ggspatial | ggplot2的地图制作拓展包（1）：如何添加指北针和比例尺
在前面的推文里，小编介绍了R语言的基础绘图系统和tmap工具包绘制地图的方法。ggplot2工具包作为现在最受欢迎的绘图包，其本身绘制地图的功能并不算强大。但是ggplot2有许多优秀的拓展包，它们共同构建了ggplot2绘图系统，ggspatial就是地图绘制方面的一个很常用的拓展包。
ggspatial工具包的函数并不多，其主要作用就是弥补ggplot2绘制地图方面的不足。比如，ggplot2包的作者没有开发给地图添加指北针和比例尺的函数，而在专业的地图绘制中，这二者又必不可少。
library(ggplot2)
library(ggspatial)
library(patchwork)在示例数据选取方面，小编尽量使用系统中自带的数据，而R语言系统中涉及中国的地理数据一般都属于“问题地图”，因此在这里使用美国的地理数据作为示例数据。
示例数据加载方式如下：
library(tidyverse)
data <- socviz::county_data
albersusa::counties_sf(proj = "laea") %>%
mutate(fips = as.character(fips)) %>%
left_join(data, by = c("fips" = "id")) -> usa
注：
socviz和albersusa两个工具包都需要通过github安装，不会安装的读者可以直接在后台输入关键词“示例数据”获取示例数据。
本篇推文一共介绍5个函数：
annotation_north_arrow：添加指北针
annotation_scale：添加比例尺
annotation_map_tile：添加背景地图
annotation_spatial_hline：添加水平线（纬线）
annotation_spatial_vline：添加垂直线（经线）
从函数名就可以看出，这些函数均属于ggplot2绘图系统的注释类函数。
指北针
添加指北针的函数语法结构如下：
annotation_north_arrow(
mapping = NULL,
data = NULL,
...,
height = unit(1.5, "cm"),
width = unit(1.5, "cm"),
pad_x = unit(0.25, "cm"),
pad_y = unit(0.25, "cm"),
rotation = NULL,
style = north_arrow_orienteering
)hegiht、width：控制指北针尺寸的参数；
pad_x、pad_y：控制指北针绝对位置的参数；
style：指北针的样式；
除上述参数外，该函数还有两个aesthetic类参数：which_north、location，分别控制指北针箭头的方向和指北针的相对位置，具体见下文示例。
默认状态的效果：
p <- ggplot(usa) +
geom_sf(color = NA, fill = "lightblue")
p + annotation_north_arrow()
位置调整：
pad_x和pad_y调整绝对位置；location调整相对位置：t（top）、b（bottom）、l（left）、r（right）。
p + annotation_north_arrow(
pad_x = unit(10, "cm"))
p + annotation_north_arrow(location = "br")
p + annotation_north_arrow(location = "br",
pad_x = unit(1, "cm"))
绝对位置参数的效果会受到地图输出尺寸的影响；
绝对位置和相对位置参数可以同时使用，即可以在相对位置的基础上使用绝对位置进行微调（图3）。
指北针方向：
which_north参数默认设置为"grid"，表示指北针始终垂直向上；which_north参数若设置为"true"，表示指北针方向与其所在位置的纬线保持一致。
p + annotation_north_arrow(which_north = "true")
指北针的类型：
north_arrow_orienteering
north_arrow_fancy_orienteering
north_arrow_minimal
north_arrow_nautical
上述每种类型都对应一个函数，可以调用其参数对形态进行调整，以其中一个为例：
north_arrow_fancy_orienteering(
line_width = 1,
line_col = "black",
fill = c("white", "black"),
text_col = "black",
text_family = "",
text_face = NULL,
text_size = 10,
text_angle = 0
)p + annotation_north_arrow(
style = north_arrow_fancy_orienteering(text_family = "mono",
text_face = "bold"))
比例尺
添加比例尺的函数语法结构如下：
annotation_scale(
mapping = NULL,
data = NULL,
...,
plot_unit = NULL,
bar_cols = c("black", "white"),
line_width = 1,
height = unit(0.25, "cm"),
pad_x = unit(0.25, "cm"),
pad_y = unit(0.25, "cm"),
text_pad = unit(0.15, "cm"),
text_cex = 0.7,
text_face = NULL,
text_family = "",
tick_height = 0.6
)bar_cols：比例尺中交替出现的颜色；
text_*：控制比例尺注释文本的参数；
aesthetic类参数：
width_hint：比例尺长度占地图宽度的比例；
unit_category：比例尺单位类型；"metric"表示公制单位（默认），"imperial"表示英制单位；
style：比例尺的类型，可选项有"bar"（默认）、"ticks"；
location：比例尺相对位置；
line_col、text_col：线条、文本颜色。
默认效果：
p + annotation_scale()
调整部分参数后的效果：
p + annotation_scale(width_hint = 0.4,
unit_category = "imperial",
style = "ticks",
line_col = "red",
pad_y = unit(0.5, "cm"))
背景地图
添加背景地图的函数语法结构如下：
annotation_map_tile(
type = "osm",
zoom = NULL, zoomin = -2,
forcedownload = FALSE,
cachedir = NULL,
progress = c("text", "none"),
quiet = TRUE, interpolate = TRUE,
data = NULL,
mapping = NULL, alpha = 1
)type：背景地图类型；通过
rosm包的osm.types()函数可查看所有可用类型；默认为；zoom：背景地图的精细程度；数值越大精细度越高。
查看所有可用背景地图类型：
rosm::osm.types()
## [1] "osm" "opencycle" "hotstyle"
## [4] "loviniahike" "loviniacycle" "hikebike"
## [7] "hillshade" "osmgrayscale" "stamenbw"
## [10] "stamenwatercolor" "osmtransport" "thunderforestlandscape"
## [13] "thunderforestoutdoors" "cartodark" "cartolight"ggplot(usa) +
geom_sf() +
annotation_map_tile(zoom = 5)
水平/垂直线
添加水平线的函数是annotation_spatial_hline()，添加垂直线的函数是annotation_spatial_vline()。这两个函数的语法结构是一样的，以前者为例：
annotation_spatial_hline(
mapping = NULL,
data = NULL,
stat = "identity",
...,
intercept = waiver(),
limits = NULL,
detail = 100,
crs = NULL,
na.rm = FALSE,
show.legend = NA
)intercept：水平（垂直）位置；
limits：垂直（水平）范围；
crs：地理或投影坐标系。
其实更准确地说，这两个函数添加的分别是纬线和经线，因为当地理尺度较大且未投影时，它们绘制出并非是直线。
ggplot(usa) +
geom_sf(color = NA, fill = "lightblue") +
annotation_scale() +
annotation_spatial_hline(intercept = 33,
col = "red",
limits = c(-120, -60))
本例中的
crs参数默认值为4326，即未进行投影；
intercept = 33表示绘制北纬33度线；
limits = c(-120, -60)表示在绘制纬线时，经度的范围是西经120度到西经60度。