数据可视化之制柱形竞赛图

我们经常看到的Bar Chart Race（柱形竞赛图），可以看到数据的呈现非常的直观。今天就一起来学习下如何生成和上面一样的柱形竞赛图。

1、导入Python库

import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.ticker as ticker
import matplotlib.animation as animation
from IPython.display import HTML

2、加载数据集

这里使用的是城市人口数据集，加载我们想要的数据：其中，name为城市名称，group为城市所在区域。

df = pd.read_csv("data/city_populations.csv", usecols=['name', 'group', 'year', 'value'])
df.head()

3、初步处理数据

提取某一年的TOP10城市：

current_year = 2018
dff = df[df['year'].eq(current_year)].sort_values(by='value', ascending=True).head(10)

4、 绘制基础柱状图

fig, ax = plt.subplots(figsize=(15, 8))
ax.barh(dff['name'], dff['value'])

5、 调整样式（设置颜色、添加标签）重新绘制图片

colors = dict(zip(
    ["India", "Europe", "Asia", "Latin America", "Middle East", "North America", "Africa"],
    ["#adb0ff", "#ffb3ff", "#90d595", "#e48381", "#aafbff", "#f7bb5f", "#eafb50"]
))
group_lk = df.set_index('name')['group'].to_dict()

fig, ax = plt.subplots(figsize=(15, 8))
# pass colors values to `color=`
ax.barh(dff['name'], dff['value'], color=[colors[group_lk[x]] for x in dff['name']])
# iterate over the values to plot labels and values (Tokyo, Asia, 38194.2)
for i, (value, name) in enumerate(zip(dff['value'], dff['name'])):
    ax.text(value, i,     name,            ha='right')  # Tokyo: name
    ax.text(value, i-.25, group_lk[name],  ha='right')  # Asia: group name
    ax.text(value, i,     value,           ha='left')   # 38194.2: value
# Add year right middle portion of canvas
ax.text(1, 0.4, current_year, transform=ax.transAxes, size=46, ha='right')

6、 完善代码，将代码整合进函数

优化内容：

• 文字：更新字体大小，颜色，方向
• 轴：将X轴移到顶部，添加颜色和字幕
• 网格：在条后面添加线
• 格式：逗号分隔的值和坐标轴
• 添加标题，字幕，装订线空间
• 删除：框框，y轴标签

fig, ax = plt.subplots(figsize=(15, 8))

def draw_barchart(year):
    dff = df[df['year'].eq(year)].sort_values(by='value', ascending=True).tail(10)
    ax.clear()
    ax.barh(dff['name'], dff['value'], color=[colors[group_lk[x]] for x in dff['name']])
    dx = dff['value'].max() / 200
    for i, (value, name) in enumerate(zip(dff['value'], dff['name'])):
        ax.text(value-dx, i, name, size=14, weight=600, ha='right', va='bottom')
        ax.text(value-dx, i-.25, group_lk[name], size=10, color='#444444', ha='right', va='baseline')
        ax.text(value+dx, i, f'{value:,.0f}', size=14, ha='left',  va='center')
    # ... polished styles
    ax.text(1, 0.4, year, transform=ax.transAxes, color='#777777', size=46, ha='right', weight=800)
    ax.text(0, 1.06, 'Population (thousands)', transform=ax.transAxes, size=12, color='#777777')
    ax.xaxis.set_major_formatter(ticker.StrMethodFormatter('{x:,.0f}'))
    ax.xaxis.set_ticks_position('top')
    ax.tick_params(axis='x', colors='#777777', labelsize=12)
    ax.set_yticks([])
    ax.margins(0, 0.01)
    ax.grid(which='major', axis='x', linestyle='-')
    ax.set_axisbelow(True)
    ax.text(0, 1.12, 'The most populous cities in the world from 1500 to 2018',
            transform=ax.transAxes, size=24, weight=600, ha='left')
    ax.text(1, 0, 'by @pratapvardhan; credit @jburnmurdoch', transform=ax.transAxes, ha='right',
            color='#777777', bbox=dict(facecolor='white', alpha=0.8, edgecolor='white'))
    plt.box(False)
    
draw_barchart(2018)

7、 绘制动态柱状图

为了看起来像是在竞赛，我们使用matplotlib.animation中的FuncAnimation来重复调用上面的函数在画布上制作动画。frames参数为函数接受的值。

import matplotlib.animation as animation
from IPython.display import HTML
fig, ax = plt.subplots(figsize=(15, 8))
animator = animation.FuncAnimation(fig, draw_barchart, frames=range(1968, 2019))
HTML(animator.to_jshtml()) 
# or use animator.to_html5_video() or animator.save()

8、 额外奖励，绘制xkcd风格的图形

with plt.xkcd():
    fig, ax = plt.subplots(figsize=(15, 8))
    draw_barchart(2018)

matplotlib 的 animations使用说明

Matplotlib中动画实现的原理跟其它一样，就是让多幅图连续播放，每一幅图叫做一帧(frame)。

生成动画的核心语句如下：

import matplotlib.animation as animation
from IPython.display import HTML
fig, ax = plt.subplots(figsize=(15, 8))
animator = animation.FuncAnimation(fig, draw_barchart, frames=range(1968, 2019))
HTML(animator.to_jshtml())
# or use animator.to_html5_video() or animator.save()

核心函数是animation.FuncAnimation()，接下来一起学习下如何使用此函数。

class matplotlib.animation.FuncAnimation(fig, func, frames=None, init_func=None, fargs=None, save_count=None, *, cache_frame_data=True, **kwargs)

参数说明：

• fig：进行动画绘制的figure
• func：更新函数
• frames：传入更新函数的迭代值，即生成每一帧(frame)的参数
• init_func：初始函数
• fargs：传入更新函数的额外参数
• save_count：指定保存动画（gif或mp4）的帧数
• interval：指定帧间隔时间，单位是ms
• repeat_delay：如果指定了循环动画，则设置每次循环的间隔时间
• repeat：指定是否循环动画
• blit：是否优化绘图
• cache_frame_data：控制是否缓存帧数据

核心方法说明：

• save(self, filename[, writer, fps, dpi, …])：将动画保存为文件（gif或mp4）.
• to_html5_video(self[, embed_limit])：将动画HTML5动画
• to_jshtml(self[, fps, embed_frames, …])：将动画返回为HTML格式

参考链接：

• Bar Chart Race in Python with Matplotlib