数据可视化实战作业指导书

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数据可视化实战作业指导书
第 1 章 数据可视化基础............................................................................................................... 3
1 数据可视化概念与作用................................................................................................. 3
1.1 数据可视化定义......................................................................................................... 3
1.2 数据可视化作用......................................................................................................... 3
2 常用数据可视化工具介绍............................................................................................. 4
2.1 Tableau...................................................................................................................... 4
2.2 Power BI.................................................................................................................... 4
2.3 QlikView.................................................................................................................... 4
2.4 ECharts...................................................................................................................... 4
2.5 Highcharts................................................................................................................ 4
2.6 D（3）js.................................................................................................................... 4
第 2 章 数据准备与清洗............................................................................................................... 5
1 数据收集与整理............................................................................................................. 5
1.1 数据来源.................................................................................................................... 5
1.2 数据整理.................................................................................................................... 5
2 数据清洗与预处理......................................................................................................... 5
2.1 数据清洗.................................................................................................................... 5
2.2 数据预处理................................................................................................................ 6
第 3 章 基本图表绘制................................................................................................................... 6
1 折线图与柱状图............................................................................................................. 6
1.1 折线图的绘制............................................................................................................. 6
1.2 柱状图的绘制............................................................................................................. 6
2 饼图与环形图................................................................................................................ 6
2.1 饼图的绘制................................................................................................................ 6
2.2 环形图的绘制............................................................................................................. 7
3 散点图与气泡图............................................................................................................. 7
3.1 散点图的绘制............................................................................................................. 7
3.2 气泡图的绘制............................................................................................................. 7
第 4 章 高级图表应用................................................................................................................... 8
1 热力图与地图................................................................................................................ 8
1.1 热力图........................................................................................................................ 8
1.2 地图............................................................................................................................ 8
2 3D 图表与曲面图............................................................................................................ 8
2.1 3D 图表....................................................................................................................... 8
2.2 曲面图........................................................................................................................ 9
3 雷达图与平行坐标图..................................................................................................... 9
3.1 雷达图........................................................................................................................ 9
3.2 平行坐标图................................................................................................................ 9
第 5 章 数据可视化设计原则....................................................................................................... 9
1 视觉感知与认知原则................................................................................................... 10

1.1 视觉感知原理........................................................................................................... 10
1.2 认知原则.................................................................................................................. 10
2 色彩与布局设计........................................................................................................... 10
2.1 色彩设计.................................................................................................................. 10
2.2 布局设计.................................................................................................................. 10
3 信息传递与故事叙述................................................................................................... 10
3.1 信息传递.................................................................................................................. 10
3.2 故事叙述.................................................................................................................. 10
第 6 章 Python 数据可视化库实践............................................................................................. 11
1 Matplotlib 与 Seaborn............................................................................................... 11
1.1 Matplotlib 基础...................................................................................................... 11
1.2 Seaborn 高级可视化................................................................................................ 11
2 Plotly 与 Dash............................................................................................................. 11
2.1 Plotly 基础.............................................................................................................. 11
2.2 Dash 实战.................................................................................................................. 11
3 Bokeh 与 Altair........................................................................................................... 12
3.1 Bokeh 基础................................................................................................................ 12
3.2 Altair 高级可视化.................................................................................................. 12
第 7 章 R 语言数据可视化.......................................................................................................... 12
1 基础绘图包 ggplot2.................................................................................................... 12
1.1 引言.......................................................................................................................... 12
1.2 安装与加载.............................................................................................................. 12
1.3 基本概念.................................................................................................................. 12
1.4 实战演练.................................................................................................................. 13
2 高级绘图包 plotly...................................................................................................... 13
2.1 引言.......................................................................................................................... 13
2.2 安装与加载.............................................................................................................. 13
2.3 特点与优势.............................................................................................................. 13
2.4 实战演练.................................................................................................................. 13
3 其他 R 语言可视化包................................................................................................... 14
3.1 引言.......................................................................................................................... 14
3.2 lattice.................................................................................................................... 14
3.3 ggvis........................................................................................................................ 14
3.4 highcharter............................................................................................................. 14
3.5 实战演练.................................................................................................................. 14
第 8 章 数据可视化案例解析..................................................................................................... 15
1 商业分析与报告........................................................................................................... 15
2 时空数据可视化........................................................................................................... 15
3 文本与网络数据可视化............................................................................................... 15
第 9 章 交互式数据可视化......................................................................................................... 15
1 交互式图表设计原则................................................................................................... 15
1.1 易用性...................................................................................................................... 15
1.2 可视化效果.............................................................................................................. 15
1.3 交互性...................................................................................................................... 15

9.1.4 实时性...................................................................................................................... 16
9.1.5 适应性...................................................................................................................... 16
9.2 常用交互式图表库....................................................................................................... 16
9.2.1 ECharts.................................................................................................................... 16
9.2.2 Highcharts.............................................................................................................. 16
9.2.3 D（3）js.................................................................................................................. 16
9.2.4 Plotly.js................................................................................................................ 16
9.3 交互式数据可视化实战............................................................................................... 16
9.3.1 准备数据.................................................................................................................. 16
9.3.2 创建图表容器........................................................................................................... 16
9.3.3 引入 ECharts 库..................................................................................................... 16
9.3.4 初始化图表.............................................................................................................. 16
9.3.5 添加交互功能........................................................................................................... 17
9.3.6 渲染图表.................................................................................................................. 17
第 10 章 数据可视化项目实践................................................................................................... 17
10.1 项目需求分析与规划................................................................................................. 17
10.2 数据可视化工具选型................................................................................................. 17
10.3 项目实施与优化......................................................................................................... 17
10.4 项目展示与评估......................................................................................................... 18
第 1 章 数据可视化基础
1.1 数据可视化概念与作用
数据可视化作为一种将数据以图形或图像形式表现出来的技术手段，旨在
提高数据信息的可读性、直观性和洞察力。它通过对数据进行视觉编码，使复杂
的数据结构、关系和模式得以简化，从而帮助人们更快速、准确地理解数据背后
的含义。
1.1.1 数据可视化定义
数据可视化是指利用计算机图形学和图像处理技术，将数据以视觉元素
（如点、线、面、颜色等）表达出来，以便人们可以通过视觉感知对数据进行理
解和分析。
1.1.2 数据可视化作用
（1）提高信息传递效率：数据可视化能够将大量复杂、抽象的数据信息以
简洁、直观的方式展现，使观者能够迅速捕捉关键信息。
（2）发觉数据规律和趋势：通过数据可视化，人们可以更容易地观察到数
据之间的关联性、趋势性，从而发觉数据背后的规律。

（3）辅助决策：数据可视化有助于企业或组织在决策过程中，更直观地了

解数据信息，提高决策效率。

（4）促进跨领域交流：数据可视化作为一种通用语言，有助于不同领域之

间的人们进行有效沟通和合作。

1.2 常用数据可视化工具介绍

为了满足不同场景下的数据可视化需求，市面上涌现出了许多优秀的可视

化工具。以下是一些常用的数据可视化工具：

1.2.1 Tableau

Tableau 是一款功能强大的数据可视化工具，支持拖放式操作，用户无需

编程即可创建美观、实用的图表。它具有丰富的数据连接和数据处理功能，适用

于各类数据分析场景。

1.2.2 Power BI

Power BI 是微软推出的一款商业智能工具，可以实现数据集成、数据清洗、

数据建模和可视化等功能。它支持多种数据源，并提供丰富的图表类型，适用于

企业级数据可视化。

1.2.3 QlikView

QlikView 是一款基于关联分析技术的数据可视化工具，用户可以通过式操

作快速创建图表。它具有出色的数据压缩能力和响应速度，适用于大型企业数据

可视化。

1.2.4 ECharts

ECharts 是由百度开源的一款免费、功能丰富的图表库，支持丰富的图表类

型和灵活的配置选项。它基于 JavaScript 实现，可以轻松地在网页中嵌入使用。

1.2.5 Highcharts

Highcharts 是一款基于 JavaScript 的图表库，支持多种图表类型和丰富的

配置选项。它具有跨浏览器兼容性，适用于 Web 应用中的数据可视化。

1.2.6 D（3）js

D（3）js 是一个开源的 JavaScript 库，专注于数据驱动文档。它提供了丰

富的数据可视化组件，用户可以通过编程方式实现高度定制化的数据可视化效

果。

通过以上介绍，读者可以对数据可视化及其常用工具有一个基本的了解，

为后续深入学习打下基础。

第 2 章数据准备与清洗

2.1 数据收集与整理

在数据可视化项目中，数据的收集与整理是的第一步。本节将介绍如何有效

地收集和整理数据，为后续的数据清洗与预处理打下坚实基础。

2.1.1 数据来源

数据来源主要包括以下几种：

（1）公开数据集：互联网上存在大量的公开数据集，如数据、科研数据、

企业开放数据等。

（2）第三方数据服务：通过购买或合作方式获取第三方数据服务提供商的

数据。

（3）爬虫抓取：针对特定需求，编写爬虫程序从网站上抓取所需数据。

（4）调查问卷：通过在线或线下调查问卷收集数据。

2.1.2 数据整理

收集到数据后，需要对数据进行整理，主要包括以下几个方面：

（1）数据格式统一：将不同来源、格式的数据转换成统一的格式，便于后

续处理。

（2）数据整合：将来自不同来源的数据进行整合，形成一个完整的数据集。

（3）数据划分：根据需求将数据划分为训练集、验证集和测试集，以便后

续模型训练和评估。

2.2 数据清洗与预处理

收集和整理好的数据往往存在噪声、缺失值、异常值等问题，本节将介绍如

何对数据进行清洗与预处理。

2.2.1 数据清洗

数据清洗主要包括以下内容：

（1）去除重复数据：删除重复的记录，保证数据的唯一性。

（2）处理缺失值：对缺失值进行填充、删除或插值处理。

（3）处理异常值：识别并处理异常值，如离群点、错误数据等。

（4）数据类型转换：将数据转换为适当的类型，如数值型、类别型等。

2.2.2 数据预处理

数据预处理主要包括以下内容：

（1）特征选择：从原始数据中筛选出对可视化分析有价值的特征。

（2）特征工程：对特征进行转换、组合、编码等操作，提高数据质量。

（3）数据标准化：对数据进行归一化或标准化处理，消除量纲影响。

（4）数据降维：通过主成分分析（PCA）、tSNE等方法对数据进行降维，

以便在低维空间进行可视化展示。

通过以上步骤，我们可以获得干净、规整的数据，为后续数据可视化分析奠

定基础。

第 3 章基本图表绘制

3.1 折线图与柱状图

3.1.1 折线图的绘制

折线图是数据可视化中最常见的一种图表类型，主要用于表示数据随时间、

空间或其他变量的变化趋势。绘制折线图时，应遵循以下步骤：

（1）确定横轴和纵轴的变量；

（2）准备数据，保证数据点的数量和顺序正确；

（3）选择合适的绘图工具，如Excel、Python 的 matplotlib 库等；

（4）绘制折线图，设置合理的坐标轴范围、刻度、图例和标签；

（5）调整折线图样式，如线型、颜色等，以增强视觉效果。

3.1.2 柱状图的绘制

柱状图主要用于比较不同类别的数据大小，其绘制步骤如下：

（1）确定横轴和纵轴的变量；

（2）准备数据，保证数据点的数量和顺序正确；

（3）选择合适的绘图工具，如Excel、Python 的 matplotlib 库等；

（4）绘制柱状图，设置合理的坐标轴范围、刻度、图例和标签；

（5）调整柱状图样式，如柱子宽度、颜色等，以增强视觉效果。

3.2 饼图与环形图

3.2.1 饼图的绘制

饼图用于展示各部分数据在整体中所占的比例关系，绘制步骤如下：

（1）确定要展示的数据类别和各部分的比例；

（2）准备数据，计算各部分所占的百分比；

（3）选择合适的绘图工具，如Excel、Python 的 matplotlib 库等；

（4）绘制饼图，设置合适的半径、颜色、标签和图例；

（5）调整饼图样式，如突出显示某一扇形区域，以强调其重要性。

3.2.2 环形图的绘制

环形图是饼图的一种变形，通过在饼图中心留出空白，使各部分的比例关

系更加直观。绘制步骤如下：

（1）确定要展示的数据类别和各部分的比例；

（2）准备数据，计算各部分所占的百分比；

（3）选择合适的绘图工具，如Excel、Python 的 matplotlib 库等；

（4）绘制环形图，设置合适的半径、颜色、标签和图例；

（5）调整环形图样式，如调整内外半径比例，以使图表更加美观。

3.3 散点图与气泡图

3.3.1 散点图的绘制

散点图用于展示两个变量之间的关系，绘制步骤如下：

（1）确定横轴和纵轴的变量；

（2）准备数据，保证数据点的数量和顺序正确；

（3）选择合适的绘图工具，如Excel、Python 的 matplotlib 库等；

（4）绘制散点图，设置合理的坐标轴范围、刻度和标签；

（5）调整散点图样式，如散点大小、颜色等，以反映不同类别的数据。

3.3.2 气泡图的绘制

气泡图是散点图的一种扩展，通过增加第三个维度（气泡大小）来展示更

多数据信息。绘制步骤如下：

（1）确定横轴、纵轴和气泡大小的变量；

（2）准备数据，保证数据点的数量、顺序和气泡大小正确；

（3）选择合适的绘图工具，如Excel、Python 的 matplotlib 库等；

（4）绘制气泡图，设置合理的坐标轴范围、刻度和标签；

（5）调整气泡图样式，如气泡大小、颜色等，以反映不同类别的数据。

第 4 章高级图表应用

4.1 热力图与地图

热力图是一种数据可视化手段，通过颜色的深浅来表示数据的大小或密度，

广泛应用于地理信息、数据分析等领域。本节将介绍如何利用热力图和地图对数

据进行可视化展示。

4.1.1 热力图

热力图可以直观地展示数据在二维空间上的分布情况。以下为热力图的应用

步骤：

（1）数据准备：收集需要展示的数据，并将其整理为二维数组的形式。

（2）选择合适的颜色映射：根据数据范围选择合适的颜色映射，以便更清

晰地展示数据。

（3）绘制热力图：使用数据可视化工具（如 matplotlib、seaborn 等）绘

制热力图。

4.1.2 地图

地图是一种展示地理数据的有效方式。以下为地图的应用步骤：

（1）数据准备：收集需要展示的地理数据，包括经纬度、地名等。

（2）选择合适的地图底图：根据需求选择合适的地图底图，如世界地图、

中国地图等。

（3）绘制地图：使用数据可视化工具（如folium、geopandas 等）绘制地

图，并在地图上展示数据。

4.2 3D 图表与曲面图

3D 图表和曲面图是用于展示三维空间数据的可视化工具。本节将介绍如何

绘制 3D 图表和曲面图。

4.2.1 3D 图表

3D 图表可以展示三维空间中的数据分布。以下为 3D 图表的应用步骤：

（1）数据准备：收集需要展示的三维数据，并将其整理为三维数组的形式。

（2）选择合适的 3D 图表类型：根据数据特点选择合适的 3D 图表类型，如

散点图、柱状图等。

（3）绘制 3D 图表：使用数据可视化工具（如 matplotlib、plotly 等）绘

制 3D 图表。

4.2.2 曲面图

曲面图是用于展示三维空间中连续数据的变化趋势的一种图表。以下为曲面

图的应用步骤：

（1）数据准备：收集需要展示的连续数据，通常为三维数组。

（2）选择合适的曲面图类型：根据数据特点选择合适的曲面图类型，如等

高线图、3D 曲面图等。

（3）绘制曲面图：使用数据可视化工具（如 matplotlib、plotly 等）绘制

曲面图。

4.3 雷达图与平行坐标图

雷达图和平行坐标图是用于展示多维数据的有效手段。本节将介绍如何利用

这两种图表进行数据可视化。

4.3.1 雷达图

雷达图可以展示多个变量在一个圆形坐标系中的相对大小。以下为雷达图的

应用步骤：

（1）数据准备：收集需要展示的多维数据，并将其整理为列表或数组的形

式。

（2）构建雷达图坐标系：根据变量数量构建相应的雷达图坐标系。

（3）绘制雷达图：使用数据可视化工具（如 matplotlib、plotly 等）绘制

雷达图。

4.3.2 平行坐标图

平行坐标图是一种用于展示多维数据中各个变量之间关系的图表。以下为平

行坐标图的应用步骤：

（1）数据准备：收集需要展示的多维数据，并将其整理为列表或数组的形

式。

（2）构建平行坐标图坐标系：根据变量数量和范围构建平行坐标图坐标系。

（3）绘制平行坐标图：使用数据可视化工具（如 matplotlib、plotly 等）

绘制平行坐标图。

第 5 章数据可视化设计原则

5.1 视觉感知与认知原则

5.1.1 视觉感知原理

简洁性原则：保持图表简洁明了，避免冗余信息，降低观者认知负担。

对比性原则：利用颜色、大小、形状等手段增强视觉对比，突出关键信息。

一致性原则：保证同类数据采用相同的视觉元素，便于比较分析。

顺序性原则：遵循一定的顺序排列数据，如时间顺序、大小顺序等，便于

观者理解。

5.1.2 认知原则

易懂性原则：采用直观、易于理解的视觉元素，降低观者的理解难度。

逻辑性原则：保证数据可视化设计符合逻辑，便于观者快速捕捉信息。

吸引性原则：运用新颖、有趣的视觉元素吸引观者注意力，提高关注度。

5.2 色彩与布局设计

5.2.1 色彩设计

颜色选择：根据数据类型和主题选择合适的颜色，增强信息的可读性和识

别度。

颜色搭配：遵循色彩搭配原则，避免过多颜色使用，保持视觉舒适度。

颜色含义：利用颜色传达数据含义，如用红色表示负面信息，绿色表示正

面信息。

5.2.2 布局设计

空间布局：合理利用空间，保持图表元素的紧凑性，避免空白过多或过密。

结构清晰：明确图表结构，使用合适的布局方式（如矩阵、流线型等）展

示数据。

交互性设计：考虑用户交互需求，提供适当的交互功能，如缩放、筛选等。

5.3 信息传递与故事叙述

5.3.1 信息传递

关键信息突出：通过视觉元素强调关键信息，帮助观者快速获取重点。

层次分明：合理组织数据层次，展现数据间的关联性。

适度细节：在保证可读性的前提下，适当展示细节信息，提高图表丰富度。

5.3.2 故事叙述

故事线索：通过图表设计引导观者跟随故事线索，理解数据背后的意义。

情感共鸣：运用视觉元素激发观者情感，增强故事叙述的感染力。

叙述节奏：合理控制图表展示的节奏，使故事叙述更具吸引力。

第 6 章 Python 数据可视化库实践

6.1 Matplotlib 与 Seaborn

6.1.1 Matplotlib 基础

安装与导入

图表结构介绍

常用绘图函数

图表样式设置

子图与多图绘制

6.1.2 Seaborn 高级可视化

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数据可视化实战作业指导书第1章数据可视化基础...............................................................................................................31.1数据可视化概念与作用.................................................................................................31.1.1数据可视化定义..............................................

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