使用Plotly创建带有回归趋势线的时间序列可视化图表

liuian 2025-08-31 03:56 33 浏览

利用Pandas Groupby()、for loops和Plotly Scatter Graph对象结合Plotly Express趋势线创建带有回归趋势线的时间序列图。

数据

为了说明这是如何工作的，让我们假设我们有一个简单的数据集，它有一个datetime列和几个其他分类列。您感兴趣的是某一列("类型")在一段时间内("日期")的汇总计数。列可以是数字、类别或布尔值，但是这没关系。

注意:初始部分包含用于上下文和显示常见错误的代码，对于现成的解决方案，请参阅最后的GitHub的代码。

# Example Datadata = {'dates':
        ['2012-05-04',
         '2012-05-04',
         '2012-10-08'],
        'types':
        ['a',
         'a',
         'z'],
        'some_col':
        ['n',
         'u',
         'q']
        }

df = pd.DataFrame.from_dict(data)

分组、组织和分类

作为第一步，对数据进行分组、组织和排序，以根据所需度量的时间生成计数。在下面的代码块中，您可以在此阶段进行一些逐行转换。

# some housekeeping
df['dates'] = pd.to_datetime(df['dates'])

# subset
df = df[['dates', 'types']]

# groupby and aggregate
df = df.groupby([pd.Grouper(key='dates')]).agg('count')

# reset index
df = df.reset_index()# rename the types col (optional)
df = df.rename(columns={'types':'count'})

为了清晰起见，这些步骤可以通过如下所示的方式使用一些额外的数据来完成。重要的是分组，然后按日期时间计数。

data = {'dates':
        ['2012-05-04',
         '2012-05-04',
         '2012-06-04',
         '2012-08-08'],
        'types':
        ['a',
         'a',
         'z',
         'z',],
        'some_col':
        ['n',
         'u',
         'q',
         '']
        }

df['dates'] = pd.to_datetime(df['dates'])

df = df[['dates', 'types']].groupby([pd.Grouper(key='dates')]).agg('count').reset_index()

df = df.rename(columns={'types:'count'})

print(df)
                        
"""
      dates  count
1 2012-06-04      1
2 2012-08-08      1
0 2012-05-04      2
"""

如果您注意到，前面的代码会按提供的日期分组。但是，如果您想按月或年进行分组呢?为了完成这个任务，使用Grouper参数的频率。

freq='M'
# or 'D' or 'Y'
df = df[['dates', 'types']].groupby([pd.Grouper(key='dates', freq=freq)]).agg('count').reset_index()

"""
       dates  count
2 2012-07-31      0
1 2012-06-30      1
3 2012-08-31      1
0 2012-05-31      2
"""

# group by the category being counted, or count in this case
group = df.groupby('count')
print(group)
"""
<pandas.core.groupby.generic.DataFrameGroupBy object at 0x7fc04f3b9cd0>
"""

以上代码来自pandas的doc文档

在上面的代码块中，当使用每月"M"频率的Grouper方法时，请注意结果dataframe是如何为给定的数据范围生成每月行的。最后，作为DataFrame准备的最后一步，通过"计数"将数据分组——我们在处理Plotly之后会回到这个问题上。

Plotly Express 和 Plotly Graph Objects

在所有的图形库中，Plotly是可视化效果最好的了，但是他也存在一些问题。好的一方面是，Plotly能够产生出色的可视化效果，并与HTML集成。从不好的是，在单图和混合图之间切换时，语法可能会非常混乱。例如，使用plotlyexpress（px），可以传递整个DataFrames作为参数；但是，使用graphobjects（go）时，输入会更改，并且可能需要使用字典和Pandas系列而不是DataFrames。

为了熟悉用法我们先使用Plotly Express进行的简单绘图

import plotly_express as pxfig = px.area(df, x='dates', y='count')
fig.show()

如果您只需要一个简单的时间序列，例如下面所示的时间序列，那么也许就足够了。但是，在同一x轴（时间）上具有两个或更多数据计数的Plotly呢？

为了解决上面的问题，我们就需要从Plotly Express切换到Plotly Graph Objects。大多数时候，我都会使用Plotly的graphobjects库，因为里面包含了很多Express不可用的功能。例如，使用graphobjects，我可以生成混合子图，并且重要的是，可以覆盖多种类型的数据（例如时间序列）。

在使用px之前，我们将px对象分配给了fig（如上所示），然后使用fig.show（）显示了fig。现在，我们不想创建一个包含一系列数据的图形，而是要创建一个空白画布，以后再添加到其中。如果运行以下代码，则将按字面值返回一个空白画布。

import plotly.graph_objects as go
fig = go.Figure()

在使用空白的graph_objects的情况下，可以向画布添加痕迹（图形）。对于线和散点图等最常见的任务，go.Scatter（）方法是您想要使用的方法。

# add a graph to the canvas as a trace
fig.add_trace(go.Scatter(x=df['dates'], y=df['count']))

尽管这可行，但是您可能会发现输出不是理想的。代替由点按时间顺序连接的点，我们有了某种奇怪的" z"符号。

运行中的go.Scatter（）图，但未达到预期。点的连接顺序错误。下面图形是按日期对值进行排序后的相同数据。

这个小问题可能会令人沮丧，因为使用px，图形可以按您期望的方式运行，而无需进行任何调整，但go并非如此。要解决该问题，只需确保按日期对数组进行排序，以使其按某种逻辑顺序绘制和连接点。

# sort the df by a date col, then show fig
df = df.sort_values(by='dates')

此时，在相同的时间序列上手动绘制不同类型的数据可能就足够了。例如，如果您有两个不同的具有时间序列数据或多个子集的DataFrame，则可以继续向graph_object添加。

# if multiple DataFrames: df1 and df2

fig.add_trace(go.Scatter(x=df1['dates'], y=df1['count']))
fig.add_trace(go.Scatter(x=df2['dates'], y=df2['count']))
# ... and so on

但是，如果您有大量的数据，那么很快就不希望编写同样的代码了。所以我们使用分组来进行优化

df = df.groupby('types')# after grouping, add traces with loops
for group_name, df in group:
    fig.add_trace(
        go.Scatter(
              x=df['dates']
            , y=df['count']
        ))

把它们放在一起

在前面的小节中，我们逐步介绍了将整个可视化整合在一起所需的一些部件和部件，但是还有一些缺失的部分。例如，使用groupby方法时，我们丢失了类别(a、b)的type列，仅凭三个数据点很难判断是否存在任何类型的趋势。在本节中，让我们切换到一个样本数据集，该数据集有几百条记录和两个类别(a、b)，它们跨越了几年时间。

读取和分组数据

在下面的代码块中，一个示例CSV表被加载到一个Pandas数据框架中，列作为类型和日期。类似地，与前面一样，我们将date列转换为datetime。这一次，请注意我们如何在groupby方法中包含types列，然后将types指定为要计数的列。

在一个列中，用分类聚合计数将dataframe分组。

gitcsv = 'https://raw.githubusercontent.com/justinhchae/medium/main/sample.csv'
df = pd.read_csv(gitcsv, index_col=0)

df['dates'] = pd.to_datetime(df['dates'])

freq='M'

df = df.groupby(['types', pd.Grouper(key='dates', freq=freq)])['types'].agg(['count']).reset_index()


print(df)

"""
   types      dates  count
0      b 2016-01-31      1
1      a 2016-01-31      5
2      b 2016-02-29      3
3      a 2016-02-29      4
4      b 2016-03-31      3
5      a 2016-03-31      6
6      b 2016-04-30      1
...
"""

以前我们只按一列计数排序，但是我们也需要按日期排序。我们如何根据日期和计数排序?对于这个任务，在sort_values()的' by= '参数中指定列名。

# return a sorted DataFrame by date then count
df = df.sort_values(by=['dates', 'count'])# if you want to reset the index
df = df.reset_index(drop=True)

最后，让我们看看使用Plotly Express使用样本数据生成的图是什么样子的。

fig = px.area(df, x='dates', y='count', color='types')

现在，同样的数据表示为回归曲线。

fig = px.scatter(df
                 , x='dates'
                 , y='count'
                 , color='types'
                 , trendline='lowess'
                 )

这些都很好，但是我们如何才能将回归曲线覆盖在时间序列之上呢?有几种方法可以完成这项工作，但是经过一番研究之后，我决定使用图形对象来绘制图表并Plotly表达来生成回归数据。

从绘图对象开始重新绘制时间序列，为了填充每行下面的区域，将fill= ' tozeroy '作为参数添加到add_trace()方法。

import plotly.graph_objects as go
import plotly_express as px

# group the dataframe
group = df.groupby('types')

# create a blank canvas
fig = go.Figure()

# each group iteration returns a tuple
# (group name, dataframe)
for group_name, df in group:
    fig.add_trace(
        go.Scatter(
              x=df['dates']
            , y=df['count']
            , fill='tozeroy'
        ))

下面是我从Stack Overflow的帖子中借鉴的一个技巧,在循环中组合Plotly Express和Graph对象。有人想要在条形图中添加趋势线，当我们使用Plotly Express来生成趋势线时，它也会创建数据点——这些数据点可以作为普通的x、y数据访问，就像dataframe中的计数一样。因此，我们可以将它们作为图形对象在循环中绘制出来。

注意，我们使用Graph Objects将两类数据绘制到一个图中，但使用Plotly Express为每个类别的趋势生成数据点。

import plotly.graph_objects as go
import plotly_express as px

# group the dataframe
group = df.groupby('types')

# create a blank canvas
fig = go.Figure()

# each group iteration returns a tuple
# (group name, dataframe)
for group_name, df in group:
  # in each loop, draw a time series then a regression line
    fig.add_trace(
        go.Scatter(
              x=df['dates']
            , y=df['count']
            , fill='tozeroy'
        ))
    # source: https://stackoverflow.com/questions/60204175/plotly-how-to-add-trendline-to-a-bar-chart
    # generate a regression line with px
    help_fig = px.scatter(df, x=df['dates'], y=df['count'], trendline="lowess")
    # extract points as plain x and y
    x_trend = help_fig["data"][1]['x']
    y_trend = help_fig["data"][1]['y']

    # add the x,y data as a scatter graph object
    fig.add_trace(
        go.Scatter(x=x_trend, y=y_trend, name='trend'))

我们已经有了带有线条和趋势的基本图形对象，但还需要清理一些东西。例如，标签不是很有帮助，颜色都掉了。

要处理一些内部管理问题，需要向go.Scatter()方法添加更多参数。因为我们在for循环中传递了分组的dataframe，所以我们可以迭代地访问组名和数据帧的元素。在这段代码的最终版本中，请注意散点对象中的line和name参数，以指定虚线。

import pandas as pd
import plotly.graph_objects as go
import plotly_express as px

gitcsv = 'https://raw.githubusercontent.com/justinhchae/medium/main/sample.csv'
df = pd.read_csv(gitcsv, index_col=0)

df['dates'] = pd.to_datetime(df['dates'])

freq='M' # or D or Y

df = df.groupby(['types', pd.Grouper(key='dates', freq=freq)])['types'].agg(['count']).reset_index()
df = df.sort_values(by=['dates', 'count']).reset_index(drop=True)

# group the dataframe
group = df.groupby('types')

# create a blank canvas
fig = go.Figure()

# each group iteration returns a tuple
# (group name, dataframe)
for group_name, df in group:
    fig.add_trace(
        go.Scatter(
              x=df['dates']
            , y=df['count']
            , fill='tozeroy'
            , name=group_name
        ))

    # generate a regression line with px
    help_fig = px.scatter(df, x=df['dates'], y=df['count']
                          , trendline="lowess")
    # extract points as plain x and y
    x_trend = help_fig["data"][1]['x']
    y_trend = help_fig["data"][1]['y']

    # add the x,y data as a scatter graph object
    fig.add_trace(
        go.Scatter(x=x_trend, y=y_trend
                   , name=str('trend ' + group_name)
                   , line = dict(width=4, dash='dash')))

    transparent = 'rgba(0,0,0,0)'

    fig.update_layout(
        hovermode='x',
        showlegend=True
        # , title_text=str('Court Data for ' + str(year))
        , paper_bgcolor=transparent
        , plot_bgcolor=transparent
        , title='Monthly Time Series of A and B with Regression'
    )


fig.show()

将聚合的数据分组并使用for循环对其绘图后的最终结果。