为什么tmap比ggplot2渲染快80倍？[在macOS上使用XQuartz/X11图形设备在R中绘制shapefiles，使用ggplot2::geom_sf()]

Question

更新/编辑/Reprex: 使用相同的图形设备渲染相同的空间数据，tmap 只需1秒，而 ggplot2 则需要80秒，尽管 tmap 绘图的 R 对象大小是后者的80倍。这是由于软件包和图形设备之间的内部差异和/或实现方式不同吗？

library(ggplot2); library(sf); 
library(tmap); library(tidyverse)
library(here) # project directory

data(World) # sf object from tmap; Provides Africa polygon

# 'd' data pulled from acleddata.com/data, restricted to Aug 18 2017  - Aug 18 2018, Region: N/S/E/W/Middle Africa only
d <- read.csv(here('2017-08-18-2018-08-18-Eastern_Africa-Middle_Africa-Northern_Africa-Southern_Africa-Western_Africa.csv'))
dsf <- st_as_sf(d, coords = c('longitude', 'latitude'), crs = 4326)

使用的数据：

1. tmap软件包中的'World'形状文件数据，以及
2. acleddata.com/data，限于2017年8月18日至2018年8月18日期间非洲地区的ACLED冲突事件（7.8 MB .csv文件；这些过滤器：）

剧情渲染：

# ggplot2; build plot, assign to object
dev.cur()   # RStudioGD on macOS: quartz
system.time(p <- ggplot(World %>% filter(continent == 'Africa')) + 
  geom_sf() + 
  geom_sf(data = dsf, aes(fill = event_type, 
              color = event_type)) + 
  ggthemes::theme_tufte() + 
  theme(legend.key.size = unit(.1, 'cm'),
        legend.title = element_blank()))
   # user  system elapsed 
   # 0.016   0.001   0.017 

object.size(p)
# 175312 bytes

# render
system.time(print(p))
# user  system elapsed 
# 84.755   0.432  85.418  # Note over 80 seconds

# tmap; build plot, assign to object
tmap_mode('plot')
system.time(tm <- tm_shape(World, filter = 
                        (World$continent == 'Africa')) + 
               tm_polygons(group = 'Countries') +
               tm_shape(dsf) + 
               tm_dots(col = 'event_type', group = 'event_type'))
    # user  system elapsed 
    # 0.000   0.000   0.001 

object.size(tm)
# 14331968 bytes   # This is 80x ggplot2 plot's object size
                   # 14331968/175312 = 81.75121
# render
dev.cur()    # RStudioGD on macOS: quartz
system.time(print(tm))
# user  system elapsed 
# 1.438   0.038   1.484   # Note 1 second

---

[以前关于geom_sf()和图形设备的查询，不包括tmap比较部分:]

TL;DR：

我尝试通过将图形设备切换为X11来加快绘图速度，因为我的默认Quartz图形设备很慢。在下载XQuartz连接到X11图形设备并调用grDevices::X11()后，我不明白出现的错误。

X11(type = "cairo")
# Error in .External2(C_X11, d$display, d$width, d$height, d$pointsize,  : 
                    #   unable to start device X11
                    # In addition: Warning message:
                    #   In X11() : unable to open connection to X11 display 'cairo'
#> Warning in X11(type = "cairo"): unable to open connection to X11 display ''

当我在 macOS 的 XQuartz.app 终端中调用 R 时，错误信息略有不同：

X11(type = "cairo")
#> Error in .External2(C_X11, d$display, d$width, d$height, d$pointsize, : unable to start device X11cairo

结束 TL;DR

更广泛的背景：

使用 ggplot2::geom_sf() 绘制大型 shapefile 时，在 macOS 上使用的 quartz 图形设备绘制速度明显较慢，而且在解决这个性能问题之前，我想将我的设备从 Quartz 更改为 X11。

我按照 RStudio 论坛 的建议下载了 XQuartz，但是即使我从 XQuartz 启动 R，我的代码仍然无法成功调用 X11。

证明，使用与 RStudio 论坛帖子相同的数据：

library(sf)
#> Linking to GEOS 3.6.1, GDAL 2.1.3, proj.4 4.9.3
library(ggplot2)
tmpzip <- tempfile(fileext = ".zip")
download.file("https://github.com/bcgov/bcmaps.rdata/blob/master/data-raw/ecoregions/ecoregions.zip?raw=true", destfile = tmpzip)
gdb_path <- unzip(tmpzip, exdir = tempdir())
ecoregions <- sf::read_sf(dirname(gdb_path[1]))

## Create ggplot2 object
ecoregions_gg <- ggplot() + geom_sf(data = ecoregions)

# Running quartz device - default macOS
system.time(print(ecoregions_gg))
#>    user  system elapsed 
#> 128.980   0.774 130.375

### ^ Note two full minutes!

这个默认设备运行时间异常长，达到了129秒，考虑到其尺寸来说。根据RStudio论坛的说法，X11应该运行得更快。在一台（确实更快的）Windows 7机器上进行测试（32 GB RAM，3.60 GHz），使用其默认的图形设备（而不是Quartz），结果如下：

#>    user  system elapsed 
#>    2.16    2.24    4.46

###  ^Only two seconds

当人们正在解决一般的geom_sf / Quartz性能问题（Github Issue 1，Github Issue 2）时，我如何使用我的XQuartz安装来运行X11并加快我的shapefile绘图速度？

- dad

---

我不明白你在使用X11(type = "cairo")时遇到的错误。你确定你已经安装了x11 / XQuartz吗？ - SymbolixAU

谢谢，这段代码本应该放在我的代码块中，但我应该将其单独拿出来以便更清楚。我已经修复了这个问题，并且还添加了一个截图，显示了在提取.csv文件时页面的外观，根据这些过滤器应该是7.8 MB。 - dad

另一种绘制形状文件的方法是使用基础库中的polygon函数，并手动遍历形状结构。在Mac上，速度虽然不是非常快，但仍然可以接受（例如，在高分辨率下绘制所有美国县级行政区域可能需要不到一分钟的时间）。 - Andre Wildberg

我曾经有过类似的观察，当我在一个矩形网格上绘制颜色渐变和一些点来生成电影时：与ggplot（很可能还有tmap）相比，基本绘图速度非常快。 在大多数情况下，这并不重要，但在ggplot变慢或速度成为问题的情况下，转换到其他绘图选项是一个明智的选择。 - clemenskuehn

在Quartz上执行killall，然后启动X11，通过键入X11()或X11(type = "cairo")来尝试在R中打开X11设备。如果设备成功打开，则应该能够使用X11设备进行绘图。 - Hack-R

Answer 1

关于使用相同的图形设备渲染相同空间数据，有几个你可能想考虑的事情：

1. tmap和ggplot使用不同的内部数据结构。tmap使用sf包，该包使用简单要素格式。ggplot2使用geom_sf()函数将空间数据转换为数据框。这可能导致性能上的差异。

2. tmap和ggplot2在渲染空间数据方面有不同的方法。tmap使用高度优化的渲染引擎，专为主题地图设计。它使用栅格化和地图切片等技术来高效渲染。ggplot2是通用目的。

3. 图形设备也会影响渲染性能。

如果你想改善ggplot2中shapefile绘图的性能，请考虑以下几点：

1. 使用sf包的st_simplify()函数简化shapefile的几何形状。这将减少顶点的数量。

2. 限制要素的数量。

- Alex Gordon