Matplotlibの等高線図 - Pythonグラフ入門

公開日 2023-08-10

Matplotlibで等高線図を出力するには、ax.contour（線のみ）またはax.contourf（塗り潰し）を使用します。

どちらの手法でも、最初の引数に2次元配列を与えます。このページでは前者のax.contourを例としてオプションの指定方法を書いていますが、ax.contourfも同様に指定できます。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

C = np.arange(50).reshape(5, 10)

fig, ax = plt.subplots()
ax.contour(C) # 線のみ
plt.show()

fig, ax = plt.subplots()
ax.contourf(C) # 塗り潰し
plt.show()

上の等高線図では、値が小さい箇所は紫色、値が大きい箇所は緑色・黄色になります。ここで、Cは以下のような5行10列の2次元配列です。等高線図の横軸は0から9, 縦軸は0から4の範囲で出力されています。

array([[ 0,  1,  2,  3,  4,  5,  6,  7,  8,  9],
       [10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19],
       [20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29],
       [30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39],
       [40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49]])

目盛りの指定¶

等高線図の横幅と縦軸の目盛りを指定する場合、以下のようにax.pcolorの1, 2番目の引数に配列として与えます。

X = np.arange(5,15) # 横幅の目盛り
Y = np.arange(5,10) # 縦幅の目盛り

fig, ax = plt.subplots()
ax.contour(X, Y, C)
plt.show()

カラーマップの指定¶

cmapオプションでカラーマップを指定します。

fig, ax = plt.subplots()
ax.contour(C, cmap="Reds")
plt.show()

指定可能なカラーマップについては、以下のページも参照下さい。

Matplotlibのカラーマップ

カラーバーを表示する場合、plt.colorbarを使用します。ax.pcolorの戻り値はPolyCollectionというクラスのオブジェクトです。これをplt.colorbarの最初の引数とします。また、axオプションにカラーバーを表示するグラフ（ここではax）を指定します。

fig, ax = plt.subplots()
mappable = ax.contour(C)
plt.colorbar(mappable, ax=ax)
plt.show()

表示するカラーマップの範囲を固定したい場合、最小値と最大値をそれぞれvmin, vmaxで指定します。

カラーバーにラベルを付ける場合、plt.colorbarの戻り値を取得（以下ではcbarとしています）し、この戻り値のset_labelメソッドを使用します。

fig, ax = plt.subplots()
mappable = ax.contour(C, vmin=10, vmax=40)
cbar = plt.colorbar(mappable, ax=ax)
cbar.set_label('Value')
plt.show()

等高線の間隔¶

等高線の間隔を指定する場合、表示する等高線の値を配列として、levelsオプションに与えます。また、levelsオプションにint型の数値を与えた場合、等高線の本数になります（間隔は自動的に決まります）。

fig, ax = plt.subplots()
mappable = ax.contour(C, levels=[0, 10, 20, 30, 40, 50])
plt.colorbar(mappable, ax=ax)
plt.show()

fig, ax = plt.subplots()
mappable = ax.contour(C, levels=6)
plt.colorbar(mappable, ax=ax)
plt.show()

等高線のラベル¶

等高線の値をラベルとして表示するには、ax.contour()の戻り値であるContourSetクラスのオブジェクトを取得し、ax.clabel()に渡します。

fig, ax = plt.subplots()
cs = ax.contour(C) # cs: ContourSetクラスのオブジェクト
ax.clabel(cs)
plt.show()

ax.clabelの主なオプションを以下の表に示します。

オプション	説明
`fontsize`	フォントのサイズ
`colors`	ラベルの色
`inline`	`True`の場合はラベルと重なる等高線が消える（デフォルト：`True`）
`inline_spacing`	`inline=True`のときに、削除する等高線のピクセル数を指定（デフォルトは`5`）
`fmt`	ラベルのフォーマットを指定（例：`'%1.3f'`）

ラベルのフォントサイズはfontsize, 色はcolorsオプションでそれぞれ指定できます。

fig, ax = plt.subplots()
cs = ax.contour(C)
ax.clabel(cs, fontsize=15, colors="black")
plt.show()

また、inline=False（文字列を等高線を重ねる）、 fmt='%.2f'（小数点以下2桁）とした例を以下に示します。

fig, ax = plt.subplots()
cs = ax.contour(C) # cs: ContourSetクラスのオブジェクト
ax.clabel(cs, inline=False, fmt='%.2f')
plt.show()

等高線の色の上下限¶

等高線の色の上限値と下限値は、それぞれvmax, vminで指定します。vmax以上の値とvmin以下の値の色は、カラーマップの両端の色と同じになります。以下は0から49までの値をとる配列Cに対して、vmax=40, vmin=10とした例です。10から40までの値の変化が分かりやすくなります。

fig, ax = plt.subplots()
mappable = ax.contour(C, vmax=40, vmin=10, levels=[0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50])
plt.colorbar(mappable, ax=ax)
plt.show()

また、以下の例はvmax=70, vmin=-20とした例です。こちらでは、値の変化が分かりづらくなります（値の変化が小さいことを示せます）。

fig, ax = plt.subplots()
mappable = ax.contour(C, vmax=70, vmin=-20, levels=[-20, -10, 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70])
plt.colorbar(mappable, ax=ax)
plt.show()

線の太さの変更¶

linewidthsオプションで線の太さを指定できます。

fig, ax = plt.subplots()
ax.contour(C, linewidths=8)
plt.show()

透明度の指定¶

等高線図の塗り潰し(ax.contourf)で透明度を指定するには、alphaオプションを使用します。0から1の範囲の値を取り、値が小さいほど透明になります（デフォルトは1）。

fig, ax = plt.subplots()
ax.contourf(C, alpha=1) # デフォルト
plt.show()

fig, ax = plt.subplots()
ax.contourf(C, alpha=0.5)
plt.show()