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二、网络爬虫设计
- 网络爬虫原理
网络爬虫是一种自动化程序，用于从互联网上获取数据。其工作原理可以分为以下几个步骤：
定义起始点：网络爬虫首先需要定义一个或多个起始点（URL），从这些起始点开始抓取数据。
发送HTTP请求：爬虫使用HTTP协议向目标网站发送请求，获取网页内容。通常使用GET请求来获取页面的HTML代码。
获取网页内容：当网站接收到请求后，会返回相应的网页内容。爬虫将接收到的响应解析为字符串形式，以便进一步处理。
解析网页：爬虫使用解析库（如BeautifulSoup、lxml等）对网页进行解析，提取所需的数据。解析过程涉及HTML结构分析、XPath或CSS选择器的使用，以定位和提取目标数据。
处理数据：爬虫对提取的数据进行清洗、去除噪声、转换格式等处理操作，以确保数据的质量和一致性。
存储数据：根据需求，爬虫可以将处理后的数据存储到数据库、文本文件、Excel表格或其他数据存储介质中。
跟踪链接：爬虫会根据预设规则或算法，从当前页面中提取其他链接，并将这些链接加入待抓取队列。这样，爬虫可以深入遍历网站的各个页面。
- 网络爬虫的程序架构及整体执行流程
1、网络爬虫程序框架
基于Python的网络爬虫的天气数据分析项目，以下是网络爬虫程序框架：
导入所需的模块和库：导入了requests、csv和BeautifulSoup等库，以便进行HTTP请求、CSV文件操作和HTML解析。
设置请求头信息：定义了headers字典，包含了User-Agent信息，用于伪装浏览器发送请求。
定义城市列表和日期范围：给定了一个城市列表list1，其中每个元素包含了城市名称和对应的区域ID。同时，通过循环遍历1到12的范围，获取每个月的数据。
发送HTTP请求并解析响应：通过构建URL，发送HTTP GET请求获取天气数据的JSON响应。然后使用json()方法将响应内容解析为Python对象。
解析网页内容：使用BeautifulSoup库将响应内容转换为BeautifulSoup对象，以便提取数据。通过使用HTML标签和属性进行定位，使用find_all()方法获取每一行（tr标签）的数据。
提取数据并写入CSV文件：在每一行中，使用find_all('td')方法获取每列的数据，并提取日期、最高温度、最低温度、天气、风力风向和空气质量指数。然后将这些数据存储在列表list0中。
异常处理：使用try-except语句捕获可能出现的异常，并跳过处理。网络爬虫程序架构如图1所示。
2、网络爬虫的整体流程
- 获取初始URL；
- 发送请求并获取响应；
- 解析HTML页面；
- 数据处理和存储；
- 分析是否满足停止条件，并进入下一个循环。
网络爬虫的整体流程图如图2所示。
图2 网络爬虫的整体流程图
- 网络爬虫相关技术
- 数据爬取
使用requests库发送HTTP请求，并使用headers伪装浏览器标识。程序遍历城市列表和月份范围，构建URL并发送请求获取天气数据的JSON响应。然后，使用BeautifulSoup库解析响应内容，并使用HTML标签和属性定位数据。爬虫提取日期、最高温度、最低温度、天气、风力风向和空气质量指数等数据。最后，通过将数据写入CSV文件，实现数据的存储和持久化。这个爬虫程序使用了多个库和模块，通过编写合适的代码逻辑，实现了从目标网站上爬取天气数据的功能。
- 数据解析
数据解析部分使用了BeautifulSoup库对爬取到的网页内容进行解析。首先，将响应内容传递给BeautifulSoup构造函数，并指定解析器为'lxml'。然后，通过调用find_all()方法定位目标数据的HTML元素，使用索引和属性获取具体的数据值。在这个程序中，使用find_all('td')获取每一行的所有列数据，并通过索引提取日期、最高温度、最低温度、天气、风力风向和空气质量指数等信息。解析得到的数据存储在相应的变量中，然后可以进一步处理或写入CSV文件。通过使用BeautifulSoup库的强大功能，程序能够有效地从HTML页面中提取出所需的数据，并进行后续的处理和分析。
- 数据存储
文本文件：将数据以文本文件的形式进行存储，例如使用CSV（逗号分隔值）或JSON（JavaScript对象表示）格式。这种方法简单直接，适合存储结构化的数据。
- 反爬虫
User-Agent检测：网站可能会检查HTTP请求中的User-Agent字段，如果发现与普通浏览器的User-Agent不匹配，则可能被视为爬虫并拒绝访问。所以想要设User-Agent模拟浏览器。
请求频率限制：网站可以设置对于同一IP地址或同一用户的请求频率进行限制，如果超过限制，则可能被视为爬虫并暂时禁止访问。需要设置睡眠时间，降低采集频率。