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[数据处理] 从nc文件中提取风速数据并且进行时间序列分析

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                                   本文目的
  • 介绍了如何从nc文件中,提取风速数据;
  • 介绍如何将风速数据转换成时间序列;
  • 简单的时间序列的趋势拆解(首发)。# M) _* B3 h! k8 W( t1 I9 a

    5 _$ x: l1 A- v# w) E$ n% y
代码链接

代码我已经放在Github上面了,免费分享使用,https://github.com/yuanzhoulvpi2 ... ree/main/python_GIS

2 ~" P! h" X0 N3 ~+ t

过程介绍

: s0 i) D4 N8 m3 U5 C

, d3 @( n$ K, _/ [" L  k

3 `& R4 p4 D2 P! `- f) q. p
1. 导入包
" D- ?1 p8 x5 M) l- R2 U" ^7 M" e6 h& `( k) P% q
[Python] 纯文本查看 复制代码
# 基础的数据处理工具
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt # 可视化
import datetime # 处理python时间函数
import netCDF4 as nc  # 处理nc数据
from netCDF4 import num2date  # 处理nc数据
import geopandas as gpd  # 处理网格数据,shp之类的
import rasterio  # 处理tiff文件
from shapely.geometry import Point  # gis的一些逻辑判断
from cartopy import crs as ccrs  # 设置投影坐标系等
from tqdm import tqdm  # 打印进度条
from joblib import Parallel, delayed  # 并行
import platform  # 检测系统

tqdm.pandas()

# matplotlib 显示中文的问题
if platform.system() == 'Darwin':
    plt.rcParams["font.family"] = 'Arial Unicode MS'
elif platform.system() == 'Windows':
    plt.rcParams["font.family"] = 'SimHei'
else:
    pass
7 L7 d- C+ x2 |2 f( j4 O! G9 ^- T
/ y4 S2 _: x1 h# Q0 g
6 @# ?  m( \1 R6 v" ~
2.导入数据 处理数据
' r) e! g6 J/ W. Z  t5 b* _+ b4 t$ t
2 r! A! B2 q+ r7 |- |
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# 导入数据
nc_data = nc.Dataset("./数据集/GIS实践3/2016_2020.nc")

# 处理数据
raw_latitude = np.array(nc_data.variables['latitude'])
raw_longitude = np.array(nc_data.variables['longitude'])
raw_time = np.array(nc_data.variables['time'])
raw_u10 = np.array(nc_data.variables['u10'])
raw_v10 = np.array(nc_data.variables['v10'])
# 提取缺失值,并且将缺失值替换
missing_u10_value = nc_data.variables['u10'].missing_value
missing_v10_value = nc_data.variables['v10'].missing_value
raw_v10[raw_v10 == missing_v10_value] = np.nan
raw_u10[raw_u10 == missing_u10_value] = np.nan


# 处理时间
def cftime2datetime(cftime, units, format='%Y-%m-%d %H:%M:%S'):
    """
    将nc文件里面的时间格式 从cftime 转换到 datetime格式
    :param cftime:
    :param units:
    :param format:
    :return:
    """
    return datetime.datetime.strptime(num2date(times=cftime, units=units).strftime(format), format)

clean_time_data = pd.Series([cftime2datetime(i, units=str(nc_data.variables['time'].units)) for i in tqdm(raw_time)])
clean_time_data[:4]

) ]0 u% p* e- O/ Z4 F. q) {: X# s2 W) r' Y$ y3 V/ X; ?' @
3. 计算风速数据
9 V( D1 L- D) c" Q( s' F8 f; u& u0 E- r% a1 b$ {
- i! X+ Y1 {9 d/ S- `( I
[Python] 纯文本查看 复制代码
windspeed_mean = pd.Series([np.sqrt(raw_v10[i,:, :] ** 2 + raw_u10[i, :, :]**2).mean() for i in tqdm(range(clean_time_data.shape[0]))])

time_windspeed = pd.DataFrame({'time':clean_time_data,'mean_ws':windspeed_mean})
time_windspeed
4 J9 f4 {/ }8 }2 A6 W' M
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2 O8 u* I7 p' b5 d" ]
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$ ?2 G, J! m  c, z: }
4. 年度数据可视化
! y: @  K% q: S- R4 ~5 j5 Q6 G/ b) |  X4 y# s
. E5 Q# V; F# u- A7 q/ n3 F
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year_data = time_windspeed.groupby(time_windspeed.time.dt.year).agg(
    mean_ws = ('mean_ws', 'mean')
).reset_index()

# year_data

with plt.style.context('fivethirtyeight') as style:

    fig, ax = plt.subplots(figsize=(10,3), dpi=300)
    ax.plot(year_data['time'], year_data['mean_ws'], '-o',linewidth=3, ms=6)
    ax.set_xticks(year_data['time'])
    #
    #
    for i in range(year_data.shape[0]):
        ax.text(year_data.iloc[/size][/font][i][font=新宋体][size=3]['time']+0.1, year_data.iloc[/size][/font][i][font=新宋体][size=3]['mean_ws'], str(np.around(year_data.iloc[/size][/font][i][font=新宋体][size=3]['mean_ws'], 2)),
                bbox=dict(boxstyle='round', facecolor='white', alpha=0.5))
    #
    for i in ['top', 'right']:
        ax.spines[/size][/font][i][font=新宋体][size=3].set_visible(False)

    ax.set_title("各年平均风速")
    ax.set_ylabel("$Wind Speed / m.s^{-1}$")

9 X! a% Y, _1 E) c
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' j; a' k- P0 z6 t

9 S2 {% z, v4 B

: m4 _8 G* C9 s) g' E4 P, \5. 月维度数据可视化
/ m. `) Z- C& f' ~2 p6 [
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month_data = time_windspeed.groupby(time_windspeed.time.dt.month).agg(
    mean_ws = ('mean_ws', 'mean')
).reset_index()


with plt.style.context('fivethirtyeight') as style:

    fig, ax = plt.subplots(figsize=(10,3), dpi=300)
    ax.plot(month_data['time'], month_data['mean_ws'], '-o',linewidth=3, ms=6)
    ax.set_xticks(month_data['time'])
    _ = ax.set_xticklabels(labels=[f'{i}月' for i in month_data['time']])


    for i in range(month_data.shape[0]):
        ax.text(month_data.iloc[/size][/font][i][font=新宋体][size=3]['time'], month_data.iloc[/size][/font][i][font=新宋体][size=3]['mean_ws']+0.05, str(np.around(month_data.iloc[/size][/font][i][font=新宋体][size=3]['mean_ws'], 2)),
                bbox=dict(boxstyle='round', facecolor='white', alpha=0.5))

    for i in ['top', 'right']:
        ax.spines[/size][/font][i][font=新宋体][size=3].set_visible(False)

    ax.set_title("各月平均风速")
    ax.set_ylabel("$Wind Speed / m.s^{-1}$")
    fig.savefig("month_plot.png")

* {& W! h+ }3 L1 d' S
a520cff3361647efbb668c89005a5570.png
7 R7 ?, u# K/ x; [) }

- ^, x( m- L& j( X& H
* E: t& Y5 v$ f3 A- f6 {  y
6.天维度数据可视化
; @# C! {4 h, t$ V' y8 I
  • 计算天数据
    ( p3 Y% ~# ^( Q# ^' Z9 x
    . o1 F+ M4 A: W2 F1 _+ P
[Python] 纯文本查看 复制代码
day_data = time_windspeed.groupby(time_windspeed.time.apply(lambda x: x.strftime('%Y-%m-%d'))).agg(
    mean_ws = ('mean_ws', 'mean')
).reset_index()

day_data['time'] = pd.to_datetime(day_data['time'])

day_data = day_data.set_index('time')
day_data.head()
  • 可视化, n/ ]$ v& u( {7 B0 B6 C
    3 H" l7 G! Z  l5 p% a$ \
[Python] 纯文本查看 复制代码
# day_data.dtypes
fig, ax = plt.subplots(figsize=(20,4), dpi=300)
ax.plot(day_data.index, day_data['mean_ws'], '-o')
# ax.xaxis.set_ticks_position('none')
# ax.tick_params(axis="x", labelbottom=False)
ax.set_title("每天平均风速")
ax.set_ylabel("$Wind Speed / m.s^{-1}$")
ax.set_xlabel("date")
fig.savefig('day_plot.png')

  J; D# T1 {! L- H3 h0 J% E" K# V: W: {0 M

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053571827f212c867e38f40c8aa49ca5.png
& D/ ]5 r$ w( |. _) m9 k0 N, S4 Y
1.天维度数据做趋势拆解6 {, p% M* l; c2 }2 Q* z
7 ~% X7 F- @( ~' Q0 u
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# 导入包
from statsmodels.tsa.seasonal import seasonal_decompose
from dateutil.parser import parse
# 乘法模型
result_mul = seasonal_decompose(day_data['mean_ws'], model="multilicative", extrapolate_trend='freq')
result_add = seasonal_decompose(day_data['mean_ws'], model="additive", extrapolate_trend='freq')
font = {'family': 'serif',
        'color': 'darkred',
        'weight': 'normal',
        'size': 16,
        }
# 画图

with plt.style.context('classic'):
    fig, ax = plt.subplots(ncols=2, nrows=4, figsize=(22, 15), sharex=True, dpi=300)


    def plot_decompose(result, ax, index, title, fontdict=font):
        ax[0, index].set_title(title, fontdict=fontdict)
        result.observed.plot(ax=ax[0, index])
        ax[0, index].set_ylabel("Observed")

        result.trend.plot(ax=ax[1, index])
        ax[1, index].set_ylabel("Trend")

        result.seasonal.plot(ax=ax[2, index])
        ax[2, index].set_ylabel("Seasonal")

        result.resid.plot(ax=ax[3, index])
        ax[3, index].set_ylabel("Resid")


    plot_decompose(result=result_add, ax=ax, index=0, title="Additive Decompose", fontdict=font)
    plot_decompose(result=result_mul, ax=ax, index=1, title="Multiplicative Decompose", fontdict=font)
    fig.savefig('decompose.png')

& p: j! M5 d+ \
cd8468c3910ecbcfac542ed3328df432.jpeg                 8 ^0 M% n4 y  f4 S1 c

; v" n- ^. Z2 L
0 b8 g# Y6 \% H4 {* s, |) ~6 G! H
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