用Python做一個房價預測小工具！

哈嘍，大家好。

這是一個房價預測的案例，來自 Kaggle 網站，是許多演算法初學者的第一道競賽題目。

此案例有著解機器學習問題的完整流程，包含EDA、特徵工程、模型訓練、模型融合等。

房價預測流程

下面跟著我，來學習該案例。

沒有囉嗦的文字，沒有多餘的程式碼，只有通俗的講解。

一. EDA

探索性資料分析(Exploratory Data Analysis，簡稱EDA) 的目的在於讓我們對資料集有充分的了解。在這一步驟，我們探索的內容如下：

EDA內容

1.1 輸入資料集

train = pd.read_csv('./data/train.csv')
test = pd.read_csv('./data/test.csv')

訓練樣本

train和test分別是訓練集和測試集，分別有1460 個樣本，80 個特徵。

SalePrice欄位代表房價，是我們要預測的。

1.2 房價分佈

因為我們任務是預測房價，所以在資料集中核心要關注的就是房價（SalePrice) 一列的值分佈。

sns.distplot(train['SalePrice']);

房價取值分佈

從圖上可以看出，SalePrice列峰值比較陡，且峰值向左偏。

也可以直接呼叫skew()和kurt()函數計算SalePrice具體的偏度和峰度值。

對於偏度和峰度都比較大的情況，建議對SalePrice列取log()進行平滑。

1.3 與房價相關的特徵

了解完SalePrice的分佈後，我們可以計算 80 個特徵與SalePrice的相關關係。

聚焦在與SalePrice相關性最強的 10 個特徵。

# 计算列之间相关性
corrmat = train.corr()
# 取 top10
k = 10
cols = corrmat.nlargest(k, 'SalePrice')['SalePrice'].index
# 绘图
cm = np.corrcoef(train[cols].values.T)
sns.set(font_scale=1.25)
hm = sns.heatmap(cm, cbar=True, annot=True, square=True, fmt='.2f', annot_kws={'size': 10}, yticklabels=cols.values, xticklabels=cols.values)
plt.show()

與SalePrice高度相關的特徵

OverallQual（房子材料和裝飾）、GrLivArea（地上居住面積）、GarageCars（車庫容量）和TotalBsmtSF （地下室面積）跟SalePrice有很強的相關性。

這些特徵在後面做特徵工程時也會重點關注。

1.4 剔除離群樣本

由於資料集樣本量很少，離群點不利於我們後面訓練模型。

所以要計算每個數值特性的離群點，剔除離群次數最多的樣本。

# 获取数值型特征
numeric_features = train.dtypes[train.dtypes != 'object'].index
# 计算每个特征的离群样本
for feature in numeric_features:
outs = detect_outliers(train[feature], train['SalePrice'],top=5, plot=False)
all_outliers.extend(outs)
# 输出离群次数最多的样本
print(Counter(all_outliers).most_common())
# 剔除离群样本
train = train.drop(train.index[outliers])

detect_outliers()是自訂函數，用sklearn函式庫的LocalOutlierFactor演算法計算離群點。

到這裡， EDA 就完成了。最後，將訓練集和測試集合併，進行下面的特徵工程。

y = train.SalePrice.reset_index(drop=True)
train_features = train.drop(['SalePrice'], axis=1)
test_features = test
features = pd.concat([train_features, test_features]).reset_index(drop=True)

features合併了訓練集和測試集的特徵，是我們下面要處理的資料。

二. 特徵工程

特徵工程

2.1 校正特徵類型

MSSubClass（房屋類型）、YrSold （銷售年份）和MoSold（銷售月份）是類別型特徵，只不過用數字來表示，需要將它們轉換成文字特徵。

features['MSSubClass'] = features['MSSubClass'].apply(str)
features['YrSold'] = features['YrSold'].astype(str)
features['MoSold'] = features['MoSold'].astype(str)

2.2 填滿特徵缺失值

填入缺失值沒有統一的標準，需要根據不同的特徵來決定以什麼樣的方式來填入。

# Functional：文档提供了典型值 Typ
features['Functional'] = features['Functional'].fillna('Typ') #Typ 是典型值
# 分组填充需要按照相似的特征分组，取众数或中位数
# MSZoning（房屋区域）按照 MSSubClass（房屋）类型分组填充众数
features['MSZoning'] = features.groupby('MSSubClass')['MSZoning'].transform(lambda x: x.fillna(x.mode()[0]))
#LotFrontage（到接到举例）按Neighborhood分组填充中位数
features['LotFrontage'] = features.groupby('Neighborhood')['LotFrontage'].transform(lambda x: x.fillna(x.median()))
# 车库相关的数值型特征，空代表无，使用0填充空值。
for col in ('GarageYrBlt', 'GarageArea', 'GarageCars'):
features[col] = features[col].fillna(0)

2.3 偏度校正

跟探索SalePrice列類似，對偏度高的特徵進行平滑。

# skew()方法，计算特征的偏度（skewness）。
skew_features = features[numeric_features].apply(lambda x: skew(x)).sort_values(ascending=False)
# 取偏度大于 0.15 的特征
high_skew = skew_features[skew_features > 0.15]
skew_index = high_skew.index
# 处理高偏度特征，将其转化为正态分布，也可以使用简单的log变换
for i in skew_index:
features[i] = boxcox1p(features[i], boxcox_normmax(features[i] + 1))

2.4 特徵刪除和新增

對於幾乎都是缺失值，或單一取值佔比高（99.94%）的特徵可以直接刪除。

features = features.drop(['Utilities', 'Street', 'PoolQC',], axis=1)

同時，可以融合多個特徵，產生新特徵。

有時候模型很難學習到特徵之間的關係，手動融合特徵可以降低模型學習難度，提升效果。

# 将原施工日期和改造日期融合
features['YrBltAndRemod']=features['YearBuilt']+features['YearRemodAdd']
# 将地下室面积、1楼、2楼面积融合
features['TotalSF']=features['TotalBsmtSF'] + features['1stFlrSF'] + features['2ndFlrSF']

可以發現，我們融合的特徵都是與SalePrice強相關的特徵。

最後簡化特徵，對分佈單調的特徵（如：100個資料中有99個的數值是0.9，另1個是0.1），進行01處理。

features['haspool'] = features['PoolArea'].apply(lambda x: 1 if x > 0 else 0)
features['has2ndfloor'] = features['2ndFlrSF'].apply(lambda x: 1 if x > 0 else 0)

2.6 生成最终训练数据

到这里特征工程就做完了， 我们需要从features中将训练集和测试集重新分离出来，构造最终的训练数据。

X = features.iloc[:len(y), :]
X_sub = features.iloc[len(y):, :]
X = np.array(X.copy())
y = np.array(y)
X_sub = np.array(X_sub.copy())

三. 模型训练

因为SalePrice是数值型且是连续的，所以需要训练一个回归模型。

3.1 单一模型

首先以岭回归（Ridge） 为例，构造一个k折交叉验证模型。

from sklearn.linear_model import RidgeCV
from sklearn.pipeline import make_pipeline
from sklearn.model_selection import KFold
kfolds = KFold(n_splits=10, shuffle=True, random_state=42)
alphas_alt = [14.5, 14.6, 14.7, 14.8, 14.9, 15, 15.1, 15.2, 15.3, 15.4, 15.5]
ridge = make_pipeline(RobustScaler(), RidgeCV(alphas=alphas_alt, cv=kfolds))

岭回归模型有一个超参数alpha，而RidgeCV的参数名是alphas，代表输入一个超参数alpha数组。在拟合模型时，会从alpha数组中选择表现较好某个取值。

由于现在只有一个模型，无法确定岭回归是不是最佳模型。所以我们可以找一些出场率高的模型多试试。

# lasso
lasso = make_pipeline(
RobustScaler(),
LassoCV(max_iter=1e7, alphas=alphas2, random_state=42, cv=kfolds))
#elastic net
elasticnet = make_pipeline(
RobustScaler(),
ElasticNetCV(max_iter=1e7, alphas=e_alphas, cv=kfolds, l1_ratio=e_l1ratio))
#svm
svr = make_pipeline(RobustScaler(), SVR(
C=20,
epsilon=0.008,
gamma=0.0003,
))
#GradientBoosting（展开到一阶导数）
gbr = GradientBoostingRegressor(...)
#lightgbm
lightgbm = LGBMRegressor(...)
#xgboost（展开到二阶导数）
xgboost = XGBRegressor(...)

有了多个模型，我们可以再定义一个得分函数，对模型评分。

#模型评分函数
def cv_rmse(model, X=X):
rmse = np.sqrt(-cross_val_score(model, X, y, scoring="neg_mean_squared_error", cv=kfolds))
return (rmse)

以岭回归为例，计算模型得分。

score = cv_rmse(ridge)
print("Ridge score: {:.4f} ({:.4f})n".format(score.mean(), score.std()), datetime.now(), ) #0.1024

运行其他模型发现得分都差不多。

这时候我们可以任选一个模型，拟合，预测，提交训练结果。还是以岭回归为例

# 训练模型
ridge.fit(X, y)
# 模型预测
submission.iloc[:,1] = np.floor(np.expm1(ridge.predict(X_sub)))
# 输出测试结果
submission = pd.read_csv("./data/sample_submission.csv")
submission.to_csv("submission_single.csv", index=False)

submission_single.csv是岭回归预测的房价，我们可以把这个结果上传到 Kaggle 网站查看结果的得分和排名。

3.2 模型融合-stacking

有时候为了发挥多个模型的作用，我们会将多个模型融合，这种方式又被称为集成学习。

stacking 是一种常见的集成学习方法。简单来说，它会定义个元模型，其他模型的输出作为元模型的输入特征，元模型的输出将作为最终的预测结果。

stacking

这里，我们用mlextend库中的StackingCVRegressor模块，对模型做stacking。

stack_gen =
StackingCVRegressor(
regressors=(ridge, lasso, elasticnet, gbr, xgboost, lightgbm),
meta_regressor=xgboost,
use_features_in_secondary=True)

训练、预测的过程与上面一样，这里不再赘述。

3.3 模型融合-线性融合

多模型线性融合的思想很简单，给每个模型分配一个权重（权重加和=1），最终的预测结果取各模型的加权平均值。

# 训练单个模型
ridge_model_full_data = ridge.fit(X, y)
lasso_model_full_data = lasso.fit(X, y)
elastic_model_full_data = elasticnet.fit(X, y)
gbr_model_full_data = gbr.fit(X, y)
xgb_model_full_data = xgboost.fit(X, y)
lgb_model_full_data = lightgbm.fit(X, y)
svr_model_full_data = svr.fit(X, y)
models = [
ridge_model_full_data, lasso_model_full_data, elastic_model_full_data,
gbr_model_full_data, xgb_model_full_data, lgb_model_full_data,
svr_model_full_data, stack_gen_model
]
# 分配模型权重
public_coefs = [0.1, 0.1, 0.1, 0.1, 0.15, 0.1, 0.1, 0.25]
# 线性融合，取加权平均
def linear_blend_models_predict(data_x,models,coefs, bias):
tmp=[model.predict(data_x) for model in models]
tmp = [c*d for c,d in zip(coefs,tmp)]
pres=np.array(tmp).swapaxes(0,1)
pres=np.sum(pres,axis=1)
return pres

到这里，房价预测的案例我们就讲解完了，大家可以自己运行一下，看看不同方式训练出来的模型效果。

回顾整个案例会发现，我们在数据预处理和特征工程上花费了很大心思，虽然机器学习问题模型原理比较难学，但实际过程中往往特征工程花费的心思最多。

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