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从JSON数据提取嵌套字段并转换为独立列的简洁方法

在数据处理和数据分析的日常工作中，我们经常遇到复杂的嵌套数据结构，特别是嵌入在JSON字段中的数据。这些数据往往需要解析并展开成独立的列，以便后续分析和建模。本文将详细介绍如何在Python中使用pandas高效地解析和处理嵌套的JSON数据，避免显式循环，实现简洁且高效的代码。我们将逐步讲解一个实际案例，展示如何提取嵌套字段并将其转换为新的独立列。

案例概述

假设我们有一个DataFrame，其中包含两个列：id 和 json_data，json_data 中嵌套了复杂的JSON结构。我们希望从中提取出嵌套的字段 a_name 和 b_name，并将其作为新的独立列。同时，还需要将顶层的字段 name、age 和 city 也提取到最终的 DataFrame 中。

以下是我们的原始数据：

import pandas as pd# 示例数据
df = pd.DataFrame({'id': [1, 2],'json_data': ['{"name": "John Doe", "age": 30, "city": "New York", "js_obj": [{"a_name": "AA", "b_name": "BB"}, {"a_name": "CC", "b_name": "DD"}]}','{"name": "Jane Doe", "age": 25, "city": "Los Angeles", "js_obj": [{"a_name": "EE", "b_name": "FF"}, {"a_name": "GG", "b_name": "HH"}]}']
})

目标是将 json_data 列解析为独立的字段，使每个嵌套对象 a_name 和 b_name 成为 DataFrame 的独立行，结果应如下所示：

id	name	age	city	a_name	b_name
1	John Doe	30	New York	AA	BB
1	John Doe	30	New York	CC	DD
2	Jane Doe	25	Los Angeles	EE	FF
2	Jane Doe	25	Los Angeles	GG	HH

步骤一：加载和解析JSON数据

首先，我们需要将 json_data 列从字符串转换为字典格式。可以使用 json.loads() 函数来实现这一点。

import json# 将 json_data 列解析为字典
df['json_data'] = df['json_data'].apply(json.loads)

此时，每个 json_data 字段已转换为字典格式，便于进一步处理。

步骤二：提取顶层字段

我们可以使用 pd.json_normalize() 轻松提取 json_data 中的顶层字段 name、age 和 city。

# 提取顶层字段
df[['name', 'age', 'city', 'js_obj']] = pd.json_normalize(df['json_data'])[['name', 'age', 'city', 'js_obj']]

这一步会创建新的 name、age、city 和 js_obj 列，并将 js_obj 保留为嵌套的列表对象。

步骤三：展开嵌套列表

为了将 js_obj 列中的嵌套列表展开为独立行，我们可以使用 explode() 方法。此方法能够将列表内的每个元素分解为独立的行，从而实现数据扁平化。

# 展开 js_obj 列
expanded_df = df.explode('js_obj').reset_index(drop=True)

此时，每个 js_obj 列中的嵌套对象都变成了 DataFrame 的独立行。接下来需要将 js_obj 字段进一步展开为 a_name 和 b_name 列。

步骤四：将嵌套对象展开为独立列

使用 pd.json_normalize() 可以将嵌套字典对象展开为独立列。我们再次应用该方法来提取 js_obj 字段中的 a_name 和 b_name。

# 将 js_obj 列展开为单独的列
expanded_df[['a_name', 'b_name']] = pd.json_normalize(expanded_df['js_obj'])

步骤五：清理数据

为了获得最终结果，我们删除原始的 json_data 和 js_obj 列，只保留所需的字段。

# 删除不需要的列
expanded_df = expanded_df.drop(columns=['json_data', 'js_obj'])# 查看结果
print(expanded_df)

最终结果

id	name	age	city	a_name	b_name
1	John Doe	30	New York	AA	BB
1	John Doe	30	New York	CC	DD
2	Jane Doe	25	Los Angeles	EE	FF
2	Jane Doe	25	Los Angeles	GG	HH

详细解释

为什么使用 pd.json_normalize()

pd.json_normalize() 是 pandas 中处理嵌套JSON数据的强大工具。它能在不显式编写循环的情况下，将嵌套字典或列表展开为平面表格结构，从而显著减少代码量并提高可读性。

explode() 的作用

explode() 方法能够将列表列展开为多个独立行。对于处理嵌套数据特别有用，如本例中的 js_obj 字段。如果没有该方法，我们将需要编写显式循环来手动展开，这样不仅繁琐，而且容易出错。

总结

通过本文的讲解，你已经掌握了如何在Python中使用 pandas 处理嵌套的JSON数据并将其展开为独立列。本文中的方法避免了显式循环，使用 pandas 内置的 json_normalize() 和 explode() 函数，使代码更简洁、更高效。

扩展阅读

• 官方文档：pandas.json_normalize
• 官方文档：pandas.DataFrame.explode

这些工具和方法为处理复杂JSON结构的数据提供了极大的便利，是数据工程师和数据分析师的重要技能。希望这篇文章能帮助你在日常工作中更高效地处理数据！