如何在不规则网格上使用ggplot2绘制地图等高线?

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很抱歉这是一大段文字,但我会解释问题,包括数据,并提供一些代码 :)

问题:

我有一些气候数据,想要使用R进行绘图。我正在处理的数据是不规则的277x349网格,其中(x=经度,y=纬度,z=观测值)。假设z是一个压力测量值(500 hPa高度(m))。我尝试使用ggplot2包在地图上绘制轮廓线(或等压线),但由于数据结构的原因,我遇到了一些问题。

数据来自于一个Lambert等角投影的正常、均匀间隔的277x349网格,对于每个网格点,我们都有实际的经度、纬度和压力测量值。它是在投影上的一个规则网格,但如果我将数据作为地图上的点绘制出来,使用记录观测值的实际经度和纬度,我会得到以下结果:

Map 1

我可以通过将最右边的部分向左移动一点来使它看起来更好(也许可以用一些函数来完成这个操作,但我手动完成了这个操作),或者忽略最右边的部分。这是将右边的部分向左平移后的图:

Map 2

(旁注)只是为了好玩,我尽力重新应用原始投影。我从数据源中获得了一些应用投影的参数,但我不知道这些参数的含义。此外,我不知道R如何处理投影(我确实阅读了帮助文件...),所以这个图是通过一些试错产生的:

Map 3

我尝试使用ggplot2中的geom_contour函数添加轮廓线,但它使我的R卡住了。在尝试对少量数据进行操作后,我发现ggplot抱怨数据是不规则网格的。我还发现这就是geom_tile无法工作的原因。我猜我需要让我的点网格均匀间隔 - 可能是通过将其投影回原始投影(?),或者通过采样一个规则网格(?)或在点之间插值(?)来均匀间隔我的数据。

我的问题是:

如何在地图上绘制我的数据的轮廓线(最好使用ggplot2)?

额外的问题:

如何将我的数据转换回Lambert等角投影的规则网格?根据数据文件,投影的参数包括(mpLambertParallel1F=50, mpLambertParallel2F=50, mpLambertMeridianF=253, corners, La1=1, Lo1=214.5, Lov=253)。我不知道这些是什么。

如何将地图居中,以免像第一个地图一样裁剪掉一侧?

如何使映射的投影绘图看起来漂亮(没有不必要的地图部分挂在周围)?我尝试调整xlim和ylim,但似乎是在投影前应用坐标轴限制。

数据:

我已经将数据上传到Google Drive上的rds文件。您可以使用R中的readRDS函数读取文件。

lat2d: 2D网格上观测的实际纬度

lon2d: 2D网格上观测的实际经度

z500: 在压力为500毫巴时观测到的高度(米)

dat: 数据排列成漂亮的数据框(用于ggplot2)

据我所知,这些数据来自北美地区再分析数据库。

我的代码(到目前为止):

library(ggplot2)
library(ggmap)
library(maps)
library(mapdata)
library(maptools)
gpclibPermit()
library(mapproj)

lat2d <- readRDS('lat2d.rds')
lon2d <- readRDS('lon2d.rds')
z500 <- readRDS('z500.rds')
dat <- readRDS('dat.rds')

# Get the map outlines
outlines <- as.data.frame(map("world", plot = FALSE, 
                              xlim = c(min(lon2d), max(lon2d)), 
                              ylim = c(min(lat2d), max(lat2d)))[c("x","y")])
worldmap <-geom_path(aes(x, y), inherit.aes = FALSE, 
                     data = outlines, alpha = 0.8, show_guide = FALSE)

# The layer for the observed variable
z500map <- geom_point(aes(x=lon, y=lat, colour=z500), data=dat) 

# Plot the first map
ggplot() + z500map + worldmap

# Fix the wrapping issue
dat2 <- dat
dat2$lon <- ifelse(dat2$lon>0, dat2$lon-max(dat2$lon)+min(dat2$lon), dat2$lon)

# Remake the outlines
outlines2 <- as.data.frame(map("world", plot = FALSE, 
                              xlim = c(max(min(dat2$lon)), max(dat2$lon)), 
                              ylim = c(min(dat2$lat), max(dat2$lat)))[c("x","y")])
worldmap2 <- geom_path(aes(x, y), inherit.aes = FALSE, 
                       data = outlines2, alpha = 0.8, show_guide = FALSE)

# Remake the variable layer
ggp <- ggplot(aes(x=lon, y=lat), data=dat2)
z500map2 <- geom_point(aes(colour=z500), shape=15)

# Try a projection
projection <- coord_map(projection="lambert", lat0=30, lat1=60, 
                        orientation=c(87.5,0,255))

# Plot
# Without projection
ggp + z500map2 + worldmap2
# With projection
ggp + z500map + worldmap + projection

谢谢!


更新1

感谢Spacedman的建议,我认为我已经取得了一些进展。使用raster软件包,我可以直接从netcdf文件中读取并绘制轮廓线:

library(raster)
# Note: ncdf4 may be a pain to install on windows. 
# Try installing package 'ncdf' if this doesn't work
library(ncdf4) 

# band=13 corresponds to the layer of interest, the 500 millibar height (m)
r <- raster(filename, band=13)
plot(r)
contour(r, add=TRUE)

现在我需要做的就是让地图轮廓显示在等高线下面!听起来很容易,但我猜测需要正确输入投影参数才能准确完成。
对于感兴趣的人,这是以netcdf格式的文件
更新2 经过深入调查,我取得了更多进展。我认为现在我已经有了合适的PROJ4参数。我还发现了适当的边界框值(我想)。至少,我能够大致绘制与ggplot相同区域的图表。
# From running proj +proj=lcc +lat_1=50.0 +lat_2=50.0 +units=km +lon_0=-107
# in the command line and inputting the lat/lon corners of the grid
x2 <- c(-5628.21, -5648.71, 5680.72, 5660.14)
y2 <- c( 1481.40, 10430.58,10430.62, 1481.52)
plot(x2,y2)

# Read in the data as a raster
p4 <- "+proj=lcc +lat_1=50.0 +lat_2=50.0 +units=km +lon_0=-107 +lat_0=1.0"
r <- raster(nc.file.list[1], band=13, crs=CRS(p4))
r
# For some reason the coordinate system is not set properly
projection(r) <- CRS(p4)
extent(r) <- c(range(x2), range(y2))
r
# The contour map on the original Lambert grid
plot(r)

# Project to the lon/lat
p <- projectRaster(r, crs=CRS("+proj=longlat"))
p
extent(p)
str(p)
plot(p)
contour(p, add=TRUE)

感谢Spacedman的帮助。如果我无法弄清楚,我可能会开始一个关于叠加shapefiles的新问题!


你有原始的(兰伯特)坐标系数据吗?或者你只拥有转换过的网格数据?如果你能提供数据的EPSG代码就更好了。 - Spacedman
@Spacedman 我会尽力获取原始坐标。我不知道EPSG代码是什么,所以我想我无法获取它。 - ialm
@Spacedman 在获得原始GRIB文件之一后,我能够找到有关网格的一些信息。网格描述中有条目“AWIPS-区域-NOAMHI-高分辨率北美主网格(兰伯特等角)”。经过一些谷歌搜索,我找到了这个页面http://stommel.tamu.edu/~baum/narr.html,告诉我EPSG代码9802。 - ialm
1个回答

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放弃使用地图和ggplot包,现在使用raster包和sp包。在投影坐标系统中工作,一切都很好地放在网格上。使用标准等值线函数。
对于地图背景,请获取一个shapefile并读入SpatialPolygonsDataFrame。
投影的参数名称与任何标准名称不匹配,我只能在NCL代码中找到它们,例如this 而标准投影库PROJ.4想要these 所以我认为:
p4 = "+proj=lcc +lat_1=50  +lat_2=50 +lat_0=0  +lon_0=253 +x_0=0  +y_0=0"

这是一个针对您的数据的PROJ4字符串的良好尝试。
现在,如果我使用该字符串将您的坐标重新投影(使用rgdal:spTransform),我会得到一个相当规则的网格,但不够规则,无法转换为SpatialPixelsDataFrame。如果不知道原始规则网格或NCL使用的确切参数,我们在绝对精度方面可能会遇到一些困难。但是我们可以猜测一下 - 基本上只需取变换后的边界框并假设其中有一个规则网格:
coordinates(dat)=~lon+lat
proj4string(dat)=CRS("+init=epsg:4326")
dat2=spTransform(dat,CRS(p4))
bb=bbox(dat2)
lonx=seq(bb[1,1],  bb[1,2],len=277)
laty=seq(bb[2,1], bb[2,2],len=349)
r=raster(list(x=laty,y=lonx,z=md))
plot(r)
contour(r,add=TRUE)

现在,如果您获得了一个包含您所在地区的shapefile文件,您可以将其转换为这个CRS以进行国家叠加...但我肯定会先尝试获取原始坐标。

这是矩阵形式的数据帧中的数据列...但你必须把它正确地排列...抱歉我漏掉了那一行。我会尽快处理那个EPSG代码的。 - Spacedman
谢谢你的帮助,我非常感激。你让我走上了正确的道路。 - ialm
如果您需要的话,我可以上传以netcdf格式存储的数据,这可能会有所帮助。我从GRIB文件中提取了包含实际纬度、实际经度和感兴趣变量的2D网格,并将其转换为netcdf格式。我注意到'raster'函数可以直接从netcdf文件中读取,至少我已经得到了一个合理的图形! - ialm

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