JupyterLab から BigQuery のデータを探索して可視化する

このページでは、Vertex AI Workbench インスタンスの JupyterLab インターフェース内から BigQuery に保存されているデータを探索して可視化する方法の例を紹介します。

始める前に

まだ作成していない場合は、Vertex AI Workbench インスタンスを作成します。

必要なロール

インスタンスのサービスアカウントに BigQuery でデータのクエリを実行するために必要な権限を付与するには、プロジェクトで Service Usage ユーザー（roles/serviceusage.serviceUsageConsumer）IAM ロールをインスタンスのサービスアカウントに付与するように管理者へ依頼してください。ロールの付与については、プロジェクト、フォルダ、組織へのアクセス権の管理をご覧ください。

管理者は、カスタムロールや他の事前定義ロールを使用して、必要な権限をインスタンスのサービスアカウントに付与することもできます。

JupyterLab を開く

Google Cloud コンソールで、[インスタンス] ページに移動します。

[インスタンス] に移動
Vertex AI Workbench インスタンス名の横にある [JupyterLab を開く] をクリックします。

Vertex AI Workbench インスタンスで JupyterLab が表示されます。

BigQuery からデータを読み取る

次の 2 つのセクションでは、後の可視化で使用するデータを BigQuery から読み取ります。これらの手順は、JupyterLab から BigQuery のデータをクエリするで説明した手順と同じです。すでに完了している場合はスキップして、BigQuery テーブルのデータの概要を取得するをご覧ください。

%%bigquery マジックコマンドを使用してデータをクエリする

このセクションでは、ノートブックセルに SQL を直接記述し、BigQuery から Python ノートブックにデータを読み取ります。

1 個または 2 個のパーセント記号（% または %%）が付いたマジックコマンドを使用すると、ノートブック内で最小限の構文を使用して BigQuery を操作できます。Python 用の BigQuery クライアントライブラリは、Vertex AI Workbench インスタンスに自動的にインストールされます。%%bigquery マジックコマンドは、バックグラウンドで Python 用 BigQuery クライアントライブラリを使用して指定のクエリを実行し、結果を Pandas DataFrame に変換（オプションで結果を変数に保存）して、それを表示します。

注: google-cloud-bigquery Python パッケージのバージョン 1.26.0 では、%%bigquery マジックから結果をダウンロードする際にデフォルトで BigQuery Storage API が使用されます。

ノートブックファイルを開くには、[File] > [New] > [Notebook] の順に選択します。
[Select Kernel] ダイアログで [Python 3] を選択し、[Select] をクリックします。

新しい IPYNB ファイルが開きます。

international_top_terms データセット内の国別のリージョン数を取得するには、次のステートメントを入力します。

%%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;

[ Run cell] をクリックします。

出力は次のようになります。

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
...

次のセル（前のセルの出力の下）で、以下のコマンドを入力して同じクエリを実行します。ただし、今回は regions_by_country という名前の新しい pandas DataFrame に結果を保存します。この名前は、%%bigquery マジックコマンドで引数を使用して指定します。
```
%%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;
```
注: %%bigquery コマンドで使用できる引数の詳細については、クライアントライブラリのマジックのドキュメントをご覧ください。
[ Run cell] をクリックします。
次のセルで以下のコマンドを入力すると、先ほど読み取ったクエリ結果の最初の数行が表示されます。
```
regions_by_country.head()
```
[ Run cell] をクリックします。

これで、pandas DataFrame regions_by_country をプロットに使用する準備ができました。

BigQuery クライアントライブラリを直接使用してデータをクエリする

このセクションでは、Python 用 BigQuery クライアントライブラリを直接使用して Python ノートブックにデータを読み込みます。

クライアントライブラリを使用すると、クエリをより詳細に制御できます。また、クエリとジョブでより複雑な構成を使用することもできます。ライブラリと pandas のインテグレーションにより、宣言型の SQL の機能と命令コード（Python）を組み合わせて、データの分析、可視化、変換を行うことができます。

注: Python 用にさまざまなデータ分析、データラングリング、可視化のライブラリが用意されています（numpy、pandas、matplotlib など）。これらのライブラリのいくつかは DataFrame オブジェクトを基盤とします。

次のセルに以下の Python コードを入力して、Python 用 BigQuery クライアントライブラリをインポートし、クライアントを初期化します。
```
from google.cloud import bigquery

client = bigquery.Client()
```
BigQuery クライアントは、BigQuery API との間のメッセージの送受信に使用されます。
[ Run cell] をクリックします。

次のセルに以下のコードを入力して、米国の top_terms で 1 日の上位語句の重なりの割合を日数差で取得します。これは、各日の上位語句が前日、2 日前、3 日前と何 % 重なっているのかを調べるものです（約 1 か月間のすべての日付ペアについて調べます）。

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()

使用する SQL は Python 文字列にカプセル化されて query() メソッドに渡され、クエリが実行されます。クエリが完了すると、to_dataframe メソッドは BigQuery Storage API を使用して結果を pandas DataFrame にダウンロードします。

[ Run cell] をクリックします。

クエリ結果の最初の数行がコードセルの下に表示されます。

   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

BigQuery クライアントライブラリの詳しい使用方法については、クイックスタートのクライアントライブラリの使用をご覧ください。

BigQuery テーブルのデータの概要を取得する

このセクションでは、ノートブックのショートカットを使用して、BigQuery テーブルのすべてのフィールドの要約統計を取得し、可視化します。これにより、詳しい調査を実施する前に、データをプロファイリングできます。

BigQuery クライアントライブラリには %bigquery_stats マジックコマンドがあります。特定のテーブル名を指定してこのコマンドを呼び出すと、テーブルの概要と各テーブル列の詳細な統計情報を取得できます。

次のセルに以下のコードを入力して、米国の top_terms テーブルで分析を行います。
```
%bigquery_stats bigquery-public-data.google_trends.top_terms
```
[ Run cell] をクリックします。

しばらく実行すると、top_terms テーブルの 7 つの変数のそれぞれについて、さまざまな統計情報を含む画像が表示されます。次の図は、出力例の一部を示しています。

BigQuery のデータを視覚化する

このセクションでは、プロット機能を使用して、Jupyter ノートブックで以前に実行したクエリの結果を可視化します。

次のセルに以下のコードを入力し、pandas DataFrame.plot() メソッドを使用して、国別のリージョン数を返すクエリの結果を棒グラフで可視化します。
```
regions_by_country.plot(kind="bar", x="country_name", y="num_regions", figsize=(15, 10))
```
[ Run cell] をクリックします。

次のようなグラフになります。
次のセルに以下のコードを入力し、pandas DataFrame.plot() メソッドを使用して、クエリ結果から上位の検索語句の重複率を日単位で視覚化する散布図を作成します。
```
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)
  )
```
[ Run cell] をクリックします。

次のようなグラフになります。各ポイントのサイズは、データ内の日数が異なる日付ペアの数を反映します。たとえば、上位の検索語句はほぼ 1 か月間毎日出現しているため、期間が 1 日のペアのほうが 30 日のペアよりも数が多くなります。

データの可視化の詳細については、pandas のドキュメントをご覧ください。

JupyterLab から BigQuery のデータを探索して可視化する

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必要なロール

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BigQuery からデータを読み取る

%%bigquery マジック コマンドを使用してデータをクエリする

BigQuery クライアント ライブラリを直接使用してデータをクエリする

BigQuery テーブルのデータの概要を取得する

BigQuery のデータを視覚化する

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%%bigquery マジックコマンドを使用してデータをクエリする

BigQuery クライアントライブラリを直接使用してデータをクエリする