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课程设计报告

目录

一．      题目背景.. 3

1.选题背景... 3

2.研究意义... 3

3.题目描述... 3

4.选题数据... 3

二．      现有研究状态... 4

三．      运用的技术手段和方法... 5

3.1 EDA（探索性数据分析）... 5

3.2 异常值的处理.. 5

3.3合并训练集和测试集... 6

3.4 删除多余的列.. 6

3.5 缺失值的处理.. 6

3.6 数据类型转换.. 6

3.7 数据对数化处理... 6

3.8 得到数据特征的重要性并做成DataFrame形式... 6

3.9 对数据特征重要性数值进行可视化.. 6

3.10 对数据进行合并... 7

3.11 取出处理后的测试集数据... 7

3.12 使用机器学习模型对数据进行预测.. 7

四．      数据分析.. 7

4.1 EDA（探索性数据分析）... 7

4.2异常值处理.. 7

4.3合并训练集和测试集... 11

4.4删除多余的列... 11

4.5缺失值处理.. 11

4.6数据类型转换... 14

4.7数据对数化处理.. 14

4.8 得到数据特征的重要性并做成DataFrame形式... 16

4.9 对数据特征重要性数值进行可视化.. 17

4.10 对数据进行合并... 18

4.11 取出处理后的测试集数据... 20

4.12使用机器学习模型对数据进行预测... 20

4.13 有意义的方面... 21

五．      项目总结.. 22

六．      参考文献.. 23

• 题目背景

1.选题背景

随着经济的持续发展，房地产行业已经成为了支柱产业，房屋价格不仅直接影响着居民的生活水平，也间接影响着国家经济的持续、健康、平稳发展，房屋价格已经成为关系民生的热点问题。房价是否合理，仅仅通过表面观察和凭空想象是不能回答这些问题的，要通过科学的研究方法才能得出合理的结论。房屋价格受到很多因素的制约和影响，比如：地理位置、建造房子所用的材料、住宅风格、住宅类型、有无地下室、有无车库、栅栏的质量、家庭的功能等，都会对房价产生影响。所以要选取的特征因素应当具有全面性、多样性，选择与房价密切相关的指标，对数据进行分析、处理，利用机器学习算法研究其对价格的影响程度，并构建出稳定性好、误差小的价格预测模型，较为准确地预测出房子的最终价格，从而为政府相关部门宏观调控、房地产开发商以及卖房或买房者提供科学的定价以及估价依据，更好地推进房屋市场的稳定发展。

2.研究意义

目前有人在对房屋价格的研究上已经取得了诸多成果，大多数人主要从政治、经济、政策、人口等宏观层面对房屋价格进行了分析，也有少数学者从房屋建筑硬件设施等微观因素展开了研究，也取得了较好的预测效果，但目前这方面还是相对较少。鉴于此，我将根据比赛的数据，构建特征变量集，选取有代表性的特征变量，在已有数据的基础上，对数据进行处理，使用机器学习算法分析房价问题，选择预测模型将其用于预测测试集的房屋价格。

此外，无论是对于监管者还是消费者，是房产中介机构还是房地产开发商，只有深入了解房地产交易市场，才能进行合理监管与规划；高效率推广房源，在能满足购房者需求的前提下科学定价，提高市场竞争优势；有效规避风险，降低不必要的损失等。所以预测房屋价格能为人们在住房购买方面提供更多选择，具有一定的参考作用。

3.题目描述

购房者描述了他们梦想中的房子，他们可能不会从地下室天花板的高度或东西向铁路的距离开始。但这些数据证明，影响价格谈判的因素远大于卧室数量或白色栅栏。题目给出的变量几乎描述了爱荷华州艾姆斯市住宅的各个方面。根据题目所给出的训练集和测试集的数据，分析题目所给的80个变量，预测出测试集中1460条样本的房价。

4.选题数据

赛题数据由以下两部分构成：

训练集包含1460条样本，81个属性：

测试集包含1460条样本，80个属性：

• 现有研究状态

一直以来，房价问题是社会各界讨论较多的话题，已有诸多学者从不同视角探索了影响房价的因素，并取得了一定研究成果。同时也在尝试探索如何构建更精确的模型去预测房价。

近年来，国内外大多学者以宏观或微观角度为切入点，展开对房价影响因素的研究。如：

• 周学君等[1]采用了影响房价的6个主要因素输入到人工神经网络中进行房价预测；
• 申瑞娜等[2]收集了影响房价的8个因素，结合主要影响因素和支持向量机对房屋价格进行预测；
• 王景行[3]将LASSO回归和XGBoost机器学习算法集成并融合stacking模型来对比用单一方法预测房价的效果，得到用集成模型来预测房价比用单一模型预测效果更加显著的结论；
• 赵泰等[4]将灰色GM(1,1)模型来对商品房销售的价格进行预测，得到了该模型在房价中的应用价值；
• 王瑾等[5]通过多元逐步回归方法建立房价预测模型对北京市房屋价格进行统计分析；
• 陈世鹏等[6]根据襄阳房贷数据建立随机森林模型对测试样本进行房价预测，取得了较好的效果。

在研究方法上大部分学者都使用了 Lasso回归、随机森林回归、支持向量回归、XGBoost 回归、多元线性回归等单一模型，使用的模型较为广泛，也有部分研究所选取的特征维数有限，并不能全面反映影响房屋价格的制约因素，能够分析处理的特征维数较少，并不能全面挖掘特征因素与房价之间的影响关系。

所以本文在对房屋价格的研究过程中，以Kaggle平台的房屋价格作为数据库，建立影响房屋价格的多维因素与房屋价格之间的联系，我选取了较多的变量组合对同一预测指标进行对比分析和模型评价，将多种算法融合使用并构建组合模型去预测房屋的价格，通过模型评价指标，选择最优的预测模型，以为政府部门、中介机构和购房者等提供合理的对策建议。

• 运用的技术手段和方法

3.1 EDA（探索性数据分析）

这是一个功能强大的库，使用这个库只需要一行代码便可以得到数据EDA报告，生成的报告可以有效帮助我们熟悉数据集、了解数据集。报告中会有缺失值信息、重复值信息、每个变量的信息等内容，这些信息以便更好对数据进行的分析、处理。

3.2 异常值的处理

看到数据后，我首先考虑的是数据中异常值信息，对数据中异常值进行处理。在处理数据异常值这里，我根据变量的相关矩阵图选取了三个变量：建造年份、房屋的面积和地下室面积，构建了三个图像：YearBuilt与SalePrice之间的箱型图、GrLivArea与SalePrice之间的散点图、TotalBsmSF与SalePrice之间的散点图，通过得到的图对异常的数据进行分析处理。

3.3合并训练集和测试集

接下来便是把训练集和测试集数据进行合并，以便后面方便对数据进行分析、处理。

3.4 删除多余的列

把数据进行合并后，我发现Id列和索引值都是以1为间隔，升序排列的数值，所以我把Id列给删除了，删除Id列后，方便后面对数据的处理。

3.5 缺失值的处理

在开始的时候，有考虑过要不要把有缺失的数据给删除，但缺失值的数量还是挺多的，如果把缺失的数据都删除的话，信息丢失会很大，所以还是选择保留。

在对缺失数据进行填充时，我对部分字符类型的变量使用众数进行填充，部分字符类型的变量用“None”进行填充，对数值类型的变量使用0进行填充。

3.6 数据类型转换

从变量的数据类型信息图中可以看到，有很多变量是字符串类型的，但计算机对字符串的特征是无能为力的，所以需要将字符串特征映射成数值类型。

3.7 数据对数化处理

由于一些变量不符合正态分布，对数据进行对数化处理可以使那些不完全具有正态分布的特征更符合正态分布，特征的正态性对回归模型的拟合效果起到非常重要的作用。所以对数据进行对数转换，不仅可以使特征正态化，而且也可以减少异常值对变量的影响。

3.8 得到数据特征的重要性并做成DataFrame形式

特征的选择是非常关键的一步，好的特征选择能够提升模型的性能，更能帮助我们理解数据的特点、底层结构，这对进一步改善模型、算法都有着重要作用。特征没有选择好，对比赛结果也会产生不小的影响。这里我选择使用Lasoo回归来得到数据特征的重要性数值，并将变量名和特征的重要性作为DataFrame的形式，方便后面进行可视化处理。

3.9 对数据特征重要性数值进行可视化

得到了变量特征的重要性后，由于得到的是一些数值，数字太抽象，图表会更直观、可以突出数据中的关注点，所以这里对上面得到的数据进行可视化处理。

3.10 对数据进行合并

根据上面得到的数据特征重要性图，对数据特征进行选择与重做，对题目所给的变量，根据特征重要性值对特征进行加减乘除等运算，对部分数据进行合并。

3.11 取出处理后的测试集数据

将数据进行处理后，把测试集的数据取出，以便后面使用机器学习相关模型对数据进行预测。

3.12 使用机器学习模型对数据进行预测

对数据处理完成后，使用机器学习算法对的处理后的测试集进行预测，得到测试结果。

• 数据分析

4.1 EDA（探索性数据分析）

首先我根据题目所给的数据，使用了pandas_profiling库，生成了数据的EDA（探索性数据分析）报告：

从Overview部分可以看到，数据中没有重复数据，不需要处理重复数据；但空值占比还是不小的，有5.9%，需要对空值进行处理。

4.2异常值处理

根据EDA报告中得到的变量相关矩阵图：

从这个相关矩阵图的最后一列数据可以看出，SalePrice与其他变量的关系，从图中可以看出房屋的面积(GrLivArea)、地下室面积(GrLivArea)、建造年份(YearBuilt)等变量与SalePrice的颜色较深，也有其他一些颜色较深的变量。颜色越深说明其相关性越大。我认为房屋的面积(GrLivArea)、地下室面积(TotalBsmSF)、建造年份(YearBuilt)与房屋的价格(SalePrice)关系还是挺大的，一般来讲，面积越大房子的价格会越贵，房龄越久房子的价格也会较便宜。所以我构建了三个图像：YearBuilt与SalePrice之间的箱型图、GrLivArea与SalePrice之间的散点图、TotalBsmSF与SalePrice之间的散点图。

• YearBuilt与SalePrice的箱型图：
• 

从这个箱型图可以看出：房屋建造年份和销售价格并没有很强的趋势关系, 但根据我平时的常识来说，我觉得他们两者之间还是有一定的关系，所以在后面处理时我还是将它重点考虑了。

• GrLivArea与SalePrice的散点图：
• 

根据得到的散点图，可以看出房屋面积和房屋的价格存在着一定的线性关系，但也有少量的数据偏离线性关系，由于数据只有两个，所以这里我把太偏离线性的那两个数据使用drop()函数删除掉了，删除后得到的散点图如下：

• TotalBsmSF与SalePrice的散点图：
• 

根据得到的散点图，可以看出地下室面积和房屋的价格存在着一定的线性关系，但也有数据偏离线性关系，所以这里我把右边太偏离线性的那个数据使用drop()函数删除掉了，删除后得到的散点图如下：

4.3合并训练集和测试集

处理好了训练集的异常值后，我把训练集和测试集数据使用concat()函数进行合并，以便后面方便对数据进行分析处理。

4.4删除多余的列

把数据进行合并后，我发现Id列和索引值都是以1 为间隔升序的数值：

所以我把Id列给删除，删除Id列后，方便后面对数据的处理，删除后：

4.5缺失值处理

在得到的EDA报告中可以看出训练集中缺失值占比不少：

从图中可以看出，空白部分代表的是缺失值，部分变量缺失值占比很大。

把数据合并后，我使用了isnull()和sum()函数来统计数据中缺失值的个数，并使用sort_values()函数对缺失数据从低到高进行排序：

由于存在空值的变量较多，我使用了info()方法查看80个变量的信息：

从得到的信息可以看出，有些缺失数据时字符串类型的，有些是数值类型的，所以在使用fillna()函数对缺失值进行填充时，我先对字符串类型的变量进行分析，决定对这些变量：MSZoning (一般分区分类)、BsmtFullBath (地下室全浴室)、BsmtHalfBath (地下室半浴室)、KitchenQual (厨房质量)、SaleType (销售类型)、Exterior1st (房屋外墙)、Exterior2nd (房屋的外部覆盖物)、Utilities(公用设施)、Functional(家庭功能评级)、Electrical(电气设备)使用众数进行填充；对数值类型的变量用0进行填充；对剩下的字符型变量使用“None”进行填充：

填充完成后，查看是否有还有未填充的数据：

发现只有房屋价格一列存在缺失，故把目前把空值填充完成。

4.6数据类型转换

从上面得到数据类型信息图中可以看到，有很多变量是字符串类型的，但计算机对字符串的特征是无能为力的，所以需要将字符串特征映射成数值类型。我使用了fit_transform()函数对数据进行转换，fit_transform()是fit()和transform()的组合，这个函数先对部分数据进行拟合fit，然后根据具体转换的目的，对该数据进行转换，从而实现数据的标准化：

可以看到转换后字符类型的值转换为数值类型的值。

4.7数据对数化处理

由于一些变量不符合正态分布，对数据进行对数化处理可以使那些不完全具有正态分布的特征更符合正态分布，特征的正态性对回归模型的拟合效果会起到非常重要的作用。所以我对部分数据进行对数转换：

SalePrice（房屋价格）：