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。

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。

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。

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

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")

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 in 1:3) {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()

·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 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 = 1000 a = 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)

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)

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")

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) })

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()

这一期circlize包的基本用法先介绍到这里，如大家有使用问题，欢迎留言提问，也可以参考阅读circlize官方教程！或点击报名R语言培训班，让老师手把手教你更多内容！

参考文献：

1. circlize官方教程：

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

文章系欧易生物微信公众号首发