前言

上一節講的是如何使用 cowplot 包來對圖形進行排列對齊，今天要講的是，如何使用 patchwork 包來排列圖形

patchwork 包主要針對的是 ggplot2 圖形，也可以是其他圖像系統繪制的圖形。

patchwork 以一種簡單的方式對圖形進行排列和組合，不論多復雜的組合圖形，都能確保圖形之間正確對齊

安裝 patchwork

install.packages("patchwork")

導入相關模塊

library(ggplot2)
library(patchwork)

示例

我們主要使用如下圖形進行說明

p1 <- ggplot(mtcars) + 
  geom_point(aes(mpg, disp), colour = "#7fc97f") + 
  ggtitle('Plot 1')

p2 <- ggplot(mtcars) + 
  geom_boxplot(aes(gear, disp, fill = factor(gear)), 
               show.legend = FALSE) + 
  ggtitle('Plot 2')

p3 <- ggplot(mtcars) + 
  geom_point(aes(hp, wt, colour = mpg)) + 
  scale_colour_gradientn(
    colours = c("#66c2a5", "#fc8d62", "#8da0cb")) +
  ggtitle('Plot 3')

p4 <- ggplot(mtcars) + 
  geom_bar(aes(gear, fill = factor(gear)), 
           show.legend = FALSE) + 
  facet_wrap(~cyl) + 
  ggtitle('Plot 4')

1. 組合圖形

1.1 添加圖形

patchwork 使用 + 來連接兩個圖形

p1 + p2

拼湊多個圖

patch <- p1 + p2
p3 + patch

1.1.1 添加非 ggplot 圖形

有時候，你可能想要添加其他類型的圖片，例如，grid 系統的圖形對象

p1 + grid::textGrob('Some really important text')

或者，gridExtra 的 tableGrob

p1 + gridExtra::tableGrob(mtcars[1:10, c('mpg', 'disp')])

此外，對于 base 繪圖系統，可以通過單邊公式的方式來添加

p1 + ~plot(mtcars$mpg, mtcars$disp, main = 'Plot 2', 
           col = if_else(mtcars$disp > 250, "red", "green"))

我們可以看到，兩幅圖并沒有對齊，要將 ggplot 圖形和非 ggplot 圖形對齊，需要使用 par() 函數來進行調整

非 ggplot 圖形可以使用 wrap_elements() 函數來添加，可以進行更加靈活的控制，例如

old_par <- par(mar = c(0, 2, 0, 0), bg = NA)
p1 + wrap_elements(panel = ~plot(mtcars$mpg, mtcars$disp), clip = FALSE)
par(old_par)

如果你想將非 ggplot 圖放在最前面，例如

> grid::textGrob('Text on left side') + p1
NULL

返回的是 NULL，這時，也需要使用 wrap_elements() 函數

wrap_elements(grid::textGrob('Text on left side')) + p1

總的來說，對齊方式比 cowplot 更加復雜和繁瑣

1.1.2 堆疊和包裝

+ 運算符只能簡單地對圖形進行組合，并不能提供任何布局信息，圖片是以堆疊還是并列的方式排列。

因此，patchwork 提供了兩個操作符：
|：圖形并列放置，即按行
/：圖形豎直堆疊，即按列

例如

p1 | p2

p1 / p2

這三個運算符的運算順序與數學上一致，/ 和 | 比 + 優先級更高，最好的方式是使用小括號來區分組合優先級，例如

p1 / (p2 | p3)

1.1.3 組合函數

當我們需要處理繪圖函數列表時，使用 + 來添加圖形會顯得很笨拙，wrap_plots() 允許傳入一個繪圖列表，或者每個繪圖以參數的形式分開傳遞

wrap_plots(p1, p2, p3, p4)
# 或者
wrap_plots(list(p1, p2, p3, p4))

1.2 左側嵌套

上面的運算符都是將圖形添加到左側，例如

patch <- p1 + p2
p3 + patch

我們改變添加的順序，圖形會看起來不太一樣

patch + p3

這兩種方式有什么不一樣呢？因為 + 是按順序逐個添加的，+ 的右側圖形需要與前面連接的圖形串內的圖形處于同一個嵌套級別。

對于 patch + p3，相當于是 p1 + p2 + p3，而對于 p3 + patch，patch 與 p3 處于同一嵌套級別

patchwork 還提供了一個 - 操作符來處理這種情況，其作為連接符而不是減號，兩邊的圖形處于同一嵌套級別

patch - p3

或者使用 wrap_plots()，所有輸入參數都處于同一級別

wrap_plots(patch, p3)

1.3 修改圖形

在我們創建一個 patchwork 時，會返回最后一個添加的圖形對象，我們可以繼續添加 ggplot 圖形對象

p1 + p2 + geom_jitter(aes(gear, disp))

如果想要修改其他圖形，可以使用雙中括號加索引的方式訪問

patchwork <- p1 + p2
patchwork[[1]] <- patchwork[[1]] + theme_minimal()
patchwork

修改全部

有時，我們可能想對所有圖形進行統一的修改，例如修改主題，patchwork 提供了兩個操作符

• &：為所有子圖添加元素
• *：為當前嵌套級別的所有子圖添加元素

patchwork <- p3 / (p1 | p2)
patchwork & theme_minimal()

patchwork * theme_minimal()

2. 控制布局

雖然使用 +、|、/ 操作符可以創建復雜的圖形，但是還缺少一些更靈活的控制，下面我們介紹如何使用 plot_layout() 函數來進行更多的控制

2.1 添加空白占位

plot_spacer() 函數可以添加一個空白的區域，大小與同一嵌套級別的圖形一樣

p1 + plot_spacer() + p2 + plot_spacer() + p3 + plot_spacer()

不同的嵌套級別的占位大小不同

(p1 + plot_spacer() + p2) / (plot_spacer() + p3 + plot_spacer())

2.2 網格布局

如果沒有給出任何布局信息，會盡可能將圖形按照正方形網格進行排列，如果無法排列，則會使用啟發式的方法自動調整。

我們可以使用 plot_layout() 來控制行列數量，每個網格具有相同的大小

p1 + p2 + p3 + p4 + 
  plot_layout(ncol = 3)

使用 widths 可以控制相對寬度比

p1 + p2 + p3 + p4 + 
  plot_layout(widths = c(2, 1))

或者使用絕對大小，使用 heights 設置第一行高度為 5cm，第二行為剩下的區域

p1 + p2 + p3 + p4 + 
  plot_layout(widths = c(2, 1), heights = unit(c(5, 1), c('cm', 'null')))

2.3 非網格布局

對于非網格布局，你可能會想到使用嵌套的方式，但是這樣容易讓不同嵌套級別的圖形很難再對齊。另一種方式是，通過設計自定義布局來排列圖形。

有兩種自定義布局的方式，最簡單的就是使用文本表示，例如

layout <- "
##BBBB
AACCDD
##CCDD
"
p1 + p2 + p3 + p4 + 
  plot_layout(design = layout)

用 # 來表示空白區域，A-D 會根據添加的順序自動對應到圖形，也可以使用數字的方式

layout <- "
##2222
113344
##3344
"

一種更具編程性的方法是使用 area() 函數來構建布局

layout <- c(
  area(t = 2, l = 1, b = 5, r = 4),
  area(t = 1, l = 3, b = 3, r = 5)
)
p1 + p2 + 
  plot_layout(design = layout)

t、l、b、r 分別指定了圖形所占的上、左、下、右的網格，例如

layout <- c(
  area(1, 1),
  area(1, 3, 3),
  area(3, 1, 3, 2)
)

plot(layout)

也可以使用 wrap_plots() 函數來繪制，如果使用文本表示的布局，可以傳遞命名圖形的方式

layout <- '
A#B
#C#
D#E
'
wrap_plots(D = p1, C = p2, B = p3, design = layout)

2.4 固定縱橫比圖

當我們對具有固定縱橫比的圖圖形（如 coord_fixed()、coord_polar() 和 coord_sf() 創建的圖形）進行組合時，由于 widths 和 heights 參數值默認設置為 NA，自動調整圖形的大小看起來會比較奇怪

p_fixed <- ggplot(mtcars) + 
  geom_point(aes(hp, disp)) + 
  ggtitle('Plot F') + 
  coord_fixed()
p_fixed + p1 + p2 + p3

我們可以為 widths 設置值

p_fixed + p1 + p2 + p3 + plot_layout(widths = 1)

雖然其他圖片對齊的很好，但是固定縱橫比的圖片，為了維持大小比例，在某一方向上不再對齊了

2.5 嵌入圖形

前面的例子中，我們使用 area() 函數在網格布局中將一個圖形嵌入到另一個圖形中，還可以使用 inset_element() 函數將一個圖形或圖形對象嵌入到前一個圖形中，你可以將它放在前一個圖形區域的任何位置。

例如

p1 + inset_element(p2, left = 0.6, bottom = 0.6, right = 1, top = 1)

p1 + inset_element(p2, left = 0, bottom = 0.6, right = 0.4, top = 1, align_to = 'full')

默認定位使用的數值的單位為 npc，我們可以調整 1cm 的位置

p1 + inset_element(
  p2, 
  left = 0.5, 
  bottom = 0.5, 
  right = unit(1, 'npc') - unit(1, 'cm'), 
  top = unit(1, 'npc') - unit(1, 'cm')
)

2.6 控制圖例

通常，每幅圖及其圖例都是一個整體，我們可以使用 guides 參數來控制圖例的顯示方式，可選的值為

• auto：如果嵌套的上層嘗試收集圖例，則也會進行收集，否則，放置在圖形邊上
• collect：會將制定嵌套級別的圖例收集起來，并刪除重復的圖例。還可以是 keep
• keep：將圖例放置在對應的圖形邊上

例如

p1 + p2 + p3 + p4 +
  plot_layout(guides = 'collect')

((p2 / p3 + plot_layout(guides = 'keep')) | p1) + plot_layout(guides = 'collect')

對于存在重復圖例的組合圖形，我們可能想要刪除其中某一個，例如，對于如下圖形

p1a <- ggplot(mtcars) + 
  geom_point(aes(mpg, disp, colour = mpg, size = wt)) + 
  scale_colour_gradientn(colours = c("#66c2a5", "#fc8d62", "#8da0cb")) +
  ggtitle('Plot 1a')

p1a | (p2 / p3)

設置 guides = 'collect'

(p1a | (p2 / p3)) + plot_layout(guides = 'collect')

我們還可以使用 guide_area() 來添加圖例區域，其表現方式基本與 plot_spacer() 一樣，如果沒有設置 collect 形式，則與 plot_spacer() 一樣，如果設置了，則會將所有圖例繪制在該區域

p1 + p2 + p3 + guide_area() + 
  plot_layout(guides = 'collect')

3. 添加注釋和樣式

在組合完圖形之后，通常也需要添加一些注釋信息，像標題或其他文本注釋。patchword 提供了 plot_annotation() 函數用于添加注釋

patchwork <- (p1 + p2) / p3
patchwork + plot_annotation(
  title = 'The surprising truth about mtcars',
  subtitle = 'These 3 plots will reveal yet-untold secrets about our beloved data-set',
  caption = 'Disclaimer: None of these plots are insightful'
)

tag_level 參數用于控制標簽的格式，格式包括：

• 1：阿拉伯數字
• a：小寫字母
• A：大寫字母
• i：小寫羅馬數字
• I：大寫羅馬數字

patchwork + plot_annotation(tag_levels = 'A')

可以使用 theme() 函數來設置標簽的樣式

patchwork + 
  plot_annotation(tag_levels = 'A') & 
  theme(plot.tag = element_text(size = 8))

如果組合圖形是嵌套布局，則會遞歸的添加圖形標簽，可以設置多個標簽樣式

patchwork[[1]] <- patchwork[[1]] + plot_layout(tag_level = 'new')
patchwork + plot_annotation(tag_levels = c('A', '1'))

還可以設置標簽的分隔符、前綴和后綴

patchwork + plot_annotation(
  tag_levels = c('A', '1'), 
  tag_prefix = 'Fig. ',                            
  tag_sep = '.', 
  tag_suffix = ':'
)

patchwork + plot_annotation(
  tag_levels = c('A', '1'), 
  tag_prefix = 'Fig. ',                            
  tag_sep = '.', 
  tag_suffix = ':'
) & theme(plot.tag.position = c(0, 1),
          plot.tag = element_text(size = 8, hjust = 0, vjust = 0)
          )

可以為標簽設置序列，如果設置的序列不夠，后面的圖形標簽會設置為空

patchwork + 
  plot_annotation(tag_levels = list(c('#', '%'), '1'))

其他樣式都可以使用 theme() 函數來設置，比如，文本字體

patchwork + 
  plot_annotation(title = 'The surprising truth about mtcars',
                  theme = theme(plot.title = element_text(size = 18))) & 
  theme(text = element_text('mono'))