使用R包gridExtra和cowplot合并多个独立图表

本节将介绍使用grid Extra、cowplot等R包合并多个独立图表的操作。

一、grid.arrange

我们可以用grid Extra包中的grid.arrange方便地把多个并列图表合并起来。

# install.packages("grid Extra")

library(grid Extra)

library(ggplot2)

library(grid) # 使用grid.rect、grid.text

library(cowplot) # 使用ggdraw、draw_grob、draw_plot、plot_grid

# 先生成多个独立图表

basic=ggplot()+geom_point(aes(1: 5, 1: 5))

# 修改背景的填充色和轮廓p1=basic+theme(plot.background=element_rect(fill="lightgreen", color="lightgreen"))

# 只修改背景填充色，而不修改轮廓，会导致图表周围有白边

p2=basic+theme(plot.background=element_rect(fill="lightgreen"))

# 设置coord_fixed()

p3=basic+coord_fixed()+theme(plot.background=element_rect (fill="lightgreen", color="lightgreen"))

# 当去掉背景和面板时，整个图表的背景会显露出来

p4=basic+labs(y="Very Long Title")+theme(plot.background=element_blank(), panel.background=element_blank(), axis.title.y=element_text(angle=0, vjust=0.5))

## 用grid.arrange合并并调整放置方式

grid.arrange(p1, p2, p3) # 亦可用grobs=list(p1, p2, p3)的形式选择图表

# 像生成矩阵一样用nrow或ncol设置行数和列数

grid.arrange(p1, p2, p3, ncol=2)

# 以矩阵的形式明确放置方式并调整图表大小。矩阵中的数字代表放置顺序，NA代表不放置任何东西

pos=matrix(c(

1, 1, 1,

2, NA, NA), nrow=2, byrow=TRUE)

grid.arrange(p1, p2, layout_matrix=pos)

## 如果不希望每个子图表的面积相同，可使用widths和heights调节大小，这两个参数的值，要么是用unit设置的绝对尺寸，要么是相对数值（例如，widths= c(1, 3)表示第二列的宽度是第一列的三倍）。这两个参数的长度由实际行数和列数决定。本例中的图表有两行两列，所以此处要给出两个宽度值、两个高度值

grid.arrange(p1, p2, p3, ncol=2, widths=c(1, 3), heights=unit(c(8,4), "cm"))

要强调的是，在保存由grid.arrange生成的图表时，我们必须明确为ggsave指定要保存的图表。

# 生成图表并赋值：p=grid.arrange(...)

# 保存：ggsave("文件名", plot=p)

grid包可用于为合并后的图表添加元素（我们已经在第五章介绍了用grid包添加文字和线条的方法）。

# 第一步：用rect Grob函数添加矩形可用于修改整个图表的背景

bottom=rect Grob(gp=gpar(fill="khaki", col="khaki"))

# 第二步：排列图表

p=grid.arrange(p1, p2, p3, p4, ncol=2)

# 第三步：用text Grob添加文字

cha=text Grob(label="Combine Plots", x=0.5, y=0.5, gp=gpar (col="darkred", alpha=0.7, fontsize=30))

# 第四步：合并。我们先把图表的各部分放在列表中，再用g List将它们合并，以便生成可以保存的图表

final=do.call(g List, list(bottom, p, cha))

grid.newpage() # 使用grid包显示图表时需删除前边的图表

grid.draw(final) # 查看图表

# 保存：ggsave("文件名", plot=final)

我们亦可使用cowplot包中的函数为合并后的图表添加背景。

## 方法一：由于bottom、p和cha均为grob对象，所以可使用draw_grob函数添加

ggdraw()+draw_grob(bottom)+draw_grob(p)+draw_grob(cha)

## 方法二：用ggplot添加背景和文字，并用draw_plot添加

bottom_gg=ggplot()+theme_void()+

annotation_raster(matrix("khaki"), xmin=-Inf, xmax=Inf, ymin=Inf, ymax=Inf)

cha_gg=ggplot()+theme_void()+

geom_text(aes(0, 0, label="Combine Plots"), color="darkred", alpha=0.7, size=15)

ggdraw()+draw_plot(bottom_gg)+draw_grob(p)+draw_plot(cha_gg)

二、plot_grid

如果我们要确保各子图表的坐标轴自动对齐的话，可使用egg包中的ggarrange函数。它的使用方法和grid.arrange相似，读者可自行尝试。

接下来我们学习cowplot包中的plot_grid函数，它不但可以自动对齐坐标轴，而且还会输出ggplot图表，方便我们添加其他元素并保存图表。

# 排列图表时，为了让p2和p4的纵坐标轴能够对齐，我们使用了align参数，它的选项为"none"（默认，不对齐）、"h"（水平对齐）、"v"（垂直对齐）或"hv"（两个方向都对齐）。在本例中，p3没有跟其他图表对齐，是因为它设置了coord_fixed()。rel_widths和rel_heights用于指定相对宽度和相对高度。

p=plot_grid(p1, p2, p3, p4, # 亦可写成plotlist=list(p1, p2, p3, p4)

ncol=2, align="v",

rel_widths=1, rel_heights=c(2, 1)

)

# 如不添加其他元素，此处可直接用ggsave("文件名")保存

# 由于plot_grid生成的对象本身是一个ggplot图表，所以我们只要往上添加图层即可。注意：由于ggdraw生成的图表坐标轴范围是从0至1，所以，为了把文字放在中间，x和y均应设为0.5

ggdraw()+draw_plot(p)+geom_text(aes(x=0.5, y=0.5, label="Combine Plots"), color="darkred", alpha=0.7, size=20)

plot_grid还有两个跟坐标轴对齐有关的参数：

●scale：子图表缩放比例。取值为单一数值，或者依次与每个图表相对应的多个数值。当其小于默认值1时，图表之间的缝隙会增大。显然，如果修改了缩放比例，图表之间就可能无法对齐了。

●axis：在对齐子图表时，我们还可使用axis参数，它的取值为"t"、"b"、"l"、"r"（分别代表上、下、左、右），以及"tb"、"lr"（分别代表上下、左右）或"tblr"（四个方向同时对齐）。

三、多个图表共用一个图例

在多个并列图表使用相同图例的情况下，我们只须添加一个图例即可（图7-4-1）。

# install.packages("ggpubr")

library(ggpubr) # 使用get_legend

library(magick) # 用于读取图片

library(reshape2) # 使用melt

library(dplyr)

# 第一步：绘制不带图例的图表

p1=ggplot()+geom_bar(show.legend=FALSE, aes(x=1: 5, y=1: 5, fill=factor(1: 5)), stat="identity")(www.xing528.com)

p2=ggplot()+geom_segment(show.legend=FALSE, aes(x=0, xend=5, y=1: 5, yend=1: 5, color=factor(1: 5)), size=2)

p3=ggplot()+geom_point(show.legend=FALSE, aes(1: 5, 1: 5, color=factor(1: 5)), size=5)

# 第二步：任选一个带图例的图表并完成对图例的修改，用ggpubr包中的get_legend函数提取图例的grob对象

p1_fake=ggplot()+geom_bar(aes(x=1: 5, y=1: 5, fill=factor(1: 5)), stat="identity")+

scale_fill_discrete(name="使用单一图例", guide=guide_legend(ncol=2)) leg=ggpubr::get_legend(p1_fake)

# 第三步：把图例当成图表进行合并

grid.arrange(p1, p2, p3, leg, ncol=2)

当使用plot_grid时，我们同样可使用上述方法添加图例。我们以军费数据为例进行示范（图7-4-1）。

图7-4-1 使用单一图例

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

dat=dat[, c(4, 5, 9)] # 只选取伊朗、以色列和沙特阿拉伯的数据

# 整理数据

dat=round(dat/(10^6), 4) # 图表以百万美元为单位

dat=data.frame(dat, Year=as.numeric(rownames(dat)))

dat=melt(dat, id.vars="Year", measure.vars=c("Iran", "Israel","Saudi.Arabia"))

colnames(dat)=c("Year", "Country", "Value")

dat$Country=gsub("\\.", "\n", dat$Country)

# 计算增长率

dat=group_by(dat, Country)

increase_fun=function(x) c(NA, diff(x)/x[-length(x)]) # 注意：增长率的第一个数字应是缺失值

dat=mutate(dat, Increase=increase_fun(Value))

dat=as.data.frame(dat)

# 第一步：添加背景图片

img=image_read("jet.jpg") # 课件中的图片

bg=ggplot()+annotation_raster(img, xmin=-Inf, xmax=Inf, ymin=-Inf, ymax=Inf)+theme_void()

# 第二步：绘制不带图例的图表

p1=ggplot(dat)+geom_line(show.legend=FALSE, aes(Year, Value, color=Country), size=1.1)+

geom_point(show.legend=FALSE, aes(Year, Value, color=Country), size=2.2)+

scale_color_manual(values=c("darkred", "coral", "khaki1"))+

scale_x_continuous(breaks=dat$Year)+

labs(title="MIlitary Expenditure (million current $)")

p2=ggplot(dat)+geom_line(show.legend=FALSE, na.rm=TRUE, aes(Year, Increase, color=Country), size=1.1)+

geom_point(show.legend=FALSE, na.rm=TRUE, aes(Year, Increase,color=Country), size=2.2)+

scale_color_manual(values=c("darkred", "coral", "khaki1"))+

scale_x_continuous(limits=range(dat$Year), breaks=dat$Year)+

labs(title="Increase Ratio (%)")

same_theme=theme_minimal(base_size=13, base_family="serif")+

theme(

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

axis.title=element_blank(),

panel.grid.minor=element_blank(),

panel.grid.major=element_line(color="#133150"),

plot.background=element_rect(fill=scales::alpha("white", 0.3), color=NA)

)

p1=p1+same_theme

p2=p2+same_theme

p=plot_grid(p1, p2, ncol=1, align="v")

# 第三步：生成带图例的图表并从中提取图例

leg=ggplot(dat)+

geom_line(na.rm=TRUE, aes(Year, Value, color=Country))+

scale_color_manual(values=c("darkred", "coral", "khaki1"), guide=guide_legend(override.aes=list(size=1.5)))+

theme_minimal(base_size=13, base_family="serif")+

theme(legend.background=element_rect(fill=scales::alpha("white", 0.5), color=NA))

leg=ggpubr::get_legend(leg)

# 第四步：合并。有时，为防止使用draw_plot添加的图表交叠，可以在它们占据的区域之间留出间隙

ggdraw()+draw_plot(bg)+draw_plot(p, x=0.025, y=0.025, width=0.7,height=0.95)+draw_grob(leg, x=0.8, width=0.2)

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# 练习：使用patchwork包

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# patchwork包提供了涉及合并图表的更多操作，以下示例对其功能进行了简单展示，感兴趣的读者可以进一步学习

# install.packages("patchwork")

library(patchwork)

dat=data.frame(x=1: 3, y=1: 3)

p=ggplot(dat, aes(x, y))

p1=p+geom_point()

p2=p+geom_point(shape=15)

p3=p+geom_bar(stat="identity")

# 斜线表示上下并置，竖线表示左右并置

(p1/p2)|p3

# 用plot_annotation为整个图表添加标题

((p1/p2)|p3)+plot_annotation(title="Title", subtitle="Subtitle", theme=theme(plot.title=element_text(color="blue"), plot. background=element_rect(fill="green")))

# 用加号把多个图表（而不是多个图层）连结起来，用plot_spacer生成空白图表

p1+plot_spacer()+p2+p3+plot_layout(nrow=2, ncol=3, byrow=TRUE, width=c(2, 1, 2), height=c(2, 1))