R 数据可视化(一)

作者: 名本无名 | 来源:发表于2021-03-28 15:39 被阅读0次

    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:datamapping,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)
    

    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) + af(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

    1. position = "dodge"
    ggplot(diamonds, aes(x=carat, group=cut)) +
      geom_histogram(aes(y=..count.., fill=cut), position = "dodge", binwidth = 0.1)
    
    1. position = "fill"
    ggplot(diamonds, aes(x=carat, group=cut)) +
      geom_histogram(aes(y=..count.., fill=cut), position = "fill", binwidth = 0.1)
    
    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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