R语言绘制平行坐标图(PCP)示例

前文在讲述

时提到了，它在某种形式上是平行坐标图(

parallel coordinate plot，PCP)的一种变体，那么本篇顺便提一下什么是平行坐标图。

平行坐标图是可视化高维几何和分析多元数据的常用方法。为了显示n维空间中的一组对象，绘制了由n条平行且等距分布的轴，并将n维空间中的对象表示为在平行轴上具有顶点的折线，顶点在第i轴上的位置对应于该对象的第i维变量数值。

尽管是折线图类型，但和普通的折线图是有区别的，平行坐标图不局限于描述单一趋势关系(如时间序列的不同时间点、反应底物的不同浓度梯度等)，可以为不同类型变量的数值描述。

然而平行坐标图的缺点在于，在数据非常密集时它们可能过于杂乱，导致难以辨认。解决此问题的通常做法是在图中突出显示感兴趣的对象或集合，同时淡化所有其它对象，这样就可以在滤除噪声的同时描述重要的部分。

并且，平行坐标图中，轴的排列顺序可能会影响对数据的理解方式，归因于相邻变量之间的关系比非相邻变量更容易理解。因此，对轴进行重新排序可以帮助发现变量之间的潜在模式或相关性。

此外，平行坐标图描述的大多数是数值变量的关系，而对于定性或分类变量比较勉强。相比之下，提供了对定性或分类变量关系的更好可视化方案。

考虑到实际应用中，平行坐标图的出现频率并不高，因此本篇不对该图作过多的阐述。主要是通过3个R包，MASS、plotly和GGally，大致展示一下平行坐标图的基本绘制方法，以对这种统计图有个初步认识。

示例数据集

iris数据集，记录了150朵鸢尾花的花朵性状测量值。

#数据集，详情 ?iris

data(iris)

head(iris)

这些鸢尾花来自三种物种，分别为setosa(n=50)、versicolor(n=50)和virginica(n=50)。

包含四种性状，分别为萼片长度(sepal length，cm)、萼片宽度(sepal width，cm)、花瓣长度(petal length，cm)和花瓣宽度(petal width，cm)。

接下来通过平行坐标图，描绘出三种鸢尾花的四种性状特征，在整体水平初步观测下它们之间的属性区别。

MASS包的平行坐标图

首先是MASS包，函数parcoord()可用于绘制平行坐标图，风格简洁朴素。

library(MASS)

#赋值组别(鸢尾花物种)颜色

iris[which(iris$Species == 'setosa'),'color']

iris[which(iris$Species == 'versicolor'),'color']

iris[which(iris$Species == 'virginica'),'color']

#绘制平行坐标图，详情 ?parcoord

parcoord(iris[1:4], col = iris$color, var.label = TRUE)

在图中初步观察后，可以明显看到三种鸢尾花在四种性状特征的组成上是明显不同的。

GGally包的平行坐标图

GGally包是ggplot2的拓展包，延续了ggplot2的语法，因此对于熟悉ggplot2的同学们来说，使用GGally包的可视化调整将会非常容易上手。

library(GGally)

#一个简单示例，后面的函数(颜色、主题、坐标轴调整等)和 ggplot2 的用法是一致的

#详情 ?ggparcoord

ggparcoord(iris, columns = 1:4, groupColumn = 5,

scale = 'uniminmax',

showPoints = TRUE, alphaLines = 0.3) +

scale_color_manual(values = c('#440154', '#36B677', '#FCE628')) +

theme_bw()+

theme(plot.title = element_text(size = 13)) +

labs(x = '')

同样地，在图中初步观察后，可以明显看到三种鸢尾花在四种性状特征的组成上是明显不同的。

此外，通过函数ggparcoord()作图时，提供了多种对变量的标准化方法，由此可以获得不同的表现风格，对于探索变量间潜在结构很有帮助。大家有兴趣可以通过在ggparcoord()中添加参数“scale=”测试下。

plotly包的平行坐标图

plotly包提供了交互式风格，如果期望从图中查看感兴趣的一组变量，。

library(plotly)

#以数值指代分组 id

iris[which(iris$Species == 'setosa'),'species_id']

iris[which(iris$Species == 'versicolor'),'species_id']

iris[which(iris$Species == 'virginica'),'species_id']

#绘制平行坐标图，详情 ?plot_ly

p

type = 'parcoords',

line = list(color = ~species_id,

colorscale = list(c(1, '#440154'), c(2, '#36B677'), c(3, '#FCE628'))),

dimensions = list(

list(range = range(iris$Sepal.Length), label = 'Sepal Length', values = ~Sepal.Length),

list(range = range(iris$Sepal.Width), label = 'Sepal Width', values = ~Sepal.Width),

list(range = range(iris$Petal.Length), label = 'Petal Length', values = ~Petal.Length),

list(range = range(iris$Petal.Width), label = 'Petal Width', values = ~Petal.Width))

)

p

同样地，在图中初步观察后，可以明显看到三种鸢尾花在四种性状特征的组成上是明显不同的。

plotly包的交互风格对于我们探索变量间潜在结构，以及识别重要的对象或者变量集合等很有帮助。