24 Manipuler des données temporelles

24.1 Tâches concernées et recommandations

L’utilisateur souhaite manipuler des dates (import et export du format Date, manipulation et formatage de la date, différentes fréquences) ou des séries temporelles (création d’objets ts en R).

Information sur les packages utilisés

Les packages base et stats proposent déjà une bonne diversité de fonctionnalités pour traiter les dates et séries temporelles ;
Le package lubridate ajoute des fonctionnalités supplémentaires sur le traitement des dates ;
Le package parsedate permet de contrôler les normes de format de date ;
Le package zoo permet de gérer les données journalières ou infra-journalières ;
Pour les graphiques, ce sont les packages ggplot2 et dygraphs qui seront utilisés.

Pour installer les packages :

install.packages(c("lubridate", "parsedate", "zoo"))
install.packages(c("ggplot2", "dygraphs"))

Caution

La fonction as.Date() existe dans les packages base et zoo, mais n’a pas la même fonctionnalité. À chaque fois qu’elle sera utilisée, on précisera son package d’origine au moyen de :: (base::as.Date() ou zoo::as.Date()).

24.2 Définitions

24.2.1 Les dates

Une date en R signifie généralement un jour d’une année. Elle peut s’écrire sous différents formats :

Format	Type	Exemple (Noël 2023)
Format européen	JJ/MM/AAAA	25/12/2023
Format américain	AAAA-MM-JJ	2023-12-25

Une date peut aussi désigner un horaire ou un moment précis. On peut alors spécifier les heures, les minutes, les secondes.

24.2.2 Les séries temporelles

Une série temporelle est une données indexées sur le temps. Généralement on parle de séries mensuelles lorsque le pas entre chaque date est un mois mais on parle aussi de données annuelles, trimestrielles ou journalières voire plus haute fréquence.

24.3 Création de date

24.3.1 Le format `Date` en R

Pour créer une date en R, il suffit de faire appel à la fonction as.Date() du package base. Par défaut, l’argument format correspond au format américain :

M_Drucker_birth <- base::as.Date(x = "1942-09-12")

Il suffit de le changer pour créer une date à partir d’un autre format :

noel_2023 <- base::as.Date(x = "25/12/2023", format = "%d/%m/%Y")

La liste des formats de données est disponible sur la page d’aide de strptime() (accessible via help(strptime)).

24.3.2 Les autres formats de date `POSIXct` et `POSIXlt`

Pour les horaires ou pour désigner un instant, il faut créer un objet de classe POSIXt. Pour cela, on peut utiliser les fonctions as.POSIXct() et as.POSIXlt().

La fonction as.POSIXct() (ct pour Calendar Time) va stocker la date sous la forme d’un nombre de secondes depuis le 1^er janvier 1970.
La fonction as.POSIXlt() (lt pour List Time) va stocker la date sous la forme d’une liste contenant tous les composants de la date (année, mois, jour, heure…).

pied_sur_la_lune <- as.POSIXct(x = "1969-07-21 02:56:20", 
                               format = "%Y-%m-%d %H:%M:%S", tz = "UTC")

24.3.3 Les différents fuseaux horaires

Ici le fuseau horaire (argument tz) est fixé sur UTC (Coordinated Universal Time = Temps Universel Coordonné). Mais il est possible d’appliquer différents fuseaux horaires à un évènement.

Par exemple :

Neil Armstrong a posé le pied sur la lune le 1969-07-21 03:56:20 à Paris mais le 1969-07-20 19:56:20 à Los Angeles.

heure_en_france <- as.POSIXct(x = pied_sur_la_lune, tz = "Europe/Paris")
heure_los_angeles <- as.POSIXct(x = pied_sur_la_lune, tz = "America/Los_Angeles")

Pour connaître la liste des différents fuseaux horaires, il faut appeler la fonction OlsonNames() (du nom de l’Olson Database).

24.3.4 Gérer les changements d’heure

En France, depuis 1979, on avance d’une heure en mars pour l’heure d’été. Ainsi le fuseau horaire européen est un peu plus compliqué que le fuseau UTC (qui est linéaire tout au long de l’année).

Il suit 2 fuseaux :

le CET (Central European Time) correspond à l’heure d’hiver. Cela vaut UTC+1.
En été, on utilise le CEST (Central European Summer Time), qui est à UTC+2.

On entend aussi parler de GMT (Greenwich Mean Time) qui correspond à l’heure de Greenwich. Aujourd’hui, c’est l’heure UTC (même fuseau que GMT) qui est la référence.

R gère en interne automatiquement les changements d’horaire à partir des fuseaux horaires.

Par exemple en hiver (CET = UTC+1) :

# définition en date et heure locale avec le bon fuseau horaire
chute_mur_berlin <- as.POSIXct(x = "1989-11-09 18:00", tz = "Europe/Berlin")

# Heure locale
print(chute_mur_berlin)

[1] "1989-11-09 18:00:00 CET"

# Heure UTC (exemple en islande)
print(as.POSIXct(chute_mur_berlin, tz = "UTC"))

[1] "1989-11-09 17:00:00 UTC"

En été (CEST = UTC+2) :

# définition en date et heure locale avec le bon fuseau horaire
victoire_fifa_1998 <- as.POSIXct(x = "1998-07-12 21:00", tz = "Europe/Paris")

# Heure locale
print(victoire_fifa_1998)

[1] "1998-07-12 21:00:00 CEST"

# Heure UTC (exemple au Burkina Faso)
print(as.POSIXct(victoire_fifa_1998, tz = "UTC"))

[1] "1998-07-12 19:00:00 UTC"

24.4 Autres fonctions

24.4.1 Formater une date avec la fonction `format()`

La fonction format() est utile avec les dates car elle permet de formater une date selon n’importe quelle représentation.

Par exemple pour des dates :

# On prend la date d'aujourd'hui
format(Sys.Date(), format = "Nous sommes le %A %d %B %Y.")

[1] "Nous sommes le Friday 26 April 2024."

format(Sys.Date(), format = "Date du jour : %x")

[1] "Date du jour : 04/26/2024"

Par exemple pour des temps :

# On prend la date d'aujourd'hui
format(Sys.time(), format = "Nous sommes le %d %B %Y et il est %Hh%M et %Ss.")

[1] "Nous sommes le 26 April 2024 et il est 15h12 et 38s."

format(Sys.time(), format = "Il s'est écoulé %ss depuis le 1er janvier 1970.")

[1] "Il s'est écoulé 1714144358s depuis le 1er janvier 1970."

format(Sys.time(), format = "Heure : %X")

[1] "Heure : 03:12:38 PM"

La liste des formats de données est disponible sur la page d’aide de strptime() (accessible via help(strptime)).

Les normes ISO8601 et RFC3339

Les normes ISO8601 et RFC3339 sont des conventions de représentation des dates. Selon ces 2 normes, certains formats de dates sont acceptés ou non.

Par exemple, voici quelques formats représentant la date du 24 mai 2023 à 8h43 (UTC) :

"2023-05-24T08:43:00Z" ou "2023-05-24T08:43:00+08:00" sont des formats acceptés par ces 2 normes.
"2023-05-24t08:43:00z" est un format accepté uniquement par la norme RFC3339.
"2023-05-24T08:43Z" est un format accepté uniquement par la norme ISO8601.

Pour savoir quels formats sont acceptés par ces normes, une infographie est disponible ici : https://ijmacd.github.io/rfc3339-iso8601/.

On peut aussi utiliser le package parsedate qui permet de lire une date au format ISO8601

library("parsedate")

parse_iso_8601("2023-05-24T08:43:00+08:00") # Accepté par ISO8601

[1] "2023-05-24 00:43:00 UTC"

parse_iso_8601("2023-05-24t08:43:00z") # Refusé par ISO8601

[1] NA

parse_iso_8601("2023-05-24T08:43Z") # Accepté par ISO8601

[1] "2023-05-24 08:43:00 UTC"

24.4.2 Paramètres régionaux

Pour obtenir des dates, d’autres fonctions existent comme :

Sys.Date() pour connaitre la date du jour,
Sys.time() pour connaitre l’horaire actuel (date + heure),
Sys.timezone() pour le fuseau horaire actuel.

Il peut être utile de vouloir changer les paramètres régionaux sous R. Pour cela, il faut faire appel à la fonction Sys.setlocale()

# Paramètres locaux en France
Sys.setlocale("LC_TIME", "fr_FR.UTF-8")

Warning in Sys.setlocale("LC_TIME", "fr_FR.UTF-8"): OS reports request to set
locale to "fr_FR.UTF-8" cannot be honored

[1] ""

format(Sys.time(), format = "%c")

[1] "Fri 26 Apr 2024 03:12:38 PM UTC"

# Paramètres locaux aux USA
Sys.setlocale("LC_TIME", "en_US")

Warning in Sys.setlocale("LC_TIME", "en_US"): OS reports request to set locale
to "en_US" cannot be honored

[1] ""

format(Sys.time(), format = "%c")

[1] "Fri 26 Apr 2024 03:12:38 PM UTC"

Note

La fonction Sys.setlocale() a un impact sur l’affichage mais pas sur la valeur de l’objet. Ainsi, cela ne change pas le fuseau horaire (par exemple).

24.5 Création de vecteur de date

Pour créer un vecteur de date, il faut utiliser la fonction seq().

Les arguments de cette fonction sont :

from : une date de départ
to : une date d’arrivée
by : un pas
length.out : une longueur

from est obligatoire et il faut préciser au moins 2 autres arguments parmi les 3 restants.

Exemple :

date1 <- base::as.Date("2016-02-29")
date2 <- base::as.Date("2021-10-02")
date3 <- base::as.Date("2023-08-15")

seq(from = date1, to = date3, by = "year")

[1] "2016-02-29" "2017-03-01" "2018-03-01" "2019-03-01" "2020-02-29"
[6] "2021-03-01" "2022-03-01" "2023-03-01"

seq(from = date2, to = date3, by = "quarter")

[1] "2021-10-02" "2022-01-02" "2022-04-02" "2022-07-02" "2022-10-02"
[6] "2023-01-02" "2023-04-02" "2023-07-02"

time1 <- as.POSIXct(x = "2023-05-26 15:00")
time2 <- as.POSIXct(x = "2023-05-26 20:59:47")
time3 <- as.POSIXct(x = "2023-05-26 21:00")

seq(from = time1, to = time3, by = "hour")

[1] "2023-05-26 15:00:00 UTC" "2023-05-26 16:00:00 UTC"
[3] "2023-05-26 17:00:00 UTC" "2023-05-26 18:00:00 UTC"
[5] "2023-05-26 19:00:00 UTC" "2023-05-26 20:00:00 UTC"
[7] "2023-05-26 21:00:00 UTC"

seq(from = time2, to = time3, by = "sec")

 [1] "2023-05-26 20:59:47 UTC" "2023-05-26 20:59:48 UTC"
 [3] "2023-05-26 20:59:49 UTC" "2023-05-26 20:59:50 UTC"
 [5] "2023-05-26 20:59:51 UTC" "2023-05-26 20:59:52 UTC"
 [7] "2023-05-26 20:59:53 UTC" "2023-05-26 20:59:54 UTC"
 [9] "2023-05-26 20:59:55 UTC" "2023-05-26 20:59:56 UTC"
[11] "2023-05-26 20:59:57 UTC" "2023-05-26 20:59:58 UTC"
[13] "2023-05-26 20:59:59 UTC" "2023-05-26 21:00:00 UTC"

24.6 Autres objets de la famille des dates

24.6.1 Les objets `difftime`

Le objets de classe difftime représentent des durées.

age <- Sys.Date() - M_Drucker_birth
print(age)

Time difference of 29812 days

difftime(Sys.Date(), M_Drucker_birth)

Time difference of 29812 days

# Changement d'heure
heure_hiver <- as.POSIXct(x = "2023-03-26 01:00", tz = "Europe/Paris")
heure_ete <- as.POSIXct(x = "2023-03-26 03:00", tz = "Europe/Paris")
heure_ete - heure_hiver

Time difference of 1 hours

# Voyage sur différents fuseaux horaires
decollage_paris <- as.POSIXct(x = "2023-07-20 10:30", tz = "Europe/Paris")
arrivee_toronto <- as.POSIXct(x = "2023-07-20 01:00 PM", 
                    format = "%Y-%m-%d %I:%M %p", 
                    tz = "America/Toronto")
arrivee_toronto - decollage_paris

Time difference of 8.5 hours

Avec la fonction units(), on peut changer l’unité de la durée.

# En minutes
units(age) <- "mins"
print(age)

Time difference of 42929280 mins

# En semaines
units(age) <- "weeks"
print(age)

Time difference of 4258.857 weeks

Le package lubridate propose aussi d’autres formatages des durées :

library("lubridate")


Attaching package: 'lubridate'

The following objects are masked from 'package:base':

    date, intersect, setdiff, union

time_length(age, unit = "year")

[1] 81.62081

24.6.2 Fonctionnalités avancées avec `lubridate`

Le package lubridate propose des fonctions de lecture de date semblables aux fonctions (base::as.Date(), format(), as.POSIXct())

On peut résumer les équivalences des principales fonctions dans le tableau ci-dessous :

Fonction `lubridate`	Équivalent R `base`	Type
`today()`, `now()`	`Sys.Date()`, `Sys.time()`	Création de date
`years()`, `weeks()`, `hours()`, `seconds()` …	-	Création de durée
`with_tz()`	`base::as.Date()` ou `as.POSIXct()` avec l’argument `ts`	Modification d’une date
`ymd()`, `ydm_hm()`, …	`base::as.Date()` ou `as.POSIXct()`	Lecture de date

Les fonctions de création de durée permettent de modifier et décaler les dates.

Une date au format Date est stockée sous la forme d’un nombre de jours ainsi :

# En R base
Sys.Date() + 5L # Date dans 5 jours

[1] "2024-05-01"

# Avec lubridate
Sys.Date() + days(5L) # Date dans 5 jours

[1] "2024-05-01"

Par exemple, si je veux avoir la même date il y a 5 ou 4 ans :

fev_29 <- base::as.Date("2016-02-29")

# Il y a 5 ans, 29 fevrier 2011 n'existe pas :
fev_29 - 365.2425 * 5 # Pas exactement la même date

[1] "2011-02-28"

fev_29 - years(5L) # Calcul impossible

[1] NA

# Il y a 4 ans :
fev_29 - 365.2425 * 4

[1] "2012-02-29"

fev_29 - years(4L)

[1] "2012-02-29"

24.7 Les séries temporelles en R

24.7.1 Créer une série temporelle

Pour créer une série temporelle, on utilise la fonction ts() du package stats. L’argument frequency est le nombre de période en 1 an.

# Pour une série annuelle, frequency = 1L
serie_annuelle <- ts(1:20, start = 2003L, frequency = 1L)

# Pour une série trimestrielle, frequency = 4L
serie_trimestrielle <- ts(21:40, end = 2023L, frequency = 4L)

# Pour une série mensuelle, frequency = 12L
serie_mensuelle <- ts(41:60, start = 2020L, frequency = 12L)

⚠️ Attention ⚠️

La fonction ts() du package stats n’est pas faite pour fonctionner avec des fréquences non entières.

24.7.2 Autres formats de dates

Les objets ts fonctionnent aussi avec des dates mais dans un format différent. Pour délimiter notre série temporelle, il faut utiliser les arguments start et/ou end ainsi qu’une fréquence (entière).

Les arguments start et end doivent être au format AAAA, c(AAAA, PP) ou AAAA + (PP - 1)/T, avec :

AAAA l’année en 4 caractère
et PP le numéro de la période (dépendant de la fréquence)
et T la fréquence de la série

Plus d’informations sur la page d’aide de la fonction start() (accessible via help(start)).

Ces formats ne sont lisibles qu’avec la fréquence.

Exemple :

Pour frequency = 4L, 2021L et c(2021L, 1L) représentent la même date (1er trimestre 2021)
Pour frequency = 12L, 2019 + 3/12 = 2019.25 et c(2019L, 4L) représentent la même date

Ainsi c(2020L, 5L) désigne mai 2020 pour des séries mensuelles (frequency = 12L) mais le 1^er trimestre 2021 pour des séries trimestrielles (frequency = 4L).

24.7.3 Fonctions des objets `ts`

Pour obtenir des informations sur un objet ts, on peut utiliser les fonctions suivantes :

start() : retourne la date de début de la série,
end() : retourne la date de fin de la série,
frequency() : retourne la fréquence de la série,
et time() : retourne le vecteur de date indexant la série temporelle

start(serie_mensuelle)

[1] 2020    1

end(serie_mensuelle)

[1] 2021    8

frequency(serie_mensuelle)

[1] 12

time(serie_mensuelle)

          Jan      Feb      Mar      Apr      May      Jun      Jul      Aug
2020 2020.000 2020.083 2020.167 2020.250 2020.333 2020.417 2020.500 2020.583
2021 2021.000 2021.083 2021.167 2021.250 2021.333 2021.417 2021.500 2021.583
          Sep      Oct      Nov      Dec
2020 2020.667 2020.750 2020.833 2020.917
2021

Les dates en output de time() sont au format ts et non au format Date. Pour les convertir, il faut utiliser la fonction zoo::as.Date() :

library("zoo")


Attaching package: 'zoo'

The following objects are masked from 'package:base':

    as.Date, as.Date.numeric

zoo::as.Date(time(serie_mensuelle))

 [1] "2020-01-01" "2020-02-01" "2020-03-01" "2020-04-01" "2020-05-01"
 [6] "2020-06-01" "2020-07-01" "2020-08-01" "2020-09-01" "2020-10-01"
[11] "2020-11-01" "2020-12-01" "2021-01-01" "2021-02-01" "2021-03-01"
[16] "2021-04-01" "2021-05-01" "2021-06-01" "2021-07-01" "2021-08-01"

24.7.4 Séries hautes fréquences avec `zoo`

Le package zoo a d’autres utilités, notamment gérer les séries haute-fréquence.

On peut construire des séries journalières :

#data : https://www.letour.fr/fr/parcours-general
date_tour_de_france <- seq(from = as.Date("2023-06-29"), 
                           to = as.Date("2023-07-21"), by = "day")
kilometre_etape <- c(182, 209, 193.5, 182, 163, 145, 170, 201, 
                     182.5, 0, 167.5, 180, 169, 138, 152, 179, 
                     0, 22.4, 166, 185, 173, 133.5, 115.5)

tour_de_france_ts <- zoo(x = kilometre_etape, 
                         order.by = date_tour_de_france)

On peut construire des séries infra-journalières (heure par heure ou encore plus haute-fréquence) :

#data : https://joint-research-centre.ec.europa.eu/photovoltaic-geographical-information-system-pvgis/pvgis-tools/hourly-radiation_en
heures_journee <- seq(from = as.POSIXct("2016-07-01 00:10:00"), 
                           to = as.POSIXct("2016-07-01 23:10:00"), by = "hours")
temperature <- c(19.42, 19.21, 18.99, 18.78, 19.71, 20.64, 21.57, 22.82, 
                 24.06, 25.31, 26.25, 27.19, 28.12, 28.44, 28.75, 29.06, 
                 28.22, 27.38, 26.54, 24.81, 23.08, 21.35, 21.02, 20.69)

temp_ts <- zoo(x = temperature, 
               order.by = heures_journee)

24.8 Afficher des séries temporelles

Plusieurs packages permettent l’affichage des séries temporelles.

24.8.1 Classique `plot()`

La fonction plot() du package graphics (méthode plot.ts() du package stats) permet d’afficher simplement des séries temporelles :

plot(x = tour_de_france_ts, col = "blue", 
     ylab = "Distance (en km)", xlab = "Time", 
     main = "Distance parcourue par jour (TDF 2023)")

plot(x = temp_ts, col = "red", 
     main = "Temperature")

24.8.2 Package `ggplot2`

Le package ggplot2 propose une grande variété de graphiques. Il est nécessaire au préalable de convertir l’objet en data.frame pour construire le graphique.

library("ggplot2")

sunspots_df <- data.frame(date = time(sunspots), value = sunspots)

ggplot(sunspots_df, aes(x=date, y=value)) +
  geom_line()

Don't know how to automatically pick scale for object of type <ts>. Defaulting
to continuous.
Don't know how to automatically pick scale for object of type <ts>. Defaulting
to continuous.

Pour plus d’informations sur l’utilisation de ggplot2, voir la fiche sur les graphiques

24.8.3 Package `dygraphs`

Le package dygraphs propose aussi des graphiques pour séries temporelles. L’avantage de ce package est l’interactivité et la possibilité de zoomer dans les graphiques.

library("dygraphs")

dygraph(temp_ts)

On peut aussi afficher plusieurs courbes sur le même graphique :

dygraph(cbind(fdeaths, mdeaths))