Python数据可视化入门教程

张俊红

发布于 2023-03-21 09:26:12

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发布于 2023-03-21 09:26:12

文章被收录于专栏：张俊红

什么是数据可视化？数据可视化是为了使得数据更高效地反应数据情况，便于让读者更高效阅读，通过数据可视化突出数据背后的规律，以此突出数据中的重要因素，如果使用Python做数据可视化，建议学好如下这四个Python数据分析包，分别是：

Pandas、Matplotlib、Seaborn、Pyecharts

学好以上四个数据分析包，做可视化足够用了，全文较长，建议耐心看完，学习后即可使用Python做数据可视化，具体的代码实操部分可以实际用代码进行演示，这样才能更好的掌握，下面一起来学习~

01. Pandas

官网https://www.pypandas.cn/

Pandas 是 Python的核心数据分析支持库，提供了快速、灵活、明确的数据结构，旨在简单、直观地处理关系型、标记型数据，广泛应用于数据分析领域，Pandas 适用于处理与 Excel 表类似的表格数据，以及有序和无序的时间序列数据等。

Pandas 的主要数据结构是 Series（一维数据）和 DataFrame（二维数据），这两种数据结构足以处理金融、统计、社会科学、工程等领域里的大多数典型用例，使用pandas进行数据分析流程包含数据整理与清洗、数据分析与建模、数据可视化与制表等阶段。

灵活的分组功能：group by数据分组；
直观地合并功能：merge数据连接；
灵活地重塑功能：reshape数据重塑；

pandas库不仅可以做一些数据清洗的工作，还可以使用pandas作图，并且做图时，使用一行代码就可以轻松作图，详细的作图方法可以看代码中的注释。

#导入pandas库  
import pandas as pd    
#生成一个Series  
s=pd.Series([1,3,3,4], index=list('ABCD'))    

#括号内不指定图表类型，则默认生成直线图  
s.plot()

#条形图
s.plot(kind='bar')

#水平条形图   
s.plot.barh()

#饼图   
s.plot.pie()

#直方图   
s.plot.hist()

#密度图   
import numpy as np 

s=pd.Series(np.random.randn(1000))  #生成一列随机数   
s.plot.kde()   
s.plot.density()

#散点图   
import numpy as np 
#生成一个DataFrame  
df=pd.DataFrame(np.random.randn(1000,2),
                 columns=['X1','Y'])
df.plot.scatter(x='X1',y='Y')

#六角箱图   
df.plot.hexbin(x='X1',y='Y',gridsize=8)

#箱型图
df=pd.DataFrame(np.random.rand(10,2),columns=['A','B'])
df.plot.box()

#面积图
df=pd.DataFrame(np.random.randint(10,size=(4,4)),
                 columns=list('ABCD'),
                 index=list('WXYZ'))    

df.plot.area()

02. Matplotlib

官网https://www.matplotlib.org.cn/

Matplotlib是一个Python 2D绘图库，它以多种硬拷贝格式和跨平台的交互式环境生成出版物质量的图形。Matplotlib可用于Python脚本，Python和IPython Shell、Jupyter笔记本，Web应用程序服务器和四个图形用户界面工具包。

Matplotlib 尝试使容易的事情变得更容易，使困难的事情变得可能，只需几行代码就可以生成图表、直方图、功率谱、条形图、误差图、散点图等。

为了简单绘图，该 pyplot 模块提供了类似于MATLAB的界面，尤其是与IPython结合使用时，对于高级用户，您可以通过面向对象的界面或MATLAB用户熟悉的一组功能来完全控制线型，字体属性，轴属性等。

下面介绍matplotlib的用法，使用matplotlib除了可以作图外，还可以对于图表的参数做一些调整，使得图表更加美观，关于使用matplotlib的建议，可以做一些常用的图表模板，更换代码的数据源就可以生成图表，而不用一点一点的去调整参数。

#导入模块  
import matplotlib.pyplot as plt  

#设置风格  
plt.style.use('seaborn-white')  

#中文显示问题，如果没有这段代码，图表不显示中文汉字   
plt.rcParams['font.sans-serif'] =['SimHei']

这里首先导入matplotlib库，并使用了seaborn-white的图表风格，可以使用plt.style.available 查看图表的风格，选择一个自己喜欢的图表风格，在图表中不能显示汉字，使用一段代码就可以显示了。

#构建一个DataFrame 
import pandas as pd  
import matplotlib.pyplot as plt
  
df=pd.DataFrame({'X':[1,3,5,7]})  
df['Y']=df['X']**3  
df

#设置图像的大小 
plt.figure(facecolor='white',figsize=(9,6),dpi=100)  
plt.plot(df['X'],df['Y'])
   
#设置图像的标题 
plt.title('折线图',fontsize=15,color='b') 
 
#设置图像的X、Y轴标题大小，颜色，与坐标轴的距离  
plt.xlabel('X轴',fontsize=10,color='r',labelpad=15)  
plt.ylabel('Y轴',fontsize=10,color='g',rotation=0,labelpad=15)   

#设置起始坐标点 
plt.xlim([1,8])  
plt.ylim([1,350]) 
#plt.xticks([1,2,3,4])只显示1,2,3,4  
#plt.yticks([50,150,250,300])只显示50,150,250,300 
  
#图像的网格线进行设置 
plt.grid(color='r', linestyle='-.')

这里首先设置图像的大小，跟我们画画一样，选择多大的纸张去作图，一样的道理，然后设置坐标轴，起始坐标，网格线等。

有时候，要在一张图表上绘制多条线。

#多个图的绘图方法  
import numpy as np  
import matplotlib.pyplot as plt  

x=np.array([1,3,5])  
y1=x  
y2=x * 10  
y3=x * 20  
y4=x * 30

可以在一个plt.plot命令后继续加另一个plt.plot命令，可以在一张图上做另一条线。

plt.figure(facecolor='white')  
plt.plot(x,y1,label='A')  
plt.plot(x,y2,label='B')  
plt.plot(x,y3,label='C')  
plt.plot(x,y4,label='D')   

plt.legend()#显示图例

使用plt.subplots命令也可以作出同样的图。

#使用面向对象绘图  
fig,ax=plt.subplots(facecolor='white')  
plt.plot(x,y1,label='A')  
plt.plot(x,y2,label='B')  
plt.plot(x,y3,label='C')  
plt.plot(x,y4,label='D')   

plt.legend()#显示图例

多表绘制

下面介绍在一张图表的不同位置绘制不同的线型，使用plt.subplot命令首先确定绘图的位置，比如plt.subplot(223)表示在2*2分布的图表中第三个位置，其余的绘图命令相似。

plt.figure(facecolor='white',figsize=(9,6)) 

plt.subplot(221)  
plt.plot(x,y1,label='A',color='r')  
plt.xticks(fontsize=15)  
plt.legend()#显示图例   

plt.subplot(222)  
plt.plot(x,y2,label='B',color='y')  
plt.xticks(fontsize=15)  
plt.legend()#显示图例   

plt.subplot(223)  
plt.plot(x,y3,label='C',color='b')  
plt.xticks(fontsize=15)  
plt.legend()#显示图例 
  
plt.subplot(224)  
plt.plot(x,y4,label='D',color='g')  
plt.xticks(fontsize=15)  
plt.legend()#显示图例   

plt.tight_layout()#密集显示

除了使用plt.subplot命令确定绘图区域外，还可以用axs[ ]命令绘图，这种绘图方式是面向对象的绘图方式。

#面向对象绘制多图  
fig,axs=plt.subplots(2,2,facecolor='white',figsize=(9,6))  

axs[0,0].plot(x,y1,label='A',color='r')  
axs[0,1].plot(x,y2,label='B',color='y')  
axs[1,0].plot(x,y3,label='C',color='b')  
axs[1,1].plot(x,y4,label='D',color='g')

有时候绘制多张表时需共享一个坐标轴，可以使用sharex='all'命令。

#sharex='all'共享X轴  
fig,axs=plt.subplots(4,1,facecolor='white', figsize=(9,6), sharex='all')   
axs[0].plot(x,y1,label='A',color='r')  
axs[1].plot(x,y2,label='B',color='y')  
axs[2].plot(x,y3,label='C',color='b')  
axs[3].plot(x,y4,label='D',color='g')

设置全局变量

使用plt.rcParams命令对全局变量设置，包括字符显示、中文显示、背景颜色、标题大小、坐标轴字体大小，线型等。

#导入模块  
import matplotlib.pyplot as plt  

#设置风格  
plt.style.use('seaborn-white')  

#设置全局变量  
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False #字符显示 
plt.rcParams['font.sans-serif'] =['SimHei'] #中文显示  
plt.rcParams['figure.facecolor'] = 'b' #设置图表背景颜色 
plt.rcParams['axes.facecolor'] = (0.8,0.9,0.8) #设置RGB颜色  
plt.rcParams['axes.titlesize'] = 20 #设置标题大小  
plt.rcParams['axes.labelsize'] = 20 #设置轴大小  
plt.rcParams['xtick.labelsize'] = 20 #设置X坐标大小  
plt.rcParams['ytick.labelsize'] = 20 #设置Y坐标大小  
plt.rcParams['lines.linestyle'] = '-.' #设置线型  

plt.plot(x,y1,label='A')  
plt.plot(x,y2,label='B')  
plt.plot(x,y3,label='C')  
plt.plot(x,y4,label='D')   
plt.title('折线图')  
plt.xlabel('X轴')  
plt.ylabel('Y轴')  
plt.legend()#显示图例

下图就是通过设置全局变量做的图，个人觉得并不美观，对于其他图表全局变量的设置，大家可以探索，做出更好看的图表。

03. Seaborn

官网http://seaborn.pydata.org/

Seaborn 是一个基于matplotlib的 Python 数据可视化库，它建立在matplotlib之上，并与Pandas数据结构紧密集成，用于绘制有吸引力和信息丰富的统计图形的高级界面。

Seaborn 可用于探索数据，它的绘图功能对包含整个数据集的数据框和数组进行操作，并在内部执行必要的语义映射和统计聚合以生成信息图，其面向数据集的声明式 API可以专注于绘图的不同元素的含义，而不是如何绘制它们的细节。

Matplotlib 拥有全面而强大的 API，几乎可以根据自己的喜好更改图形的任何属性，seaborn 的高级界面和 matplotlib 的深度可定制性相结合，使得Seaborn既可以快速探索数据，又可以创建可定制为出版质量最终产品的图形。

绘制多行图

将变量按照多行的形式进行绘制，使用sns.FacetGrid命令。

import numpy as np
import pandas as pd
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
sns.set_theme(style="white", rc={"axes.facecolor": (0, 0, 0, 0)})

rs = np.random.RandomState(1979)
x = rs.randn(500)
g = np.tile(list("ABCDEFGHIJ"), 50)
df = pd.DataFrame(dict(x=x, g=g))
m = df.g.map(ord)
df["x"] += m

pal = sns.cubehelix_palette(10, rot=-.25, light=.7)
g = sns.FacetGrid(df, row="g", hue="g", aspect=15, height=.5, palette=pal)

g.map(sns.kdeplot, "x",
      bw_adjust=.5, clip_on=False,
      fill=True, alpha=1, linewidth=1.5)
g.map(sns.kdeplot, "x", clip_on=False, color="w", lw=2, bw_adjust=.5)

g.refline(y=0, linewidth=2, linestyle="-", color=None, clip_on=False)

def label(x, color, label):
    ax = plt.gca()
    ax.text(0, .2, label, fontweight="bold", color=color,
            ha="left", va="center", transform=ax.transAxes)

g.map(label, "x")

g.figure.subplots_adjust(hspace=-.25)

g.set_titles("")
g.set(yticks=[], ylabel="")
g.despine(bottom=True, left=True)

绘制热力图

将数据的大小用热力图进行呈现，使用sns.heatmap命令。

import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
sns.set_theme()

# Load the example flights dataset and convert to long-form
flights_long = sns.load_dataset("flights")
flights = flights_long.pivot("month", "year", "passengers")

# Draw a heatmap with the numeric values in each cell
f, ax = plt.subplots(figsize=(9, 6))
sns.heatmap(flights, annot=True, fmt="d", linewidths=.5, ax=ax)

04. Pyecharts

官网https://pyecharts.org/#/

Echarts 是一个由百度开源的数据可视化，凭借着良好的交互性，精巧的图表设计，得到了众多开发者的认可。而 Python 是一门富有表达力的语言，很适合用于数据处理。当数据分析遇上数据可视化时，pyecharts 诞生了。

Pyecharts具有简洁的 API 设计，使用如丝滑般流畅，支持链式调用，囊括了 30+ 种常见图表，应有尽有，支持主流 Notebook 环境，Jupyter Notebook 和 JupyterLab，拥有高度灵活的配置项，可轻松搭配出精美的图表。

Pyecharts强大的数据交互功能，使数据表达信息更加生动，增加了人机互动效果，并且数据呈现效果可直接导出为html文件，增加数据结果交互的机会，使得信息沟通更加容易。

绘制地图

Pyecharts有着丰富的图表素材，支持链式调用，如下是使用Pyecharts的地理图表功能，空间上直观显示数据可视化效果。

from pyecharts import options as opts
from pyecharts.charts import Map
from pyecharts.faker import Faker

c = (
    Map()
    .add("商家A", [list(z) for z in zip(Faker.provinces, Faker.values())], "china")
    .set_global_opts(
        title_opts=opts.TitleOpts(title="Map-VisualMap（分段型）"),
        visualmap_opts=opts.VisualMapOpts(max_=200, is_piecewise=True),
    )
    .render("map_visualmap_piecewise.html")
)

绘制雷达图

使用Radar命令绘制出雷达图，用来显示多变量数据的图形方法。

from pyecharts import options as opts
from pyecharts.charts import Radar

v1 = [[4300, 10000, 28000, 35000, 50000, 19000]]
v2 = [[5000, 14000, 28000, 31000, 42000, 21000]]
c = (
    Radar()
    .add_schema(
        schema=[
            opts.RadarIndicatorItem(name="销售", max_=6500),
            opts.RadarIndicatorItem(name="管理", max_=16000),
            opts.RadarIndicatorItem(name="信息技术", max_=30000),
            opts.RadarIndicatorItem(name="客服", max_=38000),
            opts.RadarIndicatorItem(name="研发", max_=52000),
            opts.RadarIndicatorItem(name="市场", max_=25000),
        ]
    )
    .add("预算分配", v1)
    .add("实际开销", v2)
    .set_series_opts(label_opts=opts.LabelOpts(is_show=False))
    .set_global_opts(
        legend_opts=opts.LegendOpts(selected_mode="single"),
        title_opts=opts.TitleOpts(title="Radar-单例模式"),
    )
    .render("radar_selected_mode.html")
)