate([train[col], test[col]]))
    train[col] = enc.transform(train[col])
    test[col] = enc.transform(test[col])

或者

1 2	train_data = train_data.replace({'BsmtQual': {'Ex': 5, 'Gd': 4, 'TA': 3, 'Fa': 2, 'Po': 1, np.NaN: 0}})

2.顺序编码#

类似于Label编码

参考：数据转化

from sklearn import preprocessing

enc = preprocessing.OrdinalEncoder()
X = [['male', 'from US', 'uses Safari'], ['female', 'from Europe', 'uses Firefox']]
enc.fit(X)
>> OrdinalEncoder()

enc.transform([['female', 'from US', 'uses Safari']])
>> array([[0., 1., 1.]])

3.one-hot编码#

对于一个有m个category的特征，经过独热编码（OHE）处理后，会变为m个二元特征，每个特征对应于一个category。这m个二元特征互斥，每次只有一个激活。

独热编码解决了原始特征缺少内在顺序的问题，但是缺点是对于high-cardinality categorical feature (category数量很多)，编码之后特征空间过大（此处可以考虑PCA降维），而且由于one-hot feature 比较unbalanced，树模型里每次的切分增益较小，树模型通常需要grow very deep才能得到不错的精度。因此OHE一般用于category数量 <4的情况。

参考：机器学习 | 数据缩放与转换方法（1）和 kaggle编码categorical feature总结

使用sklearn来one-hot编码

from sklearn import preprocessing

enc = preprocessing.OneHotEncoder()
# enc = preprocessing.OneHotEncoder(handle_unknown='ignore') # 当 handle_unknown='ignore' 被指定而在转换的过程中碰到了未知的枚举特征值，不会产生任何错误，但是该特征的 one-hot 编码列将会被全部置 0

X = [['male', 'from US', 'uses Safari'], ['female', 'from Europe', 'uses Firefox']]
enc.fit(X) 
>> OneHotEncoder() 

enc.transform([['female', 'from US', 'uses Safari'], ['male', 'from Europe', 'uses Safari']]).toarray() 
>> array([[1., 0., 0., 1., 0., 1.], [0., 1., 1., 0., 0., 1.]]) 

# 查看每个特征的特征值 
enc.categories_ 
>> [array(['female', 'male'], dtype=object), array(['from Europe', 'from US'], dtype=object), array(['uses Firefox', 'uses Safari'], dtype=object)]

使用pandas来one-hot编码

import pandas as pd

X = [['male', 'from US', 'uses Safari'], ['female', 'from Europe', 'uses Firefox']]
df = pd.DataFrame(X, columns=['sex','country','browser'])
# columns是需要编码的列名
df = pd.get_dummies(df, columns=['sex','country'], dummy_na = True)
print(df)

        browser  sex_female  sex_male  sex_nan  country_from Europe  country_from US  country_nan
0   uses Safari           0         1        0                    0                1            0
1  uses Firefox           1         0        0                    1                0            0

4.target编码#

参考：三种Target Encoding方式总结
和 kaggle编码categorical feature总结

Target Encoding是任何一种可以从目标中派生出数字替换特征类别的编码方式。这种目标编码有时被称为平均编码。应用于二进制目标时，也被称为bin counting。

target encoding的缺点主要有：

未知类别，会产生过拟合风险；
空值，采用填充的方法不能很好的进行评估；
长尾类别，对长尾类别这种少量数据的编码会导致过拟合；

target encoding的优点主要有：

高维数据特征：具有大量类别的可能很难编码：One-hot会生成太多维度，而替代方案（如标签编码）可能不适合该类型。Target encoding在此处就很好的解决了这个问题；
领域经验特征：根据之前的经验，即使某项数据它在特征度量方面得分很低，你也可能会觉得一个分类特征应该很重要。Target encoding有助于揭示特征的真实信息。

5.模型自动编码#

XGBoost和Random Forest，不能直接处理categorical feature，必须先编码成为numerical feature。
lightGBM和CatBoost，可以直接处理categorical feature。
lightgbm：需要先做label encoding。用特定算法（On Grouping for Maximum Homogeneity）找到optimal split，效果优于ONE。也可以选择采用one-hot encoding，。Features - LightGBM documentation
CatBoost：不需要先做label encoding。可以选择采用one-hot encoding，target encoding (with regularization)。CatBoost — Transforming categorical features to numerical features — Yandex Technologies

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