Python学习教程：Python可视化工具包

Python学习教程：Python可视化工具包

伙伴们，用Python做项目的你们做图表的时候有没有 因为不知道用哪种又好看又好用的可视化工具包 特纠结过？反正天秤座的小强是有些纠结的。

在这里小强总结了八种在 Python 中实现的可视化工具包！看完保证你以后不纠结！（有些是可以用在其他语言的哦）

用 Python 创建图形的方法有很多，但是哪种方法是最好的呢？当我们做可视化之前，要先明确一些关于图像目标的问题：你是想初步了解数据的分布情况？想展示时给人们留下深刻印象？也许你想给某人展示一个内在的形象，一个中庸的形象？

这里小强将介绍一些常用的 Python 可视化包，包括这些包的优缺点以及分别适用于什么样的场景。这篇文章只扩展到 2D 图，为下一次讲 3D 图和商业报表（dashboard）留了一些空间，不过这次要讲的包中，许多都可以很好地支持 3D 图和商业报表。

Matplotlib、Seaborn 和 Pandas

把这三个包放在一起有几个原因：首先 Seaborn 和 Pandas 是建立在 Matplotlib 之上的，当你在用 Seaborn 或 Pandas 中的 df.plot() 时，用的其实是别人用 Matplotlib 写的代码。因此，这些图在美化方面是相似的，自定义图时用的语法也都非常相似。

当提到这些可视化工具时，我想到三个词：探索（Exploratory）、数据（Data）、分析（Analysis）。这些包都很适合第一次探索数据，但要做演示时用这些包就不够了。

Matplotlib 是比较低级的库，但它所支持的自定义程度令人难以置信（所以不要简单地将其排除在演示所用的包之外！），但还有其它更适合做展示的工具。

Matplotlib 还可以选择样式（style selection），它模拟了像 ggplot2 和 xkcd 等很流行的美化工具。下面是我用 Matplotlib 及相关工具所做的示例图：

在处理篮球队薪资数据时，我想找出薪资中位数最高的团队。为了展示结果，我将每个球队的工资用颜色标成条形图，来说明球员加入哪一支球队才能获得更好的待遇。

import

 seaborn 

as

 sns



import

 matplotlib.pyplot 

as

 plt




color_order = [

'xkcd:cerulean'

, 

'xkcd:ocean'

,


                

'xkcd:black'

,

'xkcd:royal purple'

,


                

'xkcd:royal purple'

, 

'xkcd:navy blue'

,


                

'xkcd:powder blue'

, 

'xkcd:light maroon'

, 


                

'xkcd:lightish blue'

,

'xkcd:navy'

]




sns.barplot(x=top10.Team,


            y=top10.Salary,


            palette=color_order).set_title(

'Teams with Highest Median Salary'

)




plt.ticklabel_format(style=

'sci'

, axis=

'y'

, scilimits=(


,


))

第二个图是回归实验残差的 Q-Q 图。这张图的主要目的是展示如何用尽量少的线条做出一张有用的图，当然也许它可能不那么美观。

import

 matplotlib.pyplot 

as

 plt



import

 scipy.stats 

as

 stats




#model2 is a regression model


log_resid = model2.predict(X_test)-y_test


stats.probplot(log_resid, dist=

"norm"

, plot=plt)


plt.title(

"Normal Q-Q plot"

)


plt.show()

最终证明，Matplotlib 及其相关工具的效率很高，但就演示而言它们并不是最好的工具。

ggplot(2)

你可能会问，「Aaron，ggplot 是 R 中最常用的可视化包，但你不是要写 Python 的包吗？」。人们已经在 Python 中实现了 ggplot2，复制了这个包从美化到语法的一切内容。

在我看过的所有材料中，它的一切都和 ggplot2 很像，但这个包的好处是它依赖于 Pandas Python 包。不过 Pandas Python 包最近弃用了一些方法，导致 Python 版本不兼容。

如果你想在 R 中用真正的 ggplot（除了依赖关系外，它们的外观、感觉以及语法都是一样的），我在另外一篇文章中对此进行过讨论。

也就是说，如果你一定要在 Python 中用 ggplot，那你就必须要安装 0.19.2 版的 Pandas，但我建议你最好不要为了使用较低级的绘图包而降低 Pandas 的版本。

ggplot2（我觉得也包括 Python 的 ggplot）举足轻重的原因是它们用「图形语法」来构建图片。基本前提是你可以实例化图，然后分别添加不同的特征；也就是说，你可以分别对标题、坐标轴、数据点以及趋势线等进行美化。

下面是 ggplot 代码的简单示例。我们先用 ggplot 实例化图，设置美化属性和数据，然后添加点、主题以及坐标轴和标题标签。

#All Salaries


ggplot(data=df, aes(x=season_start, y=salary, colour=team)) +


  geom_point() +


  theme(legend.position=

"none"

) +


  labs(title = 

'Salary Over Time'

, x=

'Year'

, y=

'Salary ($)'

)

Bokeh

Bokeh 很美。从概念上讲，Bokeh 类似于 ggplot，它们都是用图形语法来构建图片，但 Bokeh 具备可以做出专业图形和商业报表且便于使用的界面。为了说明这一点，我根据 538 Masculinity Survey 数据集写了制作直方图的代码：

import

 pandas 

as

 pd



from

 bokeh.plotting 

import

 figure



from

 bokeh.io 

import

 show




# is_masc is a one-hot encoded dataframe 

of

 responses to the question:


# 

"Do you identify as masculine?"





#Dataframe Prep


counts = is_masc.sum()


resps = is_masc.columns




#Bokeh


p2 = figure(title=

'Do You View Yourself As Masculine?'

,


          x_axis_label=

'Response'

,


          y_axis_label=

'Count'

,


          x_range=list(resps))


p2.vbar(x=resps, top=counts, width=

0.6

, fill_color=

'red'

, line_color=

'black'

)


show(p2)




#Pandas


counts.plot(kind=

'bar'

)

用 Bokeh 表示调查结果

红色的条形图表示 538 个人关于「你认为自己有男子汉气概吗？」这一问题的答案。9~14 行的 Bokeh 代码构建了优雅且专业的响应计数直方图——字体大小、y 轴刻度和格式等都很合理。

我写的代码大部分都用于标记坐标轴和标题，以及为条形图添加颜色和边框。在制作美观且表现力强的图片时，我更倾向于使用 Bokeh——它已经帮我们完成了大量美化工作。

用 Pandas 表示相同的数据

蓝色的图是上面的第 17 行代码。这两个直方图的值是一样的，但目的不同。在探索性设置中，用 Pandas 写一行代码查看数据很方便，但 Bokeh 的美化功能非常强大。

Bokeh 提供的所有便利都要在 matplotlib 中自定义，包括 x 轴标签的角度、背景线、y 轴刻度以及字体（大小、斜体、粗体）等。下图展示了一些随机趋势，其自定义程度更高：使用了图例和不同的颜色和线条。

Bokeh 还是制作交互式商业报表的绝佳工具。

Plotly

Plotly 非常强大，但用它设置和创建图形都要花费大量时间，而且都不直观。在用 Plotly 忙活了大半个上午后，我几乎什么都没做出来，干脆直接去吃饭了。我只创建了不带坐标标签的条形图，以及无法删掉线条的「散点图」。Ploty 入门时有一些要注意的点：

• 安装时要有 API 秘钥，还要注册，不是只用 pip 安装就可以；

• Plotly 所绘制的数据和布局对象是独一无二的，但并不直观；

• 图片布局对我来说没有用（40 行代码毫无意义！）

但它也有优点，而且设置中的所有缺点都有相应的解决方法：

• 你可以在 Plotly 网站和 Python 环境中编辑图片；

• 支持交互式图片和商业报表；

• Plotly 与 Mapbox 合作，可以自定义地图；

• 很有潜力绘制优秀图形。

以下是我针对这个包编写的代码：

#plot 

1

 - barplot


# **note** - the layout lines 

do

 nothing and trip no errors


data = [go.Bar(x=team_ave_df.team,


              y=team_ave_df.turnovers_per_mp)]




layout = go.Layout(




    title=go.layout.Title(


        text=

'Turnovers per Minute by Team'

,


        xref=

'paper'

,


        x=




    ),




    xaxis=go.layout.XAxis(


        title = go.layout.xaxis.Title(


            text=

'Team'

,


            font=dict(


                    family=

'Courier New, monospace'

,


                    size=

18

,


                    color=

'#7f7f7f'



                )


        )


    ),




    yaxis=go.layout.YAxis(


        title = go.layout.yaxis.Title(


            text=

'Average Turnovers/Minute'

,


            font=dict(


                    family=

'Courier New, monospace'

,


                    size=

18

,


                    color=

'#7f7f7f'



                )


        )


    ),




    autosize=True,


    hovermode=

'closest'

)




py.iplot(figure_or_data=data, layout=layout, filename=

'jupyter-plot'

, sharing=

'public'

, fileopt=

'overwrite'

)



#plot 

2

 - attempt at a scatterplot


data = [go.Scatter(x=player_year.minutes_played,


                  y=player_year.salary,


                  marker=go.scatter.Marker(color=

'red'

,


                                          size=

3

))]




layout = go.Layout(title=

"test"

,


                xaxis=dict(title=

'why'

),


                yaxis=dict(title=

'plotly'

))




py.iplot(figure_or_data=data, layout=layout, filename=

'jupyter-plot2'

, sharing=

'public'

)




[Image: image.png]

表示不同 NBA 球队每分钟平均失误数的条形图。

表示薪水和在 NBA 的打球时间之间关系的散点图

总体来说，开箱即用的美化工具看起来很好，但我多次尝试逐字复制文档和修改坐标轴标签时却失败了。但下面的图展示了 Plotly 的潜力，以及我为什么要在它身上花好几个小时：

Plotly 页面上的一些示例图

Pygal

Pygal 的名气就不那么大了，和其它常用的绘图包一样，它也是用图形框架语法来构建图像的。由于绘图目标比较简单，因此这是一个相对简单的绘图包。使用 Pygal 非常简单：

• 实例化图片；

• 用图片目标属性格式化；

• 用 figure.add() 将数据添加到图片中。

我在使用 Pygal 的过程中遇到的主要问题在于图片渲染。必须要用 render_to_file 选项，然后在 web 浏览器中打开文件，才能看见我刚刚构建的东西。

最终看来这是值得的，因为图片是交互式的，有令人满意而且便于自定义的美化功能。总而言之，这个包看起来不错，但在文件的创建和渲染部分比较麻烦。

Networkx

虽然 Networkx 是基于 matplotlib 的，但它仍是图形分析和可视化的绝佳解决方案。图形和网络不是我的专业领域，但 Networkx 可以快速简便地用图形表示网络之间的连接。以下是我针对一个简单图形构建的不同的表示，以及一些从斯坦福 SNAP 下载的代码（关于绘制小型 Facebook 网络）。

我按编号（1~10）用颜色编码了每个节点，代码如下：

options = {


    

'node_color'

 : range(len(G)),


    

'node_size'

 : 

300

,


    

'width'

 : 

1

,


    

'with_labels'

 : False,


    

'cmap'

 : plt.cm.coolwarm


}


nx.draw(G, **options)

用于可视化上面提到的稀疏 Facebook 图形的代码如下：

import

 itertools



import

 networkx 

as

 nx



import

 matplotlib.pyplot 

as

 plt




f = open(

'data/facebook/1684.circles'

, 

'r'

)


circles = [line.split() 

for

 line 

in

 f]


f.close()




network = []



for

 circ 

in

 circles:


    cleaned = [int(val) 

for

 val 

in

 circ[

1

:]]


    network.append(cleaned)




G = nx.Graph()



for

 v 

in

 network:


    G.add_nodes_from(v)




edges = [itertools.combinations(net,

2

) 

for

 net 

in

 network]





for

 edge_group 

in

 edges:


    G.add_edges_from(edge_group)




options = {


    

'node_color'

 : 

'lime'

,


    

'node_size'

 : 

3

,


    

'width'

 : 

1

,


    

'with_labels'

 : False,


}


nx.draw(G, **options)

这个图形非常稀疏，Networkx 通过最大化每个集群的间隔展现了这种稀疏化。

有很多数据可视化的包，但没法说哪个是最好的。希望阅读本文后，你可以了解到在不同的情境下，该如何使用不同的美化工具和代码。