手把手教你用Python绘制三维核密度演化图

一款基于 ttkbootstrap 的三维核密度分析工具，支持宽表/长表数据、多视角对比、分组子图等功能。

一、什么是三维核密度图？

核密度估计（Kernel Density Estimation，KDE）是一种非参数概率密度估计方法，能够平滑地展示数据的分布特征。将多个年份的核密度曲线沿时间轴堆叠，就形成了三维核密度演化图，可以直观地展示数据分布随时间的演变趋势。

典型应用场景：

• • 区域经济发展差异的时空演化分析
• • 居民收入分布的动态变化研究
• • 环境指标时空分布特征分析
• • 任何需要展示"分布如何随时间变化"的研究场景
• 文末有演示视频！

二、工具功能亮点

1. 灵活的数据格式支持

支持两种常见数据格式：

宽表格式：

长表格式：

程序会自动识别列名，通过下拉框选择对应字段，无需手动修改数据格式。

2. 五大可视化模块

3. 丰富的参数调节

KDE参数：

• • 带宽（bw）：控制核密度的平滑程度
• • 网格点数：横轴插值点数量
• • 边距（pad）：横轴两端留白

绘图参数：

• • 视角：仰角（elev）、方位角（azim）
• • 配色：viridis、plasma、coolwarm 等多种色图
• • 字体：支持 SimHei、Microsoft YaHei 等
• • 字号：标题、标签、刻度可分别设置
• • 轴标注：X/Y/Z轴标签、色标标签可自定义

4. 年份筛选功能

支持选择部分年份进行分析，无需修改原始数据。例如，数据包含2010-2023年，可以只选择2015-2020年进行绘图。

5. 分组对比分析

• • 自动按省份均分为若干组
• • 支持手动配置分组方案
• • 分页展示，每页最多9个子图
• • 统一色标，便于跨组对比

三、技术实现要点

1. 核心依赖库

import numpy as npimport pandas as pdimport matplotlib.pyplot as pltfrom scipy.stats import gaussian_kdeimport ttkbootstrap as ttk

2. KDE计算核心代码

from scipy.stats import gaussian_kdedef compute_kde(values, bw_method=0.35, grid_points=150):    """计算核密度估计"""    kde = gaussian_kde(values, bw_method=bw_method)    x_grid = np.linspace(min(values), max(values), grid_points)    density = kde(x_grid)    return x_grid, density

3. 三维曲面绘制

from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3Dfig = plt.figure(figsize=(12, 8))ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')# 绘制曲面surf = ax.plot_surface(X, Y, Z, cmap='viridis',                        edgecolor='white', linewidth=0.2,                        antialiased=True, alpha=0.95)# 添加色标fig.colorbar(surf, ax=ax, shrink=0.5, aspect=20)

4. ttkbootstrap 界面

使用 ttkbootstrap 构建现代化 GUI 界面：

import ttkbootstrap as ttkfrom ttkbootstrap.constants import *class App(ttk.Window):    def __init__(self):        super().__init__(            title="三维核密度分析工具",            themename="cosmo",            size=(1450, 920),        )

四、使用流程

Step 1：准备数据

将数据整理为宽表或长表格式，保存为 .xlsx、.xls 或 .csv 文件。

Step 2：读取文件

点击"浏览"选择数据文件，然后点击"读取文件"按钮，程序会自动识别列名。

Step 3：配置字段

根据数据格式选择"宽表"或"长表"，并在下拉框中选择对应的列名。

Step 4：加载数据

点击"加载数据"按钮，程序会将数据转换为标准格式并显示统计信息。

Step 5：计算核密度

调整KDE参数（带宽、网格点数等），点击"计算核密度"按钮。

Step 6：绑定绘图

选择绘图类型（单图、多视角、分组子图等），调整绘图参数，点击对应按钮生成图表。

Step 7：保存结果

点击"保存当前图"按钮，可将图表保存为 PNG、PDF 等格式。

五、运行

运行程序

3D_Density_v1.1.exe

六、效果展示

单图主视图

标准三维核密度曲面图，支持鼠标拖拽旋转视角，便于从不同角度观察数据分布演化特征。

多视角对比

2×2 布局同时展示四个视角：

• • 默认视角：斜45度俯视
• • 后方视角：从背面观察
• • 俯视：从正上方观察
• • 平视：从侧面观察

分组子图

将省份按顺序均分为若干组，每组绘制一个三维子图，统一色标便于对比不同区域的发展差异。

七、常见问题

Q1：中文显示乱码？

程序默认使用 SimHei 字体，确保系统已安装该字体。如需更换，可在"绘图参数"中选择其他中文字体。

Q2：曲面过于平滑/粗糙？

调整"带宽(bw)"参数：

• • 带宽越大，曲面越平滑
• • 带宽越小，曲面越能反映数据细节

Q3：如何选择合适的视角？

• • 仰角（elev）：控制上下倾斜角度，25-45度效果较好
• • 方位角（azim）：控制水平旋转角度，-60到-30度效果较好

Q4：分组子图太多看不清？

使用分页功能，每页最多显示9个子图，点击"上一页/下一页"切换。

八、获取软件

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