R_ggplot2基礎（一）

作者： 李譽輝   

四川大學在讀研究生 

1  ggplot2特點

• 採用 圖層 的設計方式，有利於結構化思維

• 將表徵資料和圖形細節分開，能快速將圖形表現出來，使創造性繪圖更加容易，而不必糾結於圖形的細節，細節可以後期慢慢調整

• 將常見的統計變換融入到了繪圖中

• 有明確的起始(ggplot開始)與終止(一句話一個圖層)，圖層之間的疊加是靠“+”實現的，越往後，其圖層越在上方

• 圖形美觀，擴充套件包豐富，有專門調整字型和公式的包，有專門調整顏色的包，還有專門用按鈕輔助調整主題的包，總之，應有盡有

2 ggplot2基本概念

• Data資料， Mapping對映

• Scale標度

• Geometric幾何物件

• Statistics統計變換

• Coordinate座標系統

• Layer圖層

• Facet分面

• Legend圖例

• beautiful美化

3 ggplot2語法框架

繪圖流程：

ggplot(data, aes(x = , y = )) +# 基礎圖層，不出現任何圖形元素，

geom_xxx()|stat_xxx() +# 幾何圖層或統計變換，出現圖形元素

coord_xxx() +# 座標變換，預設笛卡爾座標系

scale_xxx() + # 標度調整，調整具體的標度

facet_xxx() + # 分面，將其中一個變數進行分面變換

guides() + # 圖例調整

theme() # 主題系統

3.1 共性對映與個性對映

• ggplot(data = NULL, mapping = aes())

• geom_xxx(data = NULL, mapping = aes())

• ggplot() 內有data、mapping兩個引數

  具有全域性優先順序，可以被之後的所有 geom_xxx 物件或 stat_xxx() 所繼承(前提是 geom 或 stat 未指定相關引數)

• 而 geom_xxx() 或 stat_xxx() 內的引數屬於區域性引數，僅僅作用於內部

• 為了避免混亂，通常將共性對映的引數指定在 ggplot(aes()) aes內部，將個性對映的引數指定在 geom_xxx(aes()) 或 stat_xxx(aes()) 內部

3.2 幾何物件與統計變換

• 幾何物件 geom_xxx(stat = ) 內有統計變換引數 stat ，統計變換 stat_xxx(geom = ) 內也有幾何物件引數 geom

• 兩種方法結果相同，幾何物件更專注於結果，統計變換更專注於變換過程

library(ggplot2)

# 用幾何物件作圖

ggplot(data = NULL, mapping = aes(x = x, y = y)) + geom_point(color = "darked", 

stat = "identity")# identity 表示沒有任何統計變換

# 用統計變換作圖

ggplot(data = NULL, mapping = aes(x = x, y = y)) + stat_identity(color = "darked", 

geom = "point")# geom_point(stat = 'identity')與stat_identity(geom = 'point')結果一樣

3.3 aes與data引數

• aes引數用來指定要對映的變數,可以是多個變數，

• data引數表示指定資料來源，必須是data.frame格式，其座標軸變數最好寬轉長，只能指定一個x軸和y軸，多個x列或y列不能使用調整圖例。

4  geom_xxx() 幾何物件

常用的幾種幾何物件函式：

幾何物件函式描述其它

geom_point點圖geom_point(position = "jitter") == geom_jitter() 避免重疊

geom_line折線圖可以通過smooth引數平滑處理

geom_bar柱形圖x軸是離散變數

geom_area面積圖

geom_histogram直方圖x軸資料是連續的

geom_boxplot箱線圖

geom_rect二維長方形圖

geom_segment線段圖

geom_path幾何路徑由一組點按順序連線

geom_curve曲線

geom_abline斜線有斜率和截距指定

geom_hline水平線常用於座標軸繪製

geom_vline豎線常用於座標軸繪製

geom_text文字

ggplot2唯一不支援的常規平面圖形是 雷達圖

其它幾何物件查詢：

ggplot2 part of the tidyverse

ggplot2 Quick Reference: geom

也可以用

ls(pattern = '^geom_', env = as.environment('package:ggplot2')) 查詢，但是沒有圖形示例

library(ggplot2)

ls(pattern = "^geom_", env = as.environment("package:ggplot2"))

柱形圖和散點圖是關鍵，並且與極座標變換緊密相連，著重介紹柱形圖和散點圖，其它的原理和引數都類似

4.1 aesthetics specifications 美學引數

能用作變數 對映 的包括：

美學引數描述

color/col/colour指定點、線和填充區域邊界的顏色

fill指定填充區域的顏色，如條形和密度區域， 第21到24號點也有填充色

alpha指定顏色的透明度，從0(完全透明) 到 1(不透明)

size指定點的尺寸或線的寬度，單位為mm

angle角度，只有部分幾何物件有,如geom_text文字的擺放角度, geom_spoke中短棒擺放角度

linetype指定線條的型別

shape點的形狀, 為[0, 25]區間的26個整數

vjust垂直位置微調，在(0, 1)區間的數字或位置字串: 0=“buttom”, 0.5=“middle”, 1=“top” , 區間外的數字微調比例控制不均

hjust水平位置微調，在(0, 1)區間的數字或位置字串：0=“left”, 0.5=“center”, 1=“right” ， 區間外的數字微調比例控制不均

不常對映的引數描述

binwidth直方圖的寬度

notch表示方塊圖是否應為缺口

sides表示地毯圖的安置位置(“b”底部, “l”左部, “t”頂部, “r”右部, “bl”左下角, 等等)

width箱線圖或柱形圖的寬度，從(0, 1), 柱形圖預設0.9即90%

lineend表示指定寬線條端部形狀，有3種：“round”半圓形，“square”增加方形, “butt”預設不變， 常用於geom_path和geom_line幾何物件

family字型(Font face)，內建的只有3種：“sans”, “serif”, “mono”

fontface字型，分為: “plain”常規體, “bold”粗體, “italic”斜體, “bold.italic”粗斜體。常用於geom_text等文字物件

lineheight長文字換行行距, 常用於geom_text等文字物件

4.1.1 fill/color 顏色

R自身自持很多種方式的顏色，“顏色名稱”和“HEX色值”最常用和方便，其它的需要擴充套件包

顏色名稱如：

“white”, “azure”, “bisque”, “blue”, “black”, “brown”, “chacolate”, “coral”, “cornsilk”, “cyan”, “gold” ,

“darkgolden”, “orange”, “orchild”, “gray”, “grey”, “tomato”, “violet”, “wheat”, “yellow”, “pink”,

“purple”, “red”, “salmon”, “seashell”, “ivory”,“magentia”,“navy”等系列。

所有的顏色名稱見：  R_Color_Chart （後臺回覆： 顏色 ，可下載PDF版本）

如果對一組顏色進行對映的話，建議使用RColorBrewer等調色包，更加方便

RColorBrewer顏色板如下，左邊為字串編號，上下分為3個版塊，分別為漸變色板Sequential，離散對比色板Qualitative，兩極色板Diverging

# colors() # 呼叫所有內建顏色編號，名稱

scales::show_col(colors()[1:6])# show_col函式可以將顏色名稱或HEX色值向量顯示出來

# RColorBrewer包使用

library("RColorBrewer")

display.brewer.all()# 顯示所有可用色板

display.brewer.all(type = "seq")# 檢視漸變色板

RColorBrewer使用方法：

通過函式 brewer.pal(n, name) 抽取色條名字為name的n種顏色，後面還可以用“[]”索引符號索取色塊，

一個幾何物件設定多種顏色只能在標度中設定，我們會在標度中繼續講解，例：

library("RColorBrewer")

display.brewer.pal(7, "PuRd")# 抽取PuRd色條7種顏色，其顏色色值範圍沒有變，只是色值間隔增大了

display.brewer.pal(9, "PuRd")[11]# 抽取PuRd色條11種顏色，其顏色色值範圍沒有變，指定色值間隔減小了

4.1.2 linetype 線型

線條形狀通過名稱或整數指定:

線型描述

0=“blank”白線

1=“solid”實線

2=“dashed”短虛線

3=“dotted”點線

4=“dotdash”點橫線

5=“longdash”長虛線

6=“twodash”短長虛線

自定義線型

通過1個十六進位制的字串來自定義，字串長度為2、4、6或8。

第1個數字為代表閉合的長度，第2個數字代表缺口的長度，第3個數字又是閉合的長度，第4個數字是缺口的長度，如此交替排列。 然後作為一個整體重複排列

如：

* 字串“33”代表開始3個單位長度閉合，產生短橫線，然後缺口長度也是3個單位，這樣作為一個整體進行重複排列

* 字串“81”代表開始8個單位長度閉合，產生較長的橫線，然後缺口長度為1個單位，這樣作為一個整體重複排列

* 字串“f8”表示開始16個單位長度閉合，產生長橫線，然後缺口長度為8個單位，這樣作為一個整體重複排列

* 字串“357a”表示開始3個單位長度閉合，產生短橫線，然後缺口5個單位，然後閉合7個單位，最後缺口11個單位，這樣整體重複排列

如圖所示：

library(ggplot2)

lty <- c("solid", "dashed", "dotted", "dotdash", "longdash", "twodash")

linetypes <- data.frame(

y = seq_along(lty), # seq_along表示生成與物件同樣長度的序列

lty = lty

) 

ggplot(linetypes, aes(0, y)) + 

geom_segment(aes(xend = 5, yend = y, linetype = lty)) +# 將一個變數對映到線型

scale_linetype_identity() + 

geom_text(aes(label = lty), hjust = 0, nudge_y = 0.2) +

scale_x_continuous(NULL, breaks = NULL) + 

scale_y_reverse(NULL, breaks = NULL)



# 自定義線型

lty <- c("33", "18", "81", "f8", "5f", "357a", "5a73", "342167", "a23f45b6") # 自定義9種線型

linetypes <- data.frame(

y = seq_along(lty),

lty = lty

) 

ggplot(linetypes, aes(0, y)) + 

geom_segment(aes(xend = 5, yend = y, linetype = lty)) + # 將一個變數對映到線型

scale_linetype_identity() + 

geom_text(aes(label = lty), hjust = 0, nudge_y = 0.2) +

scale_x_continuous(NULL, breaks = NULL) + 

scale_y_reverse(NULL, breaks = NULL)

4.1.3 shape點型

[0, 25]個序號代表26種點型， 只有21到26號點形能fill顏色，其它都只有輪廓顏色，

序號32:127對應ASCII字元

所有序號如圖所示：

library("ggplot2")



d = data.frame(p = c(0:25, 32:127))

ggplot() + scale_y_continuous(name = "") + scale_x_continuous(name = "") + scale_shape_identity() + 

geom_point(data = d, mapping = aes(x = p%, y = p%/, shape = p), size = 5, 

fill = "red") + geom_text(data = d, mapping = aes(x = p%, y = p%/ + 

0.25, label = p), size = 3)

4.1.4 family字型

內建的只有3種，可以通過擴充套件包extrafont來將其它字型轉換為ggplot2可識別的標準形式 還可以通過showtext包以圖片的形式將字型插入到ggplot2圖中，對於公式之類的特殊字型特別方便，比Latex容易爆了

library("ggplot2")



df <- data.frame(x = c(0.4, 0.6, 0.8), y = 1:3, family = c("sans", "serif", 

"mono"))

ggplot(df, aes(x, y)) + geom_text(aes(label = family, family = family), size = 15) + 

xlim(0.2, 1) + ylim(0, 4)

4.1.5 Font face字型

分為4類：“plain”常規體, “bold”粗體, “italic”斜體, “bold.italic”粗斜體

library("ggplot2")



df <- data.frame(x = c(1, 1.5, 3, 3.5), y = c(2, 1, 1, 2), fontface = c("plain", 

"bold", "italic", "bold.italic"))

ggplot(df, aes(x, y)) + geom_text(aes(label = fontface, fontface = fontface), 

size = 15) + xlim(0, 5.5) + ylim(0.5, 2.5)

4.1.6 vjust/hjust相對位置微調

vjust: “top” = 1, “middle” = 0.5, “bottom” = 0

hjust: “left” = 0, “center” = 0.5, “right” = 1

微調後，該幾何物件還是在另一個幾何物件周圍

library("ggplot2")



just <- expand.grid(hjust = c(0, 0.5, 1), vjust = c(0, 0.5, 1))

just$label <- paste0(just$hjust, ", ", just$vjust)



ggplot(just, aes(hjust, vjust)) + geom_point(colour = "grey70", size = 5) + 

geom_text(aes(label = label, hjust = hjust, vjust = vjust))# 也能進行對映，但很少用

4.2 position adjustment 位置調整引數

包括：

位置調整函式描述其它

position_dodge()水平並列放置position_dodge(width = NULL, preserve = c(“total”, “single”)) 簇狀柱形圖

position_dodge2()水平並列放置position_dodge2(…, padding = 0.1, reverse = FALSE) 簇狀柱形圖,多了2個引數

position_identity()位置不變對於散點圖和折線圖，可行，預設為identity,但對於多分類柱形圖，序列間存在遮蓋

position_stack()垂直堆疊position_stack(vjust = 1, reverse = FALSE) 柱形圖和麵積圖預設stack堆積

position_fill()百分比填充position_fill(vjust = 1, reverse = FALSE) 垂直堆疊，但只能反映各組百分比

position_jitter()擾動處理position_jitter(width = NULL, height = NULL, seed = NA)部分重疊， 用於點圖

position_jitterdodge()並列抖動position_jitterdodge(jitter.width = NULL,jitter.height = 0, dodge.width = 0.75,seed = NA)

position_nudge()整體位置微調position_nudge(x = 0, y = 0),整體向x和y方向平移的距離，常用於geom_text文字物件

position_xxx() 內其它引數：padding, preserve, reverse, vjust, width, height 等

引數名稱值描述

preservec(“total”, “single”)當同一組柱子高度相同時，是保留單個柱子，還是保留所有柱子

padding數字，(0, 1)區間調整柱子間距(中心距離)， 越大，則柱子寬度縮小越多， 間距越大，0.5表示寬度縮小50%以增大間距

reverseTRUE/FALSE是否翻轉各組柱子內部的排列順序，對於dodge2則水平順序翻轉，對於stack和fill則垂直順序不同

vjust(0,1)區間調整點和線的垂直位置，預設1頂部，0.5表示居中，0表示處於底部，折線的變化趨勢會變平緩，預設1

width(0,1)區間表示水平抖動的程度，因為存在正負方向，所有抖動的範圍為其2倍，預設0.5

height(0,1)區間表示垂直抖動的程度，因為存在正負方向，所以抖動的範圍為其2倍, 預設0.5

dodge.width(0,1)區間表示各組的點抖動總的水平寬度，預設0.75， 表示點分佈在各組箱子75%寬度上

4.2.1 position_dodge(), position_dodge2() 水平並列

library(ggplot2)

ggplot(mtcars, aes(factor(cyl), fill = factor(vs))) + geom_bar(position = "dodge2")# 水平並列柱形圖，預設保留所有柱子



ggplot(mtcars, aes(factor(cyl), fill = factor(vs))) + geom_bar(position = position_dodge(preserve = "total"))# 保留所有柱子



ggplot(mtcars, aes(factor(cyl), fill = factor(vs))) + geom_bar(position = position_dodge(preserve = "single"))# 保留單個柱子



ggplot(mtcars, aes(factor(cyl), fill = factor(vs))) + geom_bar(position = position_dodge2(preserve = "single", 

reverse = T))# 翻轉各組柱子內部排列順序



ggplot(mtcars, aes(factor(cyl), fill = factor(vs))) + geom_bar(position = position_dodge2(preserve = "single", 

padding = 0.5))# 所有柱子寬度縮小50%

4.2.2 position_stack, position_fill 垂直堆積

library(ggplot2)

ggplot(mtcars, aes(factor(cyl), fill = factor(vs))) + geom_bar()# 柱形圖預設stack堆積



ggplot(mtcars, aes(factor(cyl), fill = factor(vs))) + geom_bar(position = "fill")# 百分比堆積



ggplot(mtcars, aes(factor(cyl), fill = factor(vs))) + geom_bar(position = position_stack(reverse = TRUE))# 翻轉各組內部垂直堆疊順序



# 散點圖 + 折線圖

series <- data.frame(time = c(rep(1, 4), rep(2, 4), rep(3, 4), rep(4, 4)), type = rep(c("a", 

"b", "c", "d"), 4), value = rpois(16, 10))

ggplot(series, aes(time, value, group = type)) + geom_line(aes(colour = type)) + 

geom_point(aes(colour = type))# 預設identity



ggplot(series, aes(time, value, group = type)) + geom_line(aes(colour = type), 

position = "stack") + geom_point(aes(colour = type), position = "stack")# stack堆積



ggplot(series, aes(time, value, group = type)) + geom_line(aes(colour = type), 

position = position_stack(vjust = 0.5)) + geom_point(aes(colour = type), 

position = position_stack(vjust = 0.5))# 向下移動半個單位，以最下面的元素為高度為基準



ggplot(series, aes(time, value, group = type)) + geom_line(aes(colour = type), 

position = position_stack(vjust = 0)) + geom_point(aes(colour = type), position = position_stack(vjust = 0))# 向下移動到底，最下面的折線都拉直了

4.2.3 position_jitter(), position_jitterdodge() 擾動錯開

library(ggplot2)

ggplot(mtcars, aes(am, vs)) +

geom_jitter()



ggplot(mtcars, aes(am, vs)) + 

geom_jitter(width = 0.1, height = 0.1) # 增加水平抖動10%，垂直抖動10%



ggplot(mtcars, aes(am, vs)) +

geom_point(position = position_jitter(width = 0.1, height = 0.1)) # 原理與上面一樣，但是抖動是隨機的，每次結果都可能不一樣



ggplot(mtcars, aes(am, vs)) +

geom_point(position = "jitter") + # 預設抖動50%

geom_point(aes(am + 0.2, vs + 0.2), position = "jitter", color = "red" ) # 可以在對映裡面進行簡單的運算

4.2.4 position_jitterdodge()

library(ggplot2)

dsub <- diamonds[sample(nrow(diamonds), 1000), ]



ggplot(dsub, aes(x = cut, y = carat, fill = clarity)) + geom_boxplot(outlier.size = 0) + 

geom_point(shape = 23)# 23號點形狀為菱形



ggplot(dsub, aes(x = cut, y = carat, fill = clarity)) + geom_boxplot(outlier.size = 0) + 

geom_point(shape = 23, position = position_jitterdodge(dodge.width = 0.1))# 點分佈於各組箱子10%寬度上，預設點水平抖動錯開



ggplot(dsub, aes(x = cut, y = carat, fill = clarity)) + geom_boxplot(outlier.size = 0) + 

geom_point(shape = 23, position = position_jitterdodge(dodge.width = 0.8))# 點分佈於各組箱子80%寬度上，預設點水平抖動錯開

4.2.5 position_nudge 整體微調

library(ggplot2)

df <- data.frame(x = c(1, 3, 2, 5), y = c("a", "c", "d", "c"))



ggplot(df, aes(x, y)) + geom_point() + geom_text(aes(label = y))# 文字物件位置與點重合，視覺效果不好



ggplot(df, aes(x, y)) + geom_point() + geom_text(aes(label = y), position = position_nudge(y = -0.1))# 文字位置向下移動1%個單位，錯開文字與點位置

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