ggplot2 001 圖形語法

ggplot2是R語言最流行的第三方擴展包老翘，包名中“gg”是圖形語法（grammar of graphics）的簡稱重荠，Wickham Hadley將這套語法詮釋如下：
一張統(tǒng)計圖形就是從數(shù)據(jù)到幾何對象（geometric object马篮，縮寫geom）的圖形屬性（aesthetic attribute秃励，縮寫aes）的一個映射傍念。此外歪架，圖形中還可能包含數(shù)據(jù)的統(tǒng)計變換（statistical transformation股冗，縮寫stats），最后繪制在某個特定的坐標系（coordinate system和蚪，縮寫coord）中止状，而分面（facet）則可以用來生成數(shù)據(jù)不同子集的圖形。

1.ggplot2繪圖語言組件：

1.1 data：數(shù)據(jù)
1.2 mapping：一系列數(shù)據(jù)中的變量對應到圖形屬性的映射aes()
1.3 layer：圖層攒霹，由幾何元素及統(tǒng)計變換組成
-1.3.1 geom：幾何對象怯疤，也即在圖中實際看到的元素
-1.3.2 stats：統(tǒng)計變換，對數(shù)據(jù)進行的某種匯總
1.5 scale：標度催束，將數(shù)據(jù)的取值映射到圖形空間集峦，如顏色，大小抠刺，形狀等表示不同的取值塔淤，展現(xiàn)標度的常見做法是繪制圖例和坐標軸
1.6 facet：分面，描述如何將數(shù)據(jù)分解為各個子集速妖，以及如何對子集作圖并聯(lián)合進行展示
1.7 coord：坐標系凯沪，描述了數(shù)據(jù)如何映射到圖形所在的平面，同時提供了看圖所需的坐標軸以及網(wǎng)格線
1.8 theme：主題买优，控制各點的精細顯示妨马，如字體大小及背景顏色

2.ggplot語法

2.1 ggplot語法架構(gòu)

ggplot語法框架

2.2 繪圖語法構(gòu)成

ggplot(data = NULL, mapping = aes()) +            # 基礎圖層挺举，不出現(xiàn)圖形元素    
geom_XXX() +                                      # 幾何圖層                                
stat_XXX() +                                      # 統(tǒng)計變換                                
scale_XXX() +                                     # 度量調(diào)整，調(diào)整具體的標度                                         
coord_XXX() +                                     # 坐標變換烘跺，默認為笛卡爾坐標系
facet_XXX() +                                     # 分面系統(tǒng)湘纵，將某個變量進行分面變換
guides() +                                        # 圖例調(diào)整
theme()                                           # 主題設定

2.2.1 ggplot()

ggplot()是底層繪圖函數(shù)，其中data為主要是數(shù)據(jù)框（data.frame）格式的數(shù)據(jù)集滤淳；MAPPING 變量的視覺通道映射梧喷，用來表示變量 x 和 y，還可以用來控制顏色（color）脖咐，大衅痰小（size）或形狀（shape）等視覺通道；STAT 表示統(tǒng)計變換屁擅，與 stat_xxx()相對應偿凭，默認為“identity”（無數(shù)據(jù)變換）；POSITION 表示繪圖數(shù)據(jù)系列的位置調(diào)整派歌，默認為“identity”（無位置調(diào)整）弯囊。

2.2.2 geom_xxx()，stat_xxx()

通常情況下胶果，繪圖使用幾何對象函數(shù) geom_xxx()匾嘱，只有當繪圖表涉及統(tǒng)計變換時，才會用統(tǒng)計變換函數(shù) stat_xxx()早抠，比如繪制帶誤差線的均值散點圖或者柱形圖等霎烙。根據(jù)函數(shù)輸入的變量總數(shù)與數(shù)據(jù)類型，大致可以將函數(shù)分為三個大類蕊连，六個小類悬垃。
https://mubu.com/doc/1Oz9rtR8kne

geom & stat

2.2.3 aes() 視覺通道映射

視覺映射參數(shù)需要個性化映射時（也即一一對應），此時參數(shù)應寫在aes()內(nèi)部咪奖，而如果是需要統(tǒng)一設定某些圖表元素對象時盗忱，應將參數(shù)寫在aes()外部

color
指定點，線羊赵，和填充區(qū)域輪廓的顏色趟佃。
fill
指定填充區(qū)域顏色。
alpha
指定顏色的透明度昧捷。0（完全透明）~ 1（不透明）
stroke
輪廓線條的粗細
size
指點的尺寸或線的寬度闲昭，默認單位是 mm，可以在 geom_point()函數(shù)繪制的散點圖上靡挥，添加 size的映射序矩，從而實現(xiàn)氣泡圖。
group
分組映射的變量
fontface
使用的字形跋破，plain=常規(guī)體簸淀，bold=粗體瓶蝴，italic=斜體，bold.italic=粗斜體
family
字體內(nèi)置只有三種：sans, serif, mono租幕，但是可以指定字體（可用 extrafont 擴展包）舷手，需要提前設置好字體，然后才可以用family來修改字體劲绪。
angle
指角度男窟，只有部分幾何對象。如geom_text()函數(shù)中的文本放置角度贾富，geom_spoke()函數(shù)中的短棒的擺放角度歉眷。
vjust和 hjust
是與位置調(diào)整有關的視覺通道映射參數(shù)。其中颤枪，vjust 是指垂直位置微調(diào)汗捡，在（0， 1）區(qū)間的數(shù)字或位置字符串汇鞭。0=“button”, 0.5="middle", 1="top"凉唐，hjust 是指在水平位置的微調(diào)庸追，在（0霍骄， 1）區(qū)間的數(shù)字或位置字符串：0=“l(fā)eft”, 0.5="center", 1="right"。
linetype
是指線條的類型（數(shù)字或字符線型）淡溯。白線(0="blank")读整，實線(1="solid")，短虛線(2="dashed")咱娶，點線(3="dotted")米间，點橫線(4="dotdash")，長虛線(5="longdash")膘侮，短長虛線(6="twodash")
shape
點的形狀屈糊，為[0, 25]區(qū)間的 26 個整數(shù)

2.2.4 scale_X_XX() 度量調(diào)整

度量調(diào)整用于控制變量映射到視覺對象的具體細節(jié)，比如：x軸和 y 軸琼了、透明度逻锐、輪廓顏色、填充色雕薪、線形狀昧诱、形狀等，它們都有對應的度量函數(shù)所袁。根據(jù)視覺通道映射的變量屬性盏档，可以將度量函數(shù)分成數(shù)值型和類別型變量兩大類?
ggplot2 的默認度量為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軸
連續(xù)變量：scale_x_continuous()燥爷，scale_y_continuous()蜈亩，scale_x_log10()/sqrt()懦窘，scale_x_log10()/sqrt()，scale_x_reverse() 稚配，scale_y_reverse()
離散變量：scale_x/y_discrete()
colour奶赠，fill 輪廓及填充色
連續(xù)變量：scale_colour/fill_continuous()，scale_colour/fill_distiller()药有，scale_colour/fill_gradient()毅戈，scale_colour/fill_gradient2()，scale_colour/fill_gradientn()
離散變量：scale_colour/fill_discrete()愤惰，scale_colour/fill_brewer()苇经，scale_colour/fill_manual()
alpha 透明度
連續(xù)變量：scale_alpha_continuous()
離散變量：scale_alpha_discrete()，scale_alpha_manual()
shape 性狀
離散變量：scale_shape()宦言，scale_shape_manual()
size 大小
連續(xù)變量：scale_size()扇单，scale_size_area()
離散變量：scale_size_manual()

2.2.5 coordinate 坐標系

直角坐標系（rectangula coordinate）
coord_cartesian()：默認的直角坐標系
coord_fixed()：固定縱橫比的直角坐標系
coord_flip()：坐標軸反轉(zhuǎn)，參數(shù)與 coord_cartesian一致
coord_trans()：將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為想要的形式奠旺，再進行作圖蜘澜，最常見的是取對數(shù)
極坐標系（polar coordinate）：
coord_polar()：將坐標系從直角坐標系轉(zhuǎn)換為極坐標系。
地理坐標系（geographic coordinate）
coord_map()函數(shù)
coord_quickmap()函數(shù)

2.2.6 guide 圖例

調(diào)整連續(xù)變量的圖例：guide_colorbar()/guide_colourbar()响疚，guide_legend()
調(diào)整離散變量的圖例：guide_legend()
也可以在 scale_xxx()度量中指定 guide 類型鄙信，guide="colorbar"或 guide="legend"

2.2.7 theme 主題系統(tǒng)

主題系統(tǒng)包括繪圖區(qū)背景、網(wǎng)格線忿晕、坐標軸線條燈圖表細節(jié)部分
文本（text）：element_text()
矩形（rect）：element_rect()
線條（line）：element_line()
element_back：表示設置為無

2.2.8 位置調(diào)整

在 geom_xxx()函數(shù)中装诡，參數(shù) position 表示繪圖數(shù)據(jù)系列的位置調(diào)整，默認為“identity”
position參數(shù)：position_dodge()践盼，水平并排放置鸦采；position_identity()，位置不變咕幻；position_stack()渔伯，垂直堆疊；position_fill()肄程，百分比填充锣吼；position_jitter()，擾動處理绷耍；position_jitterdodge()吐限，并排抖動；position_nudge()褂始，整體位置微調(diào)

2.2.9 色彩搭配

RColorBerwer 調(diào)色代碼：通過display.brewer.all()顯示
離散型顏色主題：

＃ 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)])诸典，
p + scale_fill_manual(values = c("#E7298A", "#66A61E", "#E6AB02"))

連續(xù)型顏色主題：

＃ Library(RColorBrewer)
p + scale_fill_distiller(palette = "RdYIBu")
＃ Library(viridis)
p + scale_fill_virdis(option = "viridis", descrete = FALSE)
＃ 自定義連續(xù)的顏色條，mean(df$age)表示 age 均值對應中間色 white
p + scale_fill_gradien2(low = "#00A08A", mid = "white", high="#FF0000", midpoint = mean(df$age))
＃ R 語言預色調(diào)色板 terrain.colors()
p + scale_fill_gradientn(colors = terrain.colors(10))

Reference

R語言數(shù)據(jù)可視化之美-專業(yè)突變繪制指南(增強版)崎苗，張杰