机器学习特征工程：缩放、编码、聚合、嵌入与自动化

本文转自：DeepHub IMBA

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好模型的秘诀不在于更花哨的算法，而在于更好的特征。

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第1部分：数值特征

1. 1 缩放

多数机器学习算法对尺度敏感。一个取值范围在0到1,000,000的列，会在训练中压制一个取值范围仅0到1的列。

常用的三种缩放器各有适用场景：StandardScaler适合近似正态分布的数据，也是最常见的选择；MinMaxScaler将值压缩到0和1之间，适合神经网络；RobustScaler基于中位数和四分位距（IQR）而非均值，在数据中存在明显异常值时更为稳健。

from sklearn.preprocessing import RobustScaler
df['salary_scaled'] = RobustScaler().fit_transform(df[['salary']])

缩放器只能在训练集上拟合。在完整数据集上拟合会引入信息泄漏。

1. 2 对数变换

数值列严重右偏时——收入、价格、营收都是典型例子——对数变换可以拉平分布。

import numpy as np
df['revenue_log'] = np.log1p(df['revenue']) # log1p可以安全处理零值

1. 3 分箱

连续数值有时转换为类别反而更有用。pd.cut()生成等宽分箱，适合分布均匀的数据；pd.qcut()按分位数切分，每个箱中样本量相等，更适合偏斜分布。

df['age_group'] = pd.cut(df['age'], bins=[0, 18, 35, 55, 100],
labels=['teen', 'young_adult', 'adult', 'senior'])

1. 4 交互特征

两个特征组合后的表达能力往往超过各自单独使用。

df['price_per_sqft'] = df['price'] / df['sqft']
df['debt_to_income'] = df['debt'] / df['income']

线性模型中，多项式特征有助于捕获非线性关系：

from sklearn.preprocessing import PolynomialFeatures
poly = PolynomialFeatures(degree=2, include_bias=False)
# Creates: age, salary, age², salary², age × salary

1. 5 裁剪异常值

与其删除异常值，不如将它们截断到合理的百分位范围。

lower = df['salary'].quantile(0.01)
upper = df['salary'].quantile(0.99)
df['salary_clipped'] = df['salary'].clip(lower=lower, upper=upper)

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第2部分：类别特征

2. 1 独热编码

将每个类别展开为独立的0/1列，适用于没有内在顺序的名义类别。

df_encoded = pd.get_dummies(df, columns=['city'], drop_first=True)

如果某列包含500个唯一类别，独热编码会产生500列。这种情况应改用目标编码。

2. 2 标签编码

为每个类别赋一个整数，仅限数据确实存在顺序关系的场景。

df['education'] = df['education'].map({
'High School': 0, 'Bachelor': 1, 'Master': 2, 'PhD': 3
})

不要对城市名一类的名义数据做标签编码——模型会错误地推断 London > Mumbai。

2. 3 目标编码

用对应分组的目标变量均值替换每个类别值，处理高基数列时收效明显。

from category_encoders import TargetEncoder
df['city_encoded'] = TargetEncoder().fit_transform(df['city'], df['churn'])

风险在于数据泄漏。生产环境中应采用交叉折叠目标编码。

2. 4 频率编码

用每个类别的出现频率替换原始值。做法简单，但在树模型中的效果常常出人意料。

freq_map = df['city'].value_counts(normalize=True)
df['city_freq'] = df['city'].map(freq_map)

2. 5 二进制编码

介于标签编码与独热编码之间的折中方案，在保持较少列数的前提下处理高基数特征。

from category_encoders import BinaryEncoder
df_encoded = BinaryEncoder().fit_transform(df[['city']])
# 100 categories → only 7 binary columns

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第3部分：日期时间特征

原始日期对多数模型没有意义，需要把其中蕴含的时间信息提取出来。

3. 1 标准提取

df['order_date'] = pd.to_datetime(df['order_date'])

df['month'] = df['order_date'].dt.month
df['day_of_week'] = df['order_date'].dt.dayofweek
df['is_weekend'] = df['day_of_week'].isin([5, 6]).astype(int)
df['quarter'] = df['order_date'].dt.quarter
df['days_since'] = (df['order_date'] - pd.Timestamp('2024-01-01')).dt.days

3. 2 周期编码

月份如果作为普通数字输入，模型会认为十二月（12）和一月（1）距离很远——但它们只隔一个月。用正弦和余弦变换可以保留周期结构：

import numpy as np
df['month_sin'] = np.sin(2 * np.pi * df['month'] / 12)
df['month_cos'] = np.cos(2 * np.pi * df['month'] / 12)

同样的思路适用于一天中的小时（除以24）。

3. 3 工作日历特征

import holidays
indian_holidays = holidays.India(years=2025)

df['is_holiday'] = df['order_date'].apply(lambda d: d in indian_holidays).astype(int)
df['is_month_end'] = df['order_date'].dt.is_month_end.astype(int)

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第4部分：文本特征

4. 1 基础统计特征

在引入任何NLP手段之前，先提取简单的统计量。实际效果往往超出预期。

df['word_count'] = df['review'].str.split().str.len()
df['avg_word_len'] = df['review'].str.len() / df['word_count']
df['has_question'] = df['review'].str.contains(r'\\\\?').astype(int)
df['uppercase_ratio'] = df['review'].apply(
lambda x: sum(c.isupper() for c in str(x)) / max(len(str(x)), 1)
)

4. 2 TF-IDF

TF-IDF将文本转换为按词项重要性加权的数值表示。

from sklearn.feature_extraction.text import TfidfVectorizer
tfidf = TfidfVectorizer(max_features=100, ngram_range=(1, 2), stop_words='english')
X_tfidf = tfidf.fit_transform(df['review'])

4. 3 情感得分

from textblob import TextBlob
df['sentiment'] = df['review'].apply(lambda x: TextBlob(str(x)).sentiment.polarity)
# 范围从-1（非常消极）到1（非常积极）

4. 4 句子嵌入

更现代的做法是用预训练模型将文本压缩为稠密向量，从而捕获语义信息。在深度学习场景下，这比TF-IDF的表达能力高出一个量级。

from sentence_transformers import SentenceTransformer
model = SentenceTransformer('all-MiniLM-L6-v2')
embeddings = model.encode(df['review'].tolist())
# Shape: (n_rows, 384) — each row becomes 384 numerical features

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第5部分：地理空间特征

5. 1 距离特征

一个数据点与关键地标之间的距离，本身就是一个信息量很大的特征。

from math import radians, sin, cos, sqrt, atan2

def haversine(lat1, lon1, lat2, lon2):
R = 6371
lat1, lon1, lat2, lon2 = map(radians, [lat1, lon1, lat2, lon2])
a = sin((lat2-lat1)/2)**2 + cos(lat1)*cos(lat2)*sin((lon2-lon1)/2)**2
return R * 2 * atan2(sqrt(a), sqrt(1-a))
city_centre = (28.6139, 77.2090)

df['dist_to_centre_km'] = df.apply(
lambda r: haversine(r['lat'], r['lon'], *city_centre), axis=1
)

5. 2 Geohash

Geohash将经纬度编码为短字符串，每个前缀对应一个地理区域，天然适合做位置聚合。

import pygeohash as pgh
df['geohash_5'] = df.apply(lambda r: pgh.encode(r['lat'], r['lon'], precision=5), axis=1)
# precision 5 = roughly 5km area

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第6部分：聚合特征

在生产环境的机器学习系统中，聚合类特征的价值极高，尤其是在客户行为和交易数据上。

6. 1 分组聚合

stats = df.groupby('customer_id').agg(
total_orders=('order_id', 'count'),
total_spent=('amount', 'sum'),
avg_order_value=('amount', 'mean'),
max_order=('amount', 'max')
).reset_index()

df = df.merge(stats, on='customer_id', how='left')

6. 2 滞后和滚动特征

序列数据中，过去N个时间段内发生了什么，往往是预测能力最强的信号。

df = df.sort_values(['customer_id', 'order_date'])

df['prev_order_amount'] = df.groupby('customer_id')['amount'].shift(1)
df['amount_change'] = df['amount'] - df['prev_order_amount']

df['rolling_30d_spend'] = (
df.groupby('customer_id')['amount']
.transform(lambda x: x.rolling(3).sum())
)

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第7部分：特征选择

构造特征只是工作的一半，另一半是筛掉无用的。

7.1 删除低方差特征

如果一列的值几乎不变化，模型从中学不到任何东西。

from sklearn.feature_selection import VarianceThreshold
selector = VarianceThreshold(threshold=0.01)
X_reduced = selector.fit_transform(X)

7.2 删除高相关特征

高度相关的特征本质上是冗余信息。保留一个，其余丢弃。

corr = df.corr().abs()
upper = corr.where(np.triu(np.ones(corr.shape), k=1).astype(bool))
to_drop = [col for col in upper.columns if any(upper[col] > 0.95)]
df.drop(columns=to_drop, inplace=True)

7.3 特征重要性

用树模型对特征排序，重要性接近零的直接去掉。

from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
model = RandomForestClassifier(n_estimators=100, random_state=42)
model.fit(X_train, y_train)

importance = pd.Series(model.feature_importances_, index=X_train.columns)
print(importance.sort_values(ascending=False).head(20))

7.4 SHAP值

SHAP不仅能揭示哪些特征重要，还能解释每个特征对单条预测结果的具体影响方向和幅度。

import shap
explainer = shap.TreeExplainer(model)
shap_values = explainer.shap_values(X_train)
shap.summary_plot(shap_values, X_train)

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第8部分：自动化特征工程

当候选组合数量庞大时，手动构造特征不再现实。更好的做法是用程序批量生成，再交由特征选择环节做筛选。

import featuretools as ft

es = ft.EntitySet(id='orders')
es = es.add_dataframe(dataframe_name='orders', dataframe=df,
index='order_id', time_index='order_date')
feature_matrix, feature_defs = ft.dfs(
entityset=es,
target_dataframe_name='orders',
agg_primitives=['sum', 'mean', 'count', 'max', 'std'],
trans_primitives=['month', 'weekday', 'is_weekend'],
max_depth=2
)
print(f"Generated {len(feature_defs)} features automatically")

跑完之后，依次过方差过滤、相关性过滤，再看特征重要性得分，留下来的就是值得用的。

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总结

特征工程是领域知识和技术能力的交叉地带。算法再精妙，也无法弥补特征层面的粗糙。

持续产出高质量模型的工程师，往往不是掌握算法最多的人而是对数据理解最深的人。从简单的特征开始量化每一步的收益，只在简单版本不够用的时候才引入复杂度。