ggplot2 001 图形语法

ggplot2是R语言最流行的第三方扩展包，包名中“gg”是图形语法（grammar of graphics）的简称，Wickham Hadley将这套语法诠释如下：
一张统计图形就是从数据到几何对象（geometric object，缩写geom）的图形属性（aesthetic attribute，缩写aes）的一个映射。此外，图形中还可能包含数据的统计变换（statistical transformation，缩写stats），最后绘制在某个特定的坐标系（coordinate system，缩写coord）中，而分面（facet）则可以用来生成数据不同子集的图形。

1.ggplot2绘图语言组件：

• 1.1 data：数据
• 1.2 mapping：一系列数据中的变量对应到图形属性的映射aes()
• 1.3 layer：图层，由几何元素及统计变换组成
  -1.3.1 geom：几何对象，也即在图中实际看到的元素
  -1.3.2 stats：统计变换，对数据进行的某种汇总
• 1.5 scale：标度，将数据的取值映射到图形空间，如颜色，大小，形状等表示不同的取值，展现标度的常见做法是绘制图例和坐标轴
• 1.6 facet：分面，描述如何将数据分解为各个子集，以及如何对子集作图并联合进行展示
• 1.7 coord：坐标系，描述了数据如何映射到图形所在的平面，同时提供了看图所需的坐标轴以及网格线
• 1.8 theme：主题，控制各点的精细显示，如字体大小及背景颜色

2.ggplot语法

2.1 ggplot语法架构

ggplot语法框架

2.2 绘图语法构成

ggplot(data = NULL, mapping = aes()) +            # 基础图层，不出现图形元素    
geom_XXX() +                                      # 几何图层                                
stat_XXX() +                                      # 统计变换                                
scale_XXX() +                                     # 度量调整，调整具体的标度                                         
coord_XXX() +                                     # 坐标变换，默认为笛卡尔坐标系
facet_XXX() +                                     # 分面系统，将某个变量进行分面变换
guides() +                                        # 图例调整
theme()                                           # 主题设定

2.2.1 ggplot()

ggplot()是底层绘图函数，其中data为主要是数据框（data.frame）格式的数据集；MAPPING 变量的视觉通道映射，用来表示变量 x 和 y，还可以用来控制颜色（color），大小（size）或形状（shape）等视觉通道；STAT 表示统计变换，与 stat_xxx()相对应，默认为“identity”（无数据变换）；POSITION 表示绘图数据系列的位置调整，默认为“identity”（无位置调整）。

2.2.2 geom_xxx()，stat_xxx()

通常情况下，绘图使用几何对象函数 geom_xxx()，只有当绘图表涉及统计变换时，才会用统计变换函数 stat_xxx()，比如绘制带误差线的均值散点图或者柱形图等。根据函数输入的变量总数与数据类型，大致可以将函数分为三个大类，六个小类。
https://mubu.com/doc/1Oz9rtR8kne

geom & stat

2.2.3 aes() 视觉通道映射

视觉映射参数需要个性化映射时（也即一一对应），此时参数应写在aes()内部，而如果是需要统一设定某些图表元素对象时，应将参数写在aes()外部

• color
  指定点，线，和填充区域轮廓的颜色。
• fill
  指定填充区域颜色。
• alpha
  指定颜色的透明度。0（完全透明）~ 1（不透明）
• stroke
  轮廓线条的粗细
• size
  指点的尺寸或线的宽度，默认单位是 mm，可以在 geom_point()函数绘制的散点图上，添加 size的映射，从而实现气泡图。
• group
  分组映射的变量
• fontface
  使用的字形，plain=常规体，bold=粗体，italic=斜体，bold.italic=粗斜体
• family
  字体内置只有三种：sans, serif, mono，但是可以指定字体（可用 extrafont 扩展包），需要提前设置好字体，然后才可以用family来修改字体。
• angle
  指角度，只有部分几何对象。如geom_text()函数中的文本放置角度，geom_spoke()函数中的短棒的摆放角度。
• vjust和 hjust
  是与位置调整有关的视觉通道映射参数。其中，vjust 是指垂直位置微调，在（0， 1）区间的数字或位置字符串。0=“button”, 0.5="middle", 1="top"，hjust 是指在水平位置的微调，在（0， 1）区间的数字或位置字符串：0=“left”, 0.5="center", 1="right"。
• linetype
  是指线条的类型（数字或字符线型）。白线(0="blank")，实线(1="solid")，短虚线(2="dashed")，点线(3="dotted")，点横线(4="dotdash")，长虚线(5="longdash")，短长虚线(6="twodash")
• shape
  点的形状，为[0, 25]区间的 26 个整数

2.2.4 scale_X_XX() 度量调整

度量调整用于控制变量映射到视觉对象的具体细节，比如：x轴和 y 轴、透明度、轮廓颜色、填充色、线形状、形状等，它们都有对应的度量函数。根据视觉通道映射的变量属性，可以将度量函数分成数值型和类别型变量两大类​
ggplot2 的默认度量为scale_xxx_identity()：scale_color_identity(), scale_fill_identity(), scale_shape_identity(), scale_linetype_identity(), scale_alpha_identity(), scale_size_identity(), scale_discrete_identity(), scale_continuous_identity()

• x，y轴
  连续变量：scale_x_continuous()，scale_y_continuous()，scale_x_log10()/sqrt()，scale_x_log10()/sqrt()，scale_x_reverse() ，scale_y_reverse()
  离散变量：scale_x/y_discrete()
• colour，fill 轮廓及填充色
  连续变量：scale_colour/fill_continuous()，scale_colour/fill_distiller()，scale_colour/fill_gradient()，scale_colour/fill_gradient2()，scale_colour/fill_gradientn()
  离散变量：scale_colour/fill_discrete()，scale_colour/fill_brewer()，scale_colour/fill_manual()
• alpha 透明度
  连续变量：scale_alpha_continuous()
  离散变量：scale_alpha_discrete()，scale_alpha_manual()
• shape 性状
  离散变量：scale_shape()，scale_shape_manual()
• size 大小
  连续变量：scale_size()，scale_size_area()
  离散变量：scale_size_manual()

2.2.5 coordinate 坐标系

• 直角坐标系（rectangula coordinate）
  coord_cartesian()：默认的直角坐标系
  coord_fixed()：固定纵横比的直角坐标系
  coord_flip()：坐标轴反转，参数与 coord_cartesian一致
  coord_trans()：将数据转换为想要的形式，再进行作图，最常见的是取对数
• 极坐标系（polar coordinate）：
  coord_polar()：将坐标系从直角坐标系转换为极坐标系。
• 地理坐标系（geographic coordinate）
  coord_map()函数
  coord_quickmap()函数

2.2.6 guide 图例

调整连续变量的图例：guide_colorbar()/guide_colourbar()，guide_legend()
调整离散变量的图例：guide_legend()
也可以在 scale_xxx()度量中指定 guide 类型，guide="colorbar"或 guide="legend"

2.2.7 theme 主题系统

主题系统包括绘图区背景、网格线、坐标轴线条灯图表细节部分
文本（text）：element_text()
矩形（rect）：element_rect()
线条（line）：element_line()
element_back：表示设置为无

2.2.8 位置调整

• 在 geom_xxx()函数中，参数 position 表示绘图数据系列的位置调整，默认为“identity”
• position参数：position_dodge()，水平并排放置 ；position_identity()，位置不变；position_stack()，垂直堆叠；position_fill()，百分比填充；position_jitter()，扰动处理；position_jitterdodge()，并排抖动 ；position_nudge()，整体位置微调

2.2.9 色彩搭配

• RColorBerwer 调色代码：通过display.brewer.all()显示
• 离散型颜色主题：

＃ Library(RColorBrewer)
p + scale_fill_brewer(palette="Set1")
＃ Library(viridis)
p + scale_fill_viridis(option = "plasma", discrete = TRUE)
＃ Library(wesanderson)
p + scale_fill_manual(values=wes_palette("Darjeeling1")[c(1,3,5)])，
p + scale_fill_manual(values = c("#E7298A", "#66A61E", "#E6AB02"))

• 连续型颜色主题：

＃ Library(RColorBrewer)
p + scale_fill_distiller(palette = "RdYIBu")
＃ Library(viridis)
p + scale_fill_virdis(option = "viridis", descrete = FALSE)
＃ 自定义连续的颜色条，mean(df$age)表示 age 均值对应中间色 white
p + scale_fill_gradien2(low = "#00A08A", mid = "white", high="#FF0000", midpoint = mean(df$age))
＃ R 语言预色调色板 terrain.colors()
p + scale_fill_gradientn(colors = terrain.colors(10))

Reference

R语言数据可视化之美-专业突变绘制指南(增强版)，张杰