如何在Matplotlib中将渐变/均匀方管的3D线图转为曲面图？

原问题与代码 #

我尝试用Matplotlib绘制两个3D图：一个渐变方形管，一个均匀方形管。从Excel导入X、Y值，生成每个方形截面的X、Y、Z坐标列表，代码如下：

from mpl_toolkits import mplot3d
import pandas as pd 
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
df = pd.read_excel(r'H:\Hrishikesh1\lidar_excel_data.xlsx')

# 最下方方形截面的X坐标列表
x1 = list(df["X_square"])
# 最下方方形截面的Y坐标列表
y1 = list(df["Y_square"])
# Z坐标序列
z1 = np.linspace(0, 10, num=22)

# 存储渐变管道所有坐标的列表
x_sqt=[]
y_sqt=[]
z_sqt=[]

# 存储均匀管道所有坐标的列表
x_sqs=[]
y_sqs=[]
z_sqs=[]

# 基于第一个方形的XY坐标生成每个渐变截面的XYZ坐标
for i in z1 :
    for j in x1 :
        x_sqt.append((((1.5*10-i))/(1.5*10))*j)
        z_sqt.append(i)
    for k in y1 :
        y_sqt.append((((1.5*10-i))/(1.5*10))*k)

# 基于第一个方形的XY坐标生成每个均匀截面的XYZ坐标
for i in z1 :
    for j in x1 :
        x_sqs.append(j)
        z_sqs.append(i)
    for k in y1 :
        y_sqs.append(k)

fig = plt.figure(figsize=plt.figaspect(0.5))
 
ax = fig.add_subplot(1, 2, 1, projection='3d') 

x1 = x_sqt 
y1 = y_sqt 
z1 = z_sqt

# 绘图
ax.plot3D(x1, y1, z1, 'red')
ax.set_title('渐变管')


ax = fig.add_subplot(1, 2, 2, projection='3d')

x2 = x_sqs 
y2 = y_sqs 
z2 = z_sqs

ax.plot3D(x2, y2, z2, 'green')
ax.set_title('均匀管')
plt.show()

当前问题 #

目前生成的图是堆叠的独立方形，且相邻方形的起点相互连接，无法呈现管道侧边的曲面立体感。

解决方案：绘制曲面而非折线 #

要实现曲面效果，需要将每个截面的对应顶点连接，生成网格数据后使用plot_surface绘制曲面。以下是修改后的代码：

from mpl_toolkits import mplot3d
import pandas as pd 
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 读取Excel数据
df = pd.read_excel(r'H:\Hrishikesh1\lidar_excel_data.xlsx')
x1 = np.array(df["X_square"])
y1 = np.array(df["Y_square"])
z_values = np.linspace(0, 10, num=22)

# ---------------------- 处理渐变管道 ----------------------
# 生成每个Z层的缩放后XY坐标
x_taper = []
y_taper = []
for z in z_values:
    scale = (15 - z)/15  # 简化1.5*10的计算
    x_taper.append(x1 * scale)
    y_taper.append(y1 * scale)
x_taper = np.array(x_taper)
y_taper = np.array(y_taper)
z_taper = np.tile(z_values[:, np.newaxis], (1, len(x1)))

# ---------------------- 处理均匀管道 ----------------------
x_straight = np.tile(x1, (len(z_values), 1))
y_straight = np.tile(y1, (len(z_values), 1))
z_straight = np.tile(z_values[:, np.newaxis], (1, len(x1)))

# ---------------------- 绘图 ----------------------
fig = plt.figure(figsize=plt.figaspect(0.5))

# 渐变管子图
ax1 = fig.add_subplot(1, 2, 1, projection='3d')
# 绘制每个侧边曲面
for i in range(len(x1)):
    # 连接当前顶点和下一个顶点（实现方形闭合）
    next_i = (i + 1) % len(x1)
    # 构建曲面网格
    x_surf = np.array([x_taper[:, i], x_taper[:, next_i]])
    y_surf = np.array([y_taper[:, i], y_taper[:, next_i]])
    z_surf = np.array([z_taper[:, i], z_taper[:, next_i]])
    ax1.plot_surface(x_surf, y_surf, z_surf, color='red', alpha=0.6)
ax1.set_title('渐变方形管')
ax1.set_xlabel('X')
ax1.set_ylabel('Y')
ax1.set_zlabel('Z')

# 均匀管子图
ax2 = fig.add_subplot(1, 2, 2, projection='3d')
for i in range(len(x1)):
    next_i = (i + 1) % len(x1)
    x_surf = np.array([x_straight[:, i], x_straight[:, next_i]])
    y_surf = np.array([y_straight[:, i], y_straight[:, next_i]])
    z_surf = np.array([z_straight[:, i], z_straight[:, next_i]])
    ax2.plot_surface(x_surf, y_surf, z_surf, color='green', alpha=0.6)
ax2.set_title('均匀方形管')
ax2.set_xlabel('X')
ax2.set_ylabel('Y')
ax2.set_zlabel('Z')

plt.tight_layout()
plt.show()

关键说明 #

• 数据结构调整：将原有的一维列表改为二维数组，每行对应一个Z层的截面坐标，方便构建曲面网格。
• 曲面构建：遍历方形的每个顶点，将相邻顶点在不同Z层的坐标连接，形成矩形曲面片，通过plot_surface绘制。
• 闭合处理：使用(i + 1) % len(x1)实现方形顶点的循环闭合，确保最后一个顶点和第一个顶点连接成完整侧边。
• 透明度设置：通过alpha=0.6让曲面半透明，增强立体感，避免遮挡内部结构。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Hrishi Chougule