Python应用实例（二）数据可视化（五）_地震分析数据可视化python

下载一个数据集，其中记录了一个月内全球发生的所有地震，再制作一幅散点图来展示这些地震的位置和震级。这些数据是以JSON格式存储的，因此要使用模块json来处理。Plotly提供了根据位置数据绘制地图的工具，适合初学者使用。你将使用它来进行可视化并指出全球的地震分布情况。

1.地震数据

请将文件eq_data_1_day_m1.json复制到存储本章程序的文件夹中。地震是以里氏震级度量的，而该文件记录了（截至写作本节时）最近24小时内全球发生的所有不低于1级的地震。

2.查看JSON数据

如果打开文件eq_data_1_day_m1.json，你将发现其内容密密麻麻，难以阅读：

{"type":"FeatureCollection","metadata":{"generated":1550361461000,...
{"type":"Feature","properties":{"mag":1.2,"place":"11km NNE of Nor...
{"type":"Feature","properties":{"mag":4.3,"place":"69km NNW of Ayn...
{"type":"Feature","properties":{"mag":3.6,"place":"126km SSE of Co...
{"type":"Feature","properties":{"mag":2.1,"place":"21km NNW of Teh...
{"type":"Feature","properties":{"mag":4,"place":"57km SSW of Kakto...
--snip--
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这些数据适合机器而不是人来读取。不过可以看到，这个文件包含一些字典，还有一些我们感兴趣的信息，如震级和位置。

模块json提供了各种探索和处理JSON数据的工具，其中一些有助于重新设置这个文件的格式，让我们能够更清楚地查看原始数据，继而决定如何以编程的方式来处理。

我们先加载这些数据并将其以易于阅读的方式显示出来。这个数据文件很长，因此不打印出来，而是将数据写入另一个文件，再打开该文件并轻松地在数据中导航：eq_explore_data.py

  import json

  # 探索数据的结构。
  filename = 'data/eq_data_1_day_m1.json'
  with open(filename) as f:
❶     all_eq_data = json.load(f)

❷ readable_file = 'data/readable_eq_data.json'
  with open(readable_file, 'w') as f:
❸     json.dump(all_eq_data, f, indent=4)
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首先导入模块json，以便恰当地加载文件中的数据，并将其存储到all_eq_data中（见❶）。函数json.load()将数据转换为Python能够处理的格式，这里是一个庞大的字典。在❷处，创建一个文件，以便将这些数据以易于阅读的方式写入其中。函数json.dump()接受一个JSON数据对象和一个文件对象，并将数据写入这个文件中（见❸）。参数indent=4让dump()使用与数据结构匹配的缩进量来设置数据的格式。

如果你现在查看目录data并打开其中的文件readable_eq_data.json，将发现其开头部分像下面这样：readable_eq_data.json

  {
      "type": "FeatureCollection",
❶     "metadata": {
          "generated": 1550361461000,
          "url": "https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/.../1.0_day.geojson",
          "title": "USGS Magnitude 1.0+ Earthquakes, Past Day",
          "status": 200,
          "api": "1.7.0",
          "count": 158
      },
❷     "features": [
      --snip--
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这个文件的开头是一个键为"metadata"的片段（见❶），指出了这个数据文件是什么时候生成的，以及能够在网上的什么地方找到。它还包含适合人类阅读的标题以及文件中记录了多少次地震：在过去的24小时内，发生了158次地震。

这个geoJSON文件的结构适合存储基于位置的数据。数据存储在一个与键"features"相关联的列表中（见❷）。这个文件包含的是地震数据，因此列表的每个元素都对应一次地震。这种结构可能有点令人迷惑，但很有用，让地质学家能够将有关每次地震的任意数量信息存储在一个字典中，再将这些字典放在一个大型列表中。

我们来看看表示特定地震的字典：readable_eq_data.json

  --snip--
      {
          "type": "Feature",
❶         "properties": {
              "mag": 0.96,
              --snip--
❷             "title": "M 1.0 - 8km NE of Aguanga, CA"
           },
❸          "geometry": {
               "type": "Point",
               "coordinates": [
❹                 -116.7941667,
❺                 33.4863333,
                  3.22
               ]
          },
          "id": "ci37532978"
      },
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键"properties"关联到了与特定地震相关的大量信息（见❶）。我们关心的主要是与键"mag"相关联的地震震级以及地震的标题，因为后者很好地概述了地震的震级和位置（见❷）。

键"geometry"指出了地震发生在什么地方（见❸），我们需要根据这项信息将地震在散点图上标出来。在与键"coordinates"相关联的列表中，可找到地震发生位置的经度（见❹）和纬度（见❺）。

这个文件的嵌套层级比我们编写的代码多。如果这让你感到迷惑，也不用担心，Python将替你处理大部分复杂的工作。我们每次只会处理一两个嵌套层级。我们将首先提取过去24小时内发生的每次地震对应的字典。

注意　说到位置时，我们通常先说纬度、再说经度，这种习惯形成的原因可能是人类先发现了纬度，很久后才有经度的概念。然而，很多地质学框架都先列出经度、后列出纬度，因为这与数学约定[插图]一致。geoJSON格式遵循(经度, 纬度)的约定，但在使用其他框架时，获悉其遵循的约定很重要。

3.创建地震列表

首先，创建一个列表，其中包含所有地震的各种信息：eq_explore_data.py

import json
# 探索数据的结构。
filename = 'data/eq_data_1_day_m1.json'
with open(filename) as f:
    all_eq_data = json.load(f)

all_eq_dicts = all_eq_data['features']
print(len(all_eq_dicts))
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我们提取与键’features’相关联的数据，并将其存储到all_eq_dicts中。我们知道，这个文件记录了158次地震。下面的输出表明，我们提取了这个文件记录的所有地震：

158
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注意，我们编写的代码很短。格式良好的文件readable_eq_data.json包含超过6000行内容，但只需几行代码，就可读取所有的数据并将其存储到一个Python列表中。下面将提取所有地震的震级。

4.提取震级

有了包含所有地震数据的列表后，就可遍历这个列表，从中提取所需的数据。下面来提取每次地震的震级：eq_explore_data.py

  --snip--
  all_eq_dicts = all_eq_data['features']

❶ mags = []
  for eq_dict in all_eq_dicts:
❷     mag = eq_dict['properties']['mag']
      mags.append(mag)

  print(mags[:10])
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我们创建了一个空列表，用于存储地震震级，再遍历列表all_eq_dicts（见❶）。每次地震的震级都存储在相应字典的’properties’部分的’mag’键下（见❷）。我们依次将地震震级赋给变量mag，再将这个变量附加到列表mags末尾。

为确定提取的数据是否正确，打印前10次地震的震级：

[0.96, 1.2, 4.3, 3.6, 2.1, 4, 1.06, 2.3, 4.9, 1.8]
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接下来，我们将提取每次地震的位置信息，然后就可以绘制地震散点图了。

5.提取位置数据

位置数据存储在"geometry"键下。在"geometry"键关联的字典中，有一个"coordinates"键，它关联到一个列表，而列表中的前两个值为经度和纬度。下面演示了如何提取位置数据：eq_explore_data.py

  --snip--
  all_eq_dicts = all_eq_data['features']

  mags, titles, lons, lats = [], [], [], []
  for eq_dict in all_eq_dicts:
      mag = eq_dict['properties']['mag']
❶     title = eq_dict['properties']['title']
❷     lon = eq_dict['geometry']['coordinates'][0]
      lat = eq_dict['geometry']['coordinates'][1]
      mags.append(mag)
      titles.append(title)
      lons.append(lon)
      lats.append(lat)

  print(mags[:10])
  print(titles[:2])
  print(lons[:5])
  print(lats[:5])
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我们创建了用于存储位置标题的列表titles，来提取字典’properties’里’title’键对应的值（见❶），以及用于存储经度和纬度的列表。代码eq_dict[‘geometry’]访问与"geometry"键相关联的字典（见❷）。第二个键（‘coordinates’）提取与"coordinates"相关联的列表，而索引0提取该列表中的第一个值，即地震发生位置的经度。

打印前5个经度和纬度时，输出表明提取的数据是正确的：

[0.96, 1.2, 4.3, 3.6, 2.1, 4, 1.06, 2.3, 4.9, 1.8]
['M 1.0 - 8km NE of Aguanga, CA', 'M 1.2 - 11km NNE of North Nenana, Alaska']
[-116.7941667, -148.9865, -74.2343, -161.6801, -118.5316667]
[33.4863333, 64.6673, -12.1025, 54.2232, 35.3098333]
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6.绘制震级散点图

有了前面提取的数据，就可以绘制可视化图了。首先要实现一个简单的震级散点图，在确保显示的信息正确无误之后，我们再将注意力转向样式和外观方面。绘制初始散点图的代码如下：eq_world_map.py

❶ import plotly.express as px

  fig = px.scatter(
      x=lons,
      y=lats,
      labels={"x": "经度", "y": "纬度"},
      range_x=[-200, 200],
      range_y=[-90, 90],
      width=800,
      height=800,
      title="全球地震散点图",
❷ )
❸ fig.write_html("global_earthquakes.html")
❹ fig.show()
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首先，导入plotly.express，用别名px表示。Plotly Express是Plotly的高级接口，简单易用，语法与Matplotlib类似（见❶）。然后，调用px.scatter函数配置参数创建一个fig实例，分别设置[插图]轴为经度［范围是[-200, 200]（扩大空间，以便完整显示东西经180°附近的地震散点）］、[插图]轴为纬度［范围是[-90,90]］，设置散点图显示的宽度和高度均为800像素，并设置标题为“全球地震散点图”（见❷）。

只用14行代码，简单的散点图就配置完成了，这返回了一个fig对象。fig.write_html方法可以将可视化图保存为html文件。在文件夹中找到global_earthquakes.html文件，用浏览器打开即可（见❸）。另外，如果使用Jupyter Notebook，可以直接使用fig.show方法直接在notebook单元格显示散点图（见❹）。

局部效果如下图所示：

可对这幅散点图做大量修改，使其更有意义、更好懂。下面就来做些这样的修改。

7.另一种指定图表数据的方式

配置这个图表前，先来看看另一种稍微不同的指定Plotly 图表数据的方式。当前，经纬度数据是手动配置的：

--snip--
    x=lons,
    y=lats,
    labels={"x": "经度", "y": "纬度"},
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这是在Plotly Express中给图表定义数据的最简单方式之一，但在数据处理中并不是最佳的。下面是另一种给图表定义数据的等效方式，需要使用pandas数据分析工具。首先创建一个DataFrame，将需要的数据封装起来：

import pandas as pd

data = pd.DataFrame(
    data=zip(lons, lats, titles, mags), columns=["经度", "纬度", "位置", "震级"]
)
data.head()
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然后，参数配置方式可以变更为：

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    data,
    x="经度",
    y="纬度",
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在这种方式中，所有有关数据的信息都以键值对的形式放在一个字典中。如果在eq_plot.py中使用这些代码，生成的图表是一样的。相比于前一种格式，这种格式让我们能够无缝衔接数据分析，并且更轻松地进行定制。