3 使用ggplot2画图

3.1 Why use ggplot2

ggplot2是我见过最human friendly的画图软件,这得益于Leland Wilkinson在他的著作《The Grammar of Graphics》中提出了一套图形语法,把图形元素抽象成可以自由组合的成分,Hadley Wickham把这套想法在R中实现。

为什么要学习ggplot2,可以参考ggplot2: 数据分析与图形艺术序言(btw: 在序言的最后,我被致谢了)。

Hadley Wickham也给出一堆理由让我们说服自己,我想再补充一点,Hadley Wickham是学医出身的,做为学生物出身的人有什么理由不支持呢:)

3.2 ggplot2基本要素

  • 数据(Data)和映射(Mapping)
  • 几何对象(Geometric)
  • 标尺(Scale)
  • 统计变换(Statistics)
  • 坐标系统(Coordinante)
  • 图层(Layer)
  • 分面(Facet)
  • 主题(Theme)

这里将从这些基本要素对ggplot2进行介绍。

3.3 数据(Data)和映射(Mapping)

下面以一份钻石的数据为例,这份数据非常大,随机取一个子集来画图。

require(ggplot2)
## Loading required package: ggplot2
data(diamonds)
set.seed(42)
small<-diamonds[sample(nrow(diamonds),1000),] 
head(small)
##       carat       cut color clarity depth table price    x    y    z
## 49345  0.71 Very Good     H     SI1  62.5    60  2096 5.68 5.75 3.57
## 50545  0.79   Premium     H     SI1  61.8    59  2275 5.97 5.91 3.67
## 15434  1.03     Ideal     F     SI1  62.4    57  6178 6.48 6.44 4.03
## 44792  0.50     Ideal     E     VS2  62.2    54  1624 5.08 5.11 3.17
## 34614  0.27     Ideal     E     VS1  61.6    56   470 4.14 4.17 2.56
## 27998  0.30   Premium     E     VS2  61.7    58   658 4.32 4.34 2.67
summary(small)
##      carat               cut      color      clarity        depth      
##  Min.   :0.2200   Fair     : 28   D:121   SI1    :258   Min.   :55.20  
##  1st Qu.:0.4000   Good     : 88   E:186   VS2    :231   1st Qu.:61.00  
##  Median :0.7100   Very Good:227   F:164   SI2    :175   Median :61.80  
##  Mean   :0.8187   Premium  :257   G:216   VS1    :141   Mean   :61.71  
##  3rd Qu.:1.0700   Ideal    :400   H:154   VVS2   : 91   3rd Qu.:62.50  
##  Max.   :2.6600                   I:106   VVS1   : 67   Max.   :72.20  
##                                   J: 53   (Other): 37                  
##      table           price               x               y        
##  Min.   :50.10   Min.   :  342.0   Min.   :3.850   Min.   :3.840  
##  1st Qu.:56.00   1st Qu.:  989.5   1st Qu.:4.740   1st Qu.:4.758  
##  Median :57.00   Median : 2595.0   Median :5.750   Median :5.775  
##  Mean   :57.43   Mean   : 4110.5   Mean   :5.787   Mean   :5.791  
##  3rd Qu.:59.00   3rd Qu.: 5495.2   3rd Qu.:6.600   3rd Qu.:6.610  
##  Max.   :65.00   Max.   :18795.0   Max.   :8.830   Max.   :8.870  
##                                                                   
##        z        
##  Min.   :2.330  
##  1st Qu.:2.920  
##  Median :3.550  
##  Mean   :3.572  
##  3rd Qu.:4.070  
##  Max.   :5.580  
## 

画图实际上是把数据中的变量映射到图形属性上。以克拉(carat)数为X轴变量,价格(price)为Y轴变量。

p <- ggplot(data=small, mapping=aes(x=carat, y=price))

上面这行代码把数据映射XY坐标轴上,需要告诉ggplot2,这些数据要映射成什么样的几何对象,下面以散点为例:

p+geom_point()

几何对象将在下面的小节介绍,这一节,关注的是数据和图形属性之间的映射。

如果想将切工(cut)映射到形状属性。只需要:

p <- ggplot(data=small, mapping=aes(x=carat, y=price, shape=cut))
p+geom_point()

再比如我想将钻石的颜色(color)映射颜色属性:

p <- ggplot(data=small, mapping=aes(x=carat, y=price, shape=cut, colour=color))
p+geom_point()

3.4 几何对象(Geometric)

在上面的例子中,各种属性映射由ggplot函数执行,只需要加一个图层,使用geom_point()告诉ggplot要画散点,于是所有的属性都映射到散点上。

geom_point()完成的就是几何对象的映射,ggplot2提供了各种几何对象映射,如geom_histogram用于直方图,geom_bar用于画柱状图,geom_boxplot用于画箱式图等等。

不同的几何对象,要求的属性会有些不同,这些属性也可以在几何对象映射时提供,比如上一图,也可以用以下语法来画:

p <- ggplot(small)
p+geom_point(aes(x=carat, y=price, shape=cut, colour=color))

ggplot2支持图层,我通常把不同的图层中共用的映射提供给ggplot函数,而某一几何对象才需要的映射参数提供给geom_xxx函数。

这一小节我们来看一下各种常用的几何对象。

3.4.1 直方图

直方图最容易,提供一个x变量,画出数据的分布。

ggplot(small)+geom_histogram(aes(x=price))
## `stat_bin()` using `bins = 30`. Pick better value with `binwidth`.

同样可以根据另外的变量给它填充颜色,比如按不同的切工:

ggplot(small)+geom_histogram(aes(x=price, fill=cut))
## `stat_bin()` using `bins = 30`. Pick better value with `binwidth`.

也可以将其分开,side-by-side地画直方图。

ggplot(small)+geom_histogram(aes(x=price, fill=cut), position="dodge")
## `stat_bin()` using `bins = 30`. Pick better value with `binwidth`.

还可以使用position=“fill”,按照相对比例来画。

ggplot(small)+geom_histogram(aes(x=price, fill=cut), position="fill")
## `stat_bin()` using `bins = 30`. Pick better value with `binwidth`.

### 柱状图 柱状图非常适合于画分类变量。在这里以透明度(clarity)变量为例。按照不同透明度的钻石的数目画柱状图。

ggplot(small)+geom_bar(aes(x=clarity))

柱状图两个要素,一个是分类变量,一个是数目,也就是柱子的高度。数目在这里不用提供,因为ggplot2会通过x变量计算各个分类的数目。

当然你想提供也是可以的,通过stat参数,可以让geom_bar按指定高度画图,比如以下代码:

ggplot()+geom_bar(aes(x=c(LETTERS[1:3]),y=1:3), stat="identity")

柱状图和直方图是很像的,直方图把连续型的数据按照一个个等长的分区(bin)来切分,然后计数,画柱状图。而柱状图是分类数据,按类别计数。我们可以用前面直方图的参数来画side-by-side的柱状图,填充颜色或者按比例画图,它们是高度一致的。

柱状图是用来表示计数数据的,但在生物界却被经常拿来表示均值,加上误差来表示数据分布,这可以通常图层来实现,我将在图层一节中给出实例。

3.4.2 密度函数图

说到直方图,就不得不说密度函数图,数据和映射和直方图是一样的,唯一不同的是几何对象,geom_histogram告诉ggplot要画直方图,而geom_density则说我们要画密度函数图,在我们熟悉前面语法的情况下,很容易画出:

ggplot(small)+geom_density(aes(x=price, colour=cut))

ggplot(small)+geom_density(aes(x=price,fill=clarity))

colour参数指定的是曲线的颜色,而fill是往曲线下面填充颜色。

3.4.3 箱式图

数据量比较大的时候,用直方图和密度函数图是表示数据分布的好方法,而在数据量较少的时候,比如很多的生物实验,很多时候大家都是使用柱状图+errorbar的形式来表示,不过这种方法的信息量非常低,被Nature Methods吐槽,这种情况推荐使用boxplot。

ggplot(small)+geom_boxplot(aes(x=cut, y=price,fill=color))

geom_boxplot将数据映射到箱式图上,上面的代码,我们应该很熟悉了,按切工(cut)分类,对价格(price)变量画箱式图,再分开按照color变量填充颜色。

ggplot2提供了很多的geom_xxx函数,可以满足我们对各种图形绘制的需求。

geom_abline     geom_area   
geom_bar        geom_bin2d
geom_blank      geom_boxplot    
geom_contour    geom_crossbar
geom_density    geom_density2d  
geom_dotplot    geom_errorbar
geom_errorbarh  geom_freqpoly   
geom_hex        geom_histogram
geom_hline      geom_jitter     
geom_line       geom_linerange
geom_map        geom_path   
geom_point      geom_pointrange
geom_polygon    geom_quantile   
geom_raster     geom_rect
geom_ribbon     geom_rug    
geom_segment    geom_smooth
geom_step       geom_text   
geom_tile       geom_violin
geom_vline

3.5 标尺(Scale)

前面我们已经看到了,画图就是在做映射,不管是映射到不同的几何对象上,还是映射各种图形属性。这一小节介绍标尺,在对图形属性进行映射之后,使用标尺可以控制这些属性的显示方式,比如坐标刻度,可能通过标尺,将坐标进行对数变换;比如颜色属性,也可以通过标尺,进行改变。

ggplot(small)+geom_point(aes(x=carat, y=price, shape=cut, colour=color))+scale_y_log10()+scale_colour_manual(values=rainbow(7))

以数据(Data)和映射(Mapping)一节中所画散点图为例,将Y轴坐标进行log10变换,再自己定义颜色为彩虹色。

3.6 统计变换(Statistics)

统计变换对原始数据进行某种计算,然后在图上表示出来,例如对散点图上加一条回归线。

ggplot(small, aes(x=carat, y=price))+geom_point()+scale_y_log10()+stat_smooth()

这里就不按颜色、切工来分了,不然ggplot会按不同的分类变量分别做回归,图就很乱,如果我们需要这样做,我们可以使用分面,这个将在后面介绍。

这里,aes所提供的参数,就通过ggplot提供,而不是提供给geom_point,因为ggplot里的参数,相当于全局变量,geom_point()和stat_smooth()都知道x,y的映射,如果只提供给geom_point(),则相当于是局部变量,geom_point知道这种映射,而stat_smooth不知道,当然你再给stat_smooth也提供x,y的映射,不过共用的映射,还是提供给ggplot好。

ggplot2提供了多种统计变换方式:

stat_abline       stat_contour      stat_identity     stat_summary
stat_bin          stat_density      stat_qq           stat_summary2d
stat_bin2d        stat_density2d    stat_quantile     stat_summary_hex
stat_bindot       stat_ecdf         stat_smooth       stat_unique
stat_binhex       stat_function     stat_spoke        stat_vline
stat_boxplot      stat_hline        stat_sum          stat_ydensity

统计变换是非常重要的功能,我们可以自己写函数,基于原始数据做某种计算,并在图上表现出来,也可以通过它改变geom_xxx函数画图的默认统计参数。 比如我在Proteomic investigation of the interactome of FMNL1 in hematopoietic cells unveils a role in calcium-dependent membrane plasticity的图一中,就把boxplot的中位线替换成了平均值来作图。

3.7 坐标系统(Coordinante)

坐标系统控制坐标轴,可以进行变换,例如XY轴翻转,笛卡尔坐标和极坐标转换,以满足我们的各种需求。

坐标轴翻转由coord_flip()实现

ggplot(small)+geom_bar(aes(x=cut, fill=cut))+coord_flip()

而转换成极坐标可以由coord_polar()实现:

ggplot(small)+geom_bar(aes(x=factor(1), fill=cut))+coord_polar(theta="y")

这也是为什么之前介绍常用图形画法时没有提及饼图的原因,饼图实际上就是柱状图,只不过是使用极坐标而已,柱状图的高度,对应于饼图的弧度,饼图并不推荐,因为人类的眼睛比较弧度的能力比不上比较高度(柱状图)。

还可以画靶心图:

ggplot(small)+geom_bar(aes(x=factor(1), fill=cut))+coord_polar()

以及风玫瑰图(windrose)

ggplot(small)+geom_bar(aes(x=clarity, fill=cut))+coord_polar()

3.8 图层(Layer)

photoshop流行的原因在于PS 3.0时引入图层的概念,ggplot的牛B之处在于使用+号来叠加图层,这堪称是泛型编程的典范。 在前面散点图上,我们已经见识过,加上了一个回归线拟合的图层。

RT-PCR统计分析中,我使用geom_bar()画了一个柱状图,再使用geom_errorbar()画了标准误,两个图层一叠加,就成了我们常画的加了errorbar的柱状图。

有了图层的概念,使用ggplot画起图来,就更加得心应手。

做为图层的一个很好的例子是蝙蝠侠logo,batman logo由6个函数组成,在下面的例子中,我先画第一个函数,之后再加一个图层画第二个函数,不断重复这一过程,直到六个函数全部画好。

require(grid)
## Loading required package: grid
require(ggplot2)
 
f1 <- function(x) {
    y1 <- 3*sqrt(1-(x/7)^2)
    y2 <- -3*sqrt(1-(x/7)^2)
    y <- c(y1,y2)
    d <- data.frame(x=x,y=y)
    d <- d[d$y > -3*sqrt(33)/7,]
    return(d)
}
 
x1 <- c(seq(3, 7, 0.001), seq(-7, -3, 0.001))
d1 <- f1(x1)
p1 <- ggplot(d1,aes(x,y)) + geom_point(color="red") +xlab("") + ylab("") + theme_bw()
 
x2 <- seq(-4,4, 0.001)
y2 <- abs(x2/2)-(3*sqrt(33)-7)*x2^2/112-3 + sqrt(1-(abs(abs(x2)-2)-1)^2)
d2 <- data.frame(x2=x2, y2=y2)
p2 <- p1 + geom_point(data=d2, aes(x=x2,y=y2), color="yellow")
 
x3 <- c(seq(0.75,1,0.001), seq(-1,-0.75,0.001))
y3 <- 9-8*abs(x3)
d3 <- data.frame(x3=x3, y3=y3)
p3 <- p2+geom_point(data=d3, aes(x=x3,y=y3), color="green")
 
x4 <- c(seq(0.5,0.75,0.001), seq(-0.75,-0.5,0.001))
y4 <- 3*abs(x4)+0.75
d4 <- data.frame(x4=x4,y4=y4)
p4 <- p3+geom_point(data=d4, aes(x=x4,y=y4), color="steelblue")
  
x5 <- seq(-0.5,0.5,0.001)
y5 <- rep(2.25,length(x5))
d5 <- data.frame(x5=x5,y5=y5)
p5 <- p4+geom_point(data=d5, aes(x=x5,y=y5))
 
x6 <- c(seq(-3,-1,0.001), seq(1,3,0.001))
y6 <- 6 * sqrt(10)/7 +
    (1.5 - 0.5 * abs(x6)) * sqrt(abs(abs(x6)-1)/(abs(x6)-1)) -
    6 * sqrt(10) * sqrt(4-(abs(x6)-1)^2)/14
d6 <- data.frame(x6=x6,y6=y6)
p6 <- p5+geom_point(data=d6,aes(x=x6,y=y6), colour="blue")

multiplot <- function (..., plotlist = NULL, cols = 1, layout = NULL) {
    plots <- c(list(...), plotlist)
    numPlots = length(plots)
    if (is.null(layout)) {
        layout <- matrix(seq(1, cols * ceiling(numPlots/cols)),
            ncol = cols, nrow = ceiling(numPlots/cols))
    }
    if (numPlots == 1) {
        print(plots[[1]])
    }
    else {
        grid.newpage()
        pushViewport(viewport(layout = grid.layout(nrow(layout),
            ncol(layout))))
        for (i in 1:numPlots) {
            matchidx <- as.data.frame(which(layout == i, arr.ind = TRUE))
            print(plots[[i]], vp = viewport(layout.pos.row = matchidx$row,
                layout.pos.col = matchidx$col))
        }
    }
}

multiplot(p1,p2,p3,p4,p5,p6, cols=2)
## Warning: Removed 2 rows containing missing values (geom_point).

3.9 分面(Facet)

在《ggplot2: 数据分析与图形艺术》一书的翻译中,一开始译者把facet翻译成切片,我在校稿的时候发现了,给他们写信,推荐翻译成分面,如果是slice这个词,翻译成切片倒是很精准,BSD的硬盘分区就叫slice,但facet从词源上看就是小脸的意思,翻译成分面才到位。给他们写信的时候,我还专门查了CNKI翻译助手,发现这词在信息学中,翻成分面早已是固定的。我感觉这是我对这本书翻译的最大贡献,校稿过程中发现的少量小问题远比不上这个关键词意思的把握上。

分面可以让我们按照某种给定的条件,对数据进行分组,然后分别画图。 在统计变换一节中,提到如果按切工分组作回归线,显然图会很乱,有了分面功能,我们可以分别作图。

ggplot(small, aes(x=carat, y=price))+geom_point(aes(colour=cut))+scale_y_log10() +facet_wrap(~cut)+stat_smooth()

3.10 主题(Theme)

通过ggplot画图之后,我们可能还需要对图进行定制,像title, xlab, ylab这些高频需要用到的,自不用说,ggplot2提供了ggtitle(), xlab()和ylab()来实现。 比如:

p <- ggplot(small)+geom_boxplot(aes(x=cut, y=price,fill=color))
p + ggtitle("Price vs Cut")+xlab("Cut")+ylab("Price")

但是这个远远满足不了需求,我们需要改变字体,字体大小,坐标轴,背景等各种元素,这需要通过theme()函数来完成。

ggplot2提供一些已经写好的主题,比如theme_grey()为默认主题,我经常用的theme_bw()为白色背景的主题,还有theme_classic()主题,和R的基础画图函数较像。

别外ggthemes包提供了一些主题可供使用,包括:

theme_economist theme_economist_white
theme_wsj       theme_excel
theme_few       theme_foundation
theme_igray     theme_solarized
theme_stata     theme_tufte
require(ggthemes)
## Loading required package: ggthemes
p + theme_wsj()

在2013年发表的文章Putative cobalt- and nickel-binding proteins and motifs in Streptococcus pneumoniae中的图3就是使用theme_stata来画的。

至于如何改变这些元素,我觉得我之前画囧字的博文可以做为例子:

f <- function(x) 1/(x^2-1)
x <- seq(-3,3, by=0.001)
y <- f(x)
d <- data.frame(x=x,y=y)
 
p <- ggplot()
p <- p+geom_rect(fill = "white",color="black",size=3,
aes(NULL, NULL,xmin=-3, xmax=3,
ymin=-3,ymax=3, alpha=0.1))
 
p <- p + geom_line(data=d, aes(x,y), size=3)+ylim(-3,3)

theme_null <- function() {
    theme_bw() %+replace%
    theme(axis.text.x=element_blank(),
    axis.text.y=element_blank(),
    legend.position="none",
    panel.grid.minor=element_blank(),
    panel.grid.major=element_blank(),
    panel.background=element_blank(),
    axis.ticks=element_blank(),
    panel.border=element_blank())
}
 
p+theme_null()+xlab("")+ylab("")

详细的说明,可以参考?theme的帮助文档。

3.11 二维密度图

在这个文档里,为了作图方便,我们使用diamonds数据集的一个子集,如果使用全集,数据量太大,画出来散点就糊了,这种情况可以使用二维密度力来呈现。

ggplot(diamonds, aes(carat, price))+ stat_density2d(aes(fill = ..level..), geom="polygon")+ scale_fill_continuous(high='darkred',low='darkgreen')

3.12 ggplot2实战

蝴蝶图,详见《Modern Applied Statistics with S-PLUS》第一章。

theta <- seq(0,24*pi, len=2000)
radius <- exp(cos(theta)) - 2*cos(4*theta) + sin(theta/12)^5
dd <- data.frame(x=radius*sin(theta), y=radius*cos(theta))
ggplot(dd, aes(x, y))+geom_path()+theme_null()+xlab("")+ylab("")

这个图,我想展示的是对细节的修改上,在画囧字的时候,把画布上的元素都给清楚了,我把它定义为theme_null主题,在这里,直接应用,我们可以形成自己的画图风格,并写出自己的主题函数固定下来。

最后以生物界中常用的柱状图+误差图为实例,展示ggplot2非常灵活的图层。以我2011年发表的文章Phosphoproteome profile of human lung cancer cell line A549中的westernblot数据为例。这个实例展示了图层,标尺,主题,注释和各种细节微调多种元素。

Normal <- c(0.83, 0.79, 0.99, 0.69)
Cancer <- c(0.56, 0.56, 0.64, 0.52)
m <- c(mean(Normal), mean(Cancer))
s <- c(sd(Normal), sd(Cancer))
d <- data.frame(V=c("Normal", "Cancer"), mean=m, sd=s)
d$V <- factor(d$V, levels=c("Normal", "Cancer"))

p <- ggplot(d, aes(V, mean, fill=V, width=.5))
p <- p+geom_errorbar(aes(ymin=mean, ymax=mean+sd, width=.2), 
                     position=position_dodge(width=.8))
p <- p + geom_bar(stat="identity", position=position_dodge(width=.8), colour="black")
p <- p + scale_fill_manual(values=c("grey80", "white"))
p <- p + theme_bw() +theme(legend.position="none") + xlab("") + ylab("")
p <- p + theme(axis.text.x = element_text(face="bold", size=12), 
               axis.text.y = element_text(face="bold", size=12))
p <- p+scale_y_continuous(expand=c(0,0), limits=c(0, 1.2), breaks=seq(0, 1.2, by=.2))
p <- p+geom_segment(aes(x=1, y=.98, xend=1, yend=1.1))
p <- p+geom_segment(aes(x=2, y=.65, xend=2, yend=1.1))
p <- p+geom_segment(aes(x=1, y=1.1, xend=2, yend=1.1))
p <- p + annotate("text", x=1.5, y=1.08, label="*")
print(p)

更多实例,可以参考我使用ggplot2实现<25 Recipes for Getting Started with R>一书中的所有图片.

2013-05-18