matplotlib删除地图投影上的等值线及风场

【前言】最近在编写一个气象应用程序，用来显示某一时刻某一地区的气温等值线和风场，程序主要用到了第三方库matplotlib及Basemap。在编写的过程中发现，如果不进行擦除操作直接绘制新的等值线或风场，新的等值线（风场）会与原来的等值线（风场）叠加在一起，而绘制的等值线及风场没有单独的remove方法，所以如果想要擦除已经绘制的等值线就要将地图重新投影一遍，如果地图投影精度高一点，整个投影过程就会特别漫长。通过对等值线及风场的返回结果进行研究，我找到了一个不必重新投影地图就可将等值线及风场擦除的方法。

一、matplotlib及Basemap

matplotlib是Python常用的数据绘制包。它基于numpy的数组运算功能，可以轻易的画出各种统计图形，如散点图，条行图，饼图，等值线图等。

Basemap是Matplotlib的一个子包，负责地图绘制。在数据可视化过程中，我们可以将数据在地图上画出来。

利用matplotlib及Basemap画图的基本步骤是：

1. 创建一个figure实例
2. 在figure里创建Axes容器实例
3. 在Axes容器内创建Basemap实例进行地图投影
4. 调用Basemap实例的contour及barbs方法进行在地图上绘图

二、不进行擦除操作直接绘制新的等值线或风场效果演示

为了方便演示，数据为我自己手中的数据，其中values,x1,y1为等值线的数据及坐标，huvalues,hvvalues,x2,y2为风场的数据及坐标，数据的格式及获得方法就不做过多解释

1. 绘制地图投影

import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.basemap import Basemap

fig = plt.figure()
ax = fig.add_axes([0,0,1,1])
m = Basemap(projection= 'laea', lon_0= 90, lat_0= 40, width= 11000000, \
            height= 8000000,resolution='l',ax=ax)
m.drawcoastlines(color='tan')
plt.show()

我们将得到下图演示的结果

2. 绘制等值线

import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.basemap import Basemap

fig = plt.figure()
ax = fig.add_axes([0,0,1,1])
m = Basemap(projection= 'laea', lon_0= 90, lat_0= 40, width= 11000000, \
            height= 8000000,resolution='l',ax=ax)
m.drawcoastlines(color='tan')
c= m.contour(x1,y1,values,15,linewidths=1.5)
plt.show()

得到结果如下：

3. 继续绘制风场

import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.basemap import Basemap

fig = plt.figure()
ax = fig.add_axes([0,0,1,1])
m = Basemap(projection= 'laea', lon_0= 90, lat_0= 40, width= 11000000, \
            height= 8000000,resolution='l',ax=ax)
m.drawcoastlines(color='tan')
c= m.contour(x1,y1,values,15,linewidths=1.5)
b= m.barbs(x2,y2,huvalues*2.5,hvvalues*2.5)
plt.show()

得到结果如下：

由此我们可以看出，如果在绘制新的等值线或者风场前不进行擦除操作，所有的图像都会叠加在一起

三、通过重新进行地图投影进行擦除操作

1. 绘制地图投影

import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.basemap import Basemap

fig = plt.figure()
ax = fig.add_axes([0,0,1,1])
m = Basemap(projection= 'laea', lon_0= 90, lat_0= 40, width= 11000000, \
            height= 8000000,resolution='l',ax=ax)
m.drawcoastlines(color='tan')
plt.show()

我们将得到下图演示的结果

2. 绘制等值线

import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.basemap import Basemap

fig = plt.figure()
ax = fig.add_axes([0,0,1,1])
m = Basemap(projection= 'laea', lon_0= 90, lat_0= 40, width= 11000000, \
            height= 8000000,resolution='l',ax=ax)
m.drawcoastlines(color='tan')
c= m.contour(x1,y1,values,15,linewidths=1.5)
plt.show()

得到结果如下：

3. 擦除axes重新进行地图投影

import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.basemap import Basemap

fig = plt.figure()
ax = fig.add_axes([0,0,1,1])
m = Basemap(projection= 'laea', lon_0= 90, lat_0= 40, width= 11000000, \
            height= 8000000,resolution='l',ax=ax)
m.drawcoastlines(color='tan')
x1,y1=m(lon,lat)
c= m.contour(x1,y1,values,15,linewidths=1.5)
ax.clear()
m = Basemap(projection= 'laea', lon_0= 90, lat_0= 40, width= 11000000, \
            height= 8000000,resolution='l',ax=ax)
m.drawcoastlines(color='tan')
plt.show()

得到下图结果：

4. 绘制风场

import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.basemap import Basemap

fig = plt.figure()
ax = fig.add_axes([0,0,1,1])
m = Basemap(projection= 'laea', lon_0= 90, lat_0= 40, width= 11000000, \
            height= 8000000,resolution='l',ax=ax)
m.drawcoastlines(color='tan')
c= m.contour(x1,y1,values,15,linewidths=1.5)
ax.clear()
m = Basemap(projection= 'laea', lon_0= 90, lat_0= 40, width= 11000000, \
            height= 8000000,resolution='l',ax=ax)
m.drawcoastlines(color='tan')
x2,y2= m(hulon,hulat)
b= m.barbs(x2,y2,huvalues*2.5,hvvalues*2.5)
plt.show()

得到结果如下：

此方法虽然可以达到预期的效果，但是我们的地图投影并未做过改变，重新进行地图投影毫无意义，而且还会占用系统不必要的资源

四、对等值线实例及风场实例进行研究

1. 等值线

通过dir()命令我们可以查看创建的等值线实例c的属性方法

print(dir(c))
['_A', '__class__', '__delattr__', '__dict__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__getattribute__',
'__getstate__', '__gt__', '__hash__', '__init__', '__le__', '__lt__', '__module__', '__ne__', '__new__', '__reduce__',
'__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', '__weakref__', '_add_label',
 '_auto', '_autolev', '_check_xyz', '_contour_args', '_contour_generator', '_contour_level_args', '_corner_mask',
'_get_allsegs_and_allkinds', '_get_label_clabeltext', '_get_label_text', '_get_lowers_and_uppers', '_initialize_x_y',
'_levels', '_make_paths', '_process_args', '_process_colors', '_process_levels', '_process_linestyles', '_process_linewidths',
'_transform', 'add_checker', 'add_label', 'add_label_clabeltext', 'add_label_near', 'allkinds', 'allsegs', 'alpha', 'antialiased',
'autoscale', 'autoscale_None', 'ax', 'calc_label_rot_and_inline', 'callbacksSM', 'changed', 'check_update', 'clabel', 'cmap',
'collections', 'colorbar', 'colors', 'contour_doc', 'cvalues', 'extend', 'extent', 'filled', 'find_nearest_contour', 'get_alpha',
'get_array', 'get_clim', 'get_cmap', 'get_label_coords', 'get_label_width', 'get_real_label_width', 'get_text', 'get_transform',
'hatches', 'labelCValues', 'labelTexts', 'labels', 'layers', 'legend_elements', 'levels', 'linestyles', 'linewidths', 'locate_label',
 'locator', 'logscale', 'monochrome', 'nchunk', 'norm', 'origin', 'pop_label', 'print_label', 'set_alpha', 'set_array', 'set_clim',
 'set_cmap', 'set_label_props', 'set_norm', 'tcolors', 'tlinewidths', 'to_rgba', 'too_close', 'update_dict', 'vmax', 'vmin',
'zmax', 'zmin']

通过查看，发现在c的属性方法中并没有remove()方法，但是我们发现有一个属性是collections，这里的collections如果与Python的集合类相同，它就应该有remove()方法进删除，所以继续通过dir()命令进行查看

print(dir(c.collections)
['__add__', '__class__', '__contains__', '__delattr__', '__delitem__', '__dict__', '__dir__', '__doc__', '__eq__',
'__format__', '__ge__', '__getattribute__', '__getitem__', '__getstate__', '__gt__', '__hash__', '__iadd__',
 '__imul__', '__init__', '__iter__', '__le__', '__len__', '__lt__', '__module__', '__mul__', '__ne__', '__new__',
 '__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__reversed__', '__rmul__', '__setattr__', '__setitem__',
 '__setstate__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', '__weakref__', 'append', 'clear', 'copy',
 'count', 'extend', 'index', 'insert', 'pop', 'remove', 'reverse', 'sort', 'type']

通过查看，发现c.collections有remove()方法，所以尝试用c.collections.remove()进行删除，由于remove()方法一次只能删除一个元素，所以要用for循环来进行删除。

import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.basemap import Basemap

fig = plt.figure()
ax = fig.add_axes([0,0,1,1])
m = Basemap(projection= 'laea', lon_0= 90, lat_0= 40, width= 11000000, \
            height= 8000000,resolution='l',ax=ax)
m.drawcoastlines(color='tan')
c= m.contour(x1,y1,values,15,linewidths=1.5)
for i in c.collections:
       i.remove()
plt.show()

得到下图结果：

由此可见，此方法可行

2. 风场

通过dir()命令我们可以查看创建的等值线实例b的属性方法

print(dir(b))
['__add__', '__class__', '__contains__', '__delattr__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__',
 '__ge__', '__getattribute__', '__getitem__', '__getnewargs__', '__gt__', '__hash__', '__init__',
 '__iter__', '__le__', '__len__', '__lt__', '__mul__', '__ne__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__',
'__repr__', '__rmul__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', 'count', 'index']

可以发现风场的实例b没有remove方法，也没有collections属性，所以决定先通过type()方法看看风场实例是什么类型的

print(type(b))
<class 'tuple'>

可以发现风场实例b是一个元组，所以继续看它的元素有什么属性

print(dir(b[0]))
['_A', '__class__', '__delattr__', '__dict__', '__dir__', '__doc__', '__eq__', '__format__', '__ge__', '__getattribute__',
 '__getstate__', '__gt__', '__hash__', '__init__', '__le__', '__lt__', '__module__', '__ne__', '__new__', '__reduce__',
'__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__sizeof__', '__str__', '__subclasshook__', '__weakref__', '_agg_filter',
'_alpha', '_animated', '_antialiaseds', '_axes', '_clipon', '_clippath', '_contains', '_edgecolors',
'_edgecolors_original', '_facecolors', '_facecolors_original', '_factor', '_find_tails', '_get_bool',
 '_get_value', '_gid', '_hatch', '_is_filled', '_is_stroked', '_label', '_length', '_linestyles', '_linewidths',
 '_make_barbs', '_mouseover', '_offset_position', '_offsets', '_oid', '_path_effects', '_paths', '_picker',
 '_pickradius', '_pivot', '_prepare_points', '_propobservers', '_rasterized', '_remove_method',
 '_set_gc_clip', '_sizes', '_sketch', '_snap', '_stale', '_transOffset', '_transform', '_transformSet',
 '_transforms', '_uniform_offsets', '_url', '_urls', '_visible', 'add_callback', 'add_checker', 'aname',
 'autoscale', 'autoscale_None', 'axes', 'barb_increments', 'barbs_doc', 'callbacksSM', 'changed',
'check_update', 'clipbox', 'cmap', 'colorbar', 'contains', 'convert_xunits', 'convert_yunits', 'draw',
'eventson', 'figure', 'fill_empty', 'findobj', 'flip', 'format_cursor_data', 'get_agg_filter', 'get_alpha',
'get_animated', 'get_array', 'get_axes', 'get_children', 'get_clim', 'get_clip_box', 'get_clip_on',
 'get_clip_path', 'get_cmap', 'get_contains', 'get_cursor_data', 'get_dashes', 'get_datalim',
'get_edgecolor', 'get_edgecolors', 'get_facecolor', 'get_facecolors', 'get_figure', 'get_fill', 'get_gid',
'get_hatch', 'get_label', 'get_linestyle', 'get_linestyles', 'get_linewidth', 'get_linewidths',
 'get_offset_position', 'get_offset_transform', 'get_offsets', 'get_path_effects', 'get_paths', 'get_picker',
 'get_pickradius', 'get_rasterized', 'get_sizes', 'get_sketch_params', 'get_snap', 'get_transform',
'get_transformed_clip_path_and_affine', 'get_transforms', 'get_url', 'get_urls', 'get_visible',
'get_window_extent', 'get_zorder', 'have_units', 'hitlist', 'is_figure_set', 'is_transform_set',
'mouseover', 'norm', 'pchanged', 'pick', 'pickable', 'properties', 'remove', 'remove_callback',
 'rounding', 'set', 'set_UVC', 'set_agg_filter', 'set_alpha', 'set_animated', 'set_antialiased', 'set_antialiaseds',
'set_array', 'set_axes', 'set_clim', 'set_clip_box', 'set_clip_on', 'set_clip_path', 'set_cmap', 'set_color',
 'set_contains', 'set_dashes', 'set_edgecolor', 'set_edgecolors', 'set_facecolor', 'set_facecolors', 'set_figure',
'set_gid', 'set_hatch', 'set_label', 'set_linestyle', 'set_linestyles', 'set_linewidth', 'set_linewidths', 'set_lw',
 'set_norm', 'set_offset_position', 'set_offsets', 'set_path_effects', 'set_paths', 'set_picker', 'set_pickradius',
'set_rasterized', 'set_sizes', 'set_sketch_params', 'set_snap', 'set_transform', 'set_url', 'set_urls', 'set_verts',
 'set_verts_and_codes', 'set_visible', 'set_zorder', 'sizes', 'stale', 'stale_callback', 'to_rgba', 'u', 'update',
 'update_dict', 'update_from', 'update_scalarmappable', 'v', 'x', 'y', 'zorder']

可以发现风场实例元组的元素自己就有remove属性，所以通过remove方法尝试一下可不可以进行风场的删除

import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.basemap import Basemap

fig = plt.figure()
ax = fig.add_axes([0,0,1,1])
m = Basemap(projection= 'laea', lon_0= 90, lat_0= 40, width= 11000000, \
            height= 8000000,resolution='l',ax=ax)
m.drawcoastlines(color='tan')
b=m.barbs(x2,y2,huvalues*2.5,hvvalues*2.5)
for i in b:
    i.remove()
plt.show()

得到下图结果：

由此可见，此方法可行

五、总结

对于等值线，可以通过等值线实例的collection属性的remove方法进行删除已经绘制等值线；

对于风场，可以通过风场实例元组中个元素的remove方法进行删除已绘制风场；

对于地图上其他绘图方法，也可以通过本文的方法进行一步步的尝试。

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