詳解matplotlib中的plt.contourf

一、plt.contourf簡介

plt.contourf是matplotlib中一個非常重要的函數，用於繪製等高線圖，其中f表示filled，繪製的顏色由函數值所表示的「高度」決定，通常用於表示2D函數的等值線分布。

二、plt.contourf的參數

plt.contourf函數具有多個參數，其中x,y分別表示x軸和y軸上的坐標數組；Z表示在這些坐標上對應的函數值；levels代表要繪製的等值線的高度；cmap是顏色選擇；alpha是透明度；linewidths表示等值線的寬度等等。實際上，plt.contourf函數可以繪製出更加高級的等高線圖，但本文著重介紹最基礎的內容。

# 簡單使用示例
plt.contourf(x, y, z) # 繪製等高線圖，只傳入x、y和z三個參數
plt.colorbar() # 添加顏色條

本例中的x、y、z數組均為二維數組，其形狀分別為N行M列。使用時需要保證x和y的形狀和z相同。

三、plt.contourf的應用場景

1. 表示2D函數的等值線分布

對於一個二維函數f(x, y)，我們可以通過plt.contourf函數將其等值線畫出來，其中x和y是變數，z=f(x,y)。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 定義函數
def f(x, y):
    return np.sin(np.sqrt(x ** 2 + y ** 2))

# 生成網格數據
x = np.linspace(-10, 10, 500) # x坐標
y = np.linspace(-10, 10, 500) # y坐標
X, Y = np.meshgrid(x, y) # 生成二維網格數據

z = f(X, Y) # 計算得到z值

# 繪製圖像
plt.contourf(X, Y, z, cmap='cool') # 繪製等值面
plt.colorbar() # 添加顏色條
plt.show()

運行結果如下圖所示，等值線的顏色隨著函數值的變化而變換，越靠近最高點顏色越亮。

2. 地圖繪製

在地理信息學中，人們常常需要繪製各種特徵地圖，比如地形高度圖、氣象預報圖等。利用plt.contourf函數，我們可以非常輕鬆地實現這一目標。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 生成網格數據
x = np.linspace(0, 10, 50)
y = np.linspace(0, 10, 50)
X, Y = np.meshgrid(x, y)

# 定義一個簡單的高度分布函數，這裡是正弦函數
z = 2 * np.sin(X) + 3 * np.sin(Y)

# 繪製等高線圖
plt.contourf(X, Y, z, cmap='cool')
plt.colorbar()

# 添加地圖信息
plt.title('等高線地圖')
plt.xlabel('經度')
plt.ylabel('緯度')

plt.grid(True)

plt.show()

運行結果如下圖所示，色彩分布從深紅到淺綠，更好地顯示了地勢高低差異。使用等高線還可以更加準確地描述地勢，從而更好地預測地圖上海拔高度的走勢。

3. 三維數據的可視化

plt.contourf函數還可以繪製三維數據的可視化效果。在這裡，我們可以設置z值作為顏色來表示數據的變化醫，並用不同的顏色填充不同的元素。

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

# 生成網格數據
x = np.linspace(-10, 10, 50)
y = np.linspace(-10, 10, 50)
X, Y = np.meshgrid(x, y)

# 定義一個三維數據（X, Y, Z），這裡使用正弦函數
Z = np.sin(np.sqrt(X ** 2 + Y ** 2))

# 繪製三維圖像
fig = plt.figure()
ax = fig.gca(projection='3d') # 創建3D坐標系

surf = ax.plot_surface(X, Y, Z, cmap='cool') # 繪製表面
plt.colorbar(surf)

plt.show()

運行結果如下圖所示，顏色鮮明，營造出充滿科技感的立體畫面，使數據的呈現更加形象生動了。