第7章 繪制3D圖表和統(tǒng)計圖

第7章

繪制3D圖表和統(tǒng)計地圖·mplot3d工具包·

繪制常見的3D圖表·animation模塊·basemap工具包掌握掌握掌握

學習目標掌握mplot3d工具包的用法12掌握animation模塊的用法掌握basemap工具包的用法3目錄頁7.1使用mplot3d繪制3D圖表7.2使用animation制作動圖7.3使用basemap繪制統(tǒng)計地圖7.4本章小結目錄頁7.1使用mplot3d繪制3D圖表7.2使用animation制作動圖7.3使用basemap繪制統(tǒng)計地圖7.4本章小結7.1.1mplot3d概述matplotlib不僅專注于二維圖表的繪制，也具有繪制3D圖表、統(tǒng)計地圖的功能，并將這些功能分別封裝到工具包mpl_toolkits.mplot3d、mpl_toolkits.basemap中，另外可以結合animation模塊給圖表添加動畫效果。通過以下兩種方式可以創(chuàng)建Axes3D類的對象。

第一種：Axes3D()方法。第二種：add_subplot()方法。7.1.1mplot3d概述mplot3d是matplotlib中專門繪制3D圖表的工具包，它主要包含一個繼承自Axes的子類Axes3D，使用Axes3D類可以構建一個三維坐標系的繪圖區(qū)域。7.1.1mplot3d概述Axes3D()是構造方法，它直接用于構建一個Axes3D類的對象。Axes3D()方法Axes3D(fig,

rect=None,

*args,

azim=-60,

elev=30,

zscale=None,

sharez=None,

proj_type='persp',

**kwargs)語法fig：表示繪圖區(qū)域所屬的畫布。rect：表示確定三維坐標系位置的元組。7.1.1mplot3d概述在調(diào)用add_subplot()方法添加繪圖區(qū)域時為該方法傳入projection=‘3d’，即指定坐標系的類型為三維坐標系，并返回一個Axes3D類的對象。add_subplot()方法示例importmatplotlib.pyplotaspltfrommpl_toolkits.mplot3dimportAxes3Dfig=plt.figure()ax=fig.add_subplot(111,projection='3d')7.1.1mplot3d概述官方推薦使用add_subplot()方法創(chuàng)建Axes3D類的對象。Axes3D類中提供了一些用于設置標題和坐標軸的方法，關于這些方法及說明具體如下表所示。7.1.1mplot3d概述常見的3D圖表包括3D線框圖、3D曲面圖、3D柱形圖、3D散點圖等。Axes3D類中提供了一些繪制3D圖表的方法，關于這些方法及其說明如下表所示。7.1.2繪制常見的3D圖表7.1.2繪制常見的3D圖表Axes3D類的對象使用plot_wireframe()方法繪制線框圖。

繪制3D線框圖plot_wireframe(self,

X,

Y,

Z,

*args,

**kwargs)語法X，Y，Z：表示x、y、z軸的數(shù)據(jù)。rcount，ccount：表示每個軸方向上使用的最大樣本量，默認為50。若輸入的樣本量更大，則會采用降采樣的方式減少樣本的數(shù)量；若輸入的樣本量為0，則不會對相應軸方向的數(shù)據(jù)進行采樣。rstride，cstride：表示采樣的密度。若僅使用參數(shù)rstride或cstride中任意一個，則另一個參數(shù)默認為0。7.1.2繪制常見的3D圖表繪制3D線框圖示例fig=plt.figure()ax=fig.add_subplot(111,projection='3d')#獲取測試數(shù)量X,Y,Z=axes3d.get_test_data(0.05)#繪制3D線框圖ax.plot_wireframe(X,Y,Z,rstride=10,cstride=10)plt.show()7.1.2繪制常見的3D圖表繪制3D曲面圖Axes3D類的對象使用plot_surface()方法繪制3D曲面圖。

plot_surface(self,

X,

Y,

Z,

*args,

norm=None,

vmin=None,

vmax=None,

lightsource=None,

**kwargs)語法X，Y，Z：表示x、y、z軸的數(shù)據(jù)。rcount，ccount：表示每個坐標軸方向上使用的最大樣本量，默認為50。rstride，cstride：表示采樣的密度。color：表示曲面的顏色。cmap：表示曲面的顏色映射表。shade：表示是否對曲面進行著色。7.1.2繪制常見的3D圖表繪制3D曲面圖示例x1=np.arange(-5,5,0.25)y1=np.arange(-5,5,0.25)x1,y1=np.meshgrid(x1,y1)r1=np.sqrt(x1**2+y1**2)z1=np.sin(r1)fig=plt.figure()ax=fig.add_subplot(111,projection='3d')#繪制曲面圖ax.plot_surface(x1,y1,z1,cmap=cm.coolwarm,linewidth=0,antialiased=False)#設置z軸刻度的范圍、位置、格式ax.set_zlim(-1.01,1.01)7.1.3實例1：三維空間的星星本實例要求根據(jù)一組測試數(shù)據(jù)，繪制包含若干個五角星的3D散點圖，并將位于指定值范圍的五角星設置成指定的顏色：若10<z<20，設置五角星的顏色為#C71585；若z>=20，設置五角星的顏色為#008B8B；其他情況設置五角星的顏色為黃色。x=np.random.randint(0,40,30)y=np.random.randint(0,40,30)z=np.random.randint(0,40,30)測試數(shù)據(jù)7.1.3實例1：三維空間的星星星星總共有3種顏色，分別是#C71585、'#008B8B‘

、'y'標題為“3D散點圖”x、y、z軸的標簽依次為x軸、y軸、z軸目錄頁7.1使用mplot3d繪制3D圖表7.2使用animation制作動圖7.3使用basemap繪制統(tǒng)計地圖7.4本章小結7.2.1animation概述與靜態(tài)圖表相比，添加了動畫效果的動態(tài)圖表更加生動形象，更能激發(fā)用戶繼續(xù)探索數(shù)據(jù)的熱情。matplotlib在1.1版本的標準庫中加入了動畫模塊——animation，使用該模塊的Animation類可以實現(xiàn)一些基本的動畫效果。Animation類是一個動畫基類，它針對不同的行為分別派生了不同的子類，主要包括FuncAnimation和ArtistAnimation類。7.2.1animation概述FuncAnimation類表示基于重復調(diào)用一個函數(shù)的動畫。ArtistAnimation類表示基于一組固定Artist（標準的繪圖元素，比如文本、線條、矩形等）對象的動畫。7.2.1animation概述FuncAnimation類FuncAnimation是基于函數(shù)的動畫類，它通過重復地調(diào)用同一函數(shù)來制作動畫。FuncAnimation(fig,

func,

frames=None,

init_func=None,

fargs=None,

save_count=None,

*,

cache_frame_data=True,

**kwargs)構造方法fig：表示動畫所在的畫布。func：表示每幀動畫調(diào)用的函數(shù)。frames：表示動畫的長度（一次動畫包含的幀數(shù)）。init_func：表示用于開始繪制幀的函數(shù)，它會在第一幀動畫之前調(diào)用一次。若未設置該參數(shù)，則程序將使用frames

序列中第一項的繪圖結果。fargs：表示傳遞給func函數(shù)的其它參數(shù)。interval：表示更新動畫的頻率，以毫秒為單位，默認為200。7.2.1animation概述示例x=np.arange(0,2*np.pi,0.01)fig,ax=plt.subplots()line,=ax.plot(x,np.sin(x))defanimate(i):line.set_ydata(np.sin(x+i/10.0))returnline,definit():line.set_ydata(np.sin(x))returnline,ani=FuncAnimation(fig=fig,func=animate,frames=100,init_func=init,interval=20,blit=False)正弦曲線移動效果7.2.1animation概述ArtistAnimation類ArtistAnimation是基于一組Artist對象的動畫類，它通過一幀一幀的數(shù)據(jù)制作動畫。ArtistAnimation(fig,

artists,

interval,repeat_delay,repeat,blit,*args,

**kwargs)語法fig：表示動畫所在的畫布。artists：表示一組Artist

對象的列表。interval：表示更新動畫的頻率，以毫秒為單位，默認為200。repeat_delay：表示再次播放動畫之前延遲的時長。repeat：表示是否重復播放動畫。7.2.1animation概述示例x=np.arange(0,2*np.pi,0.01)fig,ax=plt.subplots()arr=[]foriinrange(5):line=ax.plot(x,np.sin(x+i))arr.append(line)#根據(jù)arr存儲的一組圖形創(chuàng)建動畫ani=ArtistAnimation(fig=fig,artists=arr,repeat=True)7.2.1animation概述大家若不希望使用PyCharm工具運行程序，也可以先安裝ffmpeg或mencoder，之后使用Animation類的save()方法將每一幀動畫存儲為視頻文件。

7.2.2實例2：三維空間閃爍的星星本實例要求為7.2.3小節(jié)繪制的3D散點圖添加動畫，實現(xiàn)五角星由紅色到白色的閃爍效果。目錄頁7.1使用mplot3d繪制3D圖表7.2使用animation制作動圖7.3使用basemap繪制統(tǒng)計地圖7.4本章小結7.3.1basemap概述在數(shù)據(jù)可視化中，人們有時需將采集的數(shù)據(jù)按照其地理位置顯示到地圖上，常見于城市人口、飛機航線、礦藏分布等場景，有助于用戶理解與空間有關的信息。basemap是matplotlib中的地圖工具包，它本身不會參與任何繪圖操作，而是會將給定的地理坐標轉換到地圖投影上，之后將數(shù)據(jù)交給matplotlib進行繪圖。7.3.1basemap概述安裝basemap

在Anaconda中安裝basemap的方式比較簡單，可以直接在AnacondaPrompt工具中輸入如下命令：condainstallbasemap語法執(zhí)行以上命令后，conda命令會自動解析當前的Python環(huán)境并下載當前環(huán)境對應的basemap包。需要說明的是，在命令執(zhí)行的過程中會詢問用戶是否安裝，用戶只需同意即可。7.3.1basemap概述安裝basemap

安裝完成后，在AnacondaPrompt的命令提示符后面輸入python，之后輸入如下導入語句：frommpl_toolkits.basemapimportBasemap示例代碼執(zhí)行完以上語句后，若AnacondaPrompt中沒有出現(xiàn)錯誤信息，則表明basemap安裝成功，否則表明安裝失敗。7.3.1basemap概述安裝basemap

在JupyterNotebook工具中導入basemap工具包時，運行會出現(xiàn)“KeyError：’PROJ_LIB’”錯誤。程序之所以產(chǎn)生“KeyError：’PROJ_LIB’”錯誤，是因為basemap依賴的proj4模塊未設置環(huán)境變量。大家可以參考/weixin_39278265/article/details/84019778網(wǎng)址中推薦的解決方式。7.3.1basemap概述basemap工具包中主要包含一個表示基礎地圖背景的Basemap類，通過創(chuàng)建Basemap類的對象可以指定地圖投影的類型和要處理的地球區(qū)域。Basemap(llcrnrlon=None,

llcrnrlat=None,

urcrnrlon=None,

urcrnrlat=None,

llcrnrx=None,

…,

ax=None)語法lon_0，lat_0：表示所需地圖投影區(qū)域中心的經(jīng)度或緯度。llcrnrlon，llcrnrlat：表示地圖投影區(qū)域左下角的經(jīng)度或緯度。urcrnrlon，urcrnrlat：表示地圖投影區(qū)域右上角的經(jīng)度或緯度。width，height：表示所需地圖投影區(qū)域的寬度和高度。rsphere：表示投影中使用的球體的半徑。使用basemap

7.3.1basemap概述resolution：表示包括海岸線、湖泊等的分辨率，可以取值為’c’（粗略，默認值）、’l’（低）、’i’（中級）、’h’（高）、’f’（完整）或None。area_thresh：表示不會繪制海岸線或湖泊的閾值。anchor：表示地圖置于繪圖區(qū)域的方式，默認為C，表示地圖居中。projection：表示地圖投影的類型，默認值為cyl。使用basemap

basemap工具包中主要包含一個表示基礎地圖背景的Basemap類，通過創(chuàng)建Basemap類的對象可以指定地圖投影的類型和要處理的地球區(qū)域。Basemap(llcrnrlon=None,

llcrnrlat=None,

urcrnrlon=None,

urcrnrlat=None,

llcrnrx=None,

…,

ax=None)語法7.3.1basemap概述使用basemap

Projection參數(shù)的常用取值及說明如右表所示。

7.3.1basemap概述確定地圖背景的投影區(qū)域之后，用戶還需要對待處理的區(qū)域進行完善，為該區(qū)域繪制河岸線、河流和地區(qū)或國家邊界等。Basemap類中提供了一些繪制地圖背景的方法。使用basemap

7.3.1basema