Matplotlib 的三維繪圖并不是一套獨(dú)立系統(tǒng)，而是在原有 Figure、Axes 與子圖機(jī)制上的擴(kuò)展。三維圖仍沿用標(biāo)題、坐標(biāo)軸標(biāo)簽與布局調(diào)整等基本框架，只是繪圖對(duì)象從二維平面延伸到了三維空間。

在較新的 Matplotlib 版本中，只要使用 projection='3d' 創(chuàng)建坐標(biāo)軸，通常不必再顯式導(dǎo)入 Axes3D。但從概念上說，三維坐標(biāo)軸對(duì)象仍然屬于 mplot3d 提供的 Axes3D 體系。

注：本文只對(duì)三維繪圖中獨(dú)有或特別關(guān)鍵的函數(shù)參數(shù)進(jìn)行說明。

一、三維坐標(biāo)軸創(chuàng)建函數(shù)

三維圖形的前提是先創(chuàng)建三維坐標(biāo)軸。

add_subplot(..., projection='3d')

在 Figure 對(duì)象中添加一個(gè)三維子圖，并返回對(duì)應(yīng)的三維 Axes 對(duì)象。

ax = fig.add_subplot(nrows, ncols, index, projection='3d')

參數(shù)說明：

? projection='3d'：指定當(dāng)前子圖為三維投影坐標(biāo)軸；若省略該參數(shù)，則創(chuàng)建的是普通二維子圖

返回值：返回一個(gè)三維 Axes 對(duì)象，通常記作 ax。

示例：

plt.show()

這是一種非常常見、也較清晰的三維坐標(biāo)軸創(chuàng)建方式。它保留了 Matplotlib 一貫的“先創(chuàng)建圖形，再在圖形中添加子圖”的結(jié)構(gòu)。

axes(projection='3d')

用于創(chuàng)建一個(gè)三維坐標(biāo)區(qū)域。

ax = plt.axes(projection='3d')

也可與位置參數(shù)一起使用：

ax = plt.axes([left, bottom, width, height], projection='3d')

參數(shù)說明：

? projection='3d'：指定創(chuàng)建三維坐標(biāo)軸

返回值：返回一個(gè)三維 Axes 對(duì)象。

示例：

plt.show()

plt.axes() 在二維繪圖中也可以使用，但在三維繪圖中，必須明確加上 projection='3d'，否則得到的仍然是二維坐標(biāo)軸。

subplots()

一次性創(chuàng)建 Figure 和一個(gè)或多個(gè) Axes 對(duì)象。

fig, ax = plt.subplots(nrows=1, ncols=1, figsize=None, subplot_kw={'projection': '3d'})

參數(shù)說明：

? subplot_kw：傳遞給每個(gè)子圖的關(guān)鍵字參數(shù)。在三維繪圖中，通常寫為 {'projection': '3d'}，用于指定創(chuàng)建三維坐標(biāo)軸

subplots() 的完整接口還包含 sharex、sharey、squeeze、gridspec_kw、**fig_kw 等參數(shù)。

返回值：返回一個(gè)元組：

? fig：Figure 對(duì)象，表示整張畫布

? ax 或 axs：子圖對(duì)象；當(dāng)創(chuàng)建的是三維子圖時(shí)，這里得到的是三維坐標(biāo)軸對(duì)象

示例：

plt.show()

subplots() 的優(yōu)勢(shì)在于能夠一次性完成畫布與子圖的創(chuàng)建，寫法緊湊，特別適合規(guī)則的單圖或多子圖布局。

不過，在三維繪圖的教學(xué)中，很多示例仍常寫成“先 plt.figure()，再 fig.add_subplot(..., projection='3d')”的形式，因?yàn)檫@種寫法更容易體現(xiàn)三維坐標(biāo)軸是如何附加到 Figure 上的。

二、三維基礎(chǔ)繪圖函數(shù)

與二維圖形不同，這一組函數(shù)需要處理空間中的點(diǎn)、線、面或立體對(duì)象。

scatter()

用于繪制三維散點(diǎn)圖，展示離散點(diǎn)在三維空間中的分布情況。

ax.scatter(xs, ys, zs=0, zdir='z', s=None, c=None, depthshade=True, **kwargs)

參數(shù)說明：

? zs：第三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，即各點(diǎn)的 z 值

? zdir：指定第三維所對(duì)應(yīng)的方向，默認(rèn)是 'z'

? depthshade：是否啟用深度陰影效果，用于增強(qiáng)空間層次感

返回值：返回一個(gè) PathCollection 對(duì)象。

示例：

plt.show()

與二維散點(diǎn)圖相比，三維散點(diǎn)圖多了 z 方向，因此每個(gè)點(diǎn)由 (x, y, z) 三個(gè)值共同確定。

它適合觀察三維點(diǎn)云分布、聚類結(jié)構(gòu)或三個(gè)變量之間的空間關(guān)系。

plot()

用于繪制三維折線圖，也可理解為在三維空間中繪制連續(xù)軌跡。

ax.plot(xs, ys, zs, **kwargs)

參數(shù)說明：

? zs：第三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。在 3D 坐標(biāo)軸中，第三維數(shù)據(jù)通常作為第三組位置參數(shù)傳入

返回值：返回一個(gè)由線對(duì)象組成的列表。

示例：

plt.show()

三維折線圖常用于繪制空間軌跡，例如螺旋線、參數(shù)曲線或路徑變化過程。

從本質(zhì)上說，它仍然是“按順序連接數(shù)據(jù)點(diǎn)”，只是連接發(fā)生在三維空間中。

plot_surface()

用于繪制三維曲面圖，是三維繪圖中最重要的函數(shù)之一。它通常用來展示二元函數(shù)的整體形狀或某個(gè)平面區(qū)域上的高度變化。

ax.plot_surface(X, Y, Z, *, norm=None, vmin=None, vmax=None, lightsource=None, axlim_clip=False, **kwargs)

參數(shù)說明：

? X、Y：網(wǎng)格坐標(biāo)矩陣

? Z：與 X、Y 對(duì)應(yīng)的高度矩陣

? rcount：行方向參與繪制的最大采樣數(shù)，默認(rèn) 50

? ccount：列方向參與繪制的最大采樣數(shù)，默認(rèn) 50

? cmap：顏色映射方案，用于根據(jù)高度顯示不同顏色

rainbow：彩虹漸變，視覺鮮艷，但不太適合嚴(yán)肅的數(shù)據(jù)表達(dá)

? edgecolor：曲面網(wǎng)格邊界顏色

其它合法顏色名：如 'red'、'blue'、'green' 等

? rstride：行方向采樣步長

? cstride：列方向采樣步長

? linewidth：網(wǎng)格線寬

? antialiased：是否啟用抗鋸齒

? alpha：透明度

返回值：返回一個(gè) Poly3DCollection 對(duì)象。

示例：

plt.show()

plot_surface() 與散點(diǎn)圖、折線圖不同，它要求輸入數(shù)據(jù)通常是二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。因此，在使用前往往需要先通過 np.meshgrid() 構(gòu)造 X、Y 網(wǎng)格，再計(jì)算對(duì)應(yīng)的 Z 值。

plot_surface() 默認(rèn)會(huì)通過 rcount 和 ccount 控制每個(gè)方向參與繪制的最大采樣數(shù)，默認(rèn)均為 50；也可以改用 rstride、cstride 指定步長。對(duì)于網(wǎng)格非常密集的數(shù)據(jù)，這一機(jī)制有助于控制繪圖開銷。

plot_wireframe()

用于繪制三維線框圖。

ax.plot_wireframe(X, Y, Z, **kwargs)

參數(shù)說明：

? X、Y、Z：二維數(shù)組，表示曲面上各點(diǎn)的坐標(biāo)

? rcount、ccount：每個(gè)方向上用于繪制的最大采樣數(shù)，默認(rèn)均為 50

? rstride、cstride：行和列的步長，可用于控制線框稀疏程度

? color：線框顏色

? linewidth：線寬

? axlim_clip：是否裁剪坐標(biāo)軸范圍外的線框，默認(rèn) False。

返回值：返回一個(gè) Line3DCollection 對(duì)象。

示例：

plt.show()

plot_wireframe() 與 plot_surface() 類似，都用于展示曲面形狀；不同的是，線框圖更強(qiáng)調(diào)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)本身，適合觀察曲面的整體輪廓與起伏變化。官方文檔還說明，若輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)過多，函數(shù)會(huì)按 rcount 和 ccount 自動(dòng)下采樣。

plot_trisurf()

用于繪制基于三角剖分的三維曲面圖。

ax.plot_trisurf(*args, color=None, **kwargs)

參數(shù)說明：

plot_trisurf() 的參數(shù)形式比 plot_surface() 更靈活，常見寫法有兩類：

第一類，直接傳入三角剖分對(duì)象：

ax.plot_trisurf(triangulation, Z, ...)

第二類，直接傳入點(diǎn)坐標(biāo)：

ax.plot_trisurf(X, Y, Z, ...)

常用參數(shù)包括：

? X、Y、Z：曲面點(diǎn)坐標(biāo)

? triangles：三角形頂點(diǎn)索引

? cmap：顏色映射方案

? color：整體顏色

? linewidth：邊界線寬

? antialiased：是否抗鋸齒

? axlim_clip：是否裁剪坐標(biāo)軸范圍外的內(nèi)容。

返回值：返回一個(gè) Poly3DCollection 對(duì)象。

示例：

plt.show()

plot_surface() 通常要求輸入規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)，因此常常需要先用 np.meshgrid() 構(gòu)造二維網(wǎng)格；而 plot_trisurf() 不要求點(diǎn)必須落在規(guī)則網(wǎng)格上，它會(huì)根據(jù)平面散點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行三角剖分，再生成曲面。正因?yàn)槿绱耍m合處理實(shí)驗(yàn)采樣點(diǎn)、地形離散點(diǎn)、傳感器測(cè)量點(diǎn)等不規(guī)則空間數(shù)據(jù)。

bar3d()

用于繪制三維柱狀圖，在三維空間中顯示立體柱體。

ax.bar3d(x, y, z, dx, dy, dz, color=None, zsort='average', shade=True, **kwargs)

參數(shù)說明：

? x：柱體底部起點(diǎn)的 x 坐標(biāo)

? y：柱體底部起點(diǎn)的 y 坐標(biāo)

? z：柱體底部起點(diǎn)的 z 坐標(biāo)

? dx：柱體在 x 方向上的寬度

? dy：柱體在 y 方向上的寬度

? dz：柱體在 z 方向上的高度

? zsort：柱體排序方式，影響渲染順序

'max'：按柱體相關(guān)頂點(diǎn) z 值的最大值決定繪制順序

? shade：是否啟用陰影效果

返回值：返回一個(gè) Poly3DCollection 對(duì)象。

示例：

plt.show()

三維柱狀圖可以看作二維柱狀圖在空間中的擴(kuò)展。

不過，由于三維圖存在遮擋與透視問題，它雖然更立體，卻不一定總比二維柱狀圖更清晰。因此在正式分析中應(yīng)根據(jù)任務(wù)選擇。

contour()

用于繪制三維等高線圖，展示曲面的等值線結(jié)構(gòu)。

ax.contour(X, Y, Z, levels=None, zdir='z', offset=None, cmap=None, **kwargs)

參數(shù)說明：

? X：網(wǎng)格點(diǎn)的 x 坐標(biāo)二維數(shù)組

? Y：網(wǎng)格點(diǎn)的 y 坐標(biāo)二維數(shù)組

? Z：對(duì)應(yīng)位置的高度值二維數(shù)組

? levels：等高線層級(jí)數(shù)量或具體層級(jí)值

? zdir：指定等高線投影方向

? offset：投影偏移位置

? cmap：顏色映射方案

返回值：返回一個(gè) QuadContourSet 對(duì)象。

示例：

plt.show()

這里的 ax.contour() 是在三維坐標(biāo)軸上繪制等高線，可直接顯示在三維空間中，也可結(jié)合 zdir 與 offset 做投影。

三維等高線圖常用于輔助觀察曲面的層級(jí)變化。它既可以單獨(dú)繪制，也可以與 plot_surface() 配合使用，使曲面的高低結(jié)構(gòu)更加清晰。

contourf()

用于繪制三維填充等高線圖。

ax.contourf(X, Y, Z, *args, zdir='z', offset=None, **kwargs)

參數(shù)說明：

? *args：等高線層級(jí)等額外參數(shù)

? zdir：等高線延伸或投影的方向，可取 'x'、'y'、'z'

? offset：若指定，則將填充等高線投影到與 zdir 垂直的平面上

? cmap：顏色映射方案

? axlim_clip：是否裁剪坐標(biāo)軸范圍外的內(nèi)容，默認(rèn) False

返回值：返回一個(gè) QuadContourSet 對(duì)象。

示例：

plt.show()

contourf() 可以看作 contour() 的填充版本。它不僅能顯示等值分層，還能通過顏色填充增強(qiáng)層次感；若配合 offset 使用，還可以把填充等高線投影到某個(gè)坐標(biāo)平面上。

quiver()

用于繪制三維箭頭場(chǎng)。

ax.quiver(X, Y, Z, U, V, W, **kwargs)

參數(shù)說明：

? X、Y、Z：箭頭起點(diǎn)坐標(biāo)

? U、V、W：箭頭在三個(gè)方向上的分量

? length：箭頭長度縮放因子，默認(rèn) 1

? arrow_length_ratio：箭頭頭部相對(duì)于整體長度的比例，默認(rèn) 0.3

? pivot：箭頭錨點(diǎn)位置，可取 'tail'、'middle'、'tip'

? normalize：是否將箭頭長度歸一化，默認(rèn) False

? axlim_clip：是否裁剪坐標(biāo)軸范圍外的箭頭，默認(rèn) False

返回值：返回一個(gè) Line3DCollection 對(duì)象。

示例：

plt.show()

quiver() 常用于展示方向、速度、力場(chǎng)、梯度等向量信息。與散點(diǎn)圖展示“位置”不同，箭頭圖同時(shí)表達(dá)了“位置 + 方向 + 大小”三類信息。

三、三維圖形修飾函數(shù)

三維圖除了常見的標(biāo)題、橫軸標(biāo)簽、縱軸標(biāo)簽之外，還多了 z 軸和觀察角度等三維特有信息。因此，這一組函數(shù)在三維圖中尤其重要。

set_title()

用于設(shè)置三維子圖標(biāo)題。

ax.set_title(label, fontdict=None, loc=None, pad=None, **kwargs)

參數(shù)說明：

該函數(shù)與二維繪圖中的 set_title() 用法相同，三維繪圖中沒有新增的獨(dú)有參數(shù)。

返回值：返回一個(gè) Text 對(duì)象。

示例：

ax.set_title("三維曲面圖")

該函數(shù)雖然不是三維繪圖獨(dú)有，但在三維圖中同樣用于說明圖形內(nèi)容，常與 set_xlabel()、set_ylabel()、set_zlabel() 配合使用。

set_xlabel()/set_ylabel()

用于設(shè)置三維坐標(biāo)軸中的 x 軸與 y 軸標(biāo)簽。

ax.set_ylabel(ylabel, fontdict=None, labelpad=None, **kwargs)

參數(shù)說明：

與二維繪圖中的同名函數(shù)一致，三維場(chǎng)景中沒有額外獨(dú)有參數(shù)。

返回值：返回一個(gè) Text 對(duì)象。

示例：

ax.set_ylabel("Y")

set_zlabel()

用于設(shè)置三維坐標(biāo)軸的 z 軸標(biāo)簽。

ax.set_zlabel(zlabel, fontdict=None, labelpad=None, **kwargs)

參數(shù)說明：

? zlabel：z 軸標(biāo)簽文本

? 其余參數(shù)含義與 set_xlabel()、set_ylabel() 類似

返回值：返回一個(gè) Text 對(duì)象。

示例：

plt.show()

set_zlim()

用于設(shè)置三維坐標(biāo)軸 z 軸的顯示范圍。

ax.set_zlim(bottom=None, top=None)

參數(shù)說明：

? bottom：z 軸下界

? top：z 軸上界

返回值：返回設(shè)置后的 z 軸范圍。

示例：

ax.set_zlim(0, 20)

當(dāng) z 方向數(shù)據(jù)跨度較大，或者希望突出某一高度區(qū)間時(shí)，set_zlim() 很有用。它與二維圖中的 set_xlim()、set_ylim() 在作用邏輯上是一致的。

view_init()

用于設(shè)置三維圖的觀察角度。它決定讀者從什么方向觀看當(dāng)前三維圖形，因此在三維繪圖中非常重要。

ax.view_init(elev=None, azim=None, roll=None, vertical_axis='z', share=False)

參數(shù)說明：

? elev：仰角，即從豎直方向上觀察的角度

? azim：方位角，即繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的角度

? roll：繞觀察方向的旋轉(zhuǎn)角度

? vertical_axis：指定哪個(gè)軸視為豎直方向，默認(rèn)是 'z'

返回值：無返回值，主要起視角設(shè)置作用。

示例：

plt.show()

三維圖的可讀性在很大程度上依賴視角。

同一組數(shù)據(jù)，如果觀察角度不合適，空間結(jié)構(gòu)可能會(huì)變得難以辨認(rèn)。因此，view_init() 不是單純的美化函數(shù)，而是三維表達(dá)的重要組成部分。

set_proj_type()

用于設(shè)置三維圖的投影方式。它決定三維場(chǎng)景是采用透視投影還是正交投影，從而影響圖形的空間視覺效果。

ax.set_proj_type(proj_type, focal_length=None)

參數(shù)說明：

? proj_type：投影類型，常見取值為：

'ortho'：正交投影，不表現(xiàn)近大遠(yuǎn)小，更適合強(qiáng)調(diào)幾何結(jié)構(gòu)與尺寸關(guān)系

? focal_length：焦距參數(shù)，主要用于透視投影效果調(diào)節(jié)

返回值：無返回值。

示例：

plt.show()

view_init() 解決的是“從哪個(gè)方向看”，而 set_proj_type() 解決的是“用什么投影方式看”。二者共同決定三維圖的視覺呈現(xiàn)。官方專門提供了 3D plot projection types 示例來展示不同投影方式的效果差異。

set_box_aspect()

用于設(shè)置三維坐標(biāo)軸盒子的顯示比例。

ax.set_box_aspect(aspect, *, zoom=1)

參數(shù)說明：

? aspect：三維坐標(biāo)軸盒子的比例，通常寫成三元組，如 (1, 1, 1) 或 (2, 1, 1)

? zoom：縮放系數(shù)，默認(rèn) 1

返回值：無返回值。

示例：

plt.show()

set_box_aspect() 控制的是三維坐標(biāo)軸外框在顯示中的比例，而不是數(shù)據(jù)本身的數(shù)值比例。官方文檔指出，其默認(rèn)盒子比例為 4:4:3。在三維圖中，如果默認(rèn)顯示效果讓圖形顯得“過扁”或“過高”，這個(gè)函數(shù)非常有用。

tight_layout()

自動(dòng)調(diào)整子圖間距，減少多子圖場(chǎng)景中的標(biāo)題、標(biāo)簽和刻度重疊。

plt.tight_layout(pad=1.08)

或：

fig.tight_layout(pad=1.08)

參數(shù)說明：

與二維繪圖中的 tight_layout() 基本一致，三維繪圖中沒有新增獨(dú)有參數(shù)。

返回值：無顯式返回值。

示例：

plt.tight_layout()

tight_layout() 可用于對(duì)子圖間距做基礎(chǔ)性的自動(dòng)調(diào)整，但官方文檔同時(shí)指出，它屬于較早的布局機(jī)制，只檢查刻度標(biāo)簽、軸標(biāo)簽和標(biāo)題等元素的范圍。在復(fù)雜三維多子圖場(chǎng)景中，它的效果可能有限；若布局更復(fù)雜，通常更推薦使用 constrained_layout。

小結(jié)

Matplotlib 三維繪圖的關(guān)鍵，是先創(chuàng)建三維坐標(biāo)軸，再根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)選擇點(diǎn)、線、曲面、柱體或向量場(chǎng)等函數(shù)，最后結(jié)合 z 軸范圍、觀察角度、投影方式與盒子比例完善表達(dá)。學(xué)習(xí)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)把握不同數(shù)據(jù)組織形式與函數(shù)選擇之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

“點(diǎn)贊有美意，贊賞是鼓勵(lì)”