Karten mit R

Ich haette mich in den letzten Tagen eigentlich mit etwas voellig anderem beschaeftigen muessen. Deswegen habe ich mich in R eingearbeitet. Prokrastination, level: 14. Semester. Und weil mir das Spass gemacht hat, moechte ich meine Erfahrungen festhalten und teilen.

Am Ende dieses kleinen Durchlaufs steht eine Choroplethenkarte — also eine in Subregionen unterteilte Karte, deren Flaechenfaerbung gewisse Kennzahlen anzeigen kann. So etwas geht heutzutage auch schoen als Overlay-Karte mit OpenStreetMap, mich interessierte aber der Prozess in R, und wie man ueberhaupt einmal zu den passenden Farben kommt 😉

0: R installieren

R gibt es fuer Win, MacOS und Linux; ich habe mich mit der letzteren Variante beschaeftigt. Eigentlich ginge das wunderbar mit sudo apt-get install R, dann wird aber bei einigen Distributionen erst einmal eine aeltere Version installiert, die viele Dinge nicht kann, die wir spaeter noch brauchen. Hier ist beschrieben, wie man die passenden Paketquellen einbindet, sofern man nicht ohnehin aus dem Source heraus kompilieren moechte.

Wenn man moechte, kann man auch eine GUI verwenden. Ich habe ein wenig mit RKward gespielt, mit dem man schoen die zu erledigenden Schritte in eine Skriptdatei schreiben und Zeile fuer Zeile abarbeiten kann — das hilft, die eigenen Schritte hinterher auch festzuhalten. Prinzipiell geht aber alles auch in der Konsole → R ausfuehren und anfangen. Mit q() geht’s wieder zurueck in die Shell.

(Mittlerweile bin ich auch auf Deducer gestossen, der recht vielversprechend aussieht, dazu vielleicht spaeter noch etwas)

1: Erste Schritte

Ich werde nicht grossartig auf die R-Grundlagen eingehen — die eignet man sich am besten dann bei, wenn man irgendwo auf ein Problem stoesst. Das kurze Grundlagenhandbuch von Thomas Petzold hat mir hierfuer gut getaugt.

Die Uebersicht aller Ulmer Stadtviertel liegt auf ulmapi.de als ZIP-Archiv mit einem ESRI-Shapefile vor. Und von dort zur ersten primitiven Karte sind es eigentlich nur vier Zeilen:

library(maptools)
setwd("/media/home/opendata/stadtviertel")
ulm <- readShapePoly("Stadtviertel_Gesamt_270209.shp")
plot(ulm)

Falls die maptools- (oder eine beliebige andere) Bibliothek nicht vorhanden ist, kann sie aus R heraus mit install.packages("maptools") nachinstalliert werden. Gegebenenfalls ist hierfuer noch der gcc- und gfortran-Compiler zu installieren. Das Argument in setwd() sollte natuerlich das eigene Arbeitsverzeichnis sein, in dem die Shapes aus dem ZIP-Archiv liegen.

Mit diesen wenigen Zeilen haben wir also eine erstens zum schreien haessliche und zweitens vollkommen informationsfreie Karte mit den Umrissen der Ulmer Stadtviertel hinbekommen. Dieser Schritt bringt uns also ueberhaupt nichts nuetzliches, aber zumindest einmal das gute Gefuehl, dass da etwas geklappt hat 🙂

2: Farbe!

Interessanter wird es, wenn tatsaechlich auch Farbe ins Spiel kommt. Die Shapefiles bringen (in der Regel) eine DBase-dbf-Datei mit, in denen mit den Umrissen verknuepfte Daten mitgebracht werden. Die liegen nun im Datenslot der Variable ulm, die wir vorhin mit dem Shape gefuellt haben. Ein einfaches

ulm

wirft uns den kompletten Inhalt dieser Variable um die Ohren — also auch alle Koordinaten. Mit

names(ulm)

sehen wir die Namen der Datenvektoren, und mit

ulm@data

bekommen wir diese als „Tabelle“ angezeigt. Einzelne Spalten (bzw. Vektoren) koennen wir mit einem angehaengten $Spaltenname selektieren; so gibt

ulm@data$ST_NAME (oder einfach ulm$ST_NAME)

alle Eintraege im Datenvektor der Stadtteilnamen aus. Nach diesen Eintraegen koennen wir nun arbeiten — zum Beispiel, indem wir einfach einmal die Karte nach Stadtteilen faerben. Das geht in zwei Zeilen:

col <- rainbow(length(levels(ulm@data$ST_NAME)))
spplot(ulm, "ST_NAME", col.regions=col, main="Stadtviertel Ulms", sub="cc-by-sa, Datensatz der Stadt Ulm", lwd=.8, col="white")

rainbow() erzeugt hier einfach einen Farbverlauf — oder besser gesagt, einen Zeichenvektor mit so vielen (length()) RGB-Farben, wie es eindeutige Werte (levels()) im Vektor ST_NAME gibt. spplot() plottet hier ulm, faerbt die durch ST_NAME bezeichneten Regionen mit der vorhin erstellten Palette ein, setzt Titel und Untertitel und die Grenzen zwischen den einzelnen Flaechen auf weisse Linien.

(Zusammengebastelt anhand dieser Tutorials)

Auch diese Darstellung ist in der Darstellung eher unspannend — dargestellt werden so nur Raumordnungsdaten, keine statistischen Werte. Dazu kommen wir nun.

3: Malen nach Zahlen

Eigentlich sollen Zahlenwerte dargestellt werden, wie im R Choropleth Challenge demonstriert. Hierzu brauchen wir aber erst einmal die darzustellenden Daten samt Schluesseln, um sie den passenden Regionen zuordnen zu koennen.

Die Tutorials und Anleitungen, die ich durchgeackert habe, gehen von zwei Praemissen aus — entweder werden RData-Objekte aus der GADM-Datenbank verwendet, wie in diesem Tutorial ueber die Einwohnerdichte indischer Bundesstaaten. Oder es geht um ESRI-Shapefiles, die in ihrem dbf-Anhaengsel deutlich mehr Nutzdaten mitbringen als unsere Stadtteilekarte. Schoene Beispiele hierfuer finden sich auf dieser Uebersichtsseite sowie in diesem weiterreichenden Beispiel, beides von der University of Oregon, an der gerade (Fruehling 2012) offenbar eine passende Vorlesung laeuft.

Die Zuordnung von Shape und geschluesselten CSV-Dateien greife ich (vielleicht ^^) in einem Folgeartikel noch einmal auf. Stattdessen gibt es nun was ganz exklusives, eine UlmAPI-Sneak-Preview quasi: Einen nagelneuen Datensatz der Stadt, bevor er auf ulmapi.de landet. Wow!

Es handelt sich um *trommelwirbel* ein Shapefile, das neben den Schluesseln und Namen auch den Altersquotienten fuer das jeweilige Viertel beinhaltet. Wow! 😀

Der Altersquotient gibt das Verhaeltnis von Personen ab 65 zu Personen von 14–64 an und kann somit als Indikator fuer die Altersstruktur der Bevoelkerung dienen. Und das laesst sich natuerlich gut farbig darstellen 🙂

Wir fangen wieder mit unseren bisherigen Bibliotheken und dem Einlesen an:

library(sp)
library(maptools)
setwd("/media/home/opendata/altersquotient")
ulm <- readShapePoly("G_Altersquotient_311210.shp")
# Inhalte kontrollieren
names(ulm)
ulm@data

Na hoppla, da ist was schiefgegangen, oder? Die Chancen sind gross, dass hier nun etwas wie „ M\xe4hringen“ steht. Das ist aber nichts, was man nicht schnell beheben koennte — wir konvertieren die betroffenen Vektoren korrekt nach UTF-8 und ersetzen die Originale damit:

ulm@data$STT_Name <- iconv(ulm@data$STT_Name, "ISO_8859-1", "UTF-8")
ulm@data$STTV_Name <- iconv(ulm@data$STTV_Name, "ISO_8859-1", "UTF-8")

Um nun die Daten aus der Spalte ALTQU in Farben umzusetzen, verwenden wir das Paket RColorBrewer, das einige fuer Diagrammvisualisierungen praktische Farbverlaeufe mitbringt, und die Bibliothek classInt, um die Werte unseres Altersquotientenvektors zu klassieren:

library(RColorBrewer)
library(classInt)

plotvar <- ulm@data$ALTQU
nclr <- 7
plotclr <- brewer.pal(nclr,"Greens")
class <- classIntervals(plotvar, nclr, style="equal")
# class <- classIntervals(plotvar, nclr, style="quantile")
colcode <- findColours(class, plotclr)

in diesem Beispiel sind die Klassenbreiten konstant; classIntervals() laesst jedoch natuerlich auch noch andere Optionen zu.

Diese Vorbereitung reicht schon, um die oben abgebildete Karte anzuzeigen:

spplot(ulm, "ALTQU", col.regions=plotclr, at=round(class$brks, digits=2), main = "Altersquotient nach Stadtvierteln in Ulm", sub="Stand 31.12.2010 nach Daten der Stadt Ulm, cc-by-sa", lwd=.8, col="white")

Weiteres Tuning waere beispielsweise durch die Anzeige der Stadtviertelnamen moeglich, was aber angesichts der teilweise dichten Haeufung nur zur groben Orientierung taugt:

spplot(ulm, "ALTQU", col.regions=plotclr, at=round(class$brks, digits=2), main = "Altersquotient nach Stadtvierteln in Ulm", sub="Stand 31.12.2010 nach Daten der Stadt Ulm, cc-by-sa", lwd=.8, col="white", sp.layout = list("sp.text", coordinates(ulm), as.character(ulm$STTV_Name), cex=0.6))

So weit so gut


Dieser Einstieg kratzt leider wirklich nur an der Oberflaeche — und auch die Darstellung mit spplot laesst ein wenig zu wuenschen uebrig. Ebenfalls nicht behandelt habe ich das „Problem“, Shapefiles mit ganz anderen Daten zu verknuepfen. Die verlinkten Tutorials helfen hier teilweise schon weiter — ich hoffe aber, die naechsten Tage zwischen Barcamporga und Arbeiten noch ein wenig Zeit fuer ein weiteres Posting ueber ggplot2 und weitere Beispiele hinzubekommen 🙂

Viele weitere Datensaetze und vor allem auch Visualisierungsjunkies findest du ausserdem auf dem OpenCityCamp am 12. und 13. Mai 2012 an der Uni Ulm 😉

(edit: peinliche Typos gefixt)

Ein Gedanke zu „Karten mit R

  1. Pingback: Schoenere Karten mit R und ggplot2 | stk

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