ggplot实现政经数据可视化

plothelper包中的annotation_shading_polygon用于添加带有渐变色或图片的多边形，annotation_transparent_text用于添加透明或带有渐变色的文字。

library(plothelper)

library(magick)

library(ggfittext)

## 以添加渐变圆形和带渐变效果的图片为例（图6-4-1）

# 第一步：生成圆形坐标，读入图片

dat=ellipsexy(x=0, y=0, a=1, b=1)

img=image_read("red leaf.png") # 课件中的图片

# 第二步：根据需要生成颜色矩阵

m1=matrix(c(

"khaki1", "khaki1", "cyan3",

"khaki1", "cyan3", "darkslateblue",

"cyan3", "darkslateblue", "darkslateblue"), byrow=TRUE, nrow=3)

m1=enlarge_raster(m1, 20) # 增加颜色的数量

m2=color Ramp Palette(c("red", "orange", "yellow"))(20)

m2=matrix(m2, nrow=1)

# 第三步：合并

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

annotation_shading_polygon(shape=dat, raster=m1)+

annotation_shading_polygon(shape=img, raster=m2, xmin=1, xmax=4, ymin=-1, ymax=1)

图6-4-1 渐变多边形

下面我们介绍annotation_shading_polygon的参数：

●shape、xmin、xmax、ymin、ymax：多边形及其位置。设置方法为：（a）当shape是一个用于绘制多边形并只包含两列（即X坐标和Y坐标）的数据框时，除非对xmin等位置参数进行修改，否则图形会被添加在该数据框所设定的位置。在上例中，当添加圆形时，shape参数的值就是dat，一个包含圆形坐标的数据框。（b）当shape是已经用ggplot画好的、使用数值坐标轴或离散坐标轴的图表时，函数会根据这个图表的位置，自动确定在新图表上进行绘制的位置（见以下示例），但亦可用xmin等位置参数指定一个新位置。（c）当shape是用magick::image_read读入的PNG格式的图片时，必须给出xmin等位置参数，否则会报错。

●raster：颜色矩阵、raster对象或者用magick::image_read读入的图片。

●interpolate：当raster是颜色矩阵或raster对象时，是否对颜色进行平滑处理（默认值为TRUE）。

●result_interpolate：是否对最后生成图形的颜色进行平滑处理（默认值为TRUE）。

●shape_trim、raster_trim、result_trim：这三个参数用于确定是否对shape、raster以及输出结果进行处理，以便裁剪掉多余的边缘（比如图片的白边）。三个参数的默认值为NULL，即不裁剪。如果参数值为0至100的数据，函数将调用image_trim函数进行裁剪，数据越大，裁剪掉的边缘越多。

●result：当其为"layer"（默认）时，输出结果为ggplot图层。当其为"magick"时，输出结果为magick对象。

●res：图片分辨率，默认值为72。

●width、height：输出图形的尺寸（当result="magick"时）或图层的相对尺寸（当result="layer"时）。需分情况确定这两个参数，有时要进行多次尝试：（a）在默认状态下，width为800，如果图形不够清晰时，可增大width，或同时调整width和height。（b）height可用字符的形式设置为比例。比如，当width=1000时，若设置height="0.8"，那么图形的高将为1000*0.8=800。（c）当shape是数据框或已经用ggplot绘制好的图表时，若设置height="coord_fixed"，那么输出图形的高宽比将根据shape的高宽比来确定。（d）在未设置height并且raster是图片时，输出图形的宽和高将等于该对象的宽和高。（e）当raster是图片时，若height="image"，则输出结果的尺寸等同于该图片的尺寸。（f）当height=NULL（默认）并且shape是数据框或已经用ggplot绘制好的图表时，函数会自动确定高度，确定方法是：当shape的高度过大（大于宽度的5倍）时，高度会被强制改为width*5；当高度过于小（小于宽度的1/5）时，高度会被改为width*0.2；如果宽度既未过大也未过小，则按（c）进行设置。

我们来尝试绘制一个包含图片的条形图，数据为2017年若干国家的研发投入占GDP的比重（图6-4-2）。

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

# 第一步：绘制条形图。为了简化操作，我们对数据框进行了重排，并且在geom_bar中使用了数值坐标（x=1: n）

n=nrow(dat)

o=order(dat$Value)

dat=dat[o, ]

bar=ggplot()+geom_bar(aes(x=dat$Value, y=1: n), stat="identity", orientation="y")

# 第二步：读入图片

img=image_read("chips.jpg") # 课件中的文件

# 第三步：合并

p=ggplot()+annotation_shading_polygon(shape=bar, raster=img, width=1000, res=144)

v=round(dat$Value, 2)

lab=dat$Country

lab=scales::wrap_format(9)(lab)

p+geom_text(aes(dat$Value, 1: n, label=v), hjust=-0.2, size=5, fontface=3, color="darkgreen")+

geom_fit_text(aes(xmin=2, xmax=4, ymin=0.55, ymax=3.5, label="R& D\n Expenditure\n(% of GDP)"), grow=TRUE, reflow=FALSE, fontface=2, place="bottomright", color="chocolate1")+ # 将图片名称添加到右下角

scale_x_continuous(name=NULL, limits=c(0, 4), expand= expansion(0.01))+

scale_y_continuous(name=NULL, breaks=1: nrow(dat), labels= lab)+

theme_void()+

theme(axis.title=element_text(size=15),

axis.text.y=element_text(size=12, face=2, color="chocolate1"), axis.ticks.y=element_line(size=1.2)

)

图6-4-2 用annotation_shading_polygon绘制条形图

我们再来绘制一条阴影区域包含渐变色的曲线。本例使用的数据为2007至2017年全球艺术品销售总额（图6-4-3）。(www.xing528.com)

图6-4-3 用annotation_shading_polygon绘制带阴影的曲线

dat=read.csv("art0717.csv", row.names=1) # 课件中的文件

# 第一步：绘制带阴影的曲线。为方便后续操作，我们把X轴变量改为数值。此处需要的函数不是geom_line，而是geom_area，因为事实上我们需要的是一片阴影，而不只是一条曲线

area=ggplot()+geom_area(data=dat, aes(Year, Value))

# 第二步：生成渐变色。本例只让单一颜色的透明度发生渐变

m=scales::alpha("#f7b79e", seq(0.9, 0.01, length.out=20))

m=matrix(m)

# 第三步：合并。注意：为了让最左边的点和文字完整地显示出来，我们去掉了Y轴，同时用geom_line画了一个假的Y轴

p=ggplot()+annotation_shading_polygon(shape=area, raster=m, width=1000, res=144)

p+geom_line(aes(x=min(dat$Year), y=c(0, max(dat$Value)*1.2)), size=1.5, color="#ee9974")+

geom_line(data=dat, aes(Year, Value), color="#ee9974", size=2)+

geom_point(data=dat, aes(Year, Value), color="#ee9974", size= 5)+

geom_text(data=dat, aes(Year, Value, label=Value), color=

"lightcyan", size=6.5, family="Hershey Serif", fontface=2)+

scale_x_continuous(name=NULL, breaks=sort(dat$Year))+

scale_y_continuous(name=NULL, limits=c(0, NA), expand=expansion (0))+

labs(title="Sales in the Global Art Market 2007~2017", subtitle="(unit: billion $)\n")+

theme_void()+

theme(plot.background=element_rect(fill="#38849c"),

plot.title=element_text(family="Hershey Serif", color="lightcyan", face=2, size=21),

plot.subtitle=element_text(family="serif", color="lightcyan", face=3, size=20),

axis.text=element_text(size=15, family="Hershey Serif", face= 2, color="#ee9974"),

axis.text.x=element_text(angle=20),

plot.margin=unit(rep(5, 4), "mm")

)

下面来学习annotation_transparent_text的使用方法。它的参数有：

●label、xmin、xmax、ymin、ymax：待添加的文字及其位置。

●bg：文字背景。当bg为一个颜色值时，文字将会出现在一个有颜色的半透明矩形中。此外，bg还可以是一个颜色矩阵、raster对象或由magick::image_read读入的图片。

●alpha：由bg所指定的颜色的透明度。

●operator：image_composite函数使用的operator参数。当其为"out"（默认）时，bg与label重合的部分将会被去掉，从而生成透明文字。当其为"in"时， bg与label重合的部分会被保留，从而生成包含渐变色或图片的文字。

●expand：是否为确保文字能够完整显示而对由xmin、xmax、ymin、ymax确定的位置进行微小扩展。取值应为两个数值，用于确定X坐标和Y坐标的扩展比例。默认值为c(0.05, 0.05)。

●family、fontface、reflow、place、...：传递给geom_fit_text的参数（...指的是lineheight、angle等参数）。注意：family的默认值为"Sim Hei"。

●label_trim、bg_trim：是否对由geom_fit_text生成的文字框进行裁剪，以及是否对bg进行裁剪。两个参数的默认值为NULL，即不裁剪；如果取0至100的数值，则值越大裁剪的越多。

●interpolate、result_interpolate、result、res：请参考annotation_shading_polygon的同名参数。

●width、height：输出结果的宽和高。这两个参数的使用方法与annotation_shading_polygon的同名参数相近。我们要通过反复尝试，来找到合适的设置方法。在下边的示例中，我们使用了三种不同的设置方法。

# 示例一：添加放在黑色文字框中的透明文字。注意，我们设置文字框的宽度远大于高度，在这种情况下，我们既可以不修改height，也可以根据需要进行修改（图6-4-4a）

m=color Ramp Palette(c("darkolivegreen", "darkolivegreen4", "darkolivegreen3","darkolivegreen1", "gold", "darkorange", "orangered"))(20)

m=matrix(m, nrow=1)

ggplot()+xlim(0, 100)+ylim(-0.2, 1.2)+theme_void()+

coord_cartesian(expand=FALSE)+

annotation_raster(m, xmin=-Inf, xmax=Inf, ymin=-Inf, ymax=Inf, interpolate=TRUE)+

annotation_transparent_text(label="PROTECT\n OUR\n ENVIRONMENT", xmin=0, xmax=100, ymin=0, ymax=1, bg="black", alpha=0.6, family="serif", fontface=2, lineheight=0.8, place="left", expand=c(0.01,0.01), res=144, width=1000, height=600) # 直接为height赋值

图6-4-4 左=图a添加透明文字，中=图b添加带渐变色的文字， 右=图c添加带图片的文字

# 示例二：将operator改为"in"并添加带渐变色的文字（图6-4-4b）

ggplot()+theme_void()+

theme(plot.background=element_rect(color=NA, fill="gray20"))+

annotation_transparent_text(label="保护环境\n保护森林", xmin=0, xmax=100, ymin=0, ymax=1, bg=m, operator="in", res=144, width=1000, height="0.5") # height为比例

# 示例三：将operator改为"in"并添加带图片的文字。为使字体填满空间，我们设定label_trim=0以便去掉文字框的边缘（图6-4-4c）

img=image_read("leaf.jpg")

ggplot()+theme_void()+

theme(plot.background=element_rect(color=NA, fill="aquamarine2" ))+

annotation_transparent_text(label="PROTECT\n OUR\n ENVIRONMENT",xmin=0, xmax=1000, ymin=0, ymax=1, bg=img, operator="in", family="serif", fontface=2, lineheight=0.6, place="left", label_trim=0,

res=144, width=1000, height="image") # 使用bg的宽和高