ggplot2：设置透明度值时，光栅绘图效果不如预期

Question

这是我的第一篇帖子，希望我能够遵守网站礼仪。我在网站上找不到答案，之前我在一个ggplot2专门的群组中发布了这个问题，但至今没有解决方案。

基本上，我正在尝试使用ggplot2叠加两个raster，并要求顶部的raster半透明。我有一个hillShade栅格，它是从高程数据栅格计算出来的，我希望将高程栅格叠加到hillshade栅格上，以便产生的图形不会看起来“平淡无奇”。您可以在下面的可重现的R代码中看到我的意思。

使用基本图形，我可以实现所需的结果，并在下面的代码示例中包含了一个示例，以使其更清晰，但我需要在ggplot2中完成此操作。

我无法在ggplot2中使其正常工作。合并raster会使颜色变得奇怪（我可以单独绘制每个raster）。有人可以帮忙或指点我正确的方向吗？下面包括了自包含的、可重现的代码示例。（很抱歉长度有些长，但我认为最好是清楚明了）。

#   Load relevant libraries
library(ggplot2)
library(raster)


#   Download sample raster data of Ghana from my Dropbox
oldwd <- getwd()
tmp <- tempdir()
setwd(tmp)
url1 <- "http://dl.dropbox.com/s/xp4xsrjn3vb5mn5/GHA_HS.asc"
url2 <- "http://dl.dropbox.com/s/gh7gzou9711n5q7/GHA_DEM.asc"
f1 <- file.path(tmp,"GHA_HS.asc")
f2 <- file.path(tmp,"GHA_DEM.asc")
download.file(url1,f1)  #File is ~ 5,655Kb
download.file(url2,f2)  #File is ~ 2,645Kb


#   Create rasters from downloaded files
hs <-  raster(f1)
dem <- raster(f2)


#   Plot with base graphics to show desired output
plot(hs,col=grey(1:100/100),legend=F)
plot(dem,col=rainbow(100),alpha=0.4,add=T,legend=F)


#   Convert rasters TO dataframes for plotting with ggplot
hdf <- rasterToPoints(hs); hdf <- data.frame(hdf)
colnames(hdf) <- c("X","Y","Hill")
ddf <- rasterToPoints(dem); ddf <- data.frame(ddf)
colnames(ddf) <- c("X","Y","DEM")


#   Create vectors for colour breaks
b.hs <- seq(min(hdf$Hill),max(hdf$Hill),length.out=100)
b.dem <- seq(min(ddf$DEM),max(ddf$DEM),length.out=100)


#   Plot DEM layer with ggplot()
p1 <- ggplot()+
    layer(geom="raster",data=ddf,mapping=aes(X,Y,fill=DEM))+
    scale_fill_gradientn(name="Altitude",colours = rainbow(100),breaks=b.dem)+
    scale_x_continuous(name=expression(paste("Longitude (",degree,")")),limits=c(-4,2),expand=c(0,0))+
    scale_y_continuous(name=expression(paste("Latitude (",degree,")")),limits=c(4,12),expand=c(0,0))+
    coord_equal()
print(p1)


#   Plot hillShade layer with ggplot()
p2 <- ggplot()+
    layer(geom="raster",data=hdf,mapping=aes(X,Y,fill=Hill))+
    scale_fill_gradientn(colours=grey(1:100/100),breaks=b.hs,guide="none")+
    scale_x_continuous(name=expression(paste("Longitude (",degree,")")),limits=c(-4,2),expand=c(0,0))+
    scale_y_continuous(name=expression(paste("Latitude (",degree,")")),limits=c(4,12),expand=c(0,0))+
    coord_equal()
print(p2)


#   Try to plot both together with transparency on the DEM layer
p3 <- ggplot(hdf)+
    geom_raster(aes(X,Y,fill=Hill))+
    scale_fill_gradientn(colours=grey(1:100/100),breaks=b.hs,guide="none")+
    scale_x_continuous(name=expression(paste("Longitude (",degree,")")),limits=c(-4,2),expand=c(0,0))+
    scale_y_continuous(name=expression(paste("Latitude (",degree,")")),limits=c(4,12),expand=c(0,0))+
    geom_raster(data=ddf,aes(X,Y,fill=DEM),alpha=I(0.4))+
    scale_fill_gradientn(name="Altitude",colours = rainbow(100),breaks=b.dem)+
    coord_equal()
 print(p3)


#   Cleanup downloaded files and return to previous wd
unlink(tmp,recursive=T)
setwd(oldwd)

我的问题如下:

Q1: 我该如何让p3的层看起来像上面示例中使用基础图形绘制的那样?

Q2: 我该如何更明智地指定颜色比例尺，以便我不会在右侧得到一个荒谬的图例?

- Simon O'Hanlon

---

我相信一定有办法使用annotation_raster，但是到目前为止我的尝试都没有成功。我认为你的组合图失败的原因是两个对scale_fill_gradientn的调用。 - mnel

这就是关键所在。似乎 ggplot 只能有一个 fill 美学和一个 colour 美学。你可以通过将 DEM 层设置为带有 colour=DEM 的 geom_point，然后使用 scale_colour_gradientn 而不是 scale_fill_gradientn 来获得某种程度的效果，但它看起来不如基本图形方式好看。 - Matthew Plourde

谢谢你们两位关注我的问题！@mplourde - 我认为ggplot2每个图层只能有一个填充美学，但是当使用透明度时，它会通过增加混色在图层重叠处组合颜色。不知何故，这种混合在ggplot2中与基础图形不同。我一直在思考，我认为我需要做的是从hillShade栅格中相关灰度值手动计算颜色（我认为这是hcl颜色模型中的色度），并且从DEM栅格中获取色调（我认为这是色调）。 - Simon O'Hanlon

Answer 1

Q1：您不能在不同的图层上使用不同的填充比例尺。一种解决方法是对DEM使用fill美学，对hillshade使用alpha美学。不幸的是，geom_raster似乎没有按照我预期的方式使用alpha美学。您可以使用geom_tile获得相同的效果，但时间会更长：

ggplot(hdf) +
  geom_raster(data=ddf,aes(X,Y,fill=DEM)) +
  scale_fill_gradientn(name="Altitude",colours = rainbow(100),breaks=b.dem) +
  geom_tile(aes(X,Y,alpha=Hill), fill = "grey20") +
  scale_alpha(range = c(0, 0.5)) +
  scale_x_continuous(name=expression(paste("Longitude (",degree,")")),
    limits=c(-4,2),expand=c(0,0)) +
  scale_y_continuous(name=expression(paste("Latitude (",degree,")")),
    limits=c(4,12),expand=c(0,0)) +
  coord_equal() 

问题2:查看?guide_colorbar。它在您有100个颜色断点时不起作用，但在较少的情况下效果相当不错。

ggplot(hdf)+
  geom_raster(data=ddf,aes(X,Y,fill=DEM))+
  scale_fill_gradientn(name="Altitude",colours = rainbow(20))+
  guides(fill = guide_colorbar()) +
  geom_tile(aes(X,Y,alpha=Hill), fill = "grey20") +
  scale_alpha(range = c(0, 0.5)) +
  scale_x_continuous(name=expression(paste("Longitude (",degree,")")),
    limits=c(-4,2),expand=c(0,0)) +
  scale_y_continuous(name=expression(paste("Latitude (",degree,")")),
    limits=c(4,12),expand=c(0,0)) +
  coord_equal() 

（该图片为 DEM（数字高程模型）加上山体阴影和颜色图例）

- Charlotte Wickham

---

非常感谢您花费时间和精力修复我的编程问题。这对我来说非常有效。非常感谢！ :-) - Simon O'Hanlon

Answer 2

下一个版本将支持栅格中的 Alpha，因此您可以通过以下方式进行绘制：

ggplot(NULL, aes(X, Y)) + 
  geom_raster(data = ddf, aes(fill = DEM)) + 
  geom_raster(data = hdf, aes(alpha = Hill)) +
  scale_fill_gradientn(name="Altitude",colours = rainbow(20))+
  guides(fill = guide_colorbar()) +
  scale_alpha(range = c(0, 0.5), guide = "none") +
  scale_x_continuous(name=expression(paste("Longitude (",degree,")")), limits=c(-4,2),expand=c(0,0)) +
  scale_y_continuous(name=expression(paste("Latitude (",degree,")")), limits=c(4,12),expand=c(0,0)) +
  coord_equal()

无论如何，这个情节非常美丽。

如果您想立即使用它，请尝试从GitHub安装：

library(devtools)
install_github("ggplot2", "kohske", "fix/geom-raster-alpha")

请注意，geom_tile和geom_raster在某些设备上的外观不同。也许对于您的目的来说，raster更好。

- kohske

---

谢谢！有了这个修复，我现在可以按照我的需求进行绘图。非常感谢你。祝好，Simon。 - Simon O'Hanlon

有人知道如何调整图例中的颜色以匹配现在被灰色遮罩的地图中的颜色吗？ - Dominik

使用geom_raster()输出PDF文件时，出现了光栅图像模糊的问题。但是使用geom_tile()可以解决这个问题。感谢评论。 - Shadow