R - 折线图

R - 使用 ggplot2 绘制现代折线图

折线图是可视化数据随时间或其他连续序列变化的趋势的理想选择。虽然 R 基础包（base R）中提供了 plot() 函数，但要在 R 中创建复杂且达到出版质量的图形，现代化、功能强大且推荐的方法是使用 ggplot2 包。

ggplot2 基于图形语法（Grammar of Graphics），这是一种将图表分解为数据、美学映射（aesthetic mappings）和几何图层（geometric layers）等组成部分的理念。这使其成为一个系统化且灵活的可视化工具。

创建简单折线图

要使用 ggplot2 创建图表，你需要三个关键组件：

ggplot()：主函数，用于指定数据集。
aes()：美学映射（aesthetic mappings），定义数据中的变量如何映射到视觉属性（如 x 轴、y 轴、颜色等）。
几何图层（geom layer）：定义图表类型的几何对象（例如，geom_line() 用于折线图，geom_point() 用于散点图）。

# 首先，安装并加载 ggplot2 包（它是 tidyverse 的一部分）
# install.packages("tidyverse")
library(ggplot2)

# 创建一些示例数据：月降雨量（单位：毫米）
monthly_data <- data.frame(
  month = 1:12,
  rainfall_mm = c(7, 12, 28, 45, 80, 55, 30, 25, 15, 10, 8, 5)
)

# 创建图表
ggplot(data = monthly_data, mapping = aes(x = month, y = rainfall_mm)) +
  geom_line()

这段代码生成一个简单的折线图。x 轴代表月份（从 1 到 12），y 轴显示相应的降雨量。一条线按顺序连接所有数据点。

自定义图表：标题、标签和颜色

你可以通过添加更多图层轻松自定义你的图表。labs() 函数用于添加标题和轴标签。要改变几何对象（geom）的显示效果，你需要将其属性（如 color 或 size）设置在 aes() 函数之外。

ggplot(data = monthly_data, mapping = aes(x = month, y = rainfall_mm)) +
  geom_line(color = "steelblue", size = 1.5) + # 设置静态颜色和大小
  geom_point(color = "steelblue", size = 3) +  # 在线上添加点
  labs(
    title = "Monthly Rainfall in Fictional City",
    subtitle = "A seasonal trend is visible",
    x = "Month of the Year",
    y = "Rainfall (mm)",
    caption = "Source: Fictional Weather Service"
  ) +
  theme_minimal() # 应用简洁主题

这段代码生成一个更加精美的图表。折线和点都采用了令人愉悦的“steelblue”蓝色。图表具有清晰的标题、副标题、信息丰富的轴标签和图注。theme_minimal() 函数为图表赋予了简洁、现代的外观。

绘制多条折线

使用 ggplot2 绘制多条折线的方式不是逐一添加，而是将数据中的一个分类变量映射到颜色美学（color aesthetic）。这要求你的数据采用“长格式”（long format）或“整洁格式”（tidy format），即每个观测值都有自己的行。

让我们比较两个不同城市的降雨量。首先，我们将创建数据，然后使用 tidyr::pivot_longer() 来重塑它。

library(tidyr)

# 两个城市的“宽格式”数据
wide_data <- data.frame(
  month = 1:12,
  city_a_rainfall = c(7, 12, 28, 45, 80, 55, 30, 25, 15, 10, 8, 5),
  city_b_rainfall = c(90, 85, 60, 40, 25, 15, 10, 12, 20, 35, 65, 80)
)

# 将数据重塑为“长格式”
long_data <- wide_data %>%
  pivot_longer(
    cols = c(city_a_rainfall, city_b_rainfall), # 需要进行透视的列
    names_to = "city",                         # 用于存储原始列名的新列
    values_to = "rainfall"                     # 用于存储原始值的新列
  )

# 现在，通过将 'city' 列映射到颜色美学来创建图表
ggplot(data = long_data, mapping = aes(x = month, y = rainfall, color = city)) +
  geom_line(size = 1) +
  labs(
    title = "Monthly Rainfall Comparison",
    x = "Month",
    y = "Rainfall (mm)",
    color = "City" # 这会重命名图例标题
  ) +
  theme_light()

这段代码生成一个包含两条不同折线的图表，每条代表一个城市。ggplot2 会自动为每条线分配不同的颜色，并创建一个图例来标识哪种颜色对应哪个城市。这种方法具有高度可扩展性——如果你有十个城市，同样的代码将生成一个包含十条折线的图表。

保存图表

保存 ggplot 图表的最佳方法是使用 ggsave() 函数。它会自动根据文件扩展名（例如 .png、.pdf、.svg）检测文件类型，并保存你最后显示的图表。

# 这会将最后显示的图表保存为名为 'rainfall_comparison.png' 的文件
# ggsave("rainfall_comparison.png", width = 8, height = 5)