R_3D图(二)

作者： 李誉辉

四川大学在读研究生 

前言

这篇是plot3D包绘图系列之二，前一篇请戳： R_3D图(一) ，后面的章节会出3D柱形图，函数绘图，三维散点图等。敬请期待，做教程狠费精力的，别忘了点赞和转发。谢谢。

2 辅助函数

2.1 色板 xxx.col()

• jet.col() 产生matlab类型的颜色

• jet2.col() 与jet.col类似，但是缺少深蓝色色段。

• gg.col() ( 产生ggpot2类型的颜色

• gg2.col() 产生ggplot2类型的颜色

• ramp.col() 通过插值产生颜色向量，离散色板连续化

• alpha.col() 产生不同透明度的颜色向量

plot3D内置色板

library(ggforce)

require(plot3D)

library(scales)



show_col(jet.col(n = 10, alpha = 0.5))

show_col(jet2.col(n = 10, alpha = 0.5))

show_col(gg.col(n = 10, alpha = 0.5))

show_col(gg2.col(n = 10, alpha = 0.5))

show_col(ramp.col(col = c("green", "magenta"), n = 10, alpha = 0.5))

show_col(alpha.col(col = "magenta", alpha = seq(from = 0, to = 1, by = 0.1)))

2.2 colkey() 图例

colkey (col = NULL, clim, clab = NULL, clog = FALSE, add = FALSE,   

        cex.clab = NULL, col.clab = NULL, side.clab = NULL,   

        line.clab = NULL, adj.clab = NULL, font.clab = NULL,  

        side = 4, length = 1, width = 1, dist = 0, shift = 0,   

        addlines = FALSE, breaks = NULL, at = NULL, labels = TRUE, tick = TRUE,  

        line = NA, pos = NA, outer = FALSE, font = NA, lty = 1, lwd = 1,   

        lwd.ticks = 1, col.axis = NULL, col.ticks = NULL, col.box = NULL,  

        hadj = NA, padj = NA, cex.axis = par("cex.axis"),  

        mgp = NULL, tck = NULL, tcl = NULL, las = NULL)   

参数解释：

整个图例：

• side, 表示指定图例位置，c(1 = “bottom”, 2 = “left”, 3 = “top”, 4 = “right”)。

• add, 表示是否将图例添加到现有图的边缘位置。FALSE则置于新图的中间。处于中间时，很多参数无法起作用。

• dist, 表示指定图例与边缘的距离，正数表示靠近边缘，负数表示远离边缘。

  合理的范围是[-0.5, 0.05]。 当add = FALSE时失效。

• shift, 运动方向与dist垂直，当side=2或4时，正数表示向上移动。

  当length = 1时，不能使用，合理的值应该是[-0.2, 0.2]。同样add = FALSE时失效。

图例标题：

• clab, 表示指定图例 标题内容 ，默认跟主标题在同一水平面上。 可以是 多个 标题内容，

• cex.clab, 表示指定图例标题的尺寸大小，默认与轴标题一样大。

• col.clab, 表示制定图例标题颜色，默认与主标题同一颜色。

• side.clab, 表示指定图例标题 环绕 箱体的相对位置，默认与主标题一致，

  c(1 = “bottom”, 2 = “left”, 3 = “top”, 4 = “right”)

• adj.clab, 表示图例标题相对图例箱体 两端 的位置，从0(左)到1(右)，默认0.5中间。

• line.clab, 表示指定图例标题与图例箱体之间的 距离 ，默认line.clab = 1.75 。

• font.clab, 表示指定图例标题字型，1表示常规体，2表示粗体，3表示斜体，4表示粗斜体。中文失效。

图例箱体：

• col, 表示指定图例颜色色板，默认 jet.col() 即红黄蓝色板。

• length, 表示指定图例箱体的相对长度，1表示等于坐标轴长度。

• width, 表示指定图例箱体的相对宽度。

• addlines, 表示是否增加分箱线，默认FALSE图例不增加。

• col.box, 表示指定图例箱体边框颜色。默认为黑色。

图例刻度及刻度标签：

• clim, 表示图例刻度范围值。无图时默认(0, 1) 表示全部范围。 可以是 反区间

• clog, 表示图例刻度是否 对数变换 。

• col.axis, 表示图例坐标轴刻度标签颜色。

• col.ticks, 表示图例刻度线颜色。

• breaks, 为数字向量，表示图例刻度断点，默认等距增序排列，无序向量会被自动排序。

• at, labels, tick, line, pos, outer, font, lty, lwd, lwd.ticks,

  hadj, padj, cex.axis, mpg, tck, tcl, las, 表示其它控制图例刻度的参数。

require(plot3D)



colkey(side = 1,  add = FALSE,  # 图例置于底部，不置于绘图对象，

       clab = "z", col.clab = "red", adj.clab = 0, # 图例标题颜色为红色，图例标题位置居左。

       clim = c(0, 1))  # 刻度范围从0到1，



colkey(side = 3, add = FALSE, clab = "z轴", # 图例置于顶部，不置于绘图对象

       col.clab = "blue", adj.clab = 0.5, line.clab = 5, # 标题蓝色，相对两端居中，距离箱体为5个单位。

       cex.clab = 3, clim = c(0.8, 0.2), # 标题文字尺寸为3个单位，刻度范围从0.8到0.2

       clog = TRUE)# 图例刻度对数变换，



colkey(side = 2,  add = FALSE,  # 图例置于左边

       length = 0.5, width =1.5,  # 图例箱体长度减半。图例箱体宽度增大。

       clab = "我是图例",col.clab = "magenta", adj.clab = 0, # 标题颜色洋红，居于箱体一端

       clim = c(0, 1), breaks = c(0, 0.1, 0.3, 0.4, 0.8, 1)) # 修改刻度断点，结果显示图例刻度等距排列





colkey(side = 4,   # 修改图例色板, 默认add=FALSE

       col = gg2.col(), clab = c("I am legend", "单位" ), # 修改箱体颜色色板，多个图例标题

       col.box = "pink", # 箱体边框颜色为紫色

       side.clab = 1, line.clab = 1, font.clab = 3, # 标题环绕箱体居于底部，距离箱体1个单位，字体斜体。

       clim = c(1e-6, 1), clog = TRUE, col.axis = "magenta", col.ticks = "green", # 刻度对数变换

       addlines = TRUE) # 增加图例分箱线

2.3 perspbox() 画box

perspbox() 画box及对应的labels,

语法：

perspbox (x = seq(0, 1, length.out = nrow(z)),   

          y = seq(0, 1, length.out = ncol(z)), z,   

          bty = c("b", "b2", "f", "g", "bl", "bl2", "u", "n"),  ...,   

          col.axis = "black", col.panel = NULL, lwd.panel = 1,                      

          col.grid = NULL, lwd.grid = 1,   

          phi = 40, theta = 40, col = NULL,  

          colkey = NULL, plot = TRUE)  

参数解释：

• x, y, 表示x, y坐标向量，需要比box内的对象范围更大。

• z, 表示z轴坐标，可以是向量或矩阵。

  如果z是矩阵，则必须满足

• nrow(z) = length(x) ,  ncol(z) = length(x) 。

• bty, 表示指定box类型，只有当 persp() 中 box = TRUE 才有效， bty = c(“b”, “b2”, “f”, “g”, “bl”, “bl2”, “u”, “n”)其中之一。

  只有当 bty="u" 时，col.axis, col.panel, lwd.panel, col.grid, lwd.grid才不会被忽略。

  bty="f" 表示full box, 所有panels都显示并透明， 与 persp() 默认一样。

  bty="b" 表示仅仅背景panels(3个panel)可见，  bty="b2" 表示仅仅背景panels和grid可见。相当于“b1”和 grid = "grey" 的组合。

  bty="bl" 表示仅仅黑色背景， 相当于: col.panel = “black”, col.axis = “grey”, lwd.grid = 2和col.grid = “white”。

  bty="bl2" 表示仅仅黑色背景和grid线。

  bty="g" 表示仅仅灰色背景和白色grid线。

  相当于：col.panel = grey(0.95), col.axis = “grey”, lwd.grid = 2和col.grid = “white”。

  bty="u" 表示手动指定参数col.axis, col.panel, lwd.panel, col.grid, lwd.grid。

  bty="n" 表示不显示box, 相当于 persp() 中 box=FALSE 。

• col.axis, 表示指定坐标轴颜色

• col.panel, 表示指定坐标轴panel颜色

• col.grid, 表示指定grid颜色

• lwd.panel, 表示指定panel border宽度。

• lwd.grid, 表示grid线宽

• theta, phi, 表示指定观察方向，与 persp() 中一样。

• col, 表示指定colvar变量的颜色, 仅仅用于评估是否应该绘制图例。

• colkey, 为逻辑值或NULL(默认)，或一个与 colkey() 中参数组成的列表用于绘制图例，

• plot, 为逻辑值，TRUE(默认)则绘制box， FALSE则返回转换矩阵数据。

• …, 其它传递给 persp() 的参数， 如：xlim, ylim, zlim, xlab, ylab, zlab, main, sub, r, d,

  scale, expand, box, axes, nticks, ticktype, 只有scale和expand参数会影响坐标轴的尺寸。

require(plot3D)



par(mfrow = c(2, 2), mar = c(1, 1, 1, 1)) # 多图排版，2*2矩阵排列



# b类型box

perspbox(z = volcano, bty = "b", ticktype = "detailed", d = 2, # d=2>1降低透视度强度

          main  = "bty = 'b'") # 增加标题



# f类型box，与persp()函数默认一样

perspbox(z = volcano, bty = "f", ticktype = "detailed", # ticktype="detailed"表示显示坐标轴刻度及标签

          d = 2, main  = "bty = 'f'") # 增加标题



# b2类型box, 背景panel与灰色grid

perspbox(z = volcano, bty = "b2", ticktype = "detailed", 

          d = 2, main  = "bty = 'b2'") # 增加标题



# g类型box, 类似ggplot2()默认风格，灰色背景和白色grid，

perspbox(z = volcano, bty = "g", 

          d = 2, main  = "bty = 'g'") # 增加标题



# 自定义box类型， bty = "u"

par(mfrow = c(1, 1))



perspbox(z = diag(2), bty = "u", ticktype = "detailed", 

          col.panel = "cyan", col.axis = "magenta",  # panels颜色为cyan，坐标轴颜色为洋红

          lwd.panel = 8, lwd.grid = 2, # 指定panel宽度为8，grid宽度为2

          scale = FALSE, expand = 0.4, 

          col.grid = "pink", main = "user-defined") # grid颜色为粉红色

2.4 mesh()

mesh (x, y, z = NULL) 用于绘制2维或3维的网格数据。

本身并不产生图形，通过with后处理产生网格坐标信息，与向量外积计算结果相同。

但外积只能用于2个向量计算，而 mesh 和 with 可以用于3个向量计算。

返回1个列表，包含x,y,z三个数组。

参数解释：

• x,y,z为向量，任意长度。

2.4.1 二维网格

library(plot3D)



x <- c(-1 , 0, 1)

y <- 1 : 4 # x,y长度不等



# 2维网格

M <- mesh(x, y)

class(M); # 结果为列表，元素为x,y



# 使用with函数计算，因为是二维数据源，所以返回一个矩阵

V <- with (M, x/2 * sin(y)); class(V)



# 与向量外积计算结果一样

V2 <- outer(x, y, FUN = function(x, y) x/2*sin(y)) # outer内的Fun参数与with内的Fun参数一致

2.4.2 三维网格

library(plot3D)



x <- y <- z <- c(-1, 0, 1)



# 三维网格

M <- mesh(x, y, z)

class(M)  # 返回列表



# with后处理，返回1个数组

V <- with(M, x/2 * sin(y) * sqrt(z + 2))

class(V)



# 使用坐标数据绘制三维散点图

scatter3D(M$x, M$y, M$z, colvar = V, pch = "G", cex = 2, colkey = FALSE)  # pch点型还可以指定字符，cex大小

2.5 tran3D() 与 tran3d()

构建转换空间。使用pmat参数将一个绘图对象转换为转换空间

tran3d() 属于grDevices包。

tran3d() 可以查看小节： #基础图形中,##三维地形图 persp() ,### tran3d() 上添加几何对象

tran3D() 如下：

library(plot3D)

x <- y <- z <- c(-1, 0, 1)

# 构建三维网格

M <- mesh(x, y, z)

pmat <- scatter3D(M$x, M$y, M$z, pch = "+", cex = 3, colkey = FALSE)

# 构建转换空间，

XY <- trans3D(x = c(-1, 1), y = c(-1, 1), z = c(-1, 1), pmat = pmat)  # x, y, z表示坐标范围

# 在转换空间中添加线

lines(XY, lwd = 2, col = "blue")

2.6 plotdev() , getplist() 等

• getplist() 查询上一个绘图对象的参数组成的列表

• seplist() 保留更改后的列表参数。

• plotdev() 绘制更改参数后的绘图对象。

  也可以直接更改观察角度，光照角度等参数。

  还可以设定图形对象的显示范围。

• selectplist() 筛选列表中的部件，根据自定义函数筛选， 可以筛选部件，也可以筛选图形显示范围。

  比较复杂，

2.6.1 getplist() 与 setplist()

library(plot3D)



# 随便绘个图

coord_2 <- data.frame(x = c(1, 4, 6, 2), y = c(1, 3, 7, 4), z = c(1, 1, 3, 3))

polygon3D(coord_2$x, coord_2$y, coord_2$z, col = "cyan", alpha = 0.5, border = "magenta", 

    lwd = 4)



# getplist函数检索绘图绘图参数列表

plist <- getplist()



names(plist)  # 打印列表元素名称

plist$poly  # 列表索引



# 手动更改列表中参数，由于R的深copy对象，plist并没有更改，而是更改复制的对象

plist$poly$col <- "magenta"  # 更改网格面颜色

plist$poly$border <- "cyan"  # 更改网格边框颜色



# setplist更新列表参数，这是才保留更改plist列表中的参数

setplist(plist)



# 绘图参数更改的绘图对象

plotdev()

2.6.2 selectplist()

library(plot3D)



# 绘制很多个图层的图

set.seed(421)

polygon3D(runif(10), runif(10), runif(10), col = "red", alpha = 0.2, plot = FALSE, 

    ticktype = "detailed", xlim = c(0, 1), ylim = c(0, 1), zlim = c(0, 1))



set.seed(422)

polygon3D(runif(10) * 0.5, runif(10), runif(10), col = "yellow", alpha = 0.2, 

    plot = FALSE, add = TRUE)



set.seed(423)

polygon3D(runif(10) * 0.5 + 0.5, runif(10), runif(10), col = "green", alpha = 0.2, 

    plot = FALSE, add = TRUE)



set.seed(424)

points3D(runif(10), runif(10), runif(10), col = "blue", add = TRUE, plot = FALSE)



set.seed(425)

segments3D(x0 = runif(10), y0 = runif(10), z0 = runif(10), x1 = runif(10), y1 = runif(10), 

    z1 = runif(10), colvar = 1:10, add = TRUE, lwd = 3)



# 索引绘图参数列表

plist <- getplist()

names(plist)

# 自定义筛选部件和显示范围的函数

SS <- function(x, y, z) {

    sel <- rep(TRUE, length.out = length(x))

    sel[x < 0.5] <- FALSE  # 删除x<0.5的数据

    return(sel)

}



# 打印更改绘图对象，调用更改参数的函数。

plot(x = selectplist(plist, SS), xlim = c(0, 1), ylim = c(0, 1), zlim = c(0, 

    1))

2.6.3 plotdev()

plotdev(...) 对已经存在的绘图对象进行缩放，切换视角，更改显示范围，更改透明度和阴影等处理。

参数解释：

* theta, phi, xlim, ylim, zlim, d, r, scale, expand,与 persp() 中一致。

require(plot3D)



par(mfrow = c(2, 2), mar = c(2, 2, 2, 2))  # 多图排版，2*2矩阵排列



# 创建数据

x <- seq(1, nrow(volcano), by = 2)

y <- seq(1, ncol(volcano), by = 2)

V <- volcano[x, y]



# 创建绘图对象

persp3D(z = V, col = ramp.col(col = c("cyan", "magenta"), n = 102, alpha = 1))



# 旋转

plotdev(theta = 0)



# 对曲面打光，设定打光方向，设定透明度

plotdev(lighting = TRUE, lphi = 90, alpha = 0.6)



# 局部放大： 就是设定局部的显示范围，更改视角

plotdev(xlim = c(0.2, 0.6), ylim = c(0.2, 0.6), phi = 60)

#循环绘制多个视角

require(plot3D)



par(mar = c(2, 2, 2, 2))



# equation of a sphere

M <- mesh(seq(0, 2 * pi, length.out = 100), -seq(0, pi, length.out = 100))

u <- M$x

v <- M$y



x <- cos(u) * sin(v)

y <- sin(u) * sin(v)

z <- cos(v)



# 画第一个图层

surf3D(x, y, z, colvar = z, theta = 45, phi = 20, bty = "b", col = ramp.col(col = c("cyan", 

    "magenta"), n = 102, alpha = 1), xlim = c(-1.5, 1.5), ylim = c(-1, 2), zlim = c(-1.5, 

    1.5), plot = FALSE)



# 增加1个图层，相当于第一个图层中的图形对象向y轴正向偏移1个单位

surf3D(x, y + 1, z, colvar = z, add = TRUE, col = ramp.col(col = c("cyan", "magenta"), 

    n = 102, alpha = 1), facets = FALSE, plot = FALSE)



# 定义一个平面：z=0

Nx <- 100

Ny <- 100



x <- seq(-1.5, 1.5, length.out = Nx)

y <- seq(-1, 2, length.out = Ny)



# 在z=0处绘制一个平面，给现有的绘图对象增加图层

image3D(x = x, y = y, z = 0, add = TRUE, colvar = NULL, col = "green", facets = TRUE, 

    plot = FALSE)



# 定义一个平面：y=0

x <- seq(-1, 1, length.out = 50)

z <- seq(-1, 1, length.out = 50)



# 在y=0处绘制一个平面，给现有的绘图对象增加图层

image3D(x = x, y = 0, z = z, colvar = NULL, add = TRUE, col = NA, border = "green", 

    facets = TRUE, plot = TRUE)  # plot = TRUE,最后一个图层绘制后才一起显示出来    





# 循环绘制不同视角的图形，共36个图形 for (angle in seq(0, 360, by = 10))

# plotdev(theta = angle)

····

往期精彩：

R_插值_拟合_回归_样条

R_circlize包_和弦图（一）

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R_ggplot2基础（一）

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····

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