使用ggplot绘制多边形

无论是什么形状的多边形，只要我们依次给出它的各个顶点，就可以利用geom_polygon把它绘制出来。可见，geom_polygon比那些只能绘制有规律的多边形的函数更加灵活。

# install.packages("unikn")

library(unikn) # 使用配色

library(plothelper)

library(ggfittext) # 用于添加文字

library(ggforce) # 使用geom_shape

##绘制矩形和等边三角形

square=data.frame(x=c(0, 4, 4, 0), y=c(0, 0, 2, 2)) # 矩形的四个顶点无需计算即可给出，分别是[0, 0]、[4, 0]、[4, 2]、[0, 2]

triangle=data.frame(x=c(0, 2, 1), y=c(0, 0, 1.732)) # 我们有时要通过计算得到顶点的位置。在本例中，我们通过计算得知第三个顶点的Y坐标为1.732

ggplot()+coord_fixed()+

geom_polygon(data=square, aes(x=x, y=y), fill="purple", color="yellow", linetype=2, size=2)+

geom_polygon(data=triangle, aes(x=x, y=y), fill="orange")

## 通过分组来一次性绘制多个图形

dat=rbind(square, triangle)

dat=data.frame(dat, shape=c(1, 1, 1, 1, 2, 2, 2))

ggplot(dat)+coord_fixed()+

geom_polygon(aes(x, y, fill=factor(shape)))+

scale_fill_manual(values=c("1"="purple", "2"="orange"))

## 另一种分配颜色的方式是aes函数外使用fill参数：矩形有4个顶点，所以要重复4次"purple"；三角形有3个顶点，所以要重复3次"orange"

ggplot(dat)+coord_fixed()+

geom_polygon(aes(x, y, group=factor(shape)), fill=c(rep("purple", 4), rep("orange", 3)))

plothelper包中的rotatexy函数可使多边形旋转。

## rotatexy的x参数需使用一个仅有两列的数据框或矩阵（第一列为X坐标，第二列为Y坐标），如果有多个多边形需要处理，就应如本例一样把它们放到列表里,或者把它们合并为一个矩阵，并用f参数指定一列数值用来把它们分割开（在本例中，即为rotatexy(dat[, -3], f=dat$shape, ...)。xmiddle和ymiddle用于指定围绕哪个点旋转，可以指定一个点，或者指定跟多边形一样多的点，在本例中，矩阵和三角形分别围绕[2, 1]和[0, 0]点旋转。angle用于指定角度，可以指定一个角度，也可以指定跟多边形同样多的角度。函数会自动进行分组并生成名为"g"的一列，因此在用geom_polygon画图时，我们可以把aes函数中的fill等参数指向这一列，不过，如果在rotatexy中设置group=FALSE，则g列不会产生。todf参数会使旋转后的多边形合并成单一的数据框，如果要保持列表形式，可设定

todf=FALSE

dat2=list(square, triangle)

dat2=rotatexy(x=dat2, xmiddle=c(2, 0), ymiddle=c(1, 0), angle=c(pi/4, pi/3)) # 结果包含x、y、g三列

ggplot(dat2)+coord_fixed()+

geom_polygon(aes(x, y, fill=factor(g)))

plothelper包中的rectxy函数能够一次性生成多个矩形的顶点坐标（图6-31a）。rectxy与geom_tile/rect的区别在于，后者并不会给出顶点坐标，而是会直接把图形画出来。

## rectxy用x和y来指定矩形的位置。x和y可以指矩形中心点（xytype="middle"，默认值）、矩形左边中心点（xytype="left"）或矩形左下角的顶点（xytype="bottomleft"）。a和b用于设定矩形的宽和高，本例绘制了边长为1和0.7的两个正方形。angle用于指定旋转角度。此外，rectxy还跟rotatexy一样拥有group和todf参数

dat=rectxy(x=c(0, 0.5), y=c(0, -1.1), xytype="middle", a=c(1, 0.7), b=c(1, 0.7), angle=c(0, pi/9))

ggplot(dat)+coord_fixed()+theme_void()+

theme(plot.background=element_rect(colcor=NA, fill="beige"))+

geom_polygon(show.legend=FALSE, aes(x, y, fill=factor(g)),color=NA)+

scale_fill_manual(values=c("1"="black", "2"="red"))

ellipsexy能够一次性生成多个圆形的坐标（图6-3-1b）。

图6-3-1 左=图a 使用rectxy，右=图b 使用ellipsexy

## ellipsexy的x、y、xytype、angle的使用方法与rectxy相同。a和b用来指定椭圆的长半径和短半径（如需绘制圆形，可设置两个相等的值），n用来指定绘制单个图形时使用的点数

an=seq(0, 7*pi/4, by=pi/4)

a=c(2, 1, 2, 1, 2, 1, 2, 1)

b=c(1, 0.5, 1, 0.5, 1, 0.5, 1, 0.5)

dat=ellipsexy(x=0, y=0, xytype="left", a=a, b=b, angle=an, n=50)

fill=rep(c("red", "blue", "yellow", "gray80"), 2)

names(fill)=1: 8

ggplot(dat)+coord_fixed()+theme_void()+

geom_polygon(show.legend=FALSE, aes(x, y, fill=factor(g)), color="black", size=2)+

scale_fill_manual(values=fill)

使用包括ellipsexy在内的函数可以绘制出一些有趣的抽象图案（图6-3-2）

图6-3-2 用geom_polygon绘制抽象图案

# 生成70个圆环或扇形

nx=7; ny=10; seed=123 # 可修改的三个参数

N=nx*ny

dat=expand.grid(1: nx, 1: ny); colnames(dat)=c("x", "y") # 批量生成中心点

# 生成圆环：随机生成起始角度并传递给start和end参数

set.seed(seed); cir_start=runif(N, 0, 2*pi); seed=seed+1

set.seed(seed); cir_end=cir_start+runif(N, pi, 1.5*pi); seed=seed+1

cir=ellipsexy(dat$x, dat$y, a=0.38, b=0.38, start=cir_start, end=cir_end, fan=FALSE)

# 生成扇形

set.seed(seed); fan_start=runif(N, 0, 2*pi); seed=seed+1

set.seed(seed); fan_end=fan_start+runif(N, pi, 1.8*pi); seed=seed+1

fan=ellipsexy(dat$x, dat$y, a=0.25, b=0.25, start=fan_start, end=fan_end, fan=TRUE) # 当fan=TRUE时，输出结果用于画扇形，而当an=FALSE（默认）则用于绘制弓形

# 生成颜色

set.seed(seed); cir_color=sample(c("red", "green", "blue", "gray30","yellow"), N, TRUE); seed=seed+1

set.seed(seed); fan_color=sample(c("red", "green", "blue", "gray30","yellow"), N, TRUE)

# 绘制圆环和扇形，添加半透明矩形和文字

p1=ggplot()+coord_fixed()+theme_void()+

geom_path(show.legend=FALSE, data=cir, aes(x, y, color= factor(g)), size=1.2)+ # 这里生成有缺口的圆环时不能用geom_polygon而要用geom_path

geom_polygon(show.legend=FALSE, data=fan, aes(x, y, fill= factor(g)))+

scale_color_manual(values=cir_color)+

scale_fill_manual(values=fan_color)

p2=geom_rect(aes(xmin=1-0.2, xmax=7+0.2, ymin=2, ymax=9), fill="white", alpha=0.85)

p3=geom_fit_text(aes(xmin=1, xmax=7, ymin=2, ymax=9, label="The\n32nd\n Olympic\n Games"), grow=TRUE, reflow=FALSE, family="mono", fontface=2)

p1+p2+p3+theme(plot.background=element_rect(fill="cornsilk",color="cornsilk"))

接下来我们用geom_polygon绘制条形图，不过，用来表示数量的图形不再是矩形，而是其他图形。比如，我们希望用看起来像三角形，但又不带顶角的图形代替矩形。这样的图形有很多，我们现在就用简单的正态曲线来绘制（图6-33）。示例中的数据为世界银行发布的营商环境评估的总分数。

图6-3-3 用特殊图形绘制条形图

# 本例将使用unikn包中的一组配色。加载后，用seecol("all")查看所有配色及其名称

dat=read.csv("business small.csv", row.names=1) # 课件中的文件

v=dat$DB2019 # 分值

lab=dat$Name # 标签

width=1 # 为图形指定宽度

# 首先生成一个基础图形。我们最好让这个图形关于Y轴对称，因为这样会使对它(www.xing528.com)

进行位移变得方便

x=seq(-3, 3, 0.05)

y=dnorm(x, sd=1) # 读者可尝试用sd参数来调整最终画出的图形

xy=cbind(x, y) # 生成基础图形

# 接下来，根据基础图形生成多个条形

n=length(v)

dat=rep(list(xy), times=n)

for (i in 1: n){

# 用rescale调整水平位置（水平位置的中心点就是1, 2, 3, ...）

dat[[i]][, 1]=scales::rescale(dat[[i]][, 1], to=c(i-width/2, i+width/2))

# 用rescale将图形的Y坐标调整到从0至相应高度的值域中

dat[[i]][, 2]=scales::rescale(dat[[i]][, 2], to=c(0, v[i]))

}

dat=do.call(rbind, dat)

dat=data.frame(dat, g=rep(1: n, each=nrow(dat)/n)) # 添加分组标记

mycolor=seecol(pal=pal_unikn_pref, n=8) # pal=颜色名称，名称不要加引号 names(mycolor)=NULL # 务必去掉用seecol函数生成的各个颜色的名称 ggplot(dat)+

geom_polygon(show.legend=FALSE, aes(x, y, fill=factor(g)))+

scale_fill_manual(values=mycolor)+

scale_x_continuous(breaks=1: n, labels=lab)+

labs(title="Business Environment Evaluation")+

theme_minimal()+

theme(

axis.title=element_blank(),

axis.text.y=element_text(size=16),

axis.text.x=element_text(angle=30, size=16, family="mono", face=2, hjust=0.8),

panel.grid.minor.x=element_blank(),

plot.title=element_text(size=22, family="mono", face=2)

)

下面我们来绘制雷达图。雷达图中，用于表示数值大小的部分可看成是一个多边形，相邻的两条连线之间的夹角相等。我们将使用营商便利程度评估数据来展示作图过程（图6-3-4）。

图6-3-4 绘制雷达图

dat=read.csv("db 5dim.csv", row.names=1) # 课件中的文件

nd=ncol(dat) # 项目数

n=nrow(dat) # 国家数

# 我们先写出生成单个雷达图位置的函数。在这个函数中，r参数是被评估对象在各个维度上的取值，x和y是雷达图的中心点。输出的多边形的坐标将会按照从pi/2的位置开始顺时针排列

radar_pos=function(r, x=0, y=0){

theta=seq(pi/2, -3*pi/2, length.out=length(r)+1)[1: length (r)]

data.frame(x=r*cos(theta)+x, y=r*sin(theta)+y)

}

# 为查看这个函数的效果，我们可以先试着画一个多边形：toy=radar_pos(c(2, 1, 2)); ggplot(toy)+geom_polygon(aes(x, y))+coord_fixed()

# 雷达图的四个中心点的坐标

x0=0; y0=0

# 代表100、80、60分的同心圆

cir=ellipsexy(x=x0, y=y0, a=c(60, 80, 100), b=c(60, 80, 100))

# 将数据框中每行的向量填充到列表中以便让ANYxy函数使用

L=as.list(data.frame(t(dat)))

# 用ANYxy函数生成多边形。ANYxy的第一个参数是需用到的函数（此处即radar_pos），后边的参数均为这个被用到的函数的参数。输出结果中的g列用于分组

ra=ANYxy(myfun=radar_pos, r=L, x=x0, y=y0)

names(ra)[3]="G" # 用于表示数值的多边形所带有的分组编号，跟同心圆的分组编号的作用不一样，因此这里把第三列的"g"改为"G"

# 设置文字

lab=colnames(dat) # 各维度标签

lab=gsub("\\.", " ", lab) # 将句点变成空格

lab=scales::wrap_format(9)(lab) # 设置每行宽度为9

# 仍然使用ANYxy，生成长为100（满分为100分）的轴线并添加标签

ax=ANYxy(myfun=radar_pos, r=list(rep(100, nd)), x=x0, y=y0, group=FALSE)

ax=data.frame(ax, xend=0, yend=0, lab=lab)

# 用于绘制多边形的ra数据框包含G列，我们可以借助这一列及facet_wrap函数把雷达图画到四个分面图中去。我们将在第七章介绍这一操作和该操作涉及的theme函数，所以现在大家只要知道facet_wrap可用来完成分面操作即可

country=rownames(dat)

names(country)=as.character(1: n) # 为向量中的各项赋予名字是为了使用facet_wrap函数

ggplot()+coord_fixed(xlim=c(-200, 200), ylim=c(-160, 160), expand=FALSE)+

facet_wrap(~G, labeller=labeller(G=country))+

geom_polygon(data=cir, aes(x, y, group=g), fill=NA, color="blue", linetype=3)+

geom_segment(data=ax, aes(x=x, y=y, xend=xend, yend=yend), color="blue", linetype=3.5)+

geom_polygon(show.legend=FALSE, data=ra, aes(x, y, fill=factor(G), color=factor(G)), size=1, alpha=0.6)+

scale_color_manual(values=c("#9b1b30", "#F96714", "#2A4B7C","#797B3A"))+

scale_fill_manual(values=c("#9b1b30", "#F96714", "#2A4B7C","#797B3A"))+

geom_text(data=ax, aes(x=x, y=y, label=lab), lineheight=0.7, vjust="outward", hjust="outward", size=3.5, color="gray10")+

labs(title="Business Environment Evaluation")+

theme_void()+

theme(strip.text=element_text(face=4, hjust=0, size=13, family="mono", margin=margin(2, 2, 2, 2, unit="mm")),

plot.background=element_rect(color=NA, fill="#F3E0BE"),

plot.title=element_text(size=17, hjust=0.5, color="grey10")

)

#==========

# 练习：绘制四个角呈弧形的条形图

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# 除geom_polygon外，ggforce包中的geom_shape亦可用于绘制多边形。我们可用它绘制四个角为弧形而非直角的条形图

library(ggforce)

v=c(1, 2, 3, 5, 4)

dat=rectxy(x=0, y=1: 5, xytype="left", a=v, b=0.8)

ggplot(dat)+geom_shape(aes(x=x, y=y, group=factor(g)), fill="red", radius=unit(5, "mm"))