Python交互式数据可视化——酷炫的Altair库

本文作者：温和铭，中南财经政法大学统计与数学学院

本文编辑：周一鸣

技术总编：王玉婷

Stata and Python 数据分析

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导语

提到利用Python实现数据的可视化，你首先想到的是什么？在之前的推文中，我们已经为大家介绍过耳熟能详的一些Python数据可视化库，比如Pyecharts：《Python数据可视化神器：pyecharts (一)》、《Python数据可视化神器：pyecharts (二)》；Seaborn：《【数据可视化】统计图绘制神器：Seaborn》、Matplotlib：《数据可视化利器——Matplotlib》等，这些都能满足大家在绘制统计图表时的基本需求。但是，由于以上的库使用者众多，大家画出来的图往往大同小异，难免使人“视觉疲劳”。今天，我们介绍一个虽然稍显“冷门”，但拥有强大交互式功能、配色清新的数据可视化库——Altair，让你的统计图表从茫茫图海中脱颖而出。

01 Altair库简介

Altair库是由华盛顿大学的数据科学家Jake Vanderplas编写的第三方库，提供强大而简洁的可视化语法，我们可以在官方文档的示例画廊(https://altair-viz.github.io/gallery/index.html)中，了解Altair库都能实现哪些图像的绘制。除了各类散点图、条形图、折线图、饼图和地图之外，Altair还能画出许多精美的交互式图表。

接下来，就让我们来学习Altair库的画图语法。

02 准备工作

首先，我们需要安装Altair库，使用win+R快捷键打开cmd，可输入以下两种安装命令：

#安装Altair
pip install altair vega_datasets  #使用pip安装
conda install -c conda-forge altair vega_datasets #在anaconda的命令行中安装

当出现上图的结果时，说明Altair库已经安装成功。

接下来，我们就可以在交互环境中调用Altair画图。建议在jupyter notebook或者jupyter lab环境下使用，这里我们展示jupyter notebook中的操作步骤，调包命令如下：

import altair as alt

让我们先来了解一下Altair的基础语法结构，在Altair中，altair.Chart()是基本的图表对象，一般而言，我们使用DataFrame作为画图对象，定义一个图表对象的语法如下例：

import pandas as pddata = pd.DataFrame({'a': list('ABCDEFGHI'), 'b': [8, 4, 6, 9, 3, 5, 2, 4, 7]})chart = alt.Chart(data)

这里我们定义的图表对象为chart，接着可以指定数据的展示方式。常用语句如下：

mark_point()：散点图

mark_line()：折线图

mark_bar()：柱状图

mark_geoshape()：地理地图

在画图时，我们还需要声明Chart中哪些数据是x轴，哪些是y轴。在Altair中，我们可以通过调用Chart对象的encode()方法，往里面传递参数来对x轴、y轴等进行设置，沿用上例中创建的数据集：

alt.Chart(data).mark_point().encode(x='a', y='b') #定义x轴为a，y轴为b，画散点图

以上就是使用Altair库画图的基础“三件套”：一是通过alt.Chart()指定画图要用到的数据集；二是通过mark_XX()指定所要画出的图形类型，其中XX需要替换成图形名称，如point、line、bar等等；三是通过encode()定义图形中的坐标轴，一般是x轴和y轴。记住这三个组成部分，我们就已经掌握了Altair的基本语法。

03 画图

在了解一些Altair库中的基础语法后，让我们使用真实数据，进行画图实操。这里使用到的是我国股票市场中较为常见的几个股票指数，上证综合指数（000001）、深证综合指数（399106）、沪深300（000300）在2018年10月31日至2022年10月31日的开盘指数、最高指数、最低指数、收盘指数以及指数回报率指标，数据均来源于国泰安CSMAR数据库。

（1）单一图

首先调取Altair和Pandas库，导入数据：

import pandas as pdimport altair as altdata=pd.read_excel('股指.xlsx')接下来，我们可以针对其中的一些指标进行画图分析，观察数据的总体分布情况，这里以绘制最高指数的刻度线图和直方图为例：

#刻度线图alt.Chart(data).mark_tick().encode( x='最高指数').properties( title="刻度线图")
#直方图alt.Chart(data).mark_bar().encode( alt.X('最高指数', bin=True), y='count()').properties( title="直方图")

在画图时，我们可以使用properties(title=" ")这一选项为图片添加标题，最终输出效果如下：

除此之外，由于数据集中包含了年-月-日信息，我们还可以提取特定的年份，通过热力图来观察不同月份-日期组合之间的数据分布差异，以提取2022年1月-10月的数据为例：

#提取月份和日期看指数回报率data2022 =data[(data['交易日期'] >= '2022-01-02') & (data['交易日期'] <= '2022-10-31')] alt.Chart(data2022).mark_rect().encode( alt.X('date(交易日期):O', title='day'), alt.Y('month(交易日期):O', title='month'), color='指数回报率:Q').properties( title="2022年指数回报率热力图")需要注意的是，这里在调用encode()传递参数时，对参数的类型进行了声明，并通过函数对时间变量进行了处理。其中，声明参数类型的语法结构为：”冒号+参数类型“，例如'指数回报率:Q'表示的就是声明指数回报率这个变量为数值型。常用的声明有T：时间型、Q：数值型、N：分类型等。而处理时间变量的函数为：“时间单位(时间百变量)”，频度有year、month和date等。绘制的图形如上。从热力图中，我们可以通过纵轴（月份）和横轴（天数）定位到具体某一天的数值，颜色的深浅表示了数值的大小。特别地，可以直观地看出，在3月16日、4月27日和4月29日，指数回报率相对较高。接着，我们可以通过折线图来了解变量的时间趋势。首先绘制开盘指数的日度时序图：

alt.Chart(data).mark_line().encode( x='交易日期', y='开盘指数')

可以看出，日度数据数量过多，导致横轴过长，不方便观察。我们可以通过时间函数month()，将日期的频度变小为月度，同时使用mean()函数求出对应的月度均值。

alt.Chart(data).mark_line().encode(
    x='month(交易日期):T',
    y='mean(开盘指数):Q',
    color='指数名称:N'
).properties(
    title="指数回报率月度时序图"
) 

值得注意的是，在绘制上图的过程中，我们使用了color参数指定图例的对象为指数的名称，并用:N声明其为分类变量。

（2）复合图

当我们想把其他变量（如最高指数、最低指数和收盘指数等）一并放入同一张图时，可以使用alt.layer()函数来实现：

#多图合一
chart1=alt.Chart(data).mark_line().encode(
    x='month(交易日期):T',
    y='mean(开盘指数):Q',
    color='指数名称:N'
) 

chart2=alt.Chart(data).mark_line().encode(
    x='month(交易日期):T',
    y='mean(最高指数):Q',
    color='指数名称:N'
) 

chart3=alt.Chart(data).mark_line().encode(
    x='month(交易日期):T',
    y='mean(最低指数):Q',
    color='指数名称:N'
) 

chart4=alt.Chart(data).mark_line().encode(
    x='month(交易日期):T',
    y='mean(收盘指数):Q',
    color='指数名称:N'
) 

alt.layer(chart1,chart2,chart3,chart4)

此外，我们也可以将不同的图表按不同方向进行进行排列。在Altair库中，alt.hconcat()表示将图按水平方向排列，alt.vconcat()表示按垂直方向排列。

#同时绘制多图
#水平排列
chart1 = alt.Chart(data).mark_point().encode(
    x='最低指数:Q',
    y='最高指数:Q',
    color='指数名称:N'
).properties(
    height=300,
    width=300
)

chart2 = alt.Chart(data).mark_bar().encode(
    x='count()',
    y=alt.Y('指数回报率:Q', bin=alt.Bin(maxbins=30)),
    color='指数名称:N'
).properties(
    height=300,
    width=100
)
plot1=alt.hconcat(chart1, chart2)
#使用chart1 | chart2效果相同

#垂直排列
brush = alt.selection(type='interval', encodings=['x'])

base = alt.Chart(data).mark_area().encode(
    x = '交易日期:T',
    y = '收盘指数:Q'
).properties(
    width=600,
    height=200
)

upper = base.encode(
    alt.X('交易日期:T', scale=alt.Scale(domain=brush))
)

lower = base.properties(
    height=60
).add_selection(brush)

plot2=alt.vconcat(upper, lower)

当我们想把面板数据拆开，绘制不同股指的时序图时，可以通过在encode()函数中添加column()来指定拆分的对象，进而画出分面图。

#分面图
alt.Chart(data).mark_line().encode(
    x = '交易日期:T',
    y = '收盘指数:Q',
    color= '指数名称:N',
    column='指数名称:N'
).properties(
    width=180,
    height=180
)

（3）交互图

除了绘制静态的可视化图表外，Altair库的独特之处在于其能够编写交互式的绘图语法。我们仍然使用股指的数据集，展示如何让图“动起来”。

首先，我们可以通过添加interactive()选项，使得图形可以通过滑动鼠标滚轮进行放缩，同时在encode()中添加tooltip来声明需要展示的标签，实现将鼠标移到某一点上时，展示该点对应的标签信息。下面展示交互式散点图的画法。

#交互式散点图
alt.Chart(data).mark_point(size=60).encode(
    x='month(交易日期):T',
    y='mean(收盘指数):Q',
    color='指数名称:N',
    tooltip=['指数名称', '交易日期', '开盘指数', '最高指数', '最低指数', '收盘指数', '指数回报率'] 
).interactive() 

为了实现更多交互的功能，我们需要介绍Altair的两个概念，selection和condition，selection是一种选择器，可以理解为根据不同的情况做出不同的反应，selection必须被添加在图上才可以使用，其中做出的反应由condition确定，某些属性的值可以根据不同的condition做出不同的响应。我们在上一张散点图的基础上添加selection功能，首先使用selection_interval()函数创建一个间隔选择：

brush = alt.selection_interval()  # 创建一个选区

其次，通过add_selection()将此画笔绑定到我们的图表：

alt.Chart(data).mark_point(size=60).encode(
    x='month(交易日期):T',
    y='mean(收盘指数):Q',
    color='指数名称:N'
).add_selection(
    brush
)

于是，我们可以在生成的图形中单击和拖动以创建选择区域，并在创建区域后移动此区域。

接下来，我们可以通过condition()来对由selection()生成的选区进行操作。比如创建条件颜色编码：我们将颜色绑定到所选内容中点的列，并将非选择区域中的点设置为灰色。

alt.Chart(data).mark_point(size=60).encode(
    x='month(交易日期):T',
    y='mean(收盘指数):Q',
    color=alt.condition(brush, '指数名称:N', alt.value('lightgray'))
).add_selection(
    brush
)

至此，我们就实现了对图表的交互式设计，是不是很新奇呢？要想保存这种动态图形，我们可以使用save()函数设置保存路径，并将后缀设置为.html，就可以在网页中打开交互式图像，比如对上图的命令稍加修改：

condition=alt.Chart(data).mark_point(size=60).encode(
    x='month(交易日期):T',
    y='mean(收盘指数):Q',
    color=alt.condition(brush, '指数名称:N', alt.value('lightgray'))
).add_selection(
    brush
)
condition.save('D:\Altair\condition.html')

结语

本文介绍了Altair库强大的绘图功能，与常用的可视化库不同，Altair还提供了丰富的交互式图像设计功能。这里所介绍的只是基础的语法结构，如果还想画出更多高级精美的交互式可视化图，欢迎读者自行探索，后续我们也将推出更多数据可视化教程，敬请期待！

END

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