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R_3D图(三)

作者：李誉辉

四川大学在读研究生

前言

这篇是plot3D包绘图系列之三，前一篇请戳：R_3D图(二)，这一章节主要聚焦三维图的制作。做教程狠费精力的，别忘了点赞和转发。谢谢。

3 三维图(3-D perspectives)

persp3D() 是persp()函数的扩展
ribbon3D() 与persp3D()有些类似，但不是多边形网格，而是带状的网格的曲面。
hist3D()产生三维的直方图。

3.1

语法

persp3D (x = seq(0, 1, length.out = nrow(z)),   
       y = seq(0, 1, length.out = ncol(z)), z, ...,   
       colvar = z, phi = 40, theta = 40,  
       col = NULL,  NAcol = "white", breaks = NULL,  
       border = NA, facets = TRUE, colkey = NULL, resfac = 1,  
       image = FALSE, contour = FALSE, panel.first = NULL,  
       clim = NULL, clab = NULL, bty = "b",   
       lighting = FALSE, shade = NA, ltheta = -135, lphi = 0,   
       inttype = 1, curtain = FALSE, add = FALSE, plot = TRUE)  

ribbon3D (x = seq(0, 1, length.out = nrow(z)),   
      y = seq(0, 1, length.out = ncol(z)), z, ...,   
      colvar = z, phi = 40, theta = 40,   
      col = NULL,  NAcol = "white", breaks = NULL,  
      border = NA, facets = TRUE, colkey = NULL, resfac = 1,  
      image = FALSE, contour = FALSE, panel.first = NULL,   
      clim = NULL, clab = NULL, bty = "b",   
      lighting = FALSE, shade = NA, ltheta = -135, lphi = 0,   
      space = 0.4, along = "x",   
      curtain = FALSE, add = FALSE, plot = TRUE)   

hist3D (x = seq(0, 1, length.out = nrow(z)),  
      y = seq(0, 1, length.out = ncol(z)), z, ...,    
      colvar = z, phi = 40, theta = 40,   
      col = NULL, NAcol = "white", breaks = NULL,  
      border = NA, facets = TRUE, colkey = NULL,   
      image = FALSE, contour = FALSE,  
      panel.first = NULL, clim = NULL, clab = NULL, bty = "b",   
      lighting = FALSE, shade = NA, ltheta = -135, lphi = 0,  
      space = 0, opaque.top = FALSE, zmin = NULL,   
      add = FALSE, plot = TRUE)

参数解释：

z, 为二维矩阵数据，用于绘制3D透视图。
x, y ，可以是2个向量，也可以是1个矩阵，
如果是向量，则x的长度必须等于z的行数，y的长度必须等于z的列数。
如果是矩阵(只用于persp3D), xy的维度应该与矩阵z相同。
colvar，指定着色的变量，如果给出，则必须与矩阵z维度相同。
如果是NULL,NA,或FALSE将根据colvar切换颜色，
仅当boder参数被指定颜色，shade参数>0,或lighting = TRUE才会产生好的效果。
col, 表示指定颜色色板，用于colvar颜色，
如果col = NULL, 且colvar指定了，则默认“红-黄-蓝”色板。
如果col = NULL, 且colvar指定，则col默认为grey灰度板。
为了与透视图相符，设定colvar = NULL, 使col为一个矩阵，其维度为nrow(z)-1行，ncol(z)-1列。
NAcol, 表示指定colvar中缺失值的颜色，默认为白色。
breaks, 为数字向量，表示colvar断点，默认增序排列，无序向量会被自动排序。
colkey, 为逻辑值或NULL(默认)或列表。表示指定图例参数。
add, 为逻辑值，表示是否将该绘图对象添加到现有的绘图对象中，默认FALSE新建图层，TRUE则添加图层。
plot, 为逻辑值，表示是否绘图，默认TRUE则绘图，FALSE则返回视角转换矩阵。
clab, 表示指定图例标题内容。colkey=TRUE生效。
clim, 表示指定图例显示范围，当colvar指定时生效，clim范围超出colvar则超出部分显示NA。
resfac, 表示指定x和y的分辨率因子，长度为1或2的数字向量指定，
数字大于1，则增加分辨率，通过插值z增加。
若向量长度为1，则在x和y对应的z插值数量相同。
theta, phi, 表示指定观察透视图的方向，与persp()中一致。
border, 表示指定曲面网格边线的颜色，默认NA不显示曲面网格边线。
facets, 为逻辑值或NA，表示是否指定曲面网格的颜色，TRUE则用col参数指定曲面网格的颜色，
FALSE则为网格为颜色为白色且网格边线为col指定的颜色(前提是border=NA)。
image, 为逻辑值，表示是否在绘图立方体插入另一个图，
如果TRUE，则会底部绘制图像，还允许传递image2D()函数的参数的列表，
此列表的一个参数side表示将image2D()图置于何处位置。
side = z-value, 表示将该图置于z轴value值位置处。
side = "zmin", side = "zmax"分别将该图置于底部和顶部，默认置于底部。
contour, 为逻辑值，表示是否在绘图立方体中插入等高线，如果TRUE，则默认插入等高线图在底部，也可以通过contour()函数传递参数。
同样存在位置参数side, side = "zmin", side = "zmax"分别将该图置于底部和顶部，默认置于底部。
panel.first, 表示指定一种变换函数，常常用于绘制背景网格和三维散点图的平滑处理。该函数的其中一个参数应该是pmat矩阵变换。
along, 表示指定绘制ribbons图的方向，c(“x”, “y”, “xy”)其中之一，表示ribbons平行x轴，y轴或xy平面。
curtain, 为逻辑值，TRUE表示ribbon或persp将紧挨着panels。
space, 为数值，表示指定bar/ribbons之间的空白间隙量，
对应hist3D(), 则介于[0, 0.9]之间。对于ribbon3D(), 则介于[0.1, 0.9]之间。
也可以是2个长度的向量，分别表示x,y方向的空白间隙量。
bty, 表示指定box类型，默认仅仅画背景panels, 只有当persp()中的box=TRUE时才有效。
其它与perspbox() 函数中一致。bty = c(“b”, “b2”, “f”, “g”, “bl”, “bl2”, “u”, “n”)其中之一。
lighting, 逻辑值或列表指定，表示对曲面网格打光，
FALSE则不打光，TRUE或list指定都会打光，则网格颜色可能变明亮，
list必须用下面的颜色空间指定：
ambient环境光, diffuse漫反射, specular镜面反射, exponent颜色数字, sr阳光反射指数, alpha透明度,
shade, 表示指定阴影指数，与persp()中一样。
ltheta, lphi, 表示指定打光方向，与persp()中一样。
inttype, 表示指定多边形网格的插值类型，每个网格的显示由4个角点的坐标和1个颜色决定，共3种插值类型：
inttype = 1(默认)与persp()曲面一致，z值表示每个网格4个角点的z轴坐标。
如果指定了colvar参数，则将其colvar值重新计算到每个网格的中间，所以colvar维度必须是(nx-1)(ny-1),
且平均值取自源数据(nx和ny分别是x和y点的数量), 这将使颜色分布和阴影过渡更加平滑。
inttype = 1时,colvar中的NA值将在均值计算期间被使用，这将使NA对应的网格区域变大。
inttype = 3为另一种设置，除了NA值的处理不一样，
其它跟inttype = 1一致，NA不会带入平均值计算过程中，这样会使NA对应的网格区域变小。
inttype = 2设置表示另一种插值方法，当colvar参数被指定的时候，这种设置使用得很频繁。
这种插值方法中，颜色过渡不会平滑处理。它假定z的值和colvar的值都定义在网格的中心的位置，
为了对网格作色，x,y,z对应的panels将扩大。grid数量增大到(nx+1)*(ny+1)。
当colvar被指定时，这将使曲面上的z数据比源数据过渡更加平滑。
这种插值更加适用于颜色变量colvar存在NA值的情况，因为取平均值过程会增加NA对应的网格区域。
opaque.top, 为逻辑值，表示3D直方图中(设置alpha透明)，bars顶面是否透明，TRUE则不透明，
默认FALSE表示透明。
zmin, 表示3D直方图中，设置bars的底面位置，默认NULL表示底面将处在zmin位置上。
…, 其它绘图参数，与persp()函数中参数一致。包括：xlim, ylim, zlim, xlab, ylab, zlab,
main, sub, r, d, scale, expand, box, axes, nticks, ticktype。
还有perspbox()中一些参数：col.axis, col.panel,
lwd.panel, col.grid, lwd,grid。
还有公共参数: alpha设定绘图对象的透明度(从0到1)，
lty, lwd分别设置网格边线的线型和线宽(仅当border 不是NA)
注意：xlim, ylim, zlim仅仅表示设定坐标轴的显示范围，
超出xlim,ylim, zlim范围的图形对象也会被绘制出来。
如果要设定绘制图形对象的范围，使用plotdev()函数。

3.2

persp3D()

比较persp3D与persp函数的参数：

persp3D (x = seq(0, 1, length.out = nrow(z)), 
       y = seq(0, 1, length.out = ncol(z)), z, ..., 
       colvar = z, phi = 40, theta = 40,
       col = NULL,  NAcol = "white", breaks = NULL,
       border = NA, facets = TRUE, colkey = NULL, resfac = 1,
       image = FALSE, contour = FALSE, panel.first = NULL,
       clim = NULL, clab = NULL, bty = "b", 
       lighting = FALSE, shade = NA, ltheta = -135, lphi = 0,
       inttype = 1, curtain = FALSE, add = FALSE, plot = TRUE)

persp(x = seq(0, 1, length.out = nrow(z)),
      y = seq(0, 1, length.out = ncol(z)),
      z, xlim = range(x), ylim = range(y),
      zlim = range(z, na.rm = TRUE),
      xlab = NULL, ylab = NULL, zlab = NULL,
      main = NULL, sub = NULL,
      theta = 0, phi = 15, r = sqrt(3), d = 1,
      scale = TRUE, expand = 1,
      col = "white", border = NULL, ltheta = -135, lphi = 0,
      shade = NA, box = TRUE, axes = TRUE, nticks = 5,
      ticktype = "simple", ...)

参数比较结果：

persp3D中的xlim, ylim, zlim, 不一样，仅仅用于指定坐标轴的显示范围，
而persp中需要覆盖住图形的范围。
persp3D中增加了颜色标度断点参数breaks, 以进行着色。
persp3D中增加了参数facets参数，表示是否显示网格面，可以不显示网格面，只显示网格线。
persp3D中增加了颜色参数和图例参数: colvar，NAcol, colkey。
persp3D中增加了lighting参数(是否打光，打光类型)，而persp中只有shade参数。
persp3D中增加了image和contour参数，可以插入一个平面图。
persp3D中增加了resfac 参数，表示指定各个方向的分辨率因子。
persp3D中增加了inttype 参数，表示可以设置网格插值类型。
persp3D中增加了curtain 参数，表示是否紧挨着panels。
persp3D中增加了图例相关的参数: clab图例标题内容, clim图例显示范围，能自动添加图例。

3.2.1 breaks参数及列表传参

persp3D(z = volcano, contour = list(side = "z", dDepth = 0.))设定等高线深度。

library(plot3D)

# 设定主标题，图例标题， 设定标度断点以着色， 默认scale = TRUE表示3个坐标轴独立缩放
persp3D(z = volcano, main = "volcano", clab = c("height", "m"), 
  breaks = seq(80,200, by = 10)) # 设置颜色标度断点


# expand参数z轴方向缩放，expand<1缩小，使用列表传递图例参数
persp3D(z = volcano, x = 1: nrow(volcano), y = 1:ncol(volcano), # x, y比默认的数值大
      expand = 0.3, main = "volcano", facets = FALSE, scale = FALSE, # scale = FALSE表示x,y比例不变
      clab = "height, m", colkey = list(side = 1, length = 0.5)) # 图例参数：side=1底部，图例箱体缩短

3.2.2 facets参数和curtain参数

with函数参考用法1

（http://trefoil.github.io/2013/10/15/rwithby.html）
with函数参考用法2

（https://zhuanlan.zhihu.com/p/25847796）

library(plot3D)

x <- seq(-pi, pi, by = 0.2)
y <- seq(-pi, pi, by = 0.3)
grid <- mesh(x, y)  # mesh函数创建一个2维或3维的grid绘图对象

z <- with(grid, cos(x) * sin(y))  # 返回1个矩阵对象，值为cos(x) * sin(y) 

# 默认绘图
persp3D(z = z, x = x, y = y)

# facets=FALSE,不显示网格面，只显示网格线，curtain =
# TRUE表示图形外轮廓与box贴紧。
persp3D(z = z, x = x, y = y, facets = FALSE, curtain = TRUE)

3.2.3 contour和image参数(插入平面图)

library(plot3D)

x <- seq(1, nrow(volcano), by = 3)
y <- seq(1, ncol(volcano), by = 3) 
Volcano <- volcano[x, y] # 抽取volcano中x行，y列对应的元素赋予Volcano,约抽取了1/3的数据

# 插入等高线平面图，默认在zmin处插入，设定z轴显示范围
persp3D(z = Volcano, contour = TRUE, zlim= c(-200, 200), image = FALSE)

# 插入平面等高线图，插入等高线背景图，列表传参
persp3D(z = Volcano, x = x, y = y, scale = FALSE,  # scale=FALSE表示x,y比例不变
        contour = list(nlevels = 20, col = "blue"), # 设定等高线颜色为蓝色
        zlim = c(-200, 200), expand = 0.2, # 设定z轴显示范围，expand = 0.2 表示z轴图形压缩
        image = list(col = alpha.col(col = "magenta", # 给等高线图添加背景，col深浅与z轴相关
                                     alpha = seq(from = 0, to = 1, len = 100)))) #

# 等高线同时插入到多个位置，自定义平面图位置，使用side参数，
persp3D(z = Volcano, contour = list(side = c("zmin", "z", "350")), # 等高线插入3个位置，
       zlim = c(-100, 400), phi = 20, image = list(side = 350)) # 图太多了，拓展z轴范围

3.2.4 inttype和colvar参数

colvar颜色参数为与z维度一致的矩阵, 指定colvar参数后，图例就表现colvar值了，不在是z的值了。

library(plot3D)

# 默认inttype = 1
persp3D(z = Volcano, shade = 0.5, colkey = FALSE)

# 设定inttype = 2, 在colvar存在NA(默认Z存在NA时)时，更准确
persp3D(z = Volcano, inttype = 2, shade = 0.5, colkey = FALSE)

# 设定colvar参数

## 创建数据
x <- y <- seq(0, 2 * pi, length.out = 10)
z <- with(mesh(x, y), cos(x) * sin(y)) + runif(100)  # runif生成100个随机分布随机数
cv <- matrix(0.5 * runif(100), nrow = 10)  # 生成10*10矩阵

## 绘图，colvar指定随机颜色矩阵， 图例展示colvar值了
persp3D(x, y, z, colvar = cv)  # 
persp3D(x, y, z, colvar = cv, inttype = 2)  # inttype=2能更好的展示colvar变量的分布

3.2.5 inttype参数影响缺失值变化

library(plot3D)

par(mfrow = c(2, 2))

# 创建数据
VV <- V2 <- volcano[10:15, 10:15] # 筛选地10到15行，10到15列的元素，6*6矩阵，并赋值给2个对象
V2[3:4, 3:4] <- NA # 更新矩阵元素，3到4行，3到4列更改为缺失值
V2[4, 5] <- NA # 4行5列对应元素更改为缺失值

# 二维网格图，展示colvar矩阵中NA缺失值分布
image2D(V2, border = "black")  # x对应矩阵的行，y对应矩阵的列

# inttype = 1插值后，z的维度减少1行1列，变成了5*5矩阵
persp3D(z = VV, colvar = V2, inttype = 1, theta = 0, # inttype = 1插值后，缺失值增加，变成8个
        phi = 20, border = "black", main = "inttype = 1") # 添加主标题

# inttype = 2插值后，z的维度不变，缺失值数量及分布不变。
persp3D(z = VV, colvar = V2, inttype = 2, theta = 0, # inttype =2插值后，缺失值数量及分布不变
        phi = 20, border = "black", main = "inttype = 2") # 添加主标题

# inttype = 3插值后，z的维度减少1行1列，但colvar缺失值减少
persp3D(z = VV, colvar = V2, inttype = 3, theta = 0,  # inttype = 3插值后，缺失值减少，变成1个
        phi = 20, border = "black", main = "inttype = 3") # 添加主标题

3.2.6 panel.first及函数传参

panel.first参数用于指定box的panels类型，也可以使用函数在panels上添加绘制的图形对象。

library(plot3D)

par(mfrow = c(1, 1))

# 构建一个包含绘图对象的函数，在后面panel.first参数中调用  
panelfirst <- function(trans) {
    zticks <- seq(100, 180, by = 20) # 5个长度的向量
    len <- length(zticks) # len = 5

    # 用trans3D新建2个空间转化矩阵
    XY0 <- trans3D(x = rep(1, len), y = rep(1, len), z = zticks, # trans3D函数与trans3d作用一样，
                   pmat = trans)
    XY1 <- trans3D(x = rep(1, len), y = rep(61, len), z = zticks,
                   pmat = trans)

    # 绘制第1个平面图，绘制几条虚线
    segments(XY0$x, XY0$y, XY1$x, XY1$y, lty = 2) # R自带函数segments绘制虚线


    rm <- rowMeans(volcano) # 在z中列为y, 行为x          
    XY <- trans3D(x = 1:87, y = rep(ncol(volcano), 87), 
                  z = rm, pmat = trans)

    # 绘制第2个平面图，绘制1条曲线
    lines(XY, col = "green", lwd = 2)
}

# 绘图，设置panel.first参数，绘制panels中的图形, 将persp3D产生的空间转化矩阵代入panelfirst的trans
# panels添加顺序安装绘制顺序
persp3D(z = volcano, x = 1:87, y = 1: 61, scale = FALSE, theta = 10,
        expand = 0.2, panel.first = panelfirst, colkey = FALSE)

3.2.7 col参数指定色板

library(plot3D)

# 设定col为gg.col色板(ggplot2默认色板)
persp3D(z = volcano, shade = 0.3, col = gg.col(100))  # 不指定colvar参数时，颜色与z坐标匹配  

# lighting参数指定打光，光照类型还没搞懂怎样设置
persp3D(z = volcano, lighting = TRUE, lphi = 90)

# 自定义连续渐变色板
persp3D(z = volcano, shade = 0.3, col = ramp.col(col = c("cyan", "magenta"), 
    n = 102, alpha = 0.5))

# 设置颜色全部为灰蓝色，
persp3D(z = volcano, col = "lightblue", shade = 0.3, bty = "b2")

persp3D(z = volcano, col = "grey", shade = 0.3)

3.2.8 add参数添加图层

最后一个图层才设定plot = TRUE

library(plot3D)

clim <- range(volcano) 

# 绘制第一个图层，
persp3D(z = volcano, zlim = c(100, 600), clim = clim, 
        col = ramp.col(col = c("cyan", "magenta"), n = 102, alpha = 1),# clim 指定图例显示范围
        box = FALSE, plot = FALSE)

# 绘制第2个图层，向z轴正向偏移200个单位, volcano设定等于原来的z轴
persp3D(z = volcano + 200, clim = clim, colvar = volcano, 
        col = ramp.col(col = c("cyan", "magenta"), n = 102, alpha = 1), # 
        add = TRUE, colkey = FALSE, plot = FALSE)

# 绘制第3个图层，向z轴正向偏移400个单位
persp3D(z = volcano + 400, clim = clim, colvar = volcano, 
        col = ramp.col(col = c("cyan", "magenta"), n = 102, alpha = 1), 
        add = TRUE, colkey = FALSE)    # 默认plot = TRUE

3.3

ribbon3D()

ribbon3D()与persp3D()比较：
* z与persp3D()中的数据不同，为了不形成封闭的网格，必须对volcano数据集进行筛选行或筛选列。
* 通过设定along参数指定方向条带方向，默认along = x。 * 增加了space参数,设定条带之间的空白间隙量。默认space = 0.4。

3.3.1 筛选数据集和`along`参数

volcano数据集列相当于y, 行相当于x。
筛选列，y不连续，条带沿x方向。默认along = "x"。
筛选行，x不连续，条带沿y方向。设定along = "y"。
不筛选数据，则设定along = "xy", 结果形成网状条带。

library(plot3D)

# 默认条带沿x方向
V <- volcano[, seq(1, ncol(volcano), by = 3)]  ## 筛选数据集，筛选列，间隔2个列取1列数据
 ribbon3D(z = V, 
          col = ramp.col(col = c("cyan", "magenta"), n = 102, alpha = 1),
          colkey = list(width = 0.5, length = 0.5,  # 列表传递图例参数
                               cex.axis = 0.8, side = 2), clab = "m") # cex.axis坐标轴比例变为0.8倍

# 设定along = "y"， 条带沿y方向， space = 0.3减小条带间隙
 Vy <- volcano[seq(1, nrow(volcano), by = 3), ] ## 筛选数据集，筛选行，间隔2个行取1行数据
 ribbon3D(z = Vy, expand = 0.3, space = 0.3, along = "y", # expand = 0.3，沿z轴压缩
          col = ramp.col(col = c("cyan", "magenta"), n = 102, alpha = 1),
          colkey = list(width = 0.5, length = 0.5, cex.axis = 0.8))

# 不筛选数据，设定along = "xy", 形成网状条带。
x <- seq(-pi, pi, by = 0.2)
y <- seq(-pi, pi, by = 0.3)
grid <- mesh(x, y)
z <- with(grid, cos(x) * sin(y))

ribbon3D(z = z, x = x, y = y, along = "xy", space = 0.3,
         col = ramp.col(col = c("cyan", "magenta"), n = 102, alpha = 1))

3.3.2 contour和image参数增加平面图

library(plot3D)

x <- seq(1, nrow(volcano), by = 3)  # 同时筛选数据
y <- seq(1, ncol(volcano), by = 3)

Volcano <- volcano[x, y]
ribbon3D(z = Volcano, zlim = c(-100, 200), col = ramp.col(col = c("cyan", "magenta"), 
    n = 102, alpha = 1), contour = TRUE, image = TRUE)  # 默认image图形颜色与条带一致

3.4

hist3D()

hist3D()特点：

同样有space参数，但默认space = 0。
增加了一个opaque.top参数，用于指定bar顶面是否透明(当设定alpha时)，默认opaque.top = FALSE不透明。

require(plot3D)

data(VADeaths) # 一个城市与农村不同年龄，不同性别人口数量数据集, 
head(VADeaths) # 行相当于x即年龄分布。

# bty = "g"表示灰色背景panels和白色grid
hist3D(z = VADeaths,
       scale = FALSE, expand = 0.01, bty = "g", theta = 290, phi = 20, # expand = 0.01,z轴方向压缩 
        col = "green", border = "magenta", shade = 0.2, ltheta = -290,
        space = 0.3, ticktype = "detailed", d = 2) # 设定柱子间隙为0.3, d=2>1降低透视强度

3.4.1 增加3维文字`text3D()`

library(plot3D)

hist3D (x = 1:5, y = 1:4, z = VADeaths,
        bty = "g", phi = 20,  theta = -60,
        xlab = NA, ylab = NA, zlab = "", main = "VADeaths", # main增加主标题
        col = "green", border = "magenta", shade = 0.8,
        ticktype = "detailed", space = 0.15, d = 2)

# 添加3维文字，给x轴增加刻度标签
text3D(x = 1:5, y = rep(-0.3, 5), z = rep(3, 5), # y相同，在x轴上增加刻度标签
       labels = rownames(VADeaths),
       add = TRUE, adj = 0)

# 添加3维文字，给y轴增加刻度标签
text3D(x = rep(0.5, 4),   y = 1:4, z = rep(0, 4), # x相同
       labels  = colnames(VADeaths),
       add = TRUE, adj = 1)

3.4.2 opaque.top设定顶面非透明

必须用alpha参数设定bar透明度
alpha从0(全透明)到1(不透明)。

library(plot3D)

data(VADeaths) # 一个城市与农村不同年龄，不同性别人口数量数据集, 
head(VADeaths) # 行相当于x即年龄分布。

# 设定图形透明度为0.3, opaque.top = TRUE表示顶部不透明
hist3D(z = VADeaths,
       scale = FALSE, expand = 0.01, bty = "g", theta = 290, phi = 20, # expand = 0.01,z轴方向压缩 
        col = "green", border = "magenta", shade = 0.2, ltheta = -290, alpha = 0.3, opaque.top = TRUE, 
        space = 0.3, ticktype = "detailed", d = 2) # 设定柱子间隙为0.3, d=2>1降低透视强度

····

往期精彩：

R_插值_拟合_回归_样条
R_circlize包_和弦图（一）
R_circlize包_和弦图（二）
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R_ggplot2基础（三）
R_ggplot2基础（四）
R_3D图(一)