如何用Python Matplotlib绘制阈值以上网格的外边缘

我用Matplotlib的pcolor函数绘制了2D伪彩图，希望高亮显示数值超过阈值的网格的外边缘。目前的代码会给每个符合条件的网格绘制完整的矩形边框，导致相邻网格的重叠边框重复显示，需要将这些矩形合并为单个形状后再绘制外边缘。

原代码：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.patches import Rectangle

z = np.array([[0,0,0,1,1],[1,0,6,1,3],[1,7,10,1,2],[1,1,0,0,2],[0,0,2,1,2]])
threshold = 5

fig = plt.figure(figsize =(12, 10))
ax = fig.add_axes([0, 0, 1, 1])
c = ax.pcolor(z, cmap = 'viridis')
for i in range(z.shape[0]): 
    for j in range(z.shape[1]): 
        if z[i, j] > threshold:
            ax.add_patch(Rectangle((j, i), 1, 1, fc='none', ec='crimson', lw=5))
ax.axis('off')  
fig.colorbar(c, ax=ax)
plt.show()

解决方案 #

可以借助shapely库合并相邻的矩形多边形，再用Matplotlib的PathPatch绘制合并后的轮廓，具体步骤如下：

1. 安装shapely库（如果未安装）：

pip install shapely

2. 修改后的代码：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.patches import PathPatch
from matplotlib.path import Path
from shapely.geometry import Polygon
from shapely.ops import unary_union

z = np.array([[0,0,0,1,1],[1,0,6,1,3],[1,7,10,1,2],[1,1,0,0,2],[0,0,2,1,2]])
threshold = 5

fig = plt.figure(figsize=(12, 10))
ax = fig.add_axes([0, 0, 1, 1])
c = ax.pcolor(z, cmap='viridis')

# 收集所有符合条件的网格对应的多边形
polygons = []
for i in range(z.shape[0]):
    for j in range(z.shape[1]):
        if z[i, j] > threshold:
            # 定义网格的四个顶点（左下角为(j,i)，宽1高1）
            coords = [(j, i), (j+1, i), (j+1, i+1), (j, i+1)]
            polygons.append(Polygon(coords))

# 合并所有多边形为整体形状
merged_polygon = unary_union(polygons)

# 将Shapely多边形转换为Matplotlib Path对象
def polygon_to_path(polygon):
    vertices = []
    codes = []
    for geom in polygon.geoms:
        coords = list(geom.exterior.coords)
        vertices.extend(coords)
        # 配置路径指令：移动到起点、绘制线段、闭合路径
        codes.extend([Path.MOVETO] + [Path.LINETO]*(len(coords)-2) + [Path.CLOSEPOLY])
    return Path(vertices, codes)

# 处理合并后的多边形（可能是单个多边形或多个多边形的集合）
if merged_polygon.geom_type == 'MultiPolygon':
    path = polygon_to_path(merged_polygon)
else:
    coords = list(merged_polygon.exterior.coords)
    path = Path(coords, [Path.MOVETO] + [Path.LINETO]*(len(coords)-2) + [Path.CLOSEPOLY])

# 添加合并后的外边缘到轴上
patch = PathPatch(path, facecolor='none', edgecolor='crimson', linewidth=5)
ax.add_patch(patch)

ax.axis('off')
fig.colorbar(c, ax=ax)
plt.show()

代码说明 #

• 遍历符合条件的网格，为每个网格创建Shapely的Polygon对象，记录四个顶点坐标
• 使用unary_union将所有相邻或重叠的多边形合并为整体形状，消除内部重复边框
• 编写polygon_to_path函数，将Shapely多边形转换为Matplotlib可识别的Path对象
• 通过PathPatch绘制合并后的形状外边缘，实现只显示整体轮廓的效果

内容的提问来源于stack exchange，提问作者mgm