如何使用R语言circlize包绘制漂亮圈图（一）

圈图对于展示复杂的数据信息非常有用，它既可以展示不同类别的数据信息，还可以直观地展示聚焦于同一对象的多个轨迹上的数据变化，它还能够展示多个元素之间的关系。


目前大家比较熟知的是使用circos（http://circos.ca/）来进行绘图，但由于circos是基于Perl语言来进行绘图的，如果对Perl不够熟悉，小伙伴们在学习和使用时依然有些费神。如今在R中的circlize包也能实现圈图绘制功能，甚至可能更为强大和便捷。下面我们一起来了解一下吧~


circlize包是由德国癌症中心的华人博士Zuguang Gu开发的。

有兴趣的可以去看看他的Github主页：

  • https://github.com/jokergoo

circlize包的学习文档：

  • https://jokergoo.github.io/circlize_book/book/

主要分为三个部分：

  • 第一部分主要介绍绘制圈图的基本原理与通用函数；

  • 第二部分主要介绍针对基因组数据如何绘制圈图；

  • 第三部分主要介绍如何绘制和弦图。

今天，先为大家介绍第一部分的学习内容。


1. circlize包安装


首先，安装circlize包，请使用以下命令：

install.packages("circlize")
或者
devtools::install_github("jokergoo/circlize")


2. circlize包绘图规则


2.1 坐标系的转换

绘制圈图首先要进行坐标系转换，circlize首先将数据坐标从数据坐标系转换为极坐标系，最后转换为画布坐标系（如下图）。实际上，最终的画布坐标是基本R图形系统中的普通坐标，默认情况下x范围为(-1，1)，y范围为(-1，1)。需要注意的是，圈图总是在半径为1的圆内绘制（这意味着它总是一个单位圆），并且是从外到内。

图2.1 | 不同坐标系之间的转换


2.2 绘图规则

绘制圈图一般遵循如下步骤：初始化图形（initialize）——添加轨道（create track）——添加图形（add graphics）——添加轨道——添加图形……——重置（circos.clear）

1）初始化图形：

一般使用函数circos.initialize 进行初始化，所需数据必须包括因子变量和X值。

2）创建轨道：

使用函数circos.trackPlotRegion创建轨道（可简写为circos.track）。

3）添加图形：

在新创建的轨道上添加图形一般有三种方法：

  • 使用circos.points, circos.lines等低级绘图参数

  • 使用circis.trackPoints, circos.trackLines等进行绘图

  • 在circos.trackPlotRegion中使用panel.fun函数

4）重置：

使用函数circos.clear进行重置。应该始终在每个圈图的结尾处调用circos.clear()。圈图有几个参数，只能在circos.initialize()之前设置，因此，在绘制下一个圈图之前，需要重置这些参数。

图2.2 | 绘制圈图的步骤


2.3 扇区和轨道

圈图由扇区和轨道组成。红色圆圈是一条轨道，蓝色代表一个扇区。扇区和轨道的交点称为单元格，单元格是圈图中的基本单位，可以将其视为数据的绘图区域。

图2.3 | 圈图中的扇区与轨道


3. circlize包常用函数


3.1 常用的布局函数

  • circos.initialize()：初始化

  • circos.trackPlotRegion()：创建新的轨道

  • circos.updatePlotRegion()：更新绘制的已有的单元格

  • circos.par()：绘图参数（用法同par类似）

  • circos.info()：打印当前绘图信息

  • circos.clear()：重置图形参数和内部变量

通过circos.par可设置的基本图形参数：

  • start.degree：第一个扇区放置的起始角度（默认0）

  • gap.degree/gap.after：两个相邻扇区之间的间隙：(default: 1)

  • track.margin：绘图区域之外的空白区域：c(0.01, 0.01)

  • cell.padding：单元的填充：c(0.02, 1.00, 0.02, 1.00)

  • unit.circle.segments：控制表示曲线的线段数量：(default: 500)

  • track.height：轨道的默认高度：(default: 0.2)

  • points.overflow.warning：TRUE

  • canvas.xlim：画布中的范围沿x方向坐标：c(-1, 1)

  • canvas.ylim：画布中的范围沿y方向坐标：c(-1, 1)

  • clock.wise：绘图扇区的顺序，默认值TRUE指顺时针：TRUE

图3.1 | 单元格中的区域设置

3.2 常用绘图函数

  • circos.points()：在单元格内绘制点

  • circos.lines()：在单元格内绘制线

  • circos.segments()：在单元格内绘制片段

  • circos.rect()：在单元格内绘制矩形

  • circos.polygon()：在单元格内绘制多边形

  • circos.text()：在单元格内添加文本

  • circos.axis()/circos.yaxis()：在单元格内绘制坐标轴

  • circos.arrow()：在单元格内绘制圆形箭头

  • circos.link()：绘制单元格之间的联系（circlize 包特有）

3.3 高级绘图函数

  • circos.trackPoints()：“循环”绘制点

  • circos.trackLines()：“循环”绘制线

  • circos.trackText()：“循环”绘制文本


4. 高亮扇区和轨道


· draw.sector()：绘制扇形、圆环。如果要突出显示圈图的某些部分，此函数很有用。

draw.sector()的参数主要包括圆心的位置（默认为c(0，0)）、扇区的开始角度和结束角度以 及上边界或下边界的两条边（或一条边）的半径。其用法如下：



draw.sector(start.degree, end.degree, rou1) draw.sector(start.degree, end.degree, rou1, rou2, center) draw.sector(start.degree, end.degree, rou1, rou2, center, col, border, lwd, lty)

start.degree和end.degree的方向对于绘制扇区很重要。默认情况下，它是顺时针的。



draw.sector(start.degree, end.degree, clock.wise = FALSE)

示例如下：

定义边距


par(mar = c(1, 1, 1, 1))
绘制基本图形


plot(c(-1, 1), c(-1, 1), type = "n", axes = FALSE, ann = FALSE, asp = 1)
绘制从20度到0度的扇形


draw.sector(20, 0)
30度到60度，半径版0.5-0.8的扇形，逆时针


draw.sector(30, 60, rou1 = 0.8, rou2 = 0.5, clock.wise = FALSE, col = "#FF000080")
350度到1000度，去掉边界色


draw.sector(350, 1000, col = "#00FF0080", border = NA)
从0到180度，改变中心点（从c(0,0)到c(-0.5到0.5)）


draw.sector(0, 180, rou1 = 0.25, center = c(-0.5, 0.5), border = 2, lwd = 2, lty = 2)
绘制一个0到360度的扇形


draw.sector(0, 360, rou1 = 0.7, rou2 = 0.6, col = "#0000FF80")


图4.1 | 使用draw.sector()高亮


突出显示圈图中的单元格，我们可以使用get.cell.meta.data()获得单元格位置的信息。
示例如下：
创建一个具有八个扇区和三个轨迹的圈图






factors = letters[1:8]circos.initialize(factors, xlim = c(0, 1))for(i in1:3) {circos.track(ylim = c(0, 1))}
突出显示扇区a





draw.sector(get.cell.meta.data("cell.start.degree", sector.index = "a"),get.cell.meta.data("cell.end.degree", sector.index = "a"),            rou1 = get.cell.meta.data("cell.top.radius", track.index = 1),             col = "#FF000040")
突出显示轨道1





draw.sector(0, 360,     rou1 = get.cell.meta.data("cell.top.radius", track.index = 1),    rou2 = get.cell.meta.data("cell.bottom.radius", track.index = 1),    col = "#00FF0040")
突出显示扇区e和f中的轨道2和3






draw.sector(get.cell.meta.data("cell.start.degree", sector.index = "e"),get.cell.meta.data("cell.end.degree", sector.index = "f"),            rou1 = get.cell.meta.data("cell.top.radius", track.index = 2),            rou2 = get.cell.meta.data("cell.bottom.radius", track.index = 3),            col = "#0000FF40")
突出显示单元格h:2中的一个小区域        





pos = circlize(c(0.2, 0.8), c(0.2, 0.8), sector.index = "h", track.index = 2)draw.sector(pos[1, "theta"], pos[2, "theta"], pos[1, "rou"], pos[2, "rou"],     clock.wise = TRUE, col = "#00FFFF40")circos.clear()   

图4.2 | 使用draw.sector()高亮扇区和轨道示例


·highlight.sector()：突出显示整个单元格

highlight.sector()的优点之一是它支持在突出显示的区域中添加文本。默认情况下，文本绘制在突出显示区域的中心。基本方向的位置可以通过text.vjust参数设置，可以通过数字值或字符串形式使用“ 2 inch”或“ -1.2cm”

















factors = letters[1:8]circos.initialize(factors, xlim = c(0, 1))for(i in1:4) {    circos.track(ylim = c(0, 1))}circos.info(plot = TRUE)
highlight.sector(c("a", "h"), track.index = 1, text = "a and h belong to a same group",    facing = "bending.inside", niceFacing = TRUE, text.vjust = "6mm", cex = 0.8)highlight.sector("c", col = "#00FF0040")highlight.sector("d", col = NA, border = "red", lwd = 2)highlight.sector("e", col = "#0000FF40", track.index = c(2, 3))highlight.sector(c("f", "g"), col = NA, border = "green",     lwd = 2, track.index = c(2, 3), padding = c(0.1, 0.1, 0.1, 0.1))highlight.sector(factors, col = "#FFFF0040", track.index = 4)


图4.3 | 使用highlight.sector()高亮示例


5. 利用circlize包绘图示例


下面我们拿一个例子进行绘图示例：


首先，构建数据并加载circlize包






set.seed(1) n = 1000a = data.frame(factor = sample(letters[1:8], n, replace = TRUE),                x = rnorm(n), y = runif(n)) library(circlize)
设置作图参数，调整轨道高度并初始化



circos.par("track.height"= 0.1)circos.initialize(factors = df$factors, x = df$x)
创建第一个轨道







circos.track(factors = df$factors, y = df$y,    panel.fun = function(x, y){     circos.text(CELL_META$xcenter, CELL_META$cell.ylim[2] + uy(5,"mm"),       CELL_META$sector.index)     circos.axis(labels.cex = 0.6)    })
设置颜色并在轨道上添加点和文本标签




col = rep(c("#FF0000","#00FF00"), 4) circos.trackPoints(df$factors, df$x, df$y, col = col, pch = 16, cex = 0.5) circos.text(-1, 0.5,"text", sector.index = "a", track.index = 1)

图5.1创建第一圈轨道并添加散点图


设置轨道背景色并使用高级绘图函数创建第二个轨道添加条形图



bgcol = rep(c("#EFEFEF", "#CCCCCC"), 4)circos.trackHist(df$factors, df$x, bin.size = 0.2, bg.col = bgcol, col = NA)

图5.2 | 创建第二圈轨道并添加条形图


创建第三个轨道并添加线









circos.track(factors = df$factors, x = df$x, y = df$y,     panel.fun = function(x, y){         ind = sample(length(x), 10)         x2 = x[ind]         y2 = y[ind]         od = order(x2)         circos.lines(x2[od], y2[od]) })

图5.3 | 创建第三圈轨道并添加折线图


修改已经绘制的图形（扇形d，轨道2）





circos.update(sector.index = "d", track.index = 2,       bg.col = "#FF8080", bg.border = "black") circos.points(x = -2:2, y = rep(0.5, 5), col = "white") circos.text(CELL_META$xcenter, CELL_META$ycenter, "updated", col = "white")

图5.4 | 修改已绘制的扇区


创建第四个轨道，并添加矩形










circos.track(ylim = c(0, 1), panel.fun = function(x, y) {     xlim = CELL_META$xlim     ylim = CELL_META$ylim     breaks = seq(xlim[1], xlim[2], by = 0.1)    n_breaks = length(breaks)     circos.rect(breaks[-n_breaks], rep(ylim[1], n_breaks - 1),                 breaks[-1], rep(ylim[2], n_breaks - 1),                 col = rand_color(n_breaks), border = NA) })


图5.5 | 创建第四圈轨道并添加矩形热图


绘制单元格之间的链接（由点到点，由点到区间，由区间到区间）






circos.link("a", 0, "b", 0, h = 0.4) circos.link("c", c(-0.5, 0.5), "d", c(-0.5,0.5), col = "red",     border = "blue", h = 0.2) circos.link("e", 0, "g", c(-1,1), col = "green", border = "black", lwd = 2, lty = 2)
重置


circos.clear()

图5.6 | 添加单元格之间的链接

转自

分享