Python 三维图表绘制指南

在数据可视化中，三维图表可以更直观地展示数据之间的关系，尤其是当数据具有多个维度时。Python 提供了多个库来绘制三维图表，其中最常用的就是 Matplotlib。本文将介绍如何使用 Matplotlib 绘制三维图表，包括三维散点图、三维线图、三维表面图、三维直方图等。

在这里插入图片描述

1. 安装与导入 Matplotlib

在开始之前，请确保已经安装了 Matplotlib。如果未安装，可以使用以下命令进行安装：

pip install matplotlib

安装完成后，可以通过以下方式导入库：

import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import numpy as np

2. 创建三维图表的基础知识

在 Matplotlib 中，绘制三维图表需要使用 mpl_toolkits.mplot3d 中的 Axes3D。首先，需要创建一个三维坐标系，然后才能在其上绘制图表。

2.1 创建三维坐标系

使用 plt.figure() 创建一个新的图形窗口，然后使用 fig.add_subplot() 添加一个三维坐标系：

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')

这里 111 表示一个 1x1 的子图，并选择第一个图（即唯一的一个图）。projection='3d' 是关键，表示这是一个三维图。

3. 三维散点图

三维散点图用于展示数据点在三维空间中的分布情况。以下是绘制三维散点图的示例：

# 生成数据
n = 100
x = np.random.rand(n)
y = np.random.rand(n)
z = np.random.rand(n)

# 创建图形和三维坐标系
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')

# 绘制散点图
ax.scatter(x, y, z, c='r', marker='o')  # 'c' 设置颜色，'marker' 设置点的样式
ax.set_xlabel('X 轴')
ax.set_ylabel('Y 轴')
ax.set_zlabel('Z 轴')
ax.set_title('三维散点图示例')
plt.show()

3.1 散点图参数解释

c='r'：设置点的颜色为红色。
marker='o'：设置点的形状为圆形。
ax.set_xlabel、ax.set_ylabel、ax.set_zlabel：设置坐标轴的标签。

4. 三维线图

三维线图适合用来展示数据点之间的关系，可以显示随时间变化的趋势。以下是绘制三维线图的示例：

# 生成数据
x = np.linspace(0, 5, 100)
y = np.sin(x)
z = np.cos(x)

# 创建图形和三维坐标系
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')

# 绘制三维线图
ax.plot(x, y, z, color='b', linewidth=2)  # 'b' 设置线条颜色
ax.set_xlabel('X 轴')
ax.set_ylabel('Y 轴')
ax.set_zlabel('Z 轴')
ax.set_title('三维线图示例')
plt.show()

4.1 线图参数解释

ax.plot：用于绘制三维线图。
linewidth=2：设置线条宽度。

5. 三维表面图

三维表面图用于展示具有表面特征的数据，如地形图、热图等。以下是绘制三维表面图的示例：

# 生成数据
x = np.linspace(-5, 5, 100)
y = np.linspace(-5, 5, 100)
x, y = np.meshgrid(x, y)
z = np.sin(np.sqrt(x**2 + y**2))

# 创建图形和三维坐标系
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')

# 绘制三维表面图
ax.plot_surface(x, y, z, cmap='viridis')  # 使用 viridis 颜色映射
ax.set_xlabel('X 轴')
ax.set_ylabel('Y 轴')
ax.set_zlabel('Z 轴')
ax.set_title('三维表面图示例')
plt.show()

5.1 表面图参数解释

np.meshgrid：生成网格坐标。
ax.plot_surface：用于绘制三维表面图，cmap 参数设置颜色映射。

6. 三维直方图

三维直方图用于展示数据的分布情况，可以帮助我们分析数据的特征。以下是绘制三维直方图的示例：

# 生成数据
data = np.random.randn(1000)

# 创建图形和三维坐标系
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')

# 绘制三维直方图
hist, xedges, yedges = np.histogram2d(data, data, bins=30)

# 创建 X 和 Y 的网格
xpos, ypos = np.meshgrid(xedges[:-1], yedges[:-1], indexing="ij")
xpos = xpos.ravel()
ypos = ypos.ravel()
zpos = 0

# 设置柱子的高度
dx = dy = 0.5 * np.ones_like(zpos)
dz = hist.ravel()

# 绘制柱状图
ax.bar3d(xpos, ypos, zpos, dx, dy, dz, zsort='average')
ax.set_xlabel('X 轴')
ax.set_ylabel('Y 轴')
ax.set_zlabel('频率')
ax.set_title('三维直方图示例')
plt.show()

6.1 直方图参数解释

np.histogram2d：计算二维直方图。
ax.bar3d：用于绘制三维柱状图。

7. 自定义三维图表

7.1 设置图例

在三维图表中，我们同样可以添加图例，以帮助观众理解数据的含义：

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')

# 绘制多个数据集
ax.scatter(x, y, z, c='r', marker='o', label='数据点1')
ax.scatter(x+1, y+1, z+1, c='g', marker='^', label='数据点2')
ax.legend()  # 添加图例
plt.show()

7.2 设置视角

可以通过 ax.view_init 方法来调整三维图的视角，以便更好地查看数据：

ax.view_init(elev=20, azim=30)  # 设置观察角度

7.3 保存图表

使用 plt.savefig() 方法可以将图表保存为文件：

plt.savefig('3d_plot.png')  # 保存为 PNG 格式

8. 结合其他库进行三维可视化

除了 Matplotlib，Python 还有其他库可以进行三维可视化，比如 Mayavi 和 Plotly。这两个库在交互性和效果上有更好的表现，可以根据具体需求选择使用。

8.1 使用 Plotly 绘制三维图

Plotly 是一个强大的图形库，可以轻松绘制交互式图表。以下是绘制三维散点图的示例：

import plotly.express as px
import pandas as pd

# 生成数据
n = 100
df = pd.DataFrame({
    'x': np.random.rand(n),
    'y': np.random.rand(n),
    'z': np.random.rand(n)
})

# 绘制三维散点图
fig = px.scatter_3d(df, x='x', y='y', z='z')
fig.show()

8.2 使用 Mayavi 绘制三维表面图

Mayavi 是一个用于 3D 数据可视化的库，尤其适合科学计算。以下是一个简单的示例：

from mayavi import mlab
import numpy as np

# 生成数据
x = np.linspace(-5, 5, 100)
y = np.linspace(-5, 5, 100)
x, y = np.meshgrid(x, y)
z = np.sin(np.sqrt(x**2 + y**2))

# 绘制三维表面图
mlab.surf(x, y, z)
mlab.show()