Python數(shù)據(jù)可視化使用matplotlib繪制高級圖表

第8章

使用matplotlib繪制高級圖表·繪制等高線圖·繪制矢量場流線圖·繪制棉棒圖·繪制啞鈴圖·繪制甘特圖·繪制人口金字塔圖·繪制漏斗圖·繪制桑基圖·繪制樹狀圖·繪制華夫餅圖了解掌握

學(xué)習(xí)目標(biāo)了解常見高級圖表的特點(diǎn)12掌握高級圖表的繪制方法目錄頁8.1繪制等高線圖8.2繪制矢量場流線圖8.3繪制棉棒圖8.4繪制啞鈴圖8.5繪制甘特圖8.6繪制人口金字塔圖目錄頁8.7繪制漏斗圖8.8繪制?；鶊D8.9繪制樹狀圖8.10繪制華夫餅圖8.11本章小結(jié)目錄頁8.1繪制等高線圖8.2繪制矢量場流線圖8.3繪制棉棒圖8.4繪制啞鈴圖8.5繪制甘特圖8.6繪制人口金字塔圖等高線圖是地形圖上高程相等的相鄰各點(diǎn)所連成的閉合曲線，它會將地面上海拔高度相同的點(diǎn)連成環(huán)線，之后將環(huán)線垂直投影到某一水平面上，并按照一定的比例縮繪到圖紙上，常見于山谷、山峰或梯度下降算法的場景。8.1繪制等高線圖8.1繪制等高線圖等高線圖包含三個(gè)主要的信息，分別為坐標(biāo)點(diǎn)的x值、坐標(biāo)點(diǎn)y值以及坐標(biāo)點(diǎn)的高度。假設(shè)坐標(biāo)點(diǎn)的高度為h，則h、x、y之間的關(guān)系如下所示：

8.1繪制等高線圖X，Y：表示坐標(biāo)點(diǎn)的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。Z：表示坐標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)的高度數(shù)據(jù)。levels：表示等高線的數(shù)量。若levels為n，則說明繪制n+1條等高線。colors：表示不同高度的等高線顏色。cmap：表示顏色映射表。linewidths：表示等高線的寬度。linestyles：表示等高線的線型。在matplotlib中，使用pyplot模塊的contour()、contourf()函數(shù)可以繪制和填充等高線圖。contour()函數(shù)的語法格式如下所示：contour([X,Y,]Z,[levels,]**kwargs)語法8.1繪制等高線圖需要注意的是，參數(shù)X、Y需要接收網(wǎng)格數(shù)據(jù)，即以坐標(biāo)矩陣批量地描述點(diǎn)的位置。numpy模塊的meshgrid()函數(shù)可以生成網(wǎng)格數(shù)據(jù)。除此之外，contourf()與contour()函數(shù)的參數(shù)相似，此處不再贅述。8.1繪制等高線圖示例fig=plt.figure()ax=fig.add_subplot(111)#繪制等高線con=ax.contour(x_grid,y_grid,calcu_elevation(x_grid,y_grid),8,colors='black')#填充等高線的顏色ax.contourf(x_grid,y_grid,calcu_elevation(x_grid,y_grid),8,alpha=0.75,cmap=plt.cm.copper)#為等高線添加文字標(biāo)簽ax.clabel(con,inline=True,fmt='%1.1f',fontsize=10)目錄頁8.1繪制等高線圖8.2繪制矢量場流線圖8.3繪制棉棒圖8.4繪制啞鈴圖8.5繪制甘特圖8.6繪制人口金字塔圖矢量場流線圖可以表現(xiàn)矢量場的流態(tài)，常見于科學(xué)和自然學(xué)科中的磁場、萬有引力和流體運(yùn)動等場景。矢量場流線圖包含多條帶有箭頭的線條，其中線條的長度表示矢量場的強(qiáng)度，箭頭的方向表示矢量場的方向。此外，矢量場的強(qiáng)度也可以使用線條的密度來表示。8.2繪制矢量場流線圖8.2繪制矢量場流線圖x，y：表示間距均勻的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。u，v：表示(x,y)速率的二維數(shù)組。density：表示流線的密度。linewidth：表示流線的寬度。arrowsize：表示箭頭的大小。arrowstyle：表示箭頭的類型。minlength：表示流線的最小長度。maxlength：表示流線的最大長度。使用pyplot模塊的streamplot()函數(shù)可以繪制矢量場流線圖。語法streamplot(x,

y,

u,

v,

density=1,

linewidth=None,

col=None,

cmap=None,

norm=None,

arrowsize=1,

arrowstyle='-|>',

minlength=0.1,

transform=None,

zorder=None,

start_points=None,

maxlength=4.0,

integration_direction='both',

*,

data=None)8.2繪制矢量場流線圖示例importnumpyasnpimportmatplotlib.pyplotasplty,x=np.mgrid[0:5:50j,0:5:50j]u=xv=yfig=plt.figure()ax=fig.add_subplot(111)#繪制矢量場流線圖ax.streamplot(x,y,u,v)plt.show()目錄頁8.1繪制等高線圖8.2繪制矢量場流線圖8.3繪制棉棒圖8.4繪制啞鈴圖8.5繪制甘特圖8.6繪制人口金字塔圖棉棒圖亦稱為火柴桿圖、大頭針圖或棒棒糖圖，由線段（莖）與標(biāo)記符號（莖頭，默認(rèn)為圓點(diǎn)）連接而成，其中線段表示數(shù)據(jù)點(diǎn)到基線的距離，標(biāo)記符號表示數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)值。棉棒圖是柱形圖或條形圖的變形，主要用于比較標(biāo)記符號的相對位置，而非比較線段的長度。8.3繪制棉棒圖8.3繪制棉棒圖x，y：表示莖的x值和莖頭的y值。linefmt：表示莖屬性的字符串。markerfmt：表示莖頭屬性的字符串。basefmt：表示基線屬性的字符串。bottom：表示基線的y值。label：表示應(yīng)用于圖例的標(biāo)簽。use_line_collection：若設(shè)為True，則將棉棒圖的所有線段存儲到一個(gè)LineCollection類對象中；若設(shè)為False，則將棉棒圖的所有線段存儲到列表中。使用pyplot模塊的stem()函數(shù)可以繪制棉棒圖。stem([x,]y,

linefmt=None,

markerfmt=None,

basefmt=None,

bottom=0,

label=None,

use_line_collection=False,

data=None)語法stem()函數(shù)會返回一個(gè)形如(markerline,

stemlines,

baseline)的元組，其中元組的第1個(gè)元素markerline為代表棉棒圖標(biāo)記的Line2D對象，第2個(gè)元素stemlines為代表棉棒圖線段的Line2D對象，第3個(gè)元素baseline為代表基線的Line2D對象。8.3繪制棉棒圖8.3繪制棉棒圖下面根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)，將轎車品牌列的數(shù)據(jù)作為x軸的標(biāo)簽，將燃料消耗量列的數(shù)據(jù)作為y軸的數(shù)據(jù)，使用stem()繪制不同品牌轎車燃料消耗量的棉棒圖。8.3繪制棉棒圖由圖可知，賽歐轎車的燃料消耗量最大，約為7.9L/km。莖頭是圓形莖是虛線目錄頁8.1繪制等高線圖8.2繪制矢量場流線圖8.3繪制棉棒圖8.4繪制啞鈴圖8.5繪制甘特圖8.6繪制人口金字塔圖啞鈴圖亦稱為DNA圖（圖表橫著看像啞鈴，豎著看像DNA），主要用于展示兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的變化。啞鈴圖可以看作散點(diǎn)圖與線型圖的組合，適用于比較各種項(xiàng)目“前”與“后”的位置及項(xiàng)目的等級排序的場景。8.4繪制啞鈴圖8.4繪制啞鈴圖下面根據(jù)health.xlsx文件的數(shù)據(jù)，將city列的數(shù)據(jù)作為y軸的刻度標(biāo)簽，將pct_2014和pct_2013兩列的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)點(diǎn)，再在兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間添加線條，繪制由數(shù)據(jù)點(diǎn)和線條組成的啞鈴圖

。8.4繪制啞鈴圖由圖可知，洛杉磯市人口PCT指標(biāo)的變化率最大，圣路易斯市人口PCT指標(biāo)的變化率最小。2013年P(guān)CT指標(biāo)的變化率2014年P(guān)CT指標(biāo)的變化率目錄頁8.1繪制等高線圖8.2繪制矢量場流線圖8.3繪制棉棒圖8.4繪制啞鈴圖8.5繪制甘特圖8.6繪制人口金字塔圖甘特圖亦稱為橫道圖、條狀圖，它通過活動列表和時(shí)間刻度表示特定項(xiàng)目的順序與持續(xù)時(shí)間。甘特圖一般以時(shí)間為橫軸，項(xiàng)目為縱軸，可以直觀地展示每個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)展情況，便于管理者了解項(xiàng)目的剩余任務(wù)及評估工作進(jìn)度。8.5繪制甘特圖8.5繪制甘特圖甘特圖類似于條形圖，這兩種圖表的圖形都是橫向矩形條，但甘特圖中每個(gè)矩形條的起始位置是不同的。使用pyplot的barh()函數(shù)可以繪制一個(gè)甘特圖，只需要給該函數(shù)的left參數(shù)傳值，指定每個(gè)矩形條的x坐標(biāo)即可。已知某公司預(yù)計(jì)開辟一個(gè)新項(xiàng)目，為確保項(xiàng)目的可行性，將該項(xiàng)目分解成“項(xiàng)目確定”“問卷設(shè)計(jì)”“試訪”“問卷確定”“實(shí)地執(zhí)行”“數(shù)據(jù)錄入”“數(shù)據(jù)分析”和“報(bào)告提交”8個(gè)子任務(wù)，并指定了各子任務(wù)的周期。8.5繪制甘特圖8.5繪制甘特圖已知每個(gè)子任務(wù)的開發(fā)周期依次為：0.5,1.5,1,3,0.5,1,1,2，下面根據(jù)這些數(shù)據(jù)，使用barh()函數(shù)繪制一個(gè)甘特圖，通過該圖表展示整個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)周期。示例ticks=np.array(['報(bào)告提交','數(shù)據(jù)分析','數(shù)據(jù)錄入','實(shí)地執(zhí)行','問卷確定','試訪','問卷設(shè)計(jì)','項(xiàng)目確定'])y_data=np.arange(1,9)x_data=np.array([0.5,1.5,1,3,0.5,1,1,2])fig,ax=plt.subplots(1,1)ax.barh(y_data,x_data,tick_label=ticks,left=[7.5,6,5.5,3,3,2,1.5,0],color='#CD5C5C')[ax.spines[i].set_visible(False)foriin['top','right']]8.5繪制甘特圖每個(gè)紅色的條形代表任務(wù)的周期，條形越長代表周期越長。由圖可知，“實(shí)地執(zhí)行”任務(wù)的周期最長，共計(jì)3天。目錄頁8.1繪制等高線圖8.2繪制矢量場流線圖8.3繪制棉棒圖8.4繪制啞鈴圖8.5繪制甘特圖8.6繪制人口金字塔圖人口金字塔圖是指用類似古埃及金字塔的形象描述人口年齡與性別分布狀況的圖形，用于表現(xiàn)人口的現(xiàn)狀及其發(fā)展類型。人口金字塔圖一般以年齡為縱軸、以人口數(shù)為橫軸，按年齡自然順序自下而上在縱軸左側(cè)和右側(cè)繪制并列的橫向矩形條，縱軸左側(cè)為男，右側(cè)為女。8.6繪制人口金字塔人口金字塔圖中左側(cè)的一組矩形條代表各年齡段男性的人口數(shù)，右側(cè)的一組矩形條代表各年齡段女性的人口數(shù)。使用pyplot模塊的barh()函數(shù)可以繪制一個(gè)人口金字塔圖。8.6繪制人口金字塔2018年中國國家統(tǒng)計(jì)局對某城市的人口進(jìn)行抽樣調(diào)查，并將調(diào)查后的結(jié)果整理到population.xlsx文件中，具體如右表所示。8.6繪制人口金字塔下面使用pandas讀取population.xlsx文件的數(shù)據(jù)，并根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)繪制一個(gè)下圖所示的人口金字塔圖。8.6繪制人口金字塔左側(cè)的矩形條代表不同年齡段的男性人口數(shù)量，右側(cè)的矩形條代表不同年齡段的女性人口數(shù)量。由圖可知，各年齡段男性人口的數(shù)量與女性人口的數(shù)量相差不大，且位于40～49歲年齡段的人口數(shù)量最多。目錄頁8.7繪制漏斗圖8.8繪制?；鶊D8.9繪制樹狀圖8.10繪制華夫餅圖8.11本章小結(jié)漏斗圖亦稱為倒三角圖，它將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為幾個(gè)階段，每個(gè)階段的占比總計(jì)為100%，從一個(gè)階段到另一階段的數(shù)據(jù)自上而下逐漸降低。漏斗圖通過展示業(yè)務(wù)各階段數(shù)據(jù)的變化，可以幫助運(yùn)營人員快速發(fā)現(xiàn)問題，適用于業(yè)務(wù)流程較為規(guī)范、周期長、環(huán)節(jié)多的流程分析的場景。8.7繪制漏斗圖8.7繪制漏斗圖下面根據(jù)的表格中的數(shù)據(jù)，繪制一個(gè)由矩形條和線段組成的簡易版的漏斗圖。8.7繪制漏斗圖漏斗圖中條形長短代表著客戶轉(zhuǎn)化率的多少。由圖可知，完成交易的客戶轉(zhuǎn)化率為15%。目錄頁8.7繪制漏斗圖8.8繪制?；鶊D8.9繪制樹狀圖8.10繪制華夫餅圖8.11本章小結(jié)?；鶊D亦稱為桑基能量分流圖、?；芰科胶鈭D，是一種特定類型的流程圖，用于展示數(shù)據(jù)的“流動”變化。?；鶊D中包含若干條從左到右延展的分支，每條分支的寬度代表著數(shù)據(jù)流量的大小，且所有主支寬度的總和等于所有分支寬度的總和，常見于能源、材料成分等場景或金融領(lǐng)域。8.8繪制?；鶊Dmatplotlib.sankey模塊中專門提供了表示桑基圖的類Sankey，通過創(chuàng)建Sankey類的對象可以創(chuàng)建?；鶊D，之后可以調(diào)用add()方法為?；鶊D添加一些配置選項(xiàng)，最后調(diào)用finish()方法完成?；鶊D的繪制。8.8繪制?；鶊D8.8繪制?；鶊Dmatplotlib中使用Sankey類的構(gòu)造方法Sankey()創(chuàng)建桑基圖。創(chuàng)建?；鶊DSankey(ax=None,

scale=1.0,

unit='',

format='%G',

gap=0.25,

radius=0.1,

shoulder=0.03,

offset=0.15,

head_angle=100,

margin=0.4,

tolerance=1e-06,

**kwargs)語法ax：若不提供該參數(shù)，會創(chuàng)建一個(gè)新的坐標(biāo)軸。scale：表示流量比例因子比例調(diào)整分支的寬度。unit：表示與流量相關(guān)的物理單位的字符串。若設(shè)為None，則不會做數(shù)量標(biāo)記。gap：表示進(jìn)入或離開頂部或底部的分支之間的間距，默認(rèn)為0.25。8.8繪制?；鶊DSankey類對象可以調(diào)用add()方法為?；鶊D添加諸如數(shù)據(jù)流量、標(biāo)簽等選項(xiàng)。添加?；鶊D的選項(xiàng)add(self,

patchlabel='',

flows=None,

orientations=None,

labels='',

trunklength=1.0,

pathlengths=0.25,

prior=None,

connect=(0,

0),

rotation=0,

**kwargs)語法patchlabel：表示位于圖表中心的標(biāo)簽。flows：表示流量數(shù)據(jù)的數(shù)組，其中投入數(shù)據(jù)為正值，產(chǎn)生數(shù)據(jù)為負(fù)值。orientations：表示流的方向列表或用于所有流的單個(gè)方向，可以取值為0（從左側(cè)輸入、右側(cè)輸出）、1（從頂部到頂部）或-1（從底部到底部）。labels：表示流的標(biāo)簽列表或用于所有流的單個(gè)標(biāo)簽。trunklength：表示輸入組和輸出組的基之間的長度。8.8繪制?；鶊DSankey類對象在添加完數(shù)據(jù)之后需要調(diào)用finish()方法完成繪制，并返回包含多個(gè)桑基子圖的列表。桑基子圖包含以下字段：返回?；鶊D繪制完成的對象patch：表示?；訄D的輪廓。flows：表示流量值（輸入為正，輸出為負(fù)）。angles：表示箭頭角度的列表。tips：表示流路徑的尖端或凹陷位置的數(shù)組，其中每一行是一個(gè)(x,y)。text：表示中心標(biāo)簽的Text實(shí)例。texts：表示流分支標(biāo)簽的Text實(shí)例。假設(shè)現(xiàn)在小明家日常生活的開支主要分為旅行、聚餐、生活、購物、深造、運(yùn)動、買書和其它幾類，且其中每項(xiàng)投入或產(chǎn)出值分別為0.2、0.1、0.4、0.3、-0.6、-0.05、-0.15、-0.2。下面結(jié)合這些日常生活開支的數(shù)據(jù)繪制一個(gè)?；鶊D。8.8繪制?；鶊D示例#創(chuàng)建Sankey類對象sankey=Sankey()#為?；鶊D添加數(shù)據(jù)sankey.add(flows=flows,labels=labels,

orientations=orientations,color="black",fc="lightgreen",patchlabel="生活消費(fèi)",alpha=0.7)#桑基圖繪制完成的對象diagrams=sankey.finish()8.8繪制?；鶊D?；鶊D的各個(gè)分支代表生活消費(fèi)的每個(gè)選項(xiàng)，其中分支末端呈內(nèi)凹形狀的分支代表收入的數(shù)據(jù)，呈箭頭形狀的分支代表支出的數(shù)據(jù)。由圖可知，工資和副業(yè)這兩項(xiàng)代表的分支均屬于生活消費(fèi)的收入數(shù)據(jù)，其余選項(xiàng)的分支均屬于生活消費(fèi)的支出數(shù)據(jù)，且深造選項(xiàng)的支出最多。目錄頁8.7繪制漏斗圖8.8繪制?；鶊D8.9繪制樹狀圖8.10繪制華夫餅圖8.11本章小結(jié)樹狀圖亦稱為樹枝狀圖，是一種通過樹狀結(jié)構(gòu)描述父子成員層次結(jié)構(gòu)的圖形。樹形圖的形狀一般是一個(gè)上下顛倒的樹，其根部是一個(gè)沒有父成員的根節(jié)點(diǎn)，之后從根節(jié)點(diǎn)開始是用線連接子成員，使子成員變?yōu)樽庸?jié)點(diǎn)，直至線的末端為沒有子成員的樹葉節(jié)點(diǎn)為止。樹狀圖用于說明成員之間的關(guān)系和連接，常見于分類學(xué)、進(jìn)化科學(xué)、企業(yè)組織管理等領(lǐng)域。8.9繪制樹狀圖樹狀圖的繪制需要準(zhǔn)備聚類數(shù)據(jù)。若單獨(dú)使用matplotlib較為繁瑣，因此這里可以結(jié)合scipy包的功能完成。scipy是一款基于numpy的、專為科學(xué)和工程設(shè)計(jì)的、易于使用的Python包，它提供了線性代數(shù)、傅里葉變換、信號處理等豐富的功能。8.9繪制樹狀圖scipy.cluster模塊中包含眾多聚類算法，主要包括矢量量化和層次聚類兩種，并分別封裝到vq或hierarchy模塊中。hierarchy模快中提供了一系列聚類的功能，可以輕松地生成聚類數(shù)據(jù)并繪制樹狀圖。8.9繪制樹狀圖8.9繪制樹狀圖dendrogram()函數(shù)用于將層次聚類數(shù)據(jù)繪制為樹狀圖。dendrogram()函數(shù)dendrogram(Z,

p=30,

truncate_mode=None,

color_threshold=None,

get_leaves=True,

orientation='top',

labels=None,

count_sort=False,

distance_sort=False,

show_leaf_counts=True,

**kwargs)語法Z：表示編碼層次聚類的鏈接矩陣。truncate_mode：表示截?cái)嗟哪Ｊ?，用于壓縮因觀測矩陣過大而難以閱讀的樹狀圖，可以取值為None（不執(zhí)行截?cái)?，默認(rèn)）、'lastp'、'level'。color_threshold：表示顏色閾值。labels：表示節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的文本標(biāo)簽。8.9繪制樹狀圖linkage()函數(shù)用于將一維壓縮距離矩陣或二維觀測向量陣列進(jìn)行層次聚類或凝聚聚類。linkage()函數(shù)linkage(y,

method='single',

metric='euclidean',

optimal_ordering=False)語法y：可以是一維距離向量或二維的坐標(biāo)矩陣。method：表示計(jì)算類簇之間距離的方法，常用的取值可以為'single'、

'complete'、

'average'和'ward‘，其中'single'表示將類簇與類簇之間最近的距離作為類簇間距；

'complete'表示將類簇與類簇之間最遠(yuǎn)的距離作為類簇間距；'average'表示將類簇與類簇之間的平均距離作為類簇間距；'ward‘表示將每個(gè)類簇的方差最小化作為類簇間距。8.9繪制樹狀圖美國對各個(gè)州的謀殺、暴力、爆炸犯罪案件的數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并將統(tǒng)計(jì)后的結(jié)果整理到USArrests.xlsx文件中。下面使用pandas讀取USArrests.xlsx文件的數(shù)據(jù)，并將犯罪案例數(shù)量相似度高的州進(jìn)行聚類后繪制一個(gè)樹狀圖。目錄頁8.7繪制漏斗圖8.8繪制桑基圖8.9繪制樹狀圖8.10繪制華夫餅圖8.11本章小結(jié)華夫餅圖亦稱為直角餅圖，它是餅圖的變體，可以直觀地展示部分與整體的比例。華夫餅圖一般由100個(gè)方格組成，其中每個(gè)方格代表1%，不同顏色的方格代表不同的分類，常見于比較同類型指標(biāo)完成比例的場景，比如電影上座率、公司業(yè)務(wù)實(shí)際完成率等。8.10繪制華夫餅圖8.10繪制華夫餅圖matplotlib中并未提供華夫餅圖的繪制函數(shù)，但可以結(jié)合pywaffle包一起使用來繪制華夫餅圖。8.10繪制華夫餅圖開發(fā)者可以直接使用pip命令安裝pywaffle包。打開命令提示符工具，在提示符的后面輸入如下命令：pywaffle的安裝pipinstallpywaffle以上命令執(zhí)行后，若命令提示符窗口出現(xiàn)如下字樣，說明pywaffle包安裝完成：Installingcollectedpackages:pywaffleSuccessfullyinstalledpywaffle-0.4.18.10繪制華夫餅圖安裝完成后，在提示符的后面輸入python，之后輸入如下導(dǎo)入語句進(jìn)行驗(yàn)證：pywaffle的安裝frompywaffleimportWaffle執(zhí)行以上語句后，若命令提示符窗口沒有出現(xiàn)任何錯(cuò)誤信息，說明pywaffle安裝成功，否則說明安裝失敗。8.10繪制華夫餅圖pywaffle是Python中專門繪制華夫餅圖的包，它提供了一個(gè)繼承自Figure的子類Waffle，通過將Waffle類傳遞給figure()函數(shù)的FigureClass參數(shù)，即可創(chuàng)建一個(gè)華夫餅圖。關(guān)于figure()函數(shù)中創(chuàng)建華夫餅圖的常用參數(shù)的