13 交互图形
在之前的数据探索章节介绍了 ggplot2 包，本章将介绍 plotly 包，绘制交互图形，包含基础元素、常用图形和技巧，沿用日志提交数据和 Base R 内置的斐济及周边地震数据。写作上，仍然以一个数据串联尽可能多的小节，从 ggplot2 包到 plotly 包，将介绍其间的诸多联系，以便读者轻松掌握。
13.1 基础元素
13.1.1 图层
plotly 包封装了许多图层函数，可以绘制各种各样的统计图形，见下 表格 13.1 。
| add_annotations | add_histogram | add_polygons |
| add_area | add_histogram2d | add_ribbons |
| add_bars | add_histogram2dcontour | add_scattergeo |
| add_boxplot | add_image | add_segments |
| add_choropleth | add_lines | add_sf |
| add_contour | add_markers | add_surface |
| add_data | add_mesh | add_table |
| add_fun | add_paths | add_text |
| add_heatmap | add_pie | add_trace |
下面以散点图为例，使用方式非常类似 ggplot2 包，函数 plot_ly() 类似 ggplot()，而函数 add_markers() 类似 geom_point()，效果如 图 13.1 所示。
或者使用函数 add_trace()，层层添加图形元素，效果和上 图 13.1 是一样的。
13.1.2 配色
在 图 13.1 的基础上，将颜色映射到震级变量上。
13.1.3 刻度
东经和南纬
13.1.4 标签
添加横轴、纵轴以及主副标题
13.1.5 主题
plotly 内置了一些主题风格
13.1.6 字体
13.1.7 图例
13.2 常用图形
13.2.1 散点图
plotly 包支持绘制许多常见的散点图，从直角坐标系 scatter 到极坐标系 scatterpolar 和地理坐标系 scattergeo，从二维平面 scatter 到三维空间 scatter3d，借助 WebGL 可以渲染大规模的数据点 scattergl。
| 类型 | 名称 |
|---|---|
scatter |
二维平面散点图 |
scatter3d |
三维立体散点图 |
scattergl |
散点图（WebGL 版） |
scatterpolar |
极坐标下散点图 |
scatterpolargl |
极坐标下散点图（WebGL 版） |
scattergeo |
地理坐标下散点图 |
scattermapbox |
地理坐标下散点图（MapBox 版） |
scattercarpet |
地毯图 |
scatterternary |
三元图 |
图 13.6 展示斐济及其周边的地震分布
13.2.2 柱形图
13.2.3 曲线图
13.2.4 直方图
地震次数随震级的分布变化，下 图 13.9 为频数分布图
地震震级的概率分布，下 图 13.10 为频率分布图
histnorm = "probability" 意味着纵轴表示频率，即每个窗宽下地震次数占总地震次数的比例。地震常常发生在地下，不同的深度对应着不同的地质构造、不同的地震成因，下 图 13.11 展示海平面下不同深度的地震震级分布。
13.2.5 箱线图
13.2.6 热力图
plotly 整合了开源的 Mapbox GL JS，可以使用 Mapbox 提供的瓦片地图服务（Mapbox Tile Maps），对空间点数据做核密度估计，展示热力分布，如 图 13.14 所示。图左上角为所罗门群岛（Solomon Islands）、瓦努阿图（Vanuatu）和新喀里多尼亚（New Caledonia），图下方为新西兰北部的威灵顿（Wellington）和奥克兰（Auckland），图中部为斐济（Fiji）。
图中设置瓦片地图的风格 style 为 "stamen-terrain"，还可以使用其他开放的栅格瓦片地图服务，比如 "open-street-map" 和 "carto-positron"。如果使用 MapBox 提供的矢量瓦片地图服务，则需要访问令牌 Mapbox Access Token。图中设置中心坐标 center 以及缩放倍数 zoom，目的是突出图片中的数据区域。设置调色板 Viridis 展示热力分布，黄色团块的地方表示地震频次高。
13.2.7 面量图
在之前我们介绍过用 ggplot2 绘制地区分布图，实际上，地区分布图还有别名，如围栏图、面量图等。本节使用 plotly 绘制交互式的地区分布图，如 图 13.15 所示。
# https://plotly.com/r/reference/choropleth/
dat <- data.frame(state.x77,
stats = rownames(state.x77),
stats_abbr = state.abb
)
# 绘制图形
plotly::plot_ly(
data = dat,
type = "choropleth",
locations = ~stats_abbr,
locationmode = "USA-states",
colorscale = "Viridis",
colorbar = list(title = list(text = "人均收入")),
z = ~Income
) |>
plotly::layout(
geo = list(scope = "usa"),
title = "1974年美国各州的人均收入"
)
13.2.8 动态图
本节参考 plotly 包的官方示例渐变动画，数据来自 SVN 代码提交日志，统计 Martin Maechler 和 Brian Ripley 的年度代码提交量，他们是 R Core Team 非常重要的两位成员，长期参与维护 R 软件及社区。下图展示 1999-2022 年 Martin Maechler 和 Brian Ripley 的代码提交量变化。
# https://plotly.com/r/animations/
trunk_year_author <- aggregate(data = svn_trunk_log, revision ~ year + author, FUN = length)
# https://plotly.com/r/cumulative-animations/
accumulate_by <- function(dat, var) {
var <- lazyeval::f_eval(f = var, data = dat)
lvls <- plotly:::getLevels(var)
dats <- lapply(seq_along(lvls), function(x) {
cbind(dat[var %in% lvls[seq(1, x)], ], frame = lvls[[x]])
})
dplyr::bind_rows(dats)
}
subset(trunk_year_author, year >= 1999 & author %in% c("ripley", "maechler")) |>
accumulate_by(~year) |>
plotly::plot_ly(
x = ~year, y = ~revision, split = ~author,
frame = ~frame, type = "scatter", mode = "lines",
line = list(simplyfy = F)
) |>
plotly::layout(
xaxis = list(title = "年份"),
yaxis = list(title = "代码提交量")
) |>
plotly::animation_opts(
frame = 100, transition = 0, redraw = FALSE
) |>
plotly::animation_button(
visible = TRUE, # 显示播放按钮
label = "播放", # 按钮文本
font = list(color = "gray")# 文本颜色
) |>
plotly::animation_slider(
currentvalue = list(
prefix = "年份 ",
xanchor = "right",
font = list(color = "gray", size = 30)
)
)13.3 常用技巧
13.3.1 数学公式
正态分布的概率密度函数形式如下：
\[ \begin{aligned} & f(x;\mu,\sigma^2) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}\exp\{-\frac{(x -\mu)^2}{2\sigma^2}\} \end{aligned} \]
下图展示两个正态分布，分别是 \(\mathcal{N}(3, 1^2)\) 和 \(\mathcal{N}(2, 1.5^2)\) 。函数 plotly::TeX() 包裹 LaTeX 书写的数学公式，plotly 包调用 MathJax 库渲染图中的公式符号。
代码
x <- seq(from = -4, to = 8, length.out = 193)
y1 <- dnorm(x, mean = 3, sd = 1)
y2 <- dnorm(x, mean = 2, sd = 1.5)
plotly::plot_ly(
x = x, y = y1, type = "scatter", mode = "lines",
fill = "tozeroy", fillcolor = "rgba(0, 204, 102, 0.2)",
text = ~ paste0(
"x：", x, "<br>",
"y：", round(y1, 3), "<br>"
),
hoverinfo = "text",
name = plotly::TeX("\\mathcal{N}(3,1^2)"),
line = list(shape = "spline", color = "#009B95")
) |>
plotly::add_trace(
x = x, y = y2, type = "scatter", mode = "lines",
fill = "tozeroy", fillcolor = "rgba(51, 102, 204, 0.2)",
text = ~ paste0(
"x：", x, "<br>",
"y：", round(y2, 3), "<br>"
),
hoverinfo = "text",
name = plotly::TeX("\\mathcal{N}(2, 1.5^2)"),
line = list(shape = "spline", color = "#403173")
) |>
plotly::layout(
xaxis = list(showgrid = F, title = plotly::TeX("x")),
yaxis = list(showgrid = F, title = plotly::TeX("f(x)")),
legend = list(x = 0.8, y = 1, orientation = "v")
) |>
plotly::config(mathjax = "cdn", displayModeBar = FALSE)13.3.2 动静转化
在出版书籍，发表期刊文章，打印纸质文稿等场景中，需要将交互图形导出为静态图形，再插入到正文之中。
将 ggplot2 包绘制的散点图转化为交互式的散点图，只需调用 plotly 包的函数 ggplotly()。
当使用配置函数 config() 设置参数选项 staticPlot = TRUE，可将原本交互式的动态图形转为非交互式的静态图形。
orca (Open-source Report Creator App) 软件针对 plotly.js 库渲染的图形具有很强的导出功能，安装 orca 后，plotly::orca() 函数可以将基于 htmlwidgets 的 plotly 图形对象导出为 PNG、PDF 和 SVG 等格式的高质量静态图片。
13.3.3 坐标系统
quakes 是一个包含空间位置的数据集，plotly 的 scattergeo 图层 针对空间数据提供多边形矢量边界地图数据，支持设定坐标参考系。下 图 13.19 增加了地震震级维度，在空间坐标参考系下绘制散点。
plotly::plot_ly(
data = quakes,
lon = ~long, lat = ~lat,
type = "scattergeo", mode = "markers",
text = ~ paste0(
"站点：", stations, "<br>",
"震级：", mag
),
marker = list(
color = ~mag, colorscale = "Viridis",
size = 10, opacity = 0.8,
line = list(color = "white", width = 1)
)
) |>
plotly::layout(geo = list(
showland = TRUE,
landcolor = plotly::toRGB("gray95"),
countrycolor = plotly::toRGB("gray85"),
subunitcolor = plotly::toRGB("gray85"),
countrywidth = 0.5,
subunitwidth = 0.5,
lonaxis = list(
showgrid = TRUE,
gridwidth = 0.5,
range = c(160, 190),
dtick = 5
),
lataxis = list(
showgrid = TRUE,
gridwidth = 0.5,
range = c(-40, -10),
dtick = 5
)
))
13.3.4 添加水印
在图片右下角添加水印图片
plotly::plot_ly(quakes,
x = ~long, y = ~lat, color = ~mag,
type = "scatter", mode = "markers"
) |>
plotly::config(staticPlot = TRUE) |>
plotly::layout(
images = list( # 水印图片
source = "https://images.plot.ly/language-icons/api-home/r-logo.png",
xref = "paper", # 页面参考
yref = "paper",
x = 0.90, # 横坐标
y = 0.20, # 纵坐标
sizex = 0.2, # 长度
sizey = 0.2, # 宽度
opacity = 0.5 # 透明度
)
)13.3.5 多图布局
将两个图形做上下排列
p1 <- plotly::plot_ly(
data = trunk_year, x = ~year, y = ~revision, type = "bar"
) |>
plotly::layout(
xaxis = list(title = "年份"),
yaxis = list(title = "代码提交量")
)
p2 <- plotly::plot_ly(
data = trunk_year, x = ~year, y = ~revision, type = "scatter",
mode = "markers+lines", line = list(shape = "spline")
) |>
plotly::layout(
xaxis = list(title = "年份"),
yaxis = list(title = "代码提交量")
)
htmltools::tagList(p1, p2)plotly 包提供的函数 subplot() 专门用于布局排列，下图的上下子图共享 x 轴。
plotly::subplot(plotly::style(p1, showlegend = FALSE),
plotly::style(p2, showlegend = FALSE),
nrows = 2, margin = 0.05, shareX = TRUE, titleY = TRUE)下图展示更加灵活的布局形式，嵌套使用布局函数 subplot() 实现。
13.3.6 图表联动
crosstalk 包可将 plotly 包绘制的图形和 DT 包制作的表格联动起来。plotly 绘制交互图形，在图形上用套索工具筛选出来的数据显示在表格中。
library(crosstalk)
# quakes 数据变成可共享的
quakes_sd <- SharedData$new(quakes)
# 绘制交互图形
p <- plotly::plot_ly(quakes_sd, x = ~long, y = ~lat) |>
plotly::add_markers() |>
plotly::highlight(on = "plotly_selected", off = "plotly_deselect")
# 制作表格
d <- DT::datatable(quakes_sd, options = list(dom = "tp"))
# 将图表组合一起展示
bscols(list(p, d))