圈圖對(duì)于展示復(fù)雜的數(shù)據(jù)信息非常有用，它既可以展示不同類別的數(shù)據(jù)信息，還可以直觀地展示聚焦于同一對(duì)象的多個(gè)軌跡上的數(shù)據(jù)變化，它還能夠展示多個(gè)元素之間的關(guān)系。

目前大家比較熟知的是使用circos（http://circos.ca/）來(lái)進(jìn)行繪圖，但由于circos是基于Perl語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行繪圖的，如果對(duì)Perl不夠熟悉，小伙伴們?cè)趯W(xué)習(xí)和使用時(shí)依然有些費(fèi)神。如今在R中的circlize包也能實(shí)現(xiàn)圈圖繪制功能，甚至可能更為強(qiáng)大和便捷。下面我們一起來(lái)了解一下吧~

circlize包是由德國(guó)癌癥中心的華人博士Zuguang Gu開發(fā)的。

有興趣的可以去看看他的Github主頁(yè)：

https://github.com/jokergoo

circlize包的學(xué)習(xí)文檔：

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

主要分為三個(gè)部分：

第一部分主要介紹繪制圈圖的基本原理與通用函數(shù)；

第二部分主要介紹針對(duì)基因組數(shù)據(jù)如何繪制圈圖；

第三部分主要介紹如何繪制和弦圖。

今天，先為大家介紹第一部分的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

1. circlize包安裝

首先，安裝circlize包，請(qǐng)使用以下命令：

install.packages("circlize")

或者

devtools::install_github("jokergoo/circlize")

2. circlize包繪圖規(guī)則

2.1 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

繪制圈圖首先要進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，circlize首先將數(shù)據(jù)坐標(biāo)從數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)系，最后轉(zhuǎn)換為畫布坐標(biāo)系（如下圖）。實(shí)際上，最終的畫布坐標(biāo)是基本R圖形系統(tǒng)中的普通坐標(biāo)，默認(rèn)情況下x范圍為(-1，1)，y范圍為(-1，1)。需要注意的是，圈圖總是在半徑為1的圓內(nèi)繪制（這意味著它總是一個(gè)單位圓），并且是從外到內(nèi)。

2.2 繪圖規(guī)則

繪制圈圖一般遵循如下步驟：初始化圖形（initialize）——添加軌道（create track）——添加圖形（add graphics）——添加軌道——添加圖形……——重置（circos.clear）

1）初始化圖形：

一般使用函數(shù)circos.initialize 進(jìn)行初始化，所需數(shù)據(jù)必須包括因子變量和X值。

2）創(chuàng)建軌道：

使用函數(shù)circos.trackPlotRegion創(chuàng)建軌道（可簡(jiǎn)寫為circos.track）。

3）添加圖形：

在新創(chuàng)建的軌道上添加圖形一般有三種方法：

使用circos.points, circos.lines等低級(jí)繪圖參數(shù)

使用circis.trackPoints, circos.trackLines等進(jìn)行繪圖

在circos.trackPlotRegion中使用panel.fun函數(shù)

4）重置：

使用函數(shù)circos.clear進(jìn)行重置。應(yīng)該始終在每個(gè)圈圖的結(jié)尾處調(diào)用circos.clear()。圈圖有幾個(gè)參數(shù)，只能在circos.initialize()之前設(shè)置，因此，在繪制下一個(gè)圈圖之前，需要重置這些參數(shù)。

2.3 扇區(qū)和軌道

圈圖由扇區(qū)和軌道組成。紅色圓圈是一條軌道，藍(lán)色代表一個(gè)扇區(qū)。扇區(qū)和軌道的交點(diǎn)稱為單元格，單元格是圈圖中的基本單位，可以將其視為數(shù)據(jù)的繪圖區(qū)域。

3. circlize包常用函數(shù)

3.1 常用的布局函數(shù)

circos.initialize()：初始化

circos.trackPlotRegion()：創(chuàng)建新的軌道

circos.updatePlotRegion()：更新繪制的已有的單元格

circos.par()：繪圖參數(shù)（用法同par類似）

circos.info()：打印當(dāng)前繪圖信息

circos.clear()：重置圖形參數(shù)和內(nèi)部變量

通過circos.par可設(shè)置的基本圖形參數(shù)：

start.degree：第一個(gè)扇區(qū)放置的起始角度（默認(rèn)0）

gap.degree/gap.after：兩個(gè)相鄰扇區(qū)之間的間隙：(default: 1)

track.margin：繪圖區(qū)域之外的空白區(qū)域：c(0.01, 0.01)

cell.padding：?jiǎn)卧奶畛洌篶(0.02, 1.00, 0.02, 1.00)

unit.circle.segments：控制表示曲線的線段數(shù)量：(default: 500)

track.height：軌道的默認(rèn)高度：(default: 0.2)

points.overflow.warning：TRUE

canvas.xlim：畫布中的范圍沿x方向坐標(biāo)：c(-1, 1)

canvas.ylim：畫布中的范圍沿y方向坐標(biāo)：c(-1, 1)

clock.wise：繪圖扇區(qū)的順序，默認(rèn)值TRUE指順時(shí)針：TRUE

3.2 常用繪圖函數(shù)

circos.points()：在單元格內(nèi)繪制點(diǎn)

circos.lines()：在單元格內(nèi)繪制線

circos.segments()：在單元格內(nèi)繪制片段

circos.rect()：在單元格內(nèi)繪制矩形

circos.polygon()：在單元格內(nèi)繪制多邊形

circos.text()：在單元格內(nèi)添加文本

circos.axis()/circos.yaxis()：在單元格內(nèi)繪制坐標(biāo)軸

circos.arrow()：在單元格內(nèi)繪制圓形箭頭

circos.link()：繪制單元格之間的聯(lián)系（circlize 包特有）

3.3 高級(jí)繪圖函數(shù)

circos.trackPoints()：“循環(huán)”繪制點(diǎn)

circos.trackLines()：“循環(huán)”繪制線

circos.trackText()：“循環(huán)”繪制文本

4. 高亮扇區(qū)和軌道

·draw.sector()：繪制扇形、圓環(huán)。如果要突出顯示圈圖的某些部分，此函數(shù)很有用。

draw.sector()的參數(shù)主要包括圓心的位置（默認(rèn)為c(0，0)）、扇區(qū)的開始角度和結(jié)束角度以 及上邊界或下邊界的兩條邊（或一條邊）的半徑。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?qū)τ诶L制扇區(qū)很重要。默認(rèn)情況下，它是順時(shí)針的。

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

示例如下：

定義邊距

par(mar = c(1, 1, 1, 1))

繪制基本圖形

plot(c(-1, 1), c(-1, 1), type = "n", axes = FALSE, ann = FALSE, asp = 1)

繪制從20度到0度的扇形

draw.sector(20, 0)

30度到60度，半徑版0.5-0.8的扇形，逆時(shí)針

draw.sector(30, 60, rou1 = 0.8, rou2 = 0.5, clock.wise = FALSE, col = "#FF000080")

350度到1000度，去掉邊界色

draw.sector(350, 1000, col = "#00FF0080", border = NA)

從0到180度，改變中心點(diǎn)（從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)

繪制一個(gè)0到360度的扇形

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

突出顯示圈圖中的單元格，我們可以使用get.cell.meta.data()獲得單元格位置的信息。

示例如下：

創(chuàng)建一個(gè)具有八個(gè)扇區(qū)和三個(gè)軌跡的圈圖

factors = letters[1:8]circos.initialize(factors, xlim = c(0, 1))for(i in 1:3) {circos.track(ylim = c(0, 1))}

突出顯示扇區(qū)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")

突出顯示軌道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")

突出顯示扇區(qū)e和f中的軌道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")

突出顯示單元格h:2中的一個(gè)小區(qū)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()

·highlight.sector()：突出顯示整個(gè)單元格

highlight.sector()的優(yōu)點(diǎn)之一是它支持在突出顯示的區(qū)域中添加文本。默認(rèn)情況下，文本繪制在突出顯示區(qū)域的中心。基本方向的位置可以通過text.vjust參數(shù)設(shè)置，可以通過數(shù)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 in 1:4) { 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)

5. 利用circlize包繪圖示例

下面我們拿一個(gè)例子進(jìn)行繪圖示例：

首先，構(gòu)建數(shù)據(jù)并加載circlize包

set.seed(1) n = 1000 a = data.frame(factor = sample(letters[1:8], n, replace = TRUE), x = rnorm(n), y = runif(n)) library(circlize)

設(shè)置作圖參數(shù)，調(diào)整軌道高度并初始化

circos.par("track.height"= 0.1)circos.initialize(factors = df$factors, x = df$x)

創(chuàng)建第一個(gè)軌道

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) })

設(shè)置顏色并在軌道上添加點(diǎn)和文本標(biāo)簽

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)

設(shè)置軌道背景色并使用高級(jí)繪圖函數(shù)創(chuàng)建第二個(gè)軌道添加條形圖

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

創(chuàng)建第三個(gè)軌道并添加線

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]) })

圖5.3?| 創(chuàng)建第三圈軌道并添加折線圖

修改已經(jīng)繪制的圖形（扇形d，軌道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")

創(chuàng)建第四個(gè)軌道，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) })

繪制單元格之間的鏈接（由點(diǎn)到點(diǎn)，由點(diǎn)到區(qū)間，由區(qū)間到區(qū)間）

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()

這一期circlize包的基本用法先介紹到這里，如大家有使用問題，歡迎留言提問，也可以參考閱讀circlize官方教程！或點(diǎn)擊報(bào)名R語(yǔ)言培訓(xùn)班，讓老師手把手教你更多內(nèi)容！

參考文獻(xiàn)：

1. circlize官方教程：

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

文章系歐易生物微信公眾號(hào)首發(fā)