如何用R绘制地图

本文主要包含三种绘制地图的方法：绘制基础地图、基于空间数据格式(shapefile)绘制地图以及如何调用百度地图和谷歌地图的数据来绘制地图。

基础地图

方法

从map()包里获取地图数据，用geom_polygon()(可以用颜色填充)或者geom_path()(不能填充)绘制。

#install.packages(“ggplot2″)

#install.packages(“maps”)

library(ggplot2)

library(maps) # 为了获取数据

##

## # ATTENTION: maps v3.0 has an updated ‘world’ map. #

## # Many country borders and names have changed since 1990. #

## # Type ‘?world’ or ‘news(package=”maps”)’. See README_v3. #

# 美国地图数据

states_map <- map_data(“state”)

head(states_map)

## long lat group order region subregion

## 1 -87.46201 30.38968 1 1 alabama

## 2 -87.48493 30.37249 1 2 alabama

## 3 -87.52503 30.37249 1 3 alabama

## 4 -87.53076 30.33239 1 4 alabama

## 5 -87.57087 30.32665 1 5 alabama

## 6 -87.58806 30.32665 1 6 alabama

# geom_polygon()

ggplot(states_map, aes(x=long,y=lat,group=group)) +

geom_polygon(fill=”white”,colour=”black”) +

labs(title = “USA Map”)

# 中国地图

library(mapdata)

map(“china”, col = “red4″, ylim = c(18,54), panel.first = grid())

title(“China Map”)

# 世界地图数据

world_map <- map_data(“world”)

head(world_map)

## long lat group order region subregion

## 1 -69.89912 12.45200 1 1 Aruba

## 2 -69.89571 12.42300 1 2 Aruba

## 3 -69.94219 12.43853 1 3 Aruba

## 4 -70.00415 12.50049 1 4 Aruba

## 5 -70.06612 12.54697 1 5 Aruba

## 6 -70.05088 12.59707 1 6 Aruba

#sort(unique(world_map$region))

# 绘制指定区域的地图数据

# 绘制欧洲足球五大联赛所在地

euro <- map_data(“world”, region = c(“UK”,”France”, “Spain”,”Germany”, “Italy”))

ggplot(euro, aes(x=long, y = lat, group=group,fill=region)) +

geom_polygon(colour=”black”) +

scale_fill_brewer(palette = “Set2″) +

scale_y_continuous(limits=c(40,60)) +

scale_x_continuous(limits=c(-25,25)) +

labs(title = ” Euorpe’s Big Five Football Leagues”)

绘制等值区域图

当我们创建一个地图后，如果根据变量值对不同区域填充不同的颜色呢?

方法

很简单，只要把变量值和地图数据合并在一起，然后把一个变量映射到fill上就可以了。

head(USArrests) # 1973年的数据

## Murder Assault UrbanPop Rape

## Alabama 13.2 236 58 21.2

## Alaska 10.0 263 48 44.5

## Arizona 8.1 294 80 31.0

## Arkansas 8.8 190 50 19.5

## California 9.0 276 91 40.6

## Colorado 7.9 204 78 38.7

crimes <- data.frame(state= tolower(rownames(USArrests)), USArrests)

# 合并数据集

crime_map <- merge(states_map,crimes,by.x=”region”,by.y = “state”)

# head(crime_map)

library(plyr) # 加载数据清洗软件包

##

## Attaching package: ‘plyr’

##

## The following object is masked from ‘package:maps':

##

## ozone

# 按照 group, order排序

crime_map <- arrange(crime_map,group,order)

# head(crime_map)

ggplot(crime_map, aes(x=long,y=lat, group = group, fill = Assault)) +

geom_polygon(colour = “black”) +

coord_map(“polyconic”) +

labs(title = “USA Map”)

# 更改配色

ggplot(crimes, aes(map_id = state, fill = Assault)) +

geom_map(map = states_map, colour = “black”) +

scale_fill_gradient(low=”#FFFFFF”, high = “#BB4444″) +

expand_limits(x = states_map$long, y = states_map$lat)

对于犯罪率这个指标，从上图可以看出采用连续取值的方法无法很好地反映出信息，这时采用离散取值反而更容易解释。

# 离散颜色标度

qa <- quantile(crimes$Assault, c(0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0))

qa

## 0% 20% 40% 60% 80% 100%

## 45.0 98.8 135.0 188.8 254.2 337.0

# 新增一个分位数类别变量

crimes$Assault_q <- cut(crimes$Assault, qa, labels = c(“0-20%”, “20-40%”,”40-60%”,

“60-80%”, “80-100%”),

include.lowest = TRUE)

states <- ddply(states_map, .(region),summarise, lat = mean(lat,na.rm = TRUE),

long = mean(long,na.rm = TRUE))

crimes <- merge(crimes, states, by.x = “state”, by.y = “region”)

# 绘制离散分类地图

p <- ggplot(crimes, aes(map_id = state, fill = Assault_q)) +

geom_map(map = states_map, colour = “black”) +

scale_fill_brewer(palette = “Set2″) +

expand_limits(x = states_map$long, y =states_map$lat) +

coord_map(“polyconic”) +

labs(fill=”Assault Rate\nPercentile”, title = “USA Map”)

p

# 加入州名对应的标签

p + geom_text(aes(x=long,y=lat,label=state),size=3,colour=”black”) +

theme_bw() +

xlab(“long”) + ylab(“lat”)

# 如果你想去掉网格线和坐标框，那么接着往下翻!

# 创建空白背景地图

theme_clean <- function(base_size=12){

require(grid)

theme_grey(base_size)

theme(

axis.title = element_blank(),

axis.text = element_blank(),

panel.background = element_blank(),

panel.grid = element_blank(),

axis.ticks.length = unit(0, “cm”),

axis.ticks.margin = unit(0, “cm”),

panel.margin = unit(0, “lines”),

plot.margin = unit(c(0,0,0,0), “lines”),

complete = TRUE

)

}

p + theme_clean()

## Loading required package: grid

基于空间数据格式(shapefile)创建地图

ESRI公司的Shapefile文件是描述空间数据的几何和属性特征的矢量数据结构的一种格式。 一个Shapefile文件最少包括三个文件：主文件(.shp):存储地理要素的几何图形的文件; 索引文件(.shx):存储图形要素与属性信息索引的文件; dBASE表文件(*.dbf):存储要素信息属性的dBase表文件。

除此之外还有可选的文件包括：空间参考文件(.prj), 几何体的空间索引文件(.sbn 和 .sbx), 只读的Shapefiles的几何体的空间索引文件(.fbn 和 .fbx), 列表中活动字段的属性索引(.ain 和 .aih), 可读写Shapefile文件的地理编码索引(.ixs), 可读写Shapefile文件的地理编码索引(.mxs), dbf文件的属性索引(.atx), 以XML格式保存元数据(.shp.xml), 用于描述.dbf文件的代码页,指明其使用的字符编码的描述文件(*.cpg)。

需要注意的是，主文件是一个直接存取，变长记录的文件，其中每个记录描述一个实体的数据，我们称之为称为shape。

下面这个网站中可以下载全球各个国家完整的shapefile格式数据： shapefile数据下载网站

备注：慎用中国地图数据!

方法

利用maptools()包中的readShapePoly()载入空间数据文件，用fortify()把数据转化成数据框的格式，然后画图。

library(maptools)

## Loading required package: sp

## Checking rgeos availability: TRUE

setwd(“~/Desktop/dataset/map”)

# 载入空间数据并转化成数据框

china_shp <- readShapePoly(“china/bou2_4p.shp”)

# 返回一个 SpatialPolygonsDataFrame 对象

# str(china_shp)

china_map <- fortify(china_shp)

## Regions defined for each Polygons

# 绘制中国地图

p <- ggplot(china_map, aes(x = long, y = lat, group = group)) +

geom_path() +

labs(title = “China Map”)

# 绘制空白背景的地图

p + theme_clean()

这里我们只利用了shapefile中最基本的边界信息，还没有对地理信息数据进行更进一步的分析。我们还可以将不同格式的地理数据整合起来，例如如何在上面的地图上绘制出我国的铁路、水系分布等内容。

调用百度地图和谷歌地图的数据

接下来，我将介绍如何从百度地图和谷歌地图中获取心仪的地图数据信息。

百度地图

library(devtools)

#install_github(“badbye/baidumap”)

library(baidumap)

# 随便输入几个经纬度坐标

lon = matrix(c(117.93780, 24.55730, 117.93291, 24.57745, 117.23530, 24.64210,

117.05890, 24.74860), byrow=T, ncol=2)

# 将经纬度坐标转换成真实地理信息

location = getLocation(lon, formatted = T)

location

## lon=117.9378;lat=24.5573 lon=117.93291;lat=24.57745

## “福建省厦门市海沧区坂南路” “福建省厦门市海沧区大溪路”

## lon=117.2353;lat=24.6421 lon=117.0589;lat=24.7486

## “福建省漳州市南靖县” “福建省漳州市南靖县X607″

# 获取厦门大学经纬度坐标，返回json格式文件

getCoordinate(‘厦门大学’) # json

## 厦门大学

## “{\”status\”:0,\”result\”:{\”location\”:{\”lng\”:118.10229694322,\”lat\”:24.442898974406},\”precise\”:0,\”confidence\”:30,\”level\”:\”商圈\”}}”

ad <- getCoordinate(‘厦门大学’, formatted = TRUE)

names(ad) <- NULL

# 绘制地图

# 自己修改了一些参数，并将修改后的package挂在github上，所以我选择从github上安装ggmap包。

# install_github(“fibears/ggmap”)

library(ggmap)

p <- getBaiduMap(“厦门市思明区”,zoom = 12)

## Map from URL : http://api.map.baidu.com/staticimage?width=400&height=400¢er=118.13453488213,24.468728076403&zoom=12&scale=2

ggmap(p) +

geom_point(aes(x=ad[1], y =ad[2]))

当当当，奇迹发生了——厦门大学位于海中央!这是因为谷歌地图和百度地图经纬度坐标存在一定的偏差， 而getBaiduMap()软件包的作者利用了ggmap()包中坐标转换的思想，这导致最终绘制出来 的图形不准确。因此，我们还是考虑转入谷歌阵营。

谷歌地图

首先介绍一个概念：火星坐标系统

火星坐标系统是一种国家保密插件，也叫做加密插件或者加偏或者SM模组，其实就是对真实坐标系统进行人为的加偏处理，按照特殊的算法，将真实的坐标加密成虚假的坐标，而这个加偏并不是线性的加偏，所以各地的偏移情况都会有所不同。而加密后的坐标也常被人称为火星坐标系统。

所有的电子地图、导航设备，都需要加入国家保密插件。第一步，地图公司测绘地图，测绘完成后，送到国家测绘局，将真实坐标的电子地图，加密成“火星坐标”，这样的地图才是可以出版和发布的，然后才可以让GPS公司处理。第二步，所有的GPS公司，只要需要汽车导航的，需要用到导航电子地图的，都需要在软件中加入国家保密算法，将COM口读出来的真实的坐标信号，加密转换成国家要求的保密的坐标。这样，GPS导航仪和导航电子地图就可以完全匹配，GPS也就可以正常工作了。

由于谷歌地图被GFW屏蔽了，所以想调用其API需要翻墙。

主要有以下几个步骤：

安装SSLedge

在RStudio中更改proxy

首先，我们先简单认识下http和https：

http是普通超文本协议，其信息室明文传送，而https就是安全超文本传输协议，需要证书和提供安全连接，https是嵌套了SSL加密的http连接，其内容会由SSL先加密，然后再传送。

为了更方便地使用网络，我将只使用https代理，对于Http类型的网站使用直接连接的方式。

# 查看信息

Sys.getenv()

# 两种方式设置proxy

# 利用Sys.setenv()

Sys.setenv(https_proxy=”https://user:password@ip:port”)

# 修改.Renviron 文档

接下来我们来看看如何调用谷歌地图的API来绘图。

# 可以直接在cran中下载package

# install_github(“fibears/ggmap”) # 自己修改了部分链接代码，所以我选择从github下载

# library(ggmap)

setwd(“~/Desktop/dataset/others”)

# 获取坐标及地图数据

ad1 <- as.numeric(geocode(“福建省厦门市思明南路422″,source = “google”))

## Information from URL : https://maps.googleapis.com/maps/api/geocode/json?address=%E7%A6%8F%E5%BB%BA%E7%9C%81%E5%8E%A6%E9%97%A8%E5%B8%82%E6%80%9D%E6%98%8E%E5%8D%97%E8%B7%AF422&sensor=false

xmu <- get_map(“厦门市思明区”,zoom = 13, maptype = “roadmap”)

## Map from URL : https://maps.googleapis.com/maps/api/staticmap?center=%E5%8E%A6%E9%97%A8%E5%B8%82%E6%80%9D%E6%98%8E%E5%8C%BA&zoom=13&size=640×640&scale=2&maptype=roadmap&language=en-EN&sensor=false

## Information from URL : https://maps.googleapis.com/maps/api/geocode/json?address=%E5%8E%A6%E9%97%A8%E5%B8%82%E6%80%9D%E6%98%8E%E5%8C%BA&sensor=false

ggmap(xmu, extent = “normal”) +

geom_point(aes(x=ad1[1], y =ad1[2]))

需要注意的是，利用geocode函数检索经纬度数据时，最好选择使用道路数据，这样可以提高检索的准确率。

最后引用肖凯大神博客中的一个案例：本例是从地震信息网获取最近一周的地震数据，得到其经纬度，然后以散点形式绘制在google地图上，同时也显示地震发生的密度估计。

# 加载扩展包

# install.packages(“animation”)

# install.packages(“XML”)

library(ggmap)

library(animation)

library(XML)

# 从网页上抓取数据，并进行清理

webpage <-‘http://data.earthquake.cn/datashare/globeEarthquake_csn.html’

tables <- readHTMLTable(webpage,stringsAsFactors = FALSE)

raw <- tables[[6]]

data <- raw[-1,c(‘V1′,’V3′,’V4′)]

names(data) <- c(‘date’,’lan’,’lon’)

data$lan <- as.numeric(data$lan)

data$lon <- as.numeric(data$lon)

data$date <- as.Date(data$date, “%Y-%m-%d”)

# 用ggmap包从google读取地图数据，并将之前的数据标注在地图上。

ggmap(get_googlemap(center = ‘china’, zoom=4,maptype=’terrain’),extent=’device’) +

geom_point(data=data,aes(x=lon,y=lan),colour = ‘red’,alpha=0.7) +

stat_density2d(aes(x=lon,y=lan,fill=..level..,alpha=..level..),

size=2,bins=4,data=data,geom=’polygon’)+

theme(legend.position = “none”)

## Map from URL : https://maps.googleapis.com/maps/api/staticmap?center=china&zoom=4&size=640×640&scale=2&maptype=terrain&sensor=false

## Information from URL : https://maps.googleapis.com/maps/api/geocode/json?address=china&sensor=false

## Warning: Removed 47 rows containing non-finite values (stat_density2d).

## Warning: Removed 47 rows containing missing values (geom_point).

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