R 数据可视化 —— ggplot 基础介绍
前言
讲完数据处理,就要开始将数据可视化了。
在这一部分,我们主要的还是来介绍 tidyvese
家族的包 —— ggplot2
。
讲完之后,可能后续还会增加一些其他方面的包,以及基于 ggplot2
的可视化扩展包。
ggplot2
的理论基础是图形图层语法,一个图层应该包含:
- 数据(必须是数据框)
- 图形属性映射(定义数据变量如何映射到图形属性)
- 几何对象(要绘制什么图,如散点图、直方图等)
- 统计变换(对数据变量进行统计变换后再绘制)
- 位置调整(避免图形重合)
而一个图形又可以包含很多个图层,一张图可以包含:
- 一个数据框及数据到图形属性的映射关系
- 一个或多个图层
- 标度,控制数据到图形属性映射
- 坐标系统
- 分面
创建图形
1. 创建图形对象
首先需要使用 ggplot()
函数来创建图形对象。
该函数有两个重要参数:data
和 mapping
,用于定义绘图时使用的数据以及图形属性映射。
这两个参数将会作为整个图形的默认值,可以在每个添加的图层中重新设置对应参数的值,来修改默认数据和图形属性映射关系.
p <- ggplot(diamonds, aes(carat, price, colour=cut))
我们使用 ggplot2
自带的数据 diamonds
创建完图形对象之后,如果不添加图层,是无法显示任何东西的
2. 图层
创建完图形对象之后,我们可以添加图层了,例如,我们添加一个简单的图层,只包含一个几何对象
p + geom_point()
我们使用 +
来添加图层,该图层的数据及图形属性的映射都是创建图形对象时传递的默认值。
3. 数据
ggplot2
要求数据的格式必须是数据框,我们可以使用 %+%
来更改上面传递的默认数据框
p <- ggplot(diamonds, aes(carat, price, colour=cut)) +
geom_point()
p %+% transform(diamonds, price = price / 1000)
4. 属性映射
使用 aes()
函数将数据变量映射到图形属性,例如
aes(x=carat, y=price, colour=cut)
上面的代码表示,diamonds
数据框中的 carat
列的数据会被映射到图层的 x
轴,price
列会被映射到 y
轴,cut
列的数据会映射到颜色属性
还可以对变量应用函数。
aes(carat, mean(price), colour=cut)
如果你的列名不是有效的 R
变量名,需要用 ``
符号包裹,如
df <- data.frame(
"x" = 1:3,
"a b" = 4:6,
check.names = FALSE
)
ggplot(df, aes(x, `a b`)) + geom_point()
图形属性映射可以在初始化图形对象时指定,也可以过后使用 +
来修改
p <- ggplot(diamonds, aes(carat, price, colour=cut)) +
geom_point()
p + aes(y=depth)
或
ggplot(diamonds, aes(carat, price, colour=cut)) +
geom_point(aes(y=depth))
也可以删除一个映射,比如,去掉颜色映射
ggplot(diamonds, aes(carat, price, colour=cut)) +
geom_point(aes(colour=NULL))
当然,除了将图形属性映射为一个变量,也可以为属性指定一个标量值
ggplot(diamonds, aes(carat, price, colour=cut)) +
geom_point(colour='skyblue')
我们将颜色设置为天蓝色
注意:我们没有在 aes()
函数中设置属性值,我们可以看看区别
ggplot(diamonds, aes(carat, price, colour=cut)) +
geom_point(aes(colour='skyblue'))
在这里,实际上会先创建一个只含有 "skyblue"
字符串的向量,然后将其映射到 colour
属性。因为这个变量是离散的,所以默认会将颜色标度设置为色轮上等间距的颜色,由因为变量只有一个值,所以返回第一个颜色,桃红色。
5 几何对象
几何对象执行着图形的渲染以及控制图像的类型,例如,点几何对象表示散点图,线几何对象表示折线图。
几何对象都是以 geom
开头,每个几何对象含有不同的参数用于设置图形属性。
6 统计变换
有时,我们想以某种方式对数据进行统计变换,一个统计变换不能改变位置,即 f(x + a) = f(x) + a
且 f(b · x) = b · f(x)
统计变换包括
统计变换可以向原始数据中插入新的变量,例如用于直方图的 stat_bin
统计变换会生成如下三个变量
-
count
:每组中观察值的数目 -
density
:每组的观察值密度 -
x
:组中心位置
这些变量可以直接调用,但是生成的变量名必须用 ..
包裹起来。
这样做可以防止原始数据中的变量与生成变量之间重名,而引起冲突。例如
ggplot(diamonds, aes(x=carat)) +
geom_histogram(aes(y=..count..), binwidth = 0.1)
7 位置调整
位置调整一般是对图层中元素的位置进行微调,多见于离散型数据中,因为连续型数据很少出现数据完全重叠的问题。
位置调整参数包括:
-
dodge
:并排放置 -
fill
:堆叠元素并将高度标准化为1
-
identity
:不作调整 -
jitter
:添加随机扰动,避免重合 -
stack
:将元素堆叠起来
我们以条形图来说明
position = "dodge"
ggplot(diamonds, aes(x=carat, group=cut)) +
geom_histogram(aes(y=..count.., fill=cut), position = "dodge", binwidth = 0.1)
position = "fill"
ggplot(diamonds, aes(x=carat, group=cut)) +
geom_histogram(aes(y=..count.., fill=cut), position = "fill", binwidth = 0.1)
position = "stack"
ggplot(diamonds, aes(x=carat, group=cut)) +
geom_histogram(aes(y=..count.., fill=cut), position = "stack", binwidth = 0.1)
整合
一旦熟悉了上面的图层操作,就可以很容易的画出复杂的图形。
结合几何对象与统计变换
通过将几何对象与不同的统计变换组合,或同一个变换与不同的几何对象组合,可以绘制出一组新颖的图形。
例如,对于一个直方图统计变换 stat_bin
d <- ggplot(diamonds, aes(carat)) + xlim(0, 3)
我们可以使用面积对象
d + stat_bin(aes(ymax = ..count..), binwidth = 0.1, geom = "area")
或点对象
d + stat_bin(
aes(size = ..density..), binwidth = 0.1,
geom = "point", position="identity"
)
或瓦片对象(tile
)
d + stat_bin2d(
aes(y=1, fill = ..density..), binwidth = 0.1,
geom = "tile", position="identity"
)
ggplot2
中有许多对象是基于其他对象衍生出来的,即修改已有对象的默认图形属性或统计变换,也可以称为别名,如下面几个对象
对于某些数据,可能已经统计汇总过了,不再需要进行默认的统计,可以使用 stat_identity()
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