Python實現城市公交網絡分析與可視化
一、數據查看和預處理
數據獲取自高德地圖API，包含瞭天津市公交線路和站點名稱及其經緯度數據。
import pandas as pd
df = pd.read_excel('site_information.xlsx')
df.head()
字段說明：
- 線路名稱：公交線路的名稱
- 上下行：0表示上行；1表示下行
- 站序號：公交線路上行或下行依次經過站的序號
- 站名稱：站點名稱
- 經度（分）：站點的經度
- 緯度（分）：站點的緯度
數據字段少，結構也比較簡單，下面來充分瞭解我們的數據和進行預處理。
總的數據有 30396 條，站名稱缺失瞭 5 條，緯度（分）缺失瞭 1 條，經度（分）缺失瞭 38 條，為瞭處理方便，直接把有缺失值的行刪除。
經緯度數據是7031.982、2348.1016這樣的，需要將其轉換為以度為單位。
df2 = df1.copy() df2['經度（分）'] = df1['經度（分）'].apply(float) / 60 df2['緯度（分）'] = df1['緯度（分）'].apply(float) / 60 df2.head()
處理後的數據裡，共有 618 條公交線路，4851個站點數據。
重新保存為處理後數據
df2.to_excel("處理後數據.xlsx", index=False)
二、數據分析
分析天津市公交站點的分佈情況
# -*- coding: UTF-8 -*-
"""
@Author ：葉庭雲
@公眾號 ：修煉Python
@CSDN ：https://yetingyun.blog.csdn.net/
"""
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib as mpl
import random
df = pd.read_excel("處理後數據.xlsx")
x_data = df['經度（分）']
y_data = df['緯度（分）']
colors = ['#FF0000', '#0000CD', '#00BFFF', '#008000', '#FF1493', '#FFD700', '#FF4500', '#00FA9A', '#191970', '#9932CC']
colors = [random.choice(colors) for i in range(len(x_data))]
mpl.rcParams['font.family'] = 'SimHei'
plt.style.use('ggplot')
# 設置大小
plt.figure(figsize=(12, 6), dpi=200)
# 繪制散點圖 經度 緯度 傳進去 設置 顏色 點的大小
plt.scatter(x_data, y_data, marker="o", s=9., c=colors)
# 添加描述信息 x軸 y軸 標題
plt.xlabel("經度")
plt.ylabel("緯度")
plt.title("天津市公交站點分佈情況")
plt.savefig('經緯度散點圖.png')
plt.show()
結果如下：
通過 matplotlib 繪制散點圖可視化天津市公交站點的分佈情況，容易看出天津市的公交熱點分佈區域。為瞭能更形象地分析公交線路網絡，我們可以將數據可視化在實際地圖上，利用 Pyecharts 的BMap。
# -*- coding: UTF-8 -*-
"""
@Author ：葉庭雲
@公眾號 ：修煉Python
@CSDN ：https://yetingyun.blog.csdn.net/
"""
import pandas as pd
from pyecharts.charts import BMap
from pyecharts import options as opts
from pyecharts.globals import CurrentConfig
# 引用本地js資源渲染
CurrentConfig.ONLINE_HOST = 'D:/python/pyecharts-assets-master/assets/'
df = pd.read_excel('處理後數據.xlsx', encoding='utf-8')
df.drop_duplicates(subset='站名稱', inplace=True)
longitude = list(df['經度（分）'])
latitude = list(df['緯度（分）'])
datas = []
a = []
for i, j in zip(longitude, latitude):
a.append([i, j])
datas.append(a)
print(datas)
BAIDU_MAP_AK = "改成你的百度地圖AK"
c = (
BMap(init_opts=opts.InitOpts(width="1200px", height="800px"))
.add_schema(
baidu_ak=BAIDU_MAP_AK, # 申請的BAIDU_MAP_AK
center=[117.20, 39.13], # 天津市經緯度中心
zoom=10,
is_roam=True,
)
.add(
"",
type_="lines",
is_polyline=True,
data_pair=datas,
linestyle_opts=opts.LineStyleOpts(opacity=0.2, width=0.5, color='red'),
# 如果不是最新版本的話可以註釋下面的參數（效果差距不大）
progressive=200,
progressive_threshold=500,
)
)
c.render('公交網絡地圖.html')
結果如下：
在地圖上可以看到，和平區、南開區公交線路網絡密集，交通便利。
公交線路網絡中 i 節點代表第 i 條線路，其中節點 i 的度定義為與線路 i 可以經過換乘能夠到達的線路的數目，線路網絡的度大小反映瞭該條公交線路與其他線路的連通程度，構建算法分析公交線路網絡度的分佈。
# -*- coding: UTF-8 -*-
"""
@Author ：葉庭雲
@公眾號 ：修煉Python
@CSDN ：https://yetingyun.blog.csdn.net/
"""
import xlrd
import matplotlib.pyplot as plt
import pandas as pd
import matplotlib as mpl
df = pd.read_excel("site_information.xlsx")
# 用pandas的操作去重 得到每條線路的名稱
loc = df['線路名稱'].unique()
# 得到每一條線路名稱的列表
line_list = list(loc)
print(line_list)
# 打開Excel表格
data = xlrd.open_workbook("site_information.xlsx")
# print(data) # <xlrd.book.Book object at 0x000001F1111C38D0> 在內存中
# 獲取特定Sheet 索引為0 也就是第一個表
table = data.sheets()[0] # 從零開始
# 每條線路對應有哪些站點 字典推導式
site_dic = {k: [] for k in line_list}
site_list = []
for i in range(1, table.nrows):
# 每一行的數據 返回的是一個列表
x = table.row_values(i)
if x[1] == "0":
# 上行 站點數據 每條線路對應有哪些站點 添加進列表
site_dic[x[0]].append(x[3])
site_list.append(x[3])
else:
continue
# print(len(site_dic)) # 618條線路
# print(len(site_list)) # 15248條站點數據
print(f"公交網絡共有 {len(line_list)} 條線路") # 618條線路
# 先初始化一個統計每個節點的度的列表 與線路名稱列表裡的索引一一對應
node_count = [m * 0 for m in range(len(line_list))]
# 以每條線路為一個節點 線路名稱為鍵 值為一個列表 裡面包含每條路線上行經過的所有站點
sites = [site for site in site_dic.values()]
# print(sites)
for j in range(len(sites)): # 類似冒泡法排序 比較多少趟
for k in range(j, len(sites) - 1): # 每趟比較後 往後推一個 直到比較完 和防止越界
if len(sites[j]) > len(sites[k + 1]):
for x in sites[j]:
if x in sites[j] and x in sites[k + 1]: # 隻要這兩條線路有公共站點 節點度數加1
node_count[j], node_count[k + 1] = node_count[j] + 1, node_count[k + 1] + 1
break # 兩條線路對應在列表索引的值加1 這兩條線的比較結束
else:
for x in sites[k + 1]:
if x in sites[j] and x in sites[k + 1]: # 隻要這兩條線路有公共站點 節點度數加1
node_count[j], node_count[k + 1] = node_count[j] + 1, node_count[k + 1] + 1
break # 兩條線路對應在列表索引的值加1 這兩條線的比較結束
# print(node_count)
# 節點編號 與 節點的度數索引對應
node_number = [y for y in range(len(node_count))]
# 線性網絡度的最大值 175
print(f"線路網絡的度的最大值為：{max(node_count)}")
print(f"線路網絡的度的最小值為：{min(node_count)}")
print(f"線路網絡的度的平均值為：{sum(node_count) / len(node_count)}")
# 設置大小 圖的像素
# 設置字體 matplotlib 不支持顯示中文 自己本地設置
plt.figure(figsize=(10, 6), dpi=150)
mpl.rcParams['font.family'] = 'SimHei'
# 繪制每個節點度的分佈
plt.bar(node_number, node_count, color="purple")
# 添加描述信息
plt.xlabel("節點編號n")
plt.ylabel("節點的度數K")
plt.title("線路網絡中各節點的度的大小分佈", fontsize=15)
plt.savefig("線路網絡中各節點的度的大小.png")
plt.show()
結果如下：
公交網絡共有 618 條線路
線路網絡的度的最大值為：175
線路網絡的度的最小值為：0
線路網絡的度的平均值為：55.41423948220065
import xlrd
import matplotlib.pyplot as plt
import pandas as pd
import matplotlib as mpl
import collections
df = pd.read_excel("site_information.xlsx")
# 用pandas的操作去重 得到每條線路的名稱
loc = df['線路名稱'].unique()
# 得到每一條線路名稱的列表
line_list = list(loc)
print(line_list)
# 打開Excel表格
data = xlrd.open_workbook("site_information.xlsx")
# print(data) # <xlrd.book.Book object at 0x000001F1111C38D0> 在內存中
# 獲取特定Sheet 索引為0 也就是第一個表
table = data.sheets()[0] # 從零開始
# 每條線路對應有哪些站點 字典推導式
site_dic = {k: [] for k in line_list}
site_list = []
for i in range(1, table.nrows):
# 每一行的數據 返回的是一個列表
x = table.row_values(i)
if x[1] == "0":
# 上行 站點數據 每條線路對應有哪些站點 添加進列表
site_dic[x[0]].append(x[3])
site_list.append(x[3])
else:
continue
# print(len(site_dic)) # 618條線路
# print(len(site_list)) # 15248條站點數據
# 先初始化一個統計每個節點的度的列表 與線路名稱列表裡的索引一一對應
node_count = [m * 0 for m in range(len(line_list))]
# 以每條線路為一個節點 線路名稱為鍵 值為一個列表 裡面包含每條路線上行經過的所有站點
sites = [site for site in site_dic.values()]
# print(sites)
for j in range(len(sites)): # 類似冒泡法排序 比較多少趟
for k in range(j, len(sites) - 1): # 每趟比較後 往後推一個 直到比較完 和防止越界
if len(sites[j]) > len(sites[k + 1]):
for x in sites[j]:
if x in sites[j] and x in sites[k + 1]: # 隻要這兩條線路有公共站點 節點度數加1
node_count[j], node_count[k + 1] = node_count[j] + 1, node_count[k + 1] + 1
break # 兩條線路對應在列表索引的值加1 這兩條線的比較結束
else:
for x in sites[k + 1]:
if x in sites[j] and x in sites[k + 1]: # 隻要這兩條線路有公共站點 節點度數加1
node_count[j], node_count[k + 1] = node_count[j] + 1, node_count[k + 1] + 1
break # 兩條線路對應在列表索引的值加1 這兩條線的比較結束
# print(node_count)
# 節點編號 與 節點的度數索引對應
node_number = [y for y in range(len(node_count))]
# 線性網絡度的最大值 175
# print(max(node_count))
# 設置大小 圖的像素
# 設置字體 matplotlib 不支持顯示中文 自己本地設置
plt.figure(figsize=(10, 6), dpi=150)
mpl.rcParams['font.family'] = 'SimHei'
# 分析節點的度K的概率分佈
# 統計節點的度為K的 分別有多少個
node_count = collections.Counter(node_count)
node_count = node_count.most_common()
# 點
node_dic = {_k: _v for _k, _v in node_count}
# 按鍵從小到大排序 得到一個列表 節點的度
sort_node = sorted(node_dic)
# 按順序得到鍵對應的值 即有相同節點的度的個數
sort_num = [node_dic[q] for q in sort_node]
# 概率分佈中度平均值 總的度數加起來 / 個數
# print(sum(sort_node)/len(sort_node))
# 概率分佈中最大的度值 也就個數最多那個
print(f"概率分佈中概率最大的度值為：{max(sort_num)}")
probability = [s1 / sum(sort_num) for s1 in sort_num] # 概率分佈
print(probability)
# 天津市公交線路節點概率分佈圖像
plt.bar(sort_node, probability, color="red")
# 添加描述信息
plt.xlabel("節點的度K")
plt.ylabel("節點度為K的概率P(K)")
plt.title("線路網絡中節點度的概率分佈", fontsize=15)
plt.savefig("線路網絡中節點度的概率分佈.png")
plt.show()
結果如下：
概率分佈中概率最大的度值為：16
天津市公交線路網絡的度分佈如上圖所示，本文收集的天津市線路網絡共有 618 條線路組成，線路網絡的度的最大值為175。概率分佈中概率最大的度值為16，度平均值為55.41，表明天津市公交網絡提供的換乘機會較多，使得可達性較高。其中概率較大的度值大多集中在 7~26 之間。使得節點強度分佈相對來說不夠均勻，造成天津市很多路段公交線路較少，少數路段經過線路過於密集，造成資源的浪費。
聚類系數是研究節點鄰居之間的連接緊密程度，因此不必考慮邊的方向。對於有向圖，將其當成無向圖來處理。網絡聚類系數大，表明網絡中節點與其附近節點之間的連接緊密度程度高，即與實際站點之間的公交線路連接密集。計算得到天津公交復雜網絡的聚類系數為0.091，相對其他城市較低。
根據公式：
同規模的隨機網絡聚集系數約為0.00044，進一步體現瞭網絡的小世界特性。
import xlrd
import matplotlib.pyplot as plt
import pandas as pd
import matplotlib as mpl
# 讀取數據
df = pd.read_excel("site_information.xlsx")
# 用pandas的操作去重 得到每條線路的名稱
loc = df['線路名稱'].drop_duplicates()
# 得到每一條線路名稱的列表 按照Excel表裡以次下去的順序
line_list = list(loc)
# print(line_list)
# 打開Excel表格
data = xlrd.open_workbook("site_information.xlsx")
# print(data) # <xlrd.book.Book object at 0x000001F1111C38D0> 在內存中
# 獲取特定Sheet 索引為0 也就是第一個表
table = data.sheets()[0] # 從零開始
# 每條線路對應有哪些站點 字典推導式
site_dic = {k: [] for k in line_list}
site_list = []
for i in range(1, table.nrows):
# 每一行的數據 返回的是一個列表
x = table.row_values(i)
if x[1] == "0":
# 隻取上行站點數據 每條線路對應有哪些站點 添加進列表
site_dic[x[0]].append(x[3])
site_list.append(x[3])
else:
continue
# print(len(site_dic)) # 618條線路
# print(len(site_list)) # 15248條站點數據
# 先初始化一個統計每個節點的度的列表 與線路名稱列表裡的索引一一對應
node_count = [m * 0 for m in range(len(line_list))]
# 以每條線路為一個節點 線路名稱為鍵 值為一個列表 裡面包含每條路線上行經過的所有站點
sites = [site for site in site_dic.values()]
# print(sites)
# 統計各節點的度
for j in range(len(sites) - 1): # 類似冒泡法排序 比較多少趟
for k in range(j, len(sites) - 1): # 每趟比較後 往後推一個 直到比較完 和防止越界
if len(sites[j]) > len(sites[k + 1]):
for x in sites[j]:
if x in sites[j] and x in sites[k + 1]: # 隻要這兩條線路有公共站點 節點度數加1
node_count[j], node_count[k + 1] = node_count[j] + 1, node_count[k + 1] + 1
break # 兩條線路對應在列表索引的值加1 這兩條線的比較結束
else:
for x in sites[k + 1]:
if x in sites[j] and x in sites[k + 1]: # 隻要這兩條線路有公共站點 節點度數加1
node_count[j], node_count[k + 1] = node_count[j] + 1, node_count[k + 1] + 1
break # 兩條線路對應在列表索引的值加1 這兩條線的比較結束
# 找到該節點的鄰居節點 鄰居節點間實際的邊數
Ei = []
# 對每條線路進行找鄰接節點 並統計其鄰接節點點實際的邊數
for a in range(len(sites)):
neighbor = []
if node_count[a] == 0:
Ei.append(0)
continue
if node_count[a] == 1:
Ei.append(0)
continue
for b in range(len(sites)):
if a == b: # 自身 不比
continue
if len(sites[a]) > len(sites[b]): # 從站點多的線路裡選取站點 看是否有公共站點
for x in sites[a]:
if x in sites[a] and x in sites[b]: # 找到鄰居節點
neighbor.append(sites[b])
break
else:
for x in sites[b]:
if x in sites[a] and x in sites[b]: # 找到鄰居節點
neighbor.append(sites[b])
break
# 在鄰居節點中判斷這些節點的實際邊數 又類似前面的方法 判斷兩兩是否相連
count = 0
for c in range(len(neighbor) - 1):
for d in range(c, len(neighbor) - 1): # 每趟比較後 往後推一個 直到比較完 和防止越界
try:
if len(sites[c]) > len(sites[d + 1]):
for y in sites[c]:
if y in sites[c] and y in sites[d + 1]: # 鄰居節點這兩個也相連
count += 1
break
else:
continue
else:
for y in sites[d + 1]:
if y in sites[c] and y in sites[d + 1]: # 鄰居節點這兩個也相連
count += 1
break
else:
continue
except IndexError:
break
Ei.append(count)
# 每個節點的鄰居節點間實際相連的邊數
# print(Ei)
# 節點編號 與 節點的度數索引對應
node_number = [y for y in range(len(node_count))]
# 設置字體 matplotlib 不支持顯示中文 自己本地設置
mpl.rcParams['font.family'] = 'SimHei'
# 設置大小 圖的像素
plt.figure(figsize=(10, 6), dpi=150)
# 公交線路網絡的聚類系數分佈圖像 相鄰節點的連通程度
Ci = []
for m in range(len(node_number)):
if node_count[m] == 0:
Ci.append(0)
elif node_count[m] == 1:
Ci.append(0)
else: # 2 * 該節點鄰居節點實際連接邊數 / 最大邊數
Ci.append(2 * Ei[m] / (node_count[m] * (node_count[m] - 1)))
# 各節點鄰居節點的連通程度 計算平均聚類系數
print("天津市公交線路網絡平均聚類系數為：{:.4f}".format(sum(Ci) / len(Ci)))
plt.bar(node_number, Ci, color="blue")
# 添加描述信息
plt.xlabel("節點編號n")
plt.ylabel("節點的聚類系數")
plt.title("線路網絡中各節點的聚類系數分佈", fontsize=15)
plt.savefig("聚類系數分佈.png")
plt.show()
結果如下：
天津市公交線路網絡平均聚類系數為：0.0906
以上就是Python實現城市公交網絡分析與可視化的詳細內容，更多關於Python城市公交網絡分析 可視化的資料請關註WalkonNet其它相關文章！
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