BigQuery-Daten in Jupyter-Notebooks visualisieren

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In dieser Anleitung wird beschrieben, wie Sie Daten mit der BigQuery-Clientbibliothek für Python und Pandas in einer verwalteten Jupyter-Notebook-Instanz auf Vertex AI Workbench untersuchen und visualisieren. Mit Datenvisualisierungstools können Sie Ihre BigQuery-Daten interaktiv analysieren, Trends erkennen und Informationen aus Ihren Daten gewinnen. In dieser Anleitung werden Daten aus dem öffentlichen BigQuery-Dataset "Google Trends" verwendet.

Von Vertex AI Workbench verwaltete Notebooks wurden verworfen. Am 30. Januar 2025 wird die Unterstützung für verwaltete Notebooks eingestellt und die Möglichkeit zum Erstellen verwalteter Notebookinstanzen wird entfernt. Informationen zur Verwendung von BigQuery mit Vertex AI Workbench-Instanzen finden Sie unter Daten in BigQuery über JupyterLab abfragen und Daten in BigQuery untersuchen und visualisieren innerhalb von JupyterLab.

Lernziele

• Erstellen Sie mit Vertex AI Workbench eine verwaltete Jupyter-Notebookinstanz.
• BigQuery-Daten mit magischen Befehlen in Notebooks abfragen.
• BigQuery-Daten mit der BigQuery-Python-Clientbibliothek und Pandas abfragen und visualisieren.

Kosten

BigQuery ist ein kostenpflichtiges Produkt. Beim Zugriff darauf werden BigQuery-Nutzungskosten berechnet. Das erste Terabyte (1 TB) an verarbeiteten Abfragedaten pro Monat ist kostenlos. Weitere Informationen finden Sie auf der Seite Preise für BigQuery.

Vertex AI Workbench ist ein kostenpflichtiges Produkt. Bei der Verwendung von Vertex AI Workbench-Instanzen fallen Rechen-, Speicher- und Verwaltungskosten an. Weitere Informationen finden Sie auf der Seite pricing für Vertex AI Workbench.

Vorbereitung

1. In the Google Cloud console, on the project selector page, select or create a Google Cloud project.

   Note: If you don't plan to keep the resources that you create in this procedure, create a project instead of selecting an existing project. After you finish these steps, you can delete the project, removing all resources associated with the project.

   Go to project selector

2. Die Abrechnung für das Google Cloud-Projekt muss aktiviert sein.

3. Enable the BigQuery API.

   Enable the API

   Bei neuen Projekten ist BigQuery automatisch aktiviert.

4. Notebooks API aktivieren.

   Notebook API aktivieren

Übersicht: Jupyter-Notebooks

Ein Notebook bietet eine Umgebung, in der Code erstellt und ausgeführt werden kann. Ein Notebook ist im Wesentlichen ein Quellartefakt, das als IPYNB-Datei gespeichert wird. Es kann beschreibenden Textinhalt, ausführbare Codeblöcke und als interaktives HTML gerenderte Ausgaben enthalten.

Strukturell handelt es sich bei einem Notebook um eine Reihe von Zellen. Eine Zelle ist ein Block von Eingabetext, der ausgewertet wird, um Ergebnisse zu erzeugen. Es gibt drei verschiedene Typen von Zellen:

• Codezellen enthalten auszuwertenden Code. Die Ausgabe oder die Ergebnisse des ausgeführten Codes werden im Einklang mit dem Code gerendert.
• Markdown-Zellen enthalten Markdown-Text, der in HTML konvertiert wird, um Kopfzeilen, Listen und formatierten Text zu generieren.
• Rohzellen können zum Rendern verschiedener Codeformate in HTML oder LaTeX dienen.

Die folgende Abbildung zeigt eine Markdown-Zelle, gefolgt von einer Python-Codezelle und dann die Ausgabe:

Jedes geöffnete Notebook ist einer ausgeführten Sitzung zugeordnet (in Python auch als Kernel bezeichnet). Diese Sitzung führt den gesamten Code im Notebook aus und verwaltet den Zustand. Der Zustand enthält die Variablen mit ihren Werten, Funktionen und Klassen sowie vorhandene Python-Module, die Sie laden.

In Google Cloud können Sie eine Notebook-basierte Vertex AI Workbench-Umgebung nutzen, um Daten abzufragen und zu untersuchen, Modelle zu entwickeln und zu trainieren und Code als Teil einer Pipeline auszuführen. In dieser Anleitung erstellen Sie eine verwaltete Notebookinstanz auf Vertex AI Workbench und untersuchen dann BigQuery-Daten über die JupyterLab-Oberfläche.

Verwaltete Notebook-Instanz erstellen

In diesem Abschnitt richten Sie eine JupyterLab-Instanz in Google Cloud ein, damit Sie verwaltete Notebooks erstellen können.

1. Öffnen Sie in der Google Cloud Console die Seite Workbench.

   Zur Workbench

2. Klicken Sie auf  Neues Notebook.

3. Geben Sie im Feld Notebookname einen Namen für die Instanz ein.

4. Wählen Sie in der Liste Region eine Region für die Instanz aus.

5. Wählen Sie im Abschnitt Berechtigung eine Option aus, um festzulegen, welche Nutzer auf die verwaltete Notebook-Instanz zugreifen können:

   • Dienstkonto: Diese Option gewährt allen Nutzern Zugriff auf das Compute Engine-Dienstkonto, das Sie mit der Laufzeit verknüpfen. Wenn Sie ein eigenes Dienstkonto angeben möchten, demarkieren Sie das Kästchen Compute Engine-Standarddienstkonto verwenden und geben dann die E-Mail-Adresse des Dienstkontos ein, das Sie verwenden möchten. Weitere Informationen zu Dienstkonten finden Sie unter Arten von Dienstkonten.
   • Einzelner Nutzer: Diese Option gewährt nur einem bestimmten Nutzer Zugriff. Geben Sie im Feld E-Mail-Adresse des Nutzers die E-Mail-Adresse des Nutzerkontos des Nutzers ein, der die verwaltete Notebook-Instanz verwenden wird.

6. Optional: Klicken Sie auf Erweiterte Einstellungen, um die erweiterten Einstellungen Ihrer Instanz zu ändern. Weitere Informationen finden Sie unter Instanz mithilfe erweiterter Einstellungen erstellen.

7. Klicken Sie auf Erstellen.

   Warten Sie einige Minuten, bis die Instanz erstellt wurde. Vertex AI Workbench startet die Instanz automatisch. Sobald die Instanz einsatzbereit ist, aktiviert Vertex AI Workbench den Link JupyterLab öffnen.

BigQuery-Ressourcen in JupyterLab ansehen

In diesem Abschnitt öffnen Sie JupyterLab und betrachten die in einer verwalteten Notebook-Instanz verfügbaren BigQuery-Ressourcen.

1. Klicken Sie in der Zeile für die von Ihnen erstellte verwaltete Notebook-Instanz auf JupyterLab öffnen.

   Wenn Sie dazu aufgefordert werden, klicken Sie auf Authentifizieren, falls Sie den Bedingungen zustimmen. Ihre verwaltete Notebook-Instanz öffnet JupyterLab in einem neuen Browsertab.

2. Klicken Sie im JupyterLab-Navigationsmenü auf  BigQuery in Notebooks.

   Im Bereich BigQuery werden die verfügbaren Projekte und Datasets aufgeführt, in denen Sie Aufgaben so ausführen können:

   • Doppelklicken Sie auf den Namen eines Datasets, um die Beschreibung des Datasets aufzurufen.
   • Erweitern Sie das Dataset, um dessen Tabellen, Ansichten und Modelle anzuzeigen.
   • Doppelklicken Sie auf eine Tabelle, eine Ansicht oder ein Modell, um eine Kurzbeschreibung als Tab in JupyterLab zu öffnen.

   Hinweis: Klicken Sie in der Kurzbeschreibung für eine Tabelle auf den Tab Vorschau, um eine Vorschau der Tabellendaten aufzurufen. Die folgende Abbildung zeigt eine Vorschau der Tabelle international_top_terms, die im google_trends-Dataset im bigquery-public-data-Projekt zu finden ist:

   

Notebookdaten mit dem magischen %%bigquery-Befehl abfragen

In diesem Abschnitt schreiben Sie SQL direkt in Notebook-Zellen und schreiben Daten aus BigQuery in das Python-Notebook.

Mit magischen Befehlen, die ein einzelnes oder doppeltes Prozentzeichen (% oder %%) verwenden, nutzen Sie eine minimale Syntax zur Interaktion mit BigQuery im Notebook. Die BigQuery-Clientbibliothek für Python wird in verwalteten Notebooks-Instanzen automatisch installiert. Im Hintergrund verwendet der magische Befehl %%bigquery die BigQuery-Clientbibliothek für Python, um die angegebene Abfrage auszuführen. Die Ergebnisse werden in ein Pandas-DataFrame umgewandelt und optional in einer Variablen gespeichert. Anschließend werden die Ergebnisse angezeigt.

Hinweis: Ab Version 1.26.0 des Python-Pakets google-cloud-bigquery wird die BigQuery Storage API standardmäßig verwendet, um Ergebnisse aus den magischen %%bigquery-Befehlen herunterzuladen.

1. Wählen Sie zum Öffnen einer Notebook-Datei Datei > Neu > Notebook aus.

2. Wählen Sie im Dialogfeld Kernel auswählen die Option Python und klicken Sie dann auf Auswählen.

   Ihre neue IPYNB-Datei wird geöffnet.

3. Geben Sie folgende Anweisung ein, um die Anzahl der Regionen nach Land im Dataset international_top_terms abzurufen:

   %%bigquery
   SELECT
     country_code,
     country_name,
     COUNT(DISTINCT region_code) AS num_regions
   FROM
     `bigquery-public-data.google_trends.international_top_terms`
   WHERE
     refresh_date = DATE_SUB(CURRENT_DATE, INTERVAL 1 DAY)
   GROUP BY
     country_code,
     country_name
   ORDER BY
     num_regions DESC;

4. Klicken Sie auf  Zelle ausführen.

   Die Ausgabe sieht etwa so aus:

   Query complete after 0.07s: 100%|██████████| 4/4 [00:00<00:00, 1440.60query/s]
   Downloading: 100%|██████████| 41/41 [00:02><00:00, 20.21rows/s]
   ... country_code country_name num_regions 0 TR Turkey 81 1 TH Thailand 77 2 VN Vietnam 63 3 JP Japan 47 4 RO Romania 42 5 NG Nigeria 37 6 IN India 36 7 ID Indonesia 34 8 CO Colombia 33 9 MX Mexico 32 10 BR Brazil 27 11 EG Egypt 27 12 UA Ukraine 27 13 CH Switzerland 26 14 AR Argentina 24 15 FR France 22 16 SE Sweden 21 17 HU Hungary 20 18 IT Italy 20 19 PT Portugal 20 20 NO Norway 19 21 FI Finland 18 22 NZ New Zealand 17 23 PH Philippines 17>

   Hinweis: Ihre Ergebnisse können von den obigen Ergebnissen abweichen, da das abgefragte google_trends-Dataset kontinuierlich mit neuen Daten aktualisiert wird.

5. Geben Sie in die nächste Zelle (unter der Ausgabe der vorherigen Zelle) den folgenden Befehl ein, um dieselbe Abfrage auszuführen. Dieses Mal speichern Sie die Ergebnisse jedoch in einem neuen Pandas-DataFrame namens regions_by_country. Sie geben diesen Namen über ein Argument mit dem magischen Befehl %%bigquery an.

   %%bigquery regions_by_country
   SELECT
     country_code,
     country_name,
     COUNT(DISTINCT region_code) AS num_regions
   FROM
     `bigquery-public-data.google_trends.international_top_terms`
   WHERE
     refresh_date = DATE_SUB(CURRENT_DATE, INTERVAL 1 DAY)
   GROUP BY
     country_code, country_name
   ORDER BY
     num_regions DESC;

   Hinweis: Weitere Informationen zu verfügbaren Argumenten für den %%bigquery-Befehl finden Sie in der Clientbibliothek-Dokumentation der magischen Befehle.

6. Klicken Sie auf  Zelle ausführen.

7. Geben Sie in die nächste Zelle folgenden Befehl ein, um die ersten Zeilen der Abfrageergebnisse aufzurufen, die Sie gerade eingelesen haben:

   regions_by_country.head()
   

8. Klicken Sie auf  Zelle ausführen.

   Der Pandas-DataFrame regions_by_country kann jetzt dargestellt werden.

Daten in einem Notebook mithilfe der BigQuery-Clientbibliothek direkt abfragen

In diesem Abschnitt verwenden Sie die BigQuery-Clientbibliothek für Python direkt, um Daten in das Python-Notebook einzulesen.

Mit der Clientbibliothek haben Sie mehr Kontrolle über Ihre Abfragen und können komplexere Konfigurationen für Abfragen und Jobs nutzen. Durch die Einbindung der Bibliothek in Pandas können Sie deklarativen SQL-Dialekt mit imperativem Code (Python) kombinieren, um die Daten zu analysieren, zu visualisieren und zu transformieren.

Hinweis: Sie können verschiedene Python-Bibliotheken für Datenanalyse, Data Wrangling und Visualisierung verwenden, z. B. numpy, pandas, matplotlib viele weitere. Mehrerer dieser Bibliotheken basieren auf einem DataFrame-Objekt.

1. Geben Sie in die nächste Zelle folgenden Python-Code ein, um die BigQuery-Clientbibliothek für Python zu importieren und einen Client zu initialisieren:

   from google.cloud import bigquery
   
   client = bigquery.Client()
   

   Der BigQuery-Client wird zum Senden und Empfangen von Nachrichten von der BigQuery API verwendet.

2. Klicken Sie auf  Zelle ausführen.

3. Geben Sie in die nächste Zelle folgenden Code ein, um den Prozentsatz der täglichen Top-Suchbegriffe in den US-top_terms abzurufen, die sich im Laufe der Zeit überschneiden; dabei wird deren Abstand nach Tagen berücksichtigt. Der Grundgedanke ist dabei, dass Sie sich die Top-Begriffe des jeweiligen Tages ansehen und herausfinden, welcher Prozentsatz dieser Begriffe mit den Top-Begriffen vom Vortag, von zwei Tagen zuvor, drei Tagen zuvor usw. überlappen. Es werden Paare von Datumsangaben über einen Zeitraum von einem Monat berücksichtigt.

   sql = """
   WITH
     TopTermsByDate AS (
       SELECT DISTINCT refresh_date AS date, term
       FROM `bigquery-public-data.google_trends.top_terms`
     ),
     DistinctDates AS (
       SELECT DISTINCT date
       FROM TopTermsByDate
     )
   SELECT
     DATE_DIFF(Dates2.date, Date1Terms.date, DAY)
       AS days_apart,
     COUNT(DISTINCT (Dates2.date || Date1Terms.date))
       AS num_date_pairs,
     COUNT(Date1Terms.term) AS num_date1_terms,
     SUM(IF(Date2Terms.term IS NOT NULL, 1, 0))
       AS overlap_terms,
     SAFE_DIVIDE(
       SUM(IF(Date2Terms.term IS NOT NULL, 1, 0)),
       COUNT(Date1Terms.term)
       ) AS pct_overlap_terms
   FROM
     TopTermsByDate AS Date1Terms
   CROSS JOIN
     DistinctDates AS Dates2
   LEFT JOIN
     TopTermsByDate AS Date2Terms
     ON
       Dates2.date = Date2Terms.date
       AND Date1Terms.term = Date2Terms.term
   WHERE
     Date1Terms.date <= Dates2.date
   GROUP BY
     days_apart
   
   ORDER BY
     days_apart;
   """
   pct_overlap_terms_by_days_apart = client.query(sql).to_dataframe()
   
   pct_overlap_terms_by_days_apart.head()

   Das verwendete SQL-Objekt ist in einem Python-String gekapselt und wird dann zur Ausführung einer Abfrage an die query()-Methode übergeben. Die to_dataframe-Methode wartet, bis die Abfrage abgeschlossen ist, und lädt die Ergebnisse mit der BigQuery Storage API in einen Pandas-DataFrame.

4. Klicken Sie auf  Zelle ausführen.

   Die ersten Zeilen der Abfrageergebnisse werden unterhalb der Codezelle angezeigt.

      days_apart   num_date_pairs  num_date1_terms overlap_terms   pct_overlap_terms
    0          0             32               800            800            1.000000
    1          1             31               775            203            0.261935
    2          2             30               750             73            0.097333
    3          3             29               725             31            0.042759
    4          4             28               700             23            0.032857
   

   Hinweis: Ihre Ergebnisse können von den obigen Ergebnissen abweichen, da das abgefragte google_trends-Dataset kontinuierlich mit neuen Daten aktualisiert wird.

Weitere Informationen zur Verwendung von BigQuery-Clientbibliotheken finden Sie in der Kurzanleitung Clientbibliotheken verwenden.

BigQuery-Daten visualisieren

In diesem Abschnitt verwenden Sie Darstellungsfunktionen, um die Ergebnisse der Abfragen zu visualisieren, die Sie zuvor in Ihrem Jupyter-Notebook ausgeführt haben.

1. Geben Sie in die nächste Zelle folgenden Code ein, um mit der Pandas-Methode DataFrame.plot() ein Balkendiagramm zu erstellen, das die Ergebnisse der Abfrage visualisiert, die die Anzahl der Regionen nach Land zurückgibt:

   regions_by_country.plot(kind="bar", x="country_name", y="num_regions", figsize=(15, 10))
   

2. Klicken Sie auf  Zelle ausführen.

   Das Diagramm sieht etwa so aus:

   

3. Geben Sie in die nächste Zelle folgenden Code ein, um mit der Pandas-Methode DataFrame.plot() ein Streudiagramm zu erstellen, mit dem die Ergebnisse der Abfrage für den Prozentsatz der Überschneidung der wichtigsten Begriffe visualisiert werden, wobei der Abstand nach Tagen berücksichtigt wird:

   pct_overlap_terms_by_days_apart.plot(
     kind="scatter",
     x="days_apart",
     y="pct_overlap_terms",
     s=len(pct_overlap_terms_by_days_apart["num_date_pairs"]) * 20,
     figsize=(15, 10)
     )
   

4. Klicken Sie auf  Zelle ausführen.

   Das Diagramm sieht etwa so aus: Die Größe jedes Punkts gibt die Anzahl der Datumspaare an, die um jeweils eine bestimmt Anzahl an Tage auseinander liegen. Es gibt beispielsweise mehr Paare, die 1 Tag als 30 Tage auseinander liegen, da die häufigsten Suchbegriffe täglich über etwa einen Monat angezeigt werden.

   

Weitere Informationen zur Datenvisualisierung finden Sie in der Pandas-Dokumentation.

Nutzung des magischen Befehls %bigquery_stats, um Statistiken und Visualisierungen für alle Tabellenspalten abzurufen

In diesem Abschnitt verwenden Sie eine Notebook-Verknüpfung, um zusammenfassende Statistiken und Visualisierungen für alle Felder einer BigQuery-Tabelle abzurufen.

Die BigQuery-Clientbibliothek stellt den magischen Befehl %bigquery_stats bereit, den Sie mit einem bestimmten Tabellennamen aufrufen können, um eine Übersicht über die Tabelle und detaillierte Statistiken für alle Spalten der Tabelle bereitzustellen.

1. Geben Sie in die nächste Zelle folgenden Code ein, um diese Analyse in der Tabelle top_terms für die USA auszuführen:

   %bigquery_stats bigquery-public-data.google_trends.top_terms
   

2. Klicken Sie auf  Zelle ausführen.

   Nach einiger Zeit wird ein Bild mit verschiedenen Statistiken zu jeder der sieben Variablen in der Tabelle top_terms angezeigt. Die folgende Abbildung zeigt einen Teil einer Beispielausgabe:

   

Hinweis: Ihre Ergebnisse können von den oben gezeigten Ergebnissen abweichen, da das abgefragte google_trends-Dataset kontinuierlich mit neuen Daten aktualisiert wird.

Abfrageverlauf anzeigen und Abfragen wiederverwenden

Führen Sie die folgenden Schritte aus, um den Abfrageverlauf als Tab in JupyterLab anzuzeigen:

1. Klicken Sie im JupyterLab-Navigationsmenü auf  BigQuery in Notebooks, um den Bereich BigQuery zu öffnen.

2. Scrollen Sie im Bereich BigQuery nach unten und klicken Sie auf BigQuery.

   

   Eine Liste Ihrer Abfragen wird in einem neuen Tab geöffnet. Hier können Sie beispielsweise folgende Aufgaben ausführen:

   • Klicken Sie auf die Abfrage, um die Details der Abfrage (Job-ID, Zeit der Ausführung, Dauer der Abfrage usw.) aufzurufen.
   • Klicken Sie auf Abfrage im Editor öffnen, um die Abfrage zu überarbeiten, noch einmal auszuführen oder zur späteren Nutzung in Ihr Notebook zu kopieren.

Hinweis: Wenn Sie nach dem Öffnen dieses Tabs Abfragen ausführen, klicken Sie auf  Aktualisieren, um die aktuellsten Abfragen anzuzeigen.

Notebook speichern und herunterladen

In diesem Abschnitt speichern Sie Ihr Notebook und laden es herunter, falls Sie es nach der Bereinigung der in dieser Anleitung verwendeten Ressourcen verwenden möchten.

1. Wählen Sie Datei > Notebook speichern.
2. Wählen Sie Datei > Herunterladen, um eine lokale Kopie Ihres Notebooks als IPYNB-Datei auf Ihren Computer herunterzuladen.

Bereinigen

Am einfachsten können Sie weitere Kosten vermeiden, wenn Sie das Cloud-Projekt löschen, das Sie für diese Anleitung erstellt haben.

Achtung: Das Löschen von Projekten hat folgende Auswirkungen:

• Alle Inhalte des Projekts werden gelöscht. Wenn Sie für die Aufgaben in diesem Dokument ein bereits bestehendes Projekt verwendet haben und dieses löschen, werden auch alle anderen im Rahmen des Projekts erstellten Daten gelöscht.
• Benutzerdefinierte Projekt-IDs gehen verloren. Beim Erstellen dieses Projekts haben Sie möglicherweise eine benutzerdefinierte Projekt-ID erstellt, die Sie weiterhin verwenden möchten. Damit die URLs, die die Projekt-ID nutzen, z. B. eine appspot.com-URL, erhalten bleiben, sollten Sie ausgewählte Ressourcen innerhalb des Projekts löschen, statt das gesamte Projekt.

Wenn Sie mehrere Architekturen, Anleitungen und Kurzanleitungen durcharbeiten möchten, können Sie die Überschreitung von Projektkontingenten verhindern, indem Sie Projekte wiederverwenden.

1. In the Google Cloud console, go to the Manage resources page.

   Go to Manage resources

2. In the project list, select the project that you want to delete, and then click Delete.
3. In the dialog, type the project ID, and then click Shut down to delete the project.

Nächste Schritte

• Informationen zum Schreiben von Abfragen für BigQuery finden Sie unter Interaktive Abfragen und Batch-Abfragejobs ausführen.
• Weitere Informationen zu Vertex AI Workbench finden Sie unter Vertex AI Workbench.