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Seaborn统计可视化工具的使用

Ming posted @ 2014年5月27日 17:01 in Python , 10904 阅读

Seaborn是python中基于matplotlib的统计绘图模块。如果说matplotlib是“tries to make easy things easy and hard things possible”,那么seaborn则是让“hard things”也变简单。

 

安装

Seaborn需要python 2.7或者3.3+的环境。并且需要首先安装numpy、scipy、matplotlib和pandas模块,官网还推荐statsmodels和patsy两个模块。这些模块可以在相应官网下到,也可以在http://www.lfd.uci.edu/~gohlke/pythonlibs/网站下载(注意32/64位及对应python版本号)。

Seaborn需要在Github上下载源文件,然后在命令行运行python setup.py install即可安装到python的安装目录下。使用seaborn需要导入seaborn模块。

import seaborn as sns

以下示例均假设已经导入seaborn模块为sns。

 

绘图风格

Seaborn和matplotlib的区别在于,seaborn把绘图风格参数与数据参数分开设置。这样我们可以轻易的改变图像的风格。Seaborn有两组函数对风格进行控制:axes_style()/set_style()函数和plotting_context()/set_context()函数。axes_style()函数和plotting_context()函数返回参数字典,set_style()函数和set_context()函数设置matplotlib。

首先介绍第一组*_style()函数

Seaborn有5中预定义的主题:darkgrid(灰色背景+白网格), whitegrid(白色背景+黑网格), dark(仅灰色背景), white(仅白色背景)和ticks(坐标轴带刻度)。默认的主题是darkgrid,修改主题可以使用set_style()函数。

sns.set_style(‘white’)

建议在绘制大量数据元素时,使用whitegrid主题;如果想突出带有固定模式的数据时,建议不使用网格,即dark/white主题;在体现少量特殊的数据元素结构时,使用ticks主题。

如果不需要右方和上方的坐标轴,可以使用despine()函数去掉。注意,使用despine()函数需要在画数据元素之后使用,并且despine()函数只有在使用white或ticks主题时,才会有效果。另外,despine()函数可以选择哪些坐标轴被隐藏。

sns.despine(left=True, bottom=True, right=False, top=False)

offset_spines()可以使坐标轴移开一些,远离数据元素。

使用axes_style()可以方便的临时改变绘图主题。

with sns.axes_style(‘darkgrid’):

    plt.subplot(211)

    plt.plot(x,y)

如果希望改变默认绘图主题的风格,可以将字典作为参数rc传入*_style()函数中。也可以使用sns.set_style(‘darkgrid’rc)改变指定主题的风格参数。可以改变的风格参数列表可以通过sns.axes_style()的返回值得到。style的键值对列表的示例如下。

axes.labelcolor          .15
axes.grid                True
axes.axisbelow           True
axes.edgecolor           white
axes.linewidth           0
axes.facecolor           #EAEAF2
font.family              Arial
grid.color               white
grid.linestyle           -
image.cmap               Greys
legend.frameon           False
legend.scatterpoints     1
legend.numpoints         1
lines.solid_capstyle     round
pdf.fonttype             42
text.color               .15
xtick.color              .15
ytick.color              .15

xtick.direction          out
ytick.direction          out

xtick.major.size         0
ytick.major.size         0
xtick.minor.size         0
ytick.minor.size         0

下面介绍第二组*_context()函数

上下文(context)可以设置输出图片的大小尺寸(scale)。Seaborn中预定义的上下文有4种:paper、notebook、talk和poster。默认使用notebook上下文。

sns.set_context(‘paper’)

上例将上下文设置为paper,输出为最小的尺寸。

同样,plotting_context()函数也可以在with关键字后临时改变绘图风格,也可以传入字典参数,改变默认设置。

sns.set_context(‘notebook’,rc)

context键值对的示例列表如下。

axes.titlesize           12
axes.labelsize           11
figure.figsize           [ 8.   5.5]
grid.linewidth           1
lines.linewidth          1.75
legend.fontsize          10
lines.markeredgewidth    0
lines.markersize         7
patch.linewidth          0.3
xtick.labelsize          10
ytick.labelsize          10
xtick.major.pad          7
ytick.major.pad          7
xtick.major.width        1
ytick.major.width        1
xtick.minor.width        0.5
ytick.minor.width        0.5

两组绘图函数均可以通过set()函数控制参数。

 

配色

在介绍seaborn的配色使用之前,首先需要介绍seaborn的调色板(palette)功能。

通过sns.color_palette()函数设置或查看调色板(palette),函数返回值是rgb元组的列表。调用sns.palplot()画出palette的每种颜色。

sns.palplot(sns.color_palette())

上例会显示seaborn预定义六个palette颜色:pastel,bold,muted,deep,dark和colorblind。

color_palettes_7_0

另外可以通过color_pallete()设定palette的颜色。例如

sns.palplot(sns.color_palette(‘husl’,8))

color_palettes_9_0

显示husl颜色空间平均分布的8个颜色。又如

sns.palplot(sns.color_palette(‘hls’,8))

color_palettes_10_0

显示hls颜色空间平均分布的8个颜色。

还可以使用matplotlib中colormap的名字,例如

sns.palplot(sns.color_palette(‘coolwarm’,7))

color_palettes_12_0

显示冷暖色平均分布的7个颜色。

sns.palplot(sns.color_palette(‘RdPu_r’,8))

color_palettes_14_0

显示连续的平均分布的8个颜色。

sns.palplot(sns.color_palette(‘Set2’,10))

color_palettes_16_0

显示定性的10个颜色。

sns.palplot(sns.color_palette(["#9b59b6", "#3498db", "#95a5a6", "#e74c3c", "#34495e", "#2ecc71"]))

color_palettes_18_0

显示自定义的6个颜色。

palette可以大致被分为3类:离散的(diverging)、连续的(sequential)和定性的(qualitative)。离散的palette适用于表示数据有自然的、有实际意义的断点;而连续的palette适用于表示数据从低到高等的变化;定性的palette适用于分类的数据。

另外还有两个函数可以自定义paletteblend_palette()dark_palette()

dark_palette()是根据指定的颜色,自动调整其灰度产生多个颜色,这些灰度增量不是均等的。

sns.palplot(sns.dark_palette(‘MediumPurple’))

sns.palplot(sns.dark_palette(‘skyblue’,8,reverse=True))

color_palettes_20_0 color_palettes_22_0

 

dark_palette()函数默认返回颜色rgb列表,也可以返回colormap对象作为参数传给matplotlib函数。

pal = sns.dark_palette(‘palegreen’, as_cmap=True)

sns.kdeplot(sample, cmap=pal)

blend_palette()可以更加灵活的指定自己喜欢的颜色。

sns.palplot(sns.blend_palette([‘mediumseagreen’,‘ghostwhite’,‘#4168B7’], 9))

color_palettes_28_0

通过改变饱和度产生连续型palette使用desaturate()函数。

sns.palplot(sns.blend_palette([sns.desaturate(‘#009B76’,0),’#009B76’], 5))

在使用seaborn提供的绘图函数时,函数内部会调用调色板函数,因此只需将调色板字符串或*_palette()函数返回的对象传给color或者palette参数即可。

sns.tsplot(sample, color=‘muted’)

sns.violinplot(sample, color=pal)

sns.factorplot(sample, palette=‘OrRd’)

sns.factorplot(sample, palette=‘Paired’)

另外color_palette()也可以在with关键词之后使用,用于临时改变配色。

with sns.color_palette(‘PuBuGn_d’):

    plot(sample)

还可以使用set_palette()改变matplotlib的配色,使所有绘图均使用同一palette,其参数与color_palette()相同。

 

数据分布的可视化

简单的单变量分布可以使用matplotlib的hist()函数绘制直方图,双变量可以使用sns.jointplot()函数绘制六边形箱图阵(hexbin plot,网上就是这么翻译的= =)。

如果需要更进一步的描述数据分布,可以使用地毯图(rug plot)和核密度估计图(Kernel Density Estimate plot, KDE plot)。Seaborn的KDE图默认使用的是高斯核函数。

sns.rugplot(data)

sns.kdeplot(data, shade = True)

和plt.hist()函数的bins参数类似,sns.kdeplot()函数有bw参数可以指定核函数的带宽(bandwidth),使密度估计对(可能为噪声的)高频信号更加或更不加敏感。bw取正实数。

核函数也可以通过kernel参数指定,值为{“biw”,“cos”,“epa”,“gau”,“tri”,“triw”}。但是核函数对密度估计函数的形态影响并不是很大。

kdeplot()函数还可以画多变量的KDE图,当样本参数传入(n_units,n_variables)形状的DataFrame时,kdeplot()将自动绘制多变量KDE图。在高维KDE图中,只能用高斯核。

kdeplot()的cmap参数可以指定配色,例如‘BuGn_d’、‘PuRd_d’、‘Purples’等。

kdeplot()还有很多参数可以实现不同样式的KDE图,参考官方手册

jointplot()函数不仅能够画双变量的联合分布概率估计图,还可以同时绘制每个变量的边缘分布

sns.jointplot(‘X’,‘Y’,data, kind=‘kde’)

sns.jointplot(x, y, kind=‘hex’)

下面介绍displot()函数。displot()函数能够将多种绘图叠加在一个图中,该函数提供一个统一的接口来绘制直方图、核密度图和地毯图等。displot()会默认自动选择合适的bin的数量,来绘制直方图。函数可以设置rug、hist和kde参数来选择哪些图参与叠加绘制,[plot]_kws参数(例如kde_kws)赋值为参数名与对应值的键值对字典,来指定对应绘图的参数。参数字典中的参数名为字符串类型。

sns.distplot(data, rug=False, hist=True, hist_kws={‘color’:‘slategray’})

 

定量数据的线性模型绘图

线性模型用于理解激励(自变量)与响应(因变量)之间的线性关系。下面以介绍lmplot()函数的使用为主。

lmplot()函数的数据参数使用Pandas的DataFrame类型,并且需要提供激励和响应变量的在DataFrame中的name。

sns.lmplot(‘total_bill’,‘tip’,tips)

quantitative_linear_models_7_0[1]

图中给出了样本的散点图和回归直线,以及95%置信区间的范围。可以使用ci参数指定置信区间的百分比,例如ci=68表示置信度为68%。和distplot()函数类似,lmplot()也可以使用字典参数指定不同绘图图层的参数,例如

sns.lmplot(‘total_bill’,‘tip’,tips,

            scatter_kws={‘marker’:‘.’,‘color’:‘slategray’},

            line_kws={‘linewidth’:1,‘color’:‘seagreen’})

quantitative_linear_models_11_0[1]

当数据是定量离散的,可以使用抖动参数提高视觉效果。

sns.lmplot(‘size’,‘tip’,tips,x_jitter=0.15)

quantitative_linear_models_15_0[1]

离散变量的表示也可以使用估计值和范围代替,给x_estimator传入估计值的计算函数名即可。例子中使用的是均值估计。

sns.lmplot(‘size’,‘tip’,tips,x_estimator=np.mean)

quantitative_linear_models_17_0[1]

连续变量也可以使用x_bins参数离散化。

bins = [10, 20, 30, 40]

sns.lmplot(‘total_bill’, ‘tip’, tips, x_bins=bins)    #x_bins也可以赋值为bins的数量

quantitative_linear_models_19_0[1]

lmplot()函数支持使用hue参数区分数据集的不同子集,以便画出子集的线性回归函数。hue取值为DataFrame的某个name。

col参数也可以达到相似的效果,与hue参数的区别是,hue参数是将name所指定的不同类型的数据叠加在一张图中显示,而col参数将不同类型的数据画在不同图中。如果同时使用两个参数,则仍是不同图片,但样本点与回归直线的色彩不同。

lmplot()函数也有palette参数指定绘图调色板。hue_order参数通过传入列表指定顺序。

lmplot()函数可以绘制更高阶的回归拟合曲线,通过order参数指定阶数。

sns.lmplot(‘size’, ‘total_bill’, tips, order=2)

quantitative_linear_models_34_0[1]

lmplot()函数还可以画出lowess图(局部加权光滑描点图?),但暂时没有置信区间。

sns.lmplot(‘total_bill’, ‘tip’, tips, lowess=True, line_kws={‘color’:‘0.2’})

quantitative_linear_models_36_0[1]

lmplot()可以实现逻辑回归。由于样本是二值分布的,当使用一般线性回归时,会出现在某些范围概率为负或超过1的情况,因此需要使用逻辑回归。

sns.lmplot(‘total_bill’, ‘big_tip’, tips, y_jitter=0.05, logistic=True)

quantitative_linear_models_44_0[1]

lmplot()可以通过参数降低噪声点对回归结果的影响,使用robust参数和n_boot参数减少bootstrap迭代的次数。

sns.lmplot(‘total_bill’, ‘tip’, tips, robust=True, n_boot=500)

当处理多个变量时,可能两个变量看上去是相关的,但引入另一个变量时就变得不相关。可以使用x_partial参数。

lmplot()实际上调用的是更底层的regplot()函数进行回归和绘图。regplot()函数不会改变已画好的图像。因此如果需要更多的控制,可以使用regplot()函数。regplot()函数可以使用lmplot()的绝大多数参数,但regplot()一次只能画一个点或一条回归线。另外,regplot()函数接受numpy数组作为数据,并可以单独设置颜色。

residplot()函数可以画出样本的残差(理论上散点应该无规律地分布在y=0附近)。但对样本进行适当变换,可能体现残差的高阶特征,可以使用lowess参数得到拟合曲线。

jointplot()函数也可以将kind参数设置为‘resid’或者‘reg’画出残差或回归曲线。

corrplot()函数是一个比较有用的函数,能够画出数据集变量相关矩阵的热度图,提供数据集变量两两之间的关系的宏观视图。函数默认使用排列检验得到相关矩阵的p值,当数据集较大时,排列检验将会相对比较耗时。当然如果数据集较大,p值可能并不是特别相关,因此可以不使用显著性检验。corrplot()的参数允许去掉颜色条、去掉星形标号、设置颜色、设置tail(只关心正值或负值)、设置颜色条的范围、去掉相关系数标注等。

还有interactplot()函数和coefplot()函数的使用可以参考官方手册。

 

(此处省略官方网站的Linear models with categorical dataPlotting statistical timeseries data两节)

 

Data-aware网格绘图

多维数据需要将数据分为子集依次画图,这种绘图称为lattice(或者trellis)绘图。Seaborn基于matplotlib提供绘制多维数据的函数。Seaborn的接口要求使用Pandas的DataFrame作为数据参数,并且必须是结构化的数据(tidy data),每一行为一个观测,每一列为一个变量。

FacetGrid类能够方便的绘制这类图像。FacetGrid对象有三个维度:row,col和hue。下面是几个例子。

tips = sns.load_dataset(‘tips’)

g = sns.FaceGrid(tips, col=‘time’)    #只是将grid初始化,并不绘图

g.map(plt.hist, ‘tip’)

axis_grids_9_0[1]

注意得到最终图像需要使用map()函数。通过map()函数不同的参数,可以实现不同的绘图。第一个参数可以是plt.hist, plt.scatter, sns.regplot, sns.barplot, sns.distplot, sns.pointplot等。

需要画联合分布时,可以使用JointGrid类,其性质与FaceGrid类似。JointGrid对象使用plot()函数、plot_marginals()函数、plot_joint()函数和annotate()函数画不同样式的图像。具体参数及使用见官方手册。

 

 

 

(图片均来自于官方网站,版权归原作者所有)


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