Python实现时间序列可视化的方法

更新时间：2020-07-21 14:48:01 作者：startmvc

时间序列数据在数据科学领域无处不在，在量化金融领域也十分常见，可以用于分析价格趋

时间序列数据在数据科学领域无处不在，在量化金融领域也十分常见，可以用于分析价格趋势，预测价格，探索价格行为等。

学会对时间序列数据进行可视化，能够帮助我们更加直观地探索时间序列数据，寻找其潜在的规律。

本文会利用Python中的matplotlib【1】库，并配合实例进行讲解。matplotlib库是一个用于创建出版质量图表的桌面绘图包（2D绘图库），是Python中最基本的可视化工具。

【工具】Python 3

【数据】Tushare

【注】示例注重的是方法的讲解，请大家灵活掌握。

1.单个时间序列

首先，我们从tushare.pro获取指数日线行情数据，并查看数据类型。


import tushare as ts 
import pandas as pd 
pd.set_option('expand_frame_repr', False) # 显示所有列 
ts.set_token('your token') 
pro = ts.pro_api() 
df = pro.index_daily(ts_code='399300.SZ')[['trade_date', 'close']] 
df.sort_values('trade_date', inplace=True) 
df.reset_index(inplace=True, drop=True) 
print(df.head()) 
 trade_date close 
0 20050104 982.794 
1 20050105 992.564 
2 20050106 983.174 
3 20050107 983.958 
4 20050110 993.879 
print(df.dtypes) 
trade_date object 
close float64 
dtype: object

交易时间列'trade_date' 不是时间类型，而且也不是索引，需要先进行转化。


df['trade_date'] = pd.to_datetime(df['trade_date']) 
df.set_index('trade_date', inplace=True) 
print(df.head()) 
 close 
trade_date 
2005-01-04 982.794 
2005-01-05 992.564 
2005-01-06 983.174 
2005-01-07 983.958 
2005-01-10 993.879

接下来，就可以开始画图了，我们需要导入matplotlib.pyplot【2】，然后通过设置set_xlabel()和set_xlabel()为x轴和y轴添加标签。


import matplotlib.pyplot as plt 
ax = df.plot(color='') 
ax.set_xlabel('trade_date') 
ax.set_ylabel('399300.SZ close') 
plt.show()

matplotlib库中有很多内置图表样式可以选择，通过打印plt.style.available查看具体都有哪些选项，应用的时候直接调用plt.style.use('fivethirtyeight')即可。


print(plt.style.available) 
['bmh', 'classic', 'dark_background', 'fast', 'fivethirtyeight', 'ggplot', 'grayscale', 'seaborn-bright', 'seaborn-colorblind', 'seaborn-dark-palette', 'seaborn-dark', 'seaborn-darkgrid', 'seaborn-deep', 'seaborn-muted', 'seaborn-notebook', 'seaborn-paper', 'seaborn-pastel', 'seaborn-poster', 'seaborn-talk', 'seaborn-ticks', 'seaborn-white', 'seaborn-whitegrid', 'seaborn', 'Solarize_Light2', 'tableau-colorblind10', '_classic_test'] 
 plt.style.use('fivethirtyeight') 
ax1 = df.plot() 
ax1.set_title('FiveThirtyEight Style') 
plt.show()

2.设置更多细节

上面画出的是一个很简单的折线图，其实可以在plot()里面通过设置不同参数的值，为图添加更多细节，使其更美观、清晰。

figsize(width, height)设置图的大小，linewidth设置线的宽度，fontsize设置字体大小。然后，调用set_title()方法设置标题。


ax = df.plot(color='blue', figsize=(8, 3), linewidth=2, fontsize=6) 
ax.set_title('399300.SZ close from 2005-01-04 to 2019-07-04', fontsize=8) 
plt.show()

如果想要看某一个子时间段内的折线变化情况，可以直接截取该时间段再作图即可，如df['2018-01-01': '2019-01-01']


dfdf_subset_1 = df['2018-01-01':'2019-01-01'] 
ax = df_subset_1.plot(color='blue', fontsize=10)

plt.show()

如果想要突出图中的某一日期或者观察值，可以调用.axvline()和.axhline()方法添加垂直和水平参考线。


ax = df.plot(color='blue', fontsize=6) 
ax.axvline('2019-01-01', color='red', linestyle='--') 
ax.axhline(3000, color='green', linestyle='--') 
plt.show()

也可以调用axvspan()的方法为一段时间添加阴影标注，其中alpha参数设置的是阴影的透明度，0代表完全透明，1代表全色。


ax = df.plot(color='blue', fontsize=6) 
ax.axvspan('2018-01-01', '2019-01-01', color='red', alpha=0.3) 
ax.axhspan(2000, 3000, color='green', alpha=0.7) 
plt.show()

3.移动平均时间序列

有时候，我们想要观察某个窗口期的移动平均值的变化趋势，可以通过调用窗口函数rolling来实现。下面实例中显示的是，以250天为窗口期的移动平均线close，以及与移动标准差的关系构建的上下两个通道线upper和lower。


ma = df.rolling(window=250).mean() 
mstd = df.rolling(window=250).std() 
ma['upper'] = ma['close'] + (mstd['close'] * 2) 
ma['lower'] = ma['close'] - (mstd['close'] * 2) 
ax = ma.plot(linewidth=0.8, fontsize=6) 
ax.set_xlabel('trade_date', fontsize=8) 
ax.set_ylabel('399300.SZ close from 2005-01-04 to 2019-07-04', fontsize=8) 
ax.set_title('Rolling mean and variance of 399300.SZ cloe from 2005-01-04 to 2019-07-04', fontsize=10) 
plt.show()

4.多个时间序列

如果想要可视化多个时间序列数据，同样可以直接调用plot()方法。示例中我们从tushare.pro上面选取三只股票的日线行情数据进行分析。


# 获取数据 
code_list = ['000001.SZ', '000002.SZ', '600000.SH'] 
data_list = [] 
for code in code_list: 
 print(code) 
 df = pro.daily(ts_code=code, start_date='20180101', end_date='20190101')[['trade_date', 'close']] 
 df.sort_values('trade_date', inplace=True) 
 df.rename(columns={'close': code}, inplace=True) 
 df.set_index('trade_date', inplace=True) 
 data_list.append(df) 
df = pd.concat(data_list, axis=1) 
print(df.head()) 
000001.SZ 
000002.SZ 
600000.SH 
 000001.SZ 000002.SZ 600000.SH 
trade_date 
20180102 13.70 32.56 12.72 
20180103 13.33 32.33 12.66 
20180104 13.25 33.12 12.66 
20180105 13.30 34.76 12.69 
20180108 12.96 35.99 12.68 
# 画图 
ax = df.plot(linewidth=2, fontsize=12) 
ax.set_xlabel('trade_date') 
ax.legend(fontsize=15) 
plt.show()

调用.plot.area()方法可以生成时间序列数据的面积图，显示累计的总数。


ax = df.plot.area(fontsize=12) 
ax.set_xlabel('trade_date') 
ax.legend(fontsize=15) 
plt.show()

如果想要在不同子图中单独显示每一个时间序列，可以通过设置参数subplots=True来实现。layout指定要使用的行列数，sharex和sharey用于设置是否共享行和列，colormap='viridis' 为每条线设置不同的颜色。


df.plot(subplots=True, 
 layout=(2, 2), 
 sharex=False, 
 sharey=False, 
 colormap='viridis', 
 fontsize=7, 
 legend=False, 
 linewidth=0.3) 
plt.show()