作者：戴維 · 卡爾&哈德利·威克姆
翻譯：李博
原文地址：ggmap: Spatial Visualization with ggplot2
PS：由于原文較長，故翻譯分為三次進(jìn)行。
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摘要：在空間統(tǒng)計(jì)中，數(shù)據(jù)可視化的實(shí)現(xiàn)，社會(huì)地標(biāo)和地理環(huán)境創(chuàng)建的疊加模型是非常有價(jià)值的，而ggmap就是一個(gè)可通過谷歌地圖中靜態(tài)地圖的空間信息，形象化展示的新工具，并通過 OpenStreet地圖，Stamen地圖或者CloudMade地圖，使用ggplot2實(shí)現(xiàn)分層制圖功能。
同時(shí)，還引入了幾個(gè)新的實(shí)用的函數(shù)，并允許用戶訪問谷歌地理編碼，距離矩陣和方向路線請(qǐng)求。其最終的結(jié)果是簡潔、易懂且模塊化的空間圖形框架，并介紹了一些方便的空間數(shù)據(jù)分析工具。
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00 - 簡要介紹
在R中，可視化空間數(shù)據(jù)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
值得慶幸的是，這項(xiàng)任務(wù)通過sp、RgoogleMaps和相關(guān)的數(shù)據(jù)包(Pebesman和Bivand，2006年；，Bivand等人，2008年；Loecher和柏林經(jīng)濟(jì)和法律學(xué)院，2013年)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和繪圖方法而變得更容易。
運(yùn)用這些方法，個(gè)人就可以繪制出(比如)一個(gè)包含多邊形區(qū)域數(shù)據(jù)的基本地理信息圖或引用數(shù)據(jù)點(diǎn)的點(diǎn)圖。然而，與專業(yè)的地理信息系統(tǒng)(GISs)，如ESRI的ArcGIS，可以在地圖和衛(wèi)星圖像上繪制出點(diǎn)，多邊形等，并可使用下拉菜單相比，我們這些可視化還是有不盡人意的地方。
本文詳細(xì)說明了使用ggplot2圖形實(shí)現(xiàn)的分層語法，以及從Google maps、OpenStreetMap、Stamen maps或CloudMade maps(Wickham、2009年、2010年)中獲得靜態(tài)地圖的相關(guān)信息，來實(shí)現(xiàn)在R中空間數(shù)據(jù)可視化的一些新方法。
比如使用名為ggmap的包就很容易上手。在描述ggmap的具體細(xì)節(jié)后，我們將展示其在德克薩斯州休斯頓市的暴力犯罪案件中的一些應(yīng)用，并對(duì)一些實(shí)用功能做了概述。
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01 - 在R中繪制空間數(shù)據(jù)
區(qū)域數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于具有多邊形邊界的地理區(qū)域數(shù)據(jù)。
一個(gè)典型的示例是每個(gè)郵政編碼的居民人數(shù)。若僅考慮單位面積的邊界， 我們習(xí)慣于在R中看到類似圖1(左)的區(qū)域圖。
圖1:一副典型的R區(qū)域圖——休斯頓地區(qū)的郵編(左)，同時(shí)，右邊是一副典型的R空間散點(diǎn)圖——2010年1月到2010年8月在休斯頓發(fā)生的謀殺案(右)。
雖然這些類型的圖很有用，但在很多情況下，并沒有我們想要的那樣翔實(shí)。比如，在繪制郵政編碼的時(shí)候，也應(yīng)該可以看到構(gòu)成地面單位邊界的主要道路和其它地標(biāo)（事實(shí)上沒有）。
點(diǎn)圖中引用空間數(shù)據(jù)的情況往往效果更差。由于我們無法輕松地對(duì)沒有任何背景信息的點(diǎn)的散點(diǎn)圖進(jìn)行上下文關(guān)聯(lián)，所以通常可以添加一些區(qū)域數(shù)據(jù)的重疊點(diǎn)——無論何種數(shù)據(jù)都可用。結(jié)果如圖1所示（右圖）。
在大多數(shù)情況下，這個(gè)圖形，對(duì)于在這個(gè)問題上研究了一段時(shí)間的人員來說是可以理解的，但對(duì)于讀者來說可能用處不大。
讀者必須努力將感興趣的數(shù)據(jù)與他們的位置相關(guān)聯(lián)。此外，還有許多被遺漏的細(xì)節(jié)——大多數(shù)事件發(fā)生在地標(biāo)x的東面還是西面？它們是集中在城市的繁華區(qū)域，還是傾向于在偏僻區(qū)域發(fā)生？類似這樣的問題用這些圖形來回答不了，原因是我們不考慮小規(guī)模的區(qū)域邊界（例如郵政編碼或普查區(qū)）。
但，通過努力，可以制作出更好的地圖，地圖工具，sp或RgoogleMaps等工具更為容易;事實(shí)上，ggmap的靈感來自于RgoogleMaps（Becker等，2013; Bivand和Lewin-Koh，2013）。
此外，最近在大量在R制圖中，出現(xiàn)了一種優(yōu)秀的交互式GUI驅(qū)動(dòng)的空間數(shù)據(jù)分析助推器包，該包基于Bing地圖（Fellows等人，2013）。ggmap在基于ggplot2繪制框架定位的各種靜態(tài)地圖的語境信息上，又邁出了一步。
其展示結(jié)果是簡潔，且大眾可接受的一種繪圖方式，并通過圖形框架的分層語法保持圖形的兼容性。其結(jié)果是類似圖2的空間圖。
圖2：使用qmplot函數(shù)進(jìn)行的Stamen Maps'terrain tile集合的空間散點(diǎn)圖，本文中介紹了函數(shù)的實(shí)驗(yàn)融合。
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02- 圖形的分層語法
使用ggplot2制作繪圖的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，ggplot2所基于的圖形分層語法（Wickham，2010; Wilkinson，2005）。
根據(jù)定義，分層語法要求每個(gè)圖由五個(gè)部分組成：
- 01.具有空間圖像（ aesthetic mappings）的默認(rèn)數(shù)據(jù)集
- 02.一個(gè)或多個(gè)圖層，每個(gè)圖層都具有幾何對(duì)象（“geom”），統(tǒng)計(jì)變換（“stat”）和具有空間圖像（可能默認(rèn)）的數(shù)據(jù)集）
- 03.每一個(gè)空間圖像都有一個(gè)范圍（可以自動(dòng)生成）
- 04.一個(gè)坐標(biāo)系
- 05.一個(gè)規(guī)范
由于ggplot2可以實(shí)現(xiàn)圖形的分層語法，所以使用ggplot2繪制的每個(gè)圖形都具有上述每個(gè)元素。因此，ggmap圖也具有這些元素，但是其某些元素被固定到地圖組件上：x軸為經(jīng)度，y軸為緯度，坐標(biāo)系被固定在墨卡托投影上。
使用分層語法繪制地圖的主要理論優(yōu)勢(shì)是坐標(biāo)尺度保持一致。在地圖涵蓋數(shù)據(jù)范圍的典型情況下，在ggmap中，緯度和經(jīng)度數(shù)值范圍會(huì)限定地圖（默認(rèn)情況下），以及坐標(biāo)軸上的刻度。每個(gè)圖層呈現(xiàn)的顏色，填充，阿爾法混合和其它建立在地圖之上的各個(gè)要素都保持了尺度的一致性。
語法的一致性對(duì)于分面圖同樣重要，目的是便于相同的要素在幾個(gè)圖中進(jìn)行恰當(dāng)?shù)谋容^。當(dāng)然，如果用戶指定的空間數(shù)據(jù)出了問題，那么比例尺寸同樣是有問題的，比如在同一張地圖中使用多個(gè)投影，而要修復(fù)這些錯(cuò)誤是困難的。
使用語法的優(yōu)點(diǎn)是你能做的更好。由于圖形在ggplot2中完成，所以用戶可以使用ggplot2的全部功能，繪制優(yōu)雅的可視內(nèi)容——幾何，統(tǒng)計(jì)，縮放等。在圖2中已經(jīng)看到這一點(diǎn)，qmplot的參數(shù)與ggplot2的qplot相同。
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03 -ggmap 的工作原理
ggmap的基本思路是使用下載的地圖圖像，使用ggplot2將其作為背景層，然后在地圖上繪制數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)信息或模型等圖層。
在ggmap中，這個(gè)過程被分成兩部分：
（1）下載圖像并對(duì)它們進(jìn)行格式化，使用get_map完成。
（2）使用ggmap完成繪圖。
qmap將這兩個(gè)函數(shù)結(jié)合起來，用于快速繪制繪圖（c.f. ggplot2的ggplot），并且qmplot嘗試將整個(gè)繪圖過程封裝成一個(gè)簡單的命令（c.f.ggplot2的qplot）。
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04 - get_map函數(shù)
在ggmap中，使用get_map函數(shù)完成地圖下載并格式化圖像，以進(jìn)行繪圖準(zhǔn)備。
更具體地說，get_map是get_googlemap，get_openstreetmap，get_stamenmap和get_cloudmademap的一個(gè)復(fù)合函數(shù)，它接受一系列廣泛的參數(shù)，并返回一個(gè)分類柵格對(duì)象，供ggmap繪圖使用。
由于地圖最大的且重要的是位置信息，所以get_map最為重要的參數(shù)是位置參數(shù)。
理想情況下，位置是指定地圖中心經(jīng)緯度，并附有參數(shù)的縮放。eg.從3到20的整數(shù)說明圍繞中心的空間范圍大小——3為陸地水平，而20為單一建筑水平，位置默認(rèn)為德克薩斯州休斯頓市中心，并且縮放到10倍，大致為城市規(guī)模。
當(dāng)經(jīng)緯度作為理想情況下的位置說明而使用時(shí)，可操作性不是很強(qiáng)。基于這個(gè)原因，位置也接受一個(gè)字符串，無論這個(gè)字符串是否包含了地址、郵編、或者專有名稱，都將通過編碼函數(shù)，為地圖中心賦予適當(dāng)?shù)慕?jīng)緯度坐標(biāo)。
換句話說，我們并不需要知道地圖中心精確地經(jīng)緯度坐標(biāo)，** get_map**能給于更為規(guī)范通俗的說明，從而輕松搞定。
例如：
>geocode("the white house")
lon lat
-77.03676 38.89784
文中“the white house”是一個(gè)具體位置，文章末尾有更多關(guān)于geocode和其它實(shí)用的函數(shù)的討論。
一些用戶發(fā)現(xiàn)了更為方便的邊界框規(guī)范，可代替中心/縮放規(guī)范，為了適應(yīng)這種形式的規(guī)范，位置還接受左/下/右/上四個(gè)長度數(shù)字向量的規(guī)范。目前此設(shè)置不適用于Google地圖。
然而每個(gè)地圖源都有它自己的Web應(yīng)用程序接口（API），在get_map文本中，通過計(jì)算適當(dāng)?shù)膮?shù)（如果需要）來定位/放大，并把它們傳遞給每個(gè)API的具體get_ *函數(shù)。
為確保不同來源的地圖，具有統(tǒng)一的位置/縮放的規(guī)格，get_map首先抓取適當(dāng)?shù)墓雀璧貓D，確定其邊界，然后下載所需要的其它地圖。
在 Stamen地圖和CloudMade Maps的情況下，這涉及到一個(gè)地圖合成過程（小的地圖圖片），然后合成將結(jié)果，裁剪為適當(dāng)邊界框圖。
從圖3（谷歌和開放街道地圖）中可以看到，四副地圖源規(guī)范一致的排列為單一圖形框。
baylor <- "baylor university"
qmap(baylor, zoom = 14)
qmap(baylor, zoom = 14, source = "osm")
上面的兩幅圖，get_map使用單一簡單的語法為Google Maps（上）和OpenStreetMaps（下）提供了相同的空間范圍，即使它們的API完全不同。
在涉及source和maptype參數(shù)之前，需要注意的是，get_map底層API特定的get_ *函數(shù)是一個(gè)包裝器，它提供了更廣泛的從各自的源下載的機(jī)制。
例如，get_googlemap可以訪問Google Static Maps API的全部范圍，如圖4所示。
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05 - get_map的source和maptype參數(shù)
使用不同的地圖源（Google Maps，OpenStreetMap，Stamen Maps和CloudMade Maps）最有吸引力的方面是，制作人提供的不同地圖樣式。
set.seed(500)
df <- round(data.frame(
x = jitter(rep(-95.36, 50), amount = .3),
y = jitter(rep( 29.76, 50), amount = .3)
), digits = 2)
map <- get_googlemap(’houston’, markers = df, path = df, scale = 2)
ggmap(map, extent = ’device’)
這些指定與get_map的maptype參數(shù)，并且必須與源參數(shù)一致。一些大的道路，其它水域，還有一些地理位置的邊界。有些更適合在黑白介質(zhì)中繪圖;別人只是很高興看。
本節(jié)將介紹ggmap中可用的各種地圖樣式。
谷歌提供了四中不同類型——地形（默認(rèn)），衛(wèi)星（例如圖13），路線圖和混合圖（例如圖12）。另一方面，OpenStreetMap只提供如圖3所示的默認(rèn)樣式。
Stamen地圖和CloudMade地圖真正的亮點(diǎn)是其風(fēng)格迥異。
Stamen Maps有三個(gè)可用的類型（類似于瓷磚） - 地形（例如圖2或13），水彩和調(diào)色劑（后兩個(gè)見圖5）
qmap(baylor, zoom = 14, source = "stamen", maptype = "watercolor")
qmap(baylor, zoom = 14, source = "stamen", maptype = "toner")
(圖5: Stamen tile sets maptype = "watercolor（水彩）" and maptype = "toner（調(diào)色劑）" )
Stamen的地形塊集與Google相似，但顯而易見的是，水彩和瓷磚組與四個(gè)Google瓷磚組中的任何一個(gè)都差異巨大。
例如，后者是黑白繪圖的理想選擇（圖5右）。
CloudMade地圖通過允許用戶（1）在數(shù)千個(gè)用戶設(shè)置中進(jìn)行選擇，或（2）使用簡單的在線編輯器創(chuàng)建一個(gè)全新的風(fēng)格，用戶可以指定顏色，線條等，從而進(jìn)一步獲得了瓷磚樣式（ tile styling ）。對(duì)于各種類型的道路，水路，地標(biāo)等，都由CloudMade生成，并可在ggmap中訪問。
ggmap，通過get_map（或get_cloudmademap）允許兩個(gè)選項(xiàng)。這是CloudMade Maps的一個(gè)獨(dú)特功能，它真正提升了它們的適用性，并擴(kuò)展了ggmap的發(fā)展前景。使用CloudMade Maps的一個(gè)小小的缺點(diǎn)是，用戶必須向CloudMade注冊(cè)以獲取API密鑰，然后將API密鑰通過api_key參數(shù)傳遞給get_map。 API密鑰是免費(fèi)的，可以在幾分鐘內(nèi)獲得。
圖6中可以看到兩個(gè)低光的CloudMade地圖樣式。請(qǐng)注意，地圖樣式僅適用于擁有它們的用戶。
Stamen Maps和CloudMade Maps都使用OpenStreetMap數(shù)據(jù)構(gòu)建。這些數(shù)據(jù)由開放社區(qū)的在線用戶提供，與維基百科創(chuàng)建方式大致相同——兩者都是免費(fèi)的，都是用戶貢獻(xiàn)的，兩者都易于編輯。
此外，OpenStreetMap不僅具道路和水域的數(shù)據(jù)，還包括個(gè)別建筑物，噴泉，停車標(biāo)志等細(xì)節(jié)。缺點(diǎn)是（像谷歌地圖）并不是所有的位置都具有相同的精確度，并且缺陷可能會(huì)在小型地圖時(shí)更為明顯。
（未完待續(xù)）......
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