使用 plotly 绘制 Choropleth 地图

矫情吗；* 2023-07-09 04:23 34阅读 0赞

本文将通过绘制中国省级 Choropleth 地图来解释如何使用 plotly 绘制 Choropleth 地图，主要有两种方法：底层 API `plotly.graph_objects.Choroplethmapbox` 和高层 API `plotly.express.choropleth_mapbox`，数据是 [COVID-19][] 在某一天的疫情数据。完整代码地址见文末。

## 什么是 Choropleth 地图 ##

> Choropleth map 即分级统计图。在整个制图区域的若干个小的区划单元内（行政区划或者其他区划单位），根据各分区资料的数量（相对）指标进行分级，并用相应色级或不同疏密的晕线，反映各区现象的集中程度或发展水平的分布差别。—— [Choropleth\_百度百科][Choropleth]

简单来说，具体到本文，就是在地图上为每个省上色，根据什么来确定上哪个颜色呢？在本文中就是该省的确诊人数，人数越多，颜色越亮。这样得到的地图就是 Choropleth 地图。

## 依赖 ##

主要依赖为：

*  [plotly][]
 *  [pandas][]

均可以通过 `pip` 安装，然后导入：

import json
    import pandas as pd
    import plotly.express as px
    import plotly.graph_objs as go

## 数据准备 ##

*  [`data.csv`][data.csv]：某日 COVID-19 全国省级疫情数据，用于地图上色
 *  [`china_province.geojson`][china_province.geojson]：中国省级地图 geojson 文件，用于绘制地图轮廓

然后导入数据：

with open("china_province.geojson") as f:
        provinces_map = json.load(f)
    df = pd.read_csv('data.csv')

## plotly 的绘图逻辑 ##

使用 plotly 绘图，其实就是两点：**data 和 layout**，即数据和布局。其实所有绘图都是这样，只不过在 plotly 里体现得尤为明显，尤其是底层 API。

data 决定绘图所使用的数据，比如绘制股票折线图用的股票历史数据，绘制疫情地图用的疫情数据。layout 决定图的布局，比如一幅折线图的宽高，一幅地图的风格和中心点。plotly 里一幅图是一个 `Figure` 对象，这个对象就有 `data` 和 `layout` 两个参数。

## 方法 1：底层 API `plotly.graph_objects.Choroplethmapbox` ##

`plotly.graph_objects.Choroplethmapbox`（以下简称 `go.Choroplethmapbox`）是 plotly 的底层 API，其全部参数可参考[其官方文档][Link 1]。不过这参数实在是太多了，下面我通过例子来介绍一下几个常用的。

先来看代码：

fig = go.Figure(
        go.Choroplethmapbox(
            geojson=provinces_map,
            featureidkey="properties.NL_NAME_1",
            locations=df.地区,
            z=df.确诊,
            zauto=True,
            colorscale='viridis',
            marker_opacity=0.8,
            marker_line_width=0.8,
            showscale=True,
        )
    )
    fig.update_layout(
        mapbox_style="carto-darkmatter",
        mapbox_zoom=3,
        mapbox_center={
        "lat": 37.110573, "lon": 106.493924},
    )

先看下 `go.Choroplethmapbox` 的参数：

*  `geojson`：`dict` 类型，这个就是刚才说的用于绘制地图轮廓的数据，一般从相应的 geojson 文件中用 `json.load` 加载进来。
 *  `featureidkey`：`str` 类型，默认 为 `id`。函数会使用这个参数和 `locations` 匹配地图单元（比如省份）的名称，以此决定绘制哪些地图单元的轮廓。通常的形式为 `properties.name`，其中的 `name` 需要你自己根据 geojson 文件去指定，比如这里是 `properties.NL_NAME_1`，意思就是 `NL_NAME_1` 这一列是省份名称。这个很重要，设置不正确会导致地图轮廓显示不出来，**一定要保证和 `locations` 中的所有名称保持一致**。
 *  `locations`: 可以是以下类型：`list，numpy array，数字、字符串或者 datetime 构成的 Pandas series`。指定地图单元名称，决定绘制哪些地图单元的轮廓。同样需要注意**和 `featureidkey` 保持一致**。
 *  `z`：可以是以下类型：`list，numpy array，数字、字符串或者 datetime 构成的 Pandas series`。指定地图单元对应的数值，函数会将此值映射到 colorscale 中的某一颜色，然后将此颜色涂到相应的地图单元内。通常来说是一个 pandas dataframe 中的某一列，即一个 series。需要注意此参数中值的顺序需要和 `locations` 保持一致，一一对应，如河南在 `locations` 中的索引是 9，那么河南的确诊人数在 `z` 中的索引也必须是 9。
 *  `zauto`：`bool` 类型，默认为 `True`。是否让颜色自动适应 `z`，即自动计算 `zmin` 和 `zmax`，然后据此来映射 colorscale。
 *  `colorscale`：通常来说是 `str` 类型，也可以是 [`list` 类型][list_]。指定所使用的 colorscale，可使用的值参见[此处][Link 2]。
 *  `marker_opacity`：`float` 类型，颜色透明度。
 *  `marker_line_width`：`float` 类型，地图轮廓宽度。
 *  `showscale`：`bool` 类型。是否显示 colorbar，就是地图旁边的颜色条。

`fig.update_layout` 的参数同样有很多，主要用来定义布局：

*  `mapbox_style`：`str` 类型，指定 mapbox 风格。可用的 mapbox 风格列表可参见[这里][Link 3]。需要注意的是当你使用以下风格之一时，你就需要指定 `mapbox_token`（关于如何获取 token 详细可参见[这里][Link 4]）：
    
        ["basic", "streets", "outdoors", "light", "dark", "satellite", "satellite-streets"]
 *  `mapbox_zoom`：`int` 类型，指定地图的缩放级别。
 *  `mapbox_center`：`dict` 类型，key 为 `lat`（经度）和 `lon`（纬度），指定初始时地图的中心点。

最终的效果如图：  
![go-choropleth-mapbox.gif][]

## 方法 2：高层 API `plotly.express.choropleth_mapbox` ##

`plotly.express.choropleth_mapbox`（以下简称 `px.choropleth_mapbox`） 是 plotly 的高层 API，严格来说是 [`plotly_express`][plotly_express] 的接口，但是后来这个包被并入 `plotly`，可以直接用 `plotly.express` 来引入了，这个包主要就是简化了 plotly 的绘图方法。

详细参数可参考其[官方文档][Link 5]。其实大部分参数是异曲同工的，下面我同样使用相同的数据来绘制地图，解释下。

老规矩，先来看代码：

fig = px.choropleth_mapbox(
        data_frame=df,
        geojson=provinces_map,
        color='确诊',
        locations="地区",
        featureidkey="properties.NL_NAME_1",
        mapbox_style="carto-darkmatter",
        color_continuous_scale='viridis',
        center={
        "lat": 37.110573, "lon": 106.493924},
        zoom=3,
    )

*  `data_frame`：通常来说是 `pd.DataFrame` 格式。我们需要把绘图用到的数据都放到这个参数里面，后续很多参数都是基于此的，具体来说就是其中的列名。在 plot express 的各个绘图方法中，`DataFrame` 其实是最为方便的格式，也是官方推荐的格式，官方的大部分示例都是使用的这个格式。
 *  `geojson`：和 `go.Choroplethmapbox` 的同名参数对应。
 *  `color`：通常为 `str` 类型，`data_frame` 的列名。和 `go.Choroplethmapbox` 中的 `z` 对应。
 *  `locations`：通常为 `str` 类型，`data_frame` 的列名。和 `go.Choroplethmapbox` 中的同名参数对应。
 *  `featureidkey`：和 `go.Choroplethmapbox` 的同名参数对应。
 *  `mapbox_style`：和 `update_layout` 的同名参数对应。
 *  `color_continuous_scale`：和 `go.Choroplethmapbox` 中的 `colorscale` 对应。
 *  `center`：和 `update_layout` 中的 `mapbox_center` 对应。
 *  `zoom`：和 `update_layout` 中的 `mapbox_zoom` 对应。

最终的效果如图：

![px-choropleth-mapbox][]

## 完整代码 ##

完整代码放在 [GitHub][] 上。

## 一些没说到的 ##

为了阅读体验，本文没有解释更多的参数，但我相信这已经能让你绘制一幅不错的 choropleth 地图了。有时间我会继续写一写如何在 dash 中融入这些地图，并实时更新。

其实本文所讲的是地图是一种 tile map，和这种地图对应的是一种轮廓地图，没有 mapbox 这种底图，只绘制 geojson 文件中定义的轮廓，如下面这幅图：

![中国省级轮廓地图][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTAwOTkwODA_size_16_color_FFFFFF_t_70]

plotly 也可以绘制这种地图，只需要去掉本文所讲的函数中 `mapbox` 即可：`go.Choropleth` 和 `px.choropleth`，感兴趣可以参考[这里][Link 6]的示例。

有任何问题欢迎在 GitHub 上提 issue 或者在评论区留言。

## Reference ##

*  [Mapbox Choropleth Maps | Python | Plotly][Mapbox Choropleth Maps _ Python _ Plotly]
 *  [Choropleth Maps | Python | Plotly][Choropleth Maps _ Python _ Plotly]
 *  [新型冠状病毒（SARS-CoV-2）小知识汇总][COVID-19]

## END ##

[COVID-19]: https://secsilm.notion.site/SARS-CoV-2-dfade5d7db5b47218f568069a535733f
[Choropleth]: https://baike.baidu.com/item/Choropleth
[plotly]: https://github.com/plotly/plotly.py
[pandas]: https://github.com/pandas-dev/pandas
[data.csv]: https://github.com/secsilm/plotly-choropleth-mapbox-demo/blob/master/data.csv
[china_province.geojson]: https://github.com/secsilm/plotly-choropleth-mapbox-demo/blob/master/china_province.geojson
[Link 1]: https://plot.ly/python/reference/#choroplethmapbox
[list_]: https://plot.ly/python/colorscales/#custom-discretized-heatmap-color-scale-with-graph-objects
[Link 2]: https://plot.ly/python/builtin-colorscales/
[Link 3]: https://plot.ly/python/mapbox-layers/#base-maps-in-layoutmapboxstyle
[Link 4]: https://github.com/secsilm/2019-nCoV-dash#%E5%85%B3%E4%BA%8E-mapboxtoken
[go-choropleth-mapbox.gif]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200227195428274.gif
[plotly_express]: https://github.com/plotly/plotly_express
[Link 5]: https://plot.ly/python-api-reference/generated/plotly.express.choropleth_mapbox.html#plotly.express.choropleth_mapbox
[px-choropleth-mapbox]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200227195755385.gif
[GitHub]: https://github.com/secsilm/plotly-choropleth-mapbox-demo
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTAwOTkwODA_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200229092613282.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTAwOTkwODA=,size_16,color_FFFFFF,t_70
[Link 6]: https://plot.ly/python/choropleth-maps/
[Mapbox Choropleth Maps _ Python _ Plotly]: https://plot.ly/python/mapbox-county-choropleth/
[Choropleth Maps _ Python _ Plotly]: https://plot.ly/python/choropleth-maps/#base-map-configuration