基于信息可視化技術(shù)的地理空間元數(shù)據(jù)可視化研究

徐少坤，宋國民，王海葳，陳令羽

（1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052；2.75719部隊，湖北 武漢 430074）

地理空間元數(shù)據(jù)有助于用戶從海量數(shù)據(jù)中快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)、訪問、獲取和使用所需的數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)的自動搜索方法可以提高數(shù)據(jù)的使用效率，但也存在以下不足：搜索的結(jié)果通常以列表的形式顯示，用戶還要在搜索結(jié)果中進行“二次檢索”；當(dāng)用戶不能準(zhǔn)確描述所需信息時，無法獲得數(shù)據(jù)的整體概況。提高元數(shù)據(jù)搜索的可用性和有效性已成為一個突出問題。

信息可視化將元數(shù)據(jù)集的空間、屬性和時間的外部形式和內(nèi)部特征等抽象數(shù)據(jù)，以人能感知的形式表現(xiàn)出來。用戶可以選擇合適的元數(shù)據(jù)要素來探索和比較不同的數(shù)據(jù)集，同時改變參數(shù)來瀏覽所有可用的元數(shù)據(jù)資源，提高檢索效率。

1 信息可視化

1.1 基本概念

信息可視化（Information Visualization）是將抽象數(shù)據(jù)用可視的形式表示出來，用于揭示抽象信息之間的關(guān)系和信息中隱藏的特征［1］。Card等人提出了信息可視化的參考模型（見圖1），將可視化概括為從數(shù)據(jù)到可視化形式再到人的感知系統(tǒng)可調(diào)節(jié)的映射［2］。數(shù)據(jù)檢索是信息可視化的核心，目的在于形象化地表達信息，發(fā)現(xiàn)新的知識，識別信息在結(jié)構(gòu)、模式、非規(guī)則、趨勢等方面的規(guī)律。

圖1 信息可視化參考模型

1.2 研究內(nèi)容

信息可視化作為可視化研究的新領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于知識發(fā)現(xiàn)、信息檢索、數(shù)字圖書館和信息理解等方面。綜合起來，其研究主要集中在以下幾個方面。

1）層次信息可視化。層次信息可視化最直觀的形式是樹型結(jié)構(gòu)。其研究重點在于既要獲得整體層次結(jié)構(gòu)，又要便于快速查找所需節(jié)點，并用更多的可視空間來顯示用戶關(guān)注的信息。應(yīng)用廣泛的有圓錐樹、雙曲線樹、圓形嵌套［3］等。

2）多維信息可視化。將多維度、多屬性的信息映射為直觀的形式是信息可視化的重要目標(biāo)。特別是在數(shù)據(jù)倉庫和信息挖掘中，一般采用坐標(biāo)變換、嵌套以及多視圖等技術(shù)將多維信息映射到二維平面或三維空間中［4］。代表性的有散點圖、平行坐標(biāo)和自組織映射［5］等。

3）文本信息可視化。利用可視化技術(shù)快速地從海量文本信息中獲取所需的內(nèi)容和知識，也是信息可視化關(guān)注的目標(biāo)。根據(jù)文本內(nèi)容的大小，文本信息可視化分為單文檔可視化和大型文檔集合可視化。

4）Web可視化。Web信息空間呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，Web可視化的研究內(nèi)容包括信息搜索的可視界面、網(wǎng)頁導(dǎo)航和布局以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的動態(tài)顯示和交互控制［6］。根據(jù)網(wǎng)站的規(guī)模，Web可視化可分為單網(wǎng)站可視化和網(wǎng)站集合可視化。清華大學(xué)網(wǎng)站可視圖是比較典型的Web可視化例子［7］。

2 地理空間元數(shù)據(jù)可視化

地理空間元數(shù)據(jù)是指地理空間數(shù)據(jù)集和相關(guān)信息資源的描述信息，是對空間特征的概括和抽?。?］。許多國家、研究機構(gòu)都制定了相關(guān)的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，代表性的有美國聯(lián)邦數(shù)據(jù)委員會起草的CSDGM和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的ISO/FDIS 19115。

大部分的元數(shù)據(jù)服務(wù)僅作為一個功能模塊集成在各種GIS平臺上，只提供簡單的數(shù)據(jù)查詢與顯示服務(wù)。將可視化應(yīng)用于地理空間元數(shù)據(jù)服務(wù)是一個新思路，國內(nèi)在這方面的研究較少。應(yīng)用成熟的有“香港賽馬會滑坡防治與咨詢中心”項目，該項目將元數(shù)據(jù)信息以圖的形式表達出來，使用戶提前知道所需數(shù)據(jù)的存在狀況［9］。

國外的地理空間元數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)展比較成熟，在理論模型、可視化技術(shù)和應(yīng)用工具等方面已進行深入研究。Card等人認(rèn)為：“元數(shù)據(jù)與其他知識結(jié)構(gòu)中的復(fù)雜數(shù)據(jù)，都是高維多變量的，信息可視化技術(shù)可以輔助其發(fā)現(xiàn)規(guī)律”［10］。Kraak和Ormeling提出地理空間元數(shù)據(jù)的可視化環(huán)境體現(xiàn)在3個方面：地理可視化、多元可視化及設(shè)計以人為中心的可視化［11］。Yang，Ward和Rundensteiner等提出交互式層次顯示技術(shù)將是海量數(shù)據(jù)顯示的有效工具［12］。

2.1 影響因素分析

在地理空間元數(shù)據(jù)可視化設(shè)計過程中，任務(wù)需求、用戶和元數(shù)據(jù)規(guī)格參數(shù)是影響數(shù)據(jù)搜索的3大因素［13］。

1）地理空間元數(shù)據(jù)可視化的任務(wù)需求。用戶不同的任務(wù)需求，對元數(shù)據(jù)的關(guān)注點和要素的選擇也不盡相同。在元數(shù)據(jù)的搜索過程中，這會影響可視化表現(xiàn)形式、可視化應(yīng)用模式和搜索精度。用戶在評價某一數(shù)據(jù)集是否滿足需求時，需要權(quán)衡多個準(zhǔn)則進行判斷，不同的任務(wù)需求，決定因素和要素的權(quán)重值也各不相同［14］。比如，以研究分析為目的，會注重于數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性和真實性；以量測為目的，會注重于數(shù)據(jù)精度和空間準(zhǔn)確性；數(shù)據(jù)的管理則更關(guān)注管理成本和用戶權(quán)限。

2）地理空間元數(shù)據(jù)服務(wù)的用戶。大部分的元數(shù)據(jù)用戶也是GIS應(yīng)用程序的用戶，這些用戶涵蓋從商業(yè)程序的最終用戶到新環(huán)境、新語言的研究者。另外，程序和軟件開發(fā)者、數(shù)據(jù)管理者、數(shù)據(jù)生產(chǎn)商也會使用元數(shù)據(jù)。針對各種類型的用戶，分析其需求和關(guān)注點，以滿足其不同層次、不同階段的服務(wù)需求。

3）地理空間元數(shù)據(jù)的規(guī)格參數(shù)。為滿足廣泛的應(yīng)用需求，地理空間元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制定了詳細(xì)的元數(shù)據(jù)要素。但并不是所有要素都有明確的意義，都值得用戶去關(guān)注。要根據(jù)用戶類型和任務(wù)需求，結(jié)合元數(shù)據(jù)的規(guī)格參數(shù)，分析用戶可能關(guān)注的元數(shù)據(jù)要素，并提供相似的要素滿足其潛在的需求。

2.2 可視化技術(shù)

地理空間元數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)，根據(jù)元數(shù)據(jù)要素的個數(shù)可分為單要素可視化和多要素可視化。

2.2.1 單要素可視化技術(shù)

地理空間元數(shù)據(jù)單要素的可視化，可以采用傳統(tǒng)的信息可視化方法，如條形統(tǒng)計圖、柱狀圖、折線圖、餅圖、散點圖、顏色編碼等。

對于簡單的二維數(shù)據(jù)，散點圖（scatterplot）是比較常見的可視化方法。例如，2個元數(shù)據(jù)要素，可以映射為二維坐標(biāo)上的一系列點，進而獲得數(shù)據(jù)的整體趨勢。柱狀圖是數(shù)據(jù)比較的有效形式，能直觀地顯示單一要素的分布情況，不同顏色的柱狀更利于數(shù)據(jù)的快速選擇和整體趨勢的有效反映。

單要素可視化形式多樣，結(jié)構(gòu)簡單。可通過分析各種形式的特點，對元數(shù)據(jù)單要素采用合適的表現(xiàn)形式；同時可將多種可視化形式組合起來，為用戶提供潛在的、相關(guān)的信息。

2.2.2 多要素可視化技術(shù)

地理空間元數(shù)據(jù)多要素可視化一般是指3個或3個以上元數(shù)據(jù)要素的可視化，其表現(xiàn)形式要求既能清晰地反映大數(shù)據(jù)集的整體趨勢，又能快速查找所需的元數(shù)據(jù)?？蓱?yīng)用于地理空間元數(shù)據(jù)可視化的技術(shù)主要有以下幾種：

2.2.2.1 多維可視化技術(shù)

1）散點圖矩陣。對散點圖進行適當(dāng)?shù)母倪M，可用于元數(shù)據(jù)多要素的可視化表達。其中一種方法是把元數(shù)據(jù)的每個要素，用不同的圖形、顏色、紋理等表示在二維坐標(biāo)上。

散點圖矩陣（見圖2）也是一種有效的可視化方式。它將元數(shù)據(jù)多個要素兩兩組合作為矩陣中的一個元素，在每一矩陣中繪制相應(yīng)要素的散點圖，從各個要素屬性的兩兩比較中得到隱含的信息。散點圖矩陣是區(qū)別元數(shù)據(jù)整體趨勢和局部特征的簡單方法，能直觀地解釋所有任意2個要素之間的關(guān)系，而不受數(shù)據(jù)集大小和要素個數(shù)的限制［5］。

圖2 散點圖矩陣

2）平行坐標(biāo)。平行坐標(biāo)（見圖3）是在二維空間中采用等距離、豎直多條平行坐標(biāo)軸表示多維空間，坐標(biāo)軸取值范圍從相應(yīng)數(shù)據(jù)維屬性的最小值到最大值均勻分布。平行坐標(biāo)中數(shù)據(jù)關(guān)系的表達直觀，易于理解，有助于發(fā)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)之間復(fù)雜關(guān)系。

圖3 平行坐標(biāo)

平行坐標(biāo)將用戶搜索的元數(shù)據(jù)要素映射為平行坐標(biāo)軸，根據(jù)關(guān)鍵詞的重要性設(shè)置相應(yīng)的坐標(biāo)軸順序。搜索結(jié)果以各個軸之間的連線顯示，用戶可交互式地添加或刪除要素。當(dāng)數(shù)據(jù)量比較大時，坐標(biāo)軸之間的線可能比較多，要素間的關(guān)系會模糊不清，可對線進行半透明化處理［15］，其顏色的深淺反映元數(shù)據(jù)的趨勢特征；當(dāng)數(shù)據(jù)量較少時，平行坐標(biāo)有利于用戶快速查找所需的結(jié)果。

散點圖和平行坐標(biāo)的結(jié)合可以獲得整體趨勢和局部特征的優(yōu)化形式。在平行坐標(biāo)軸之間顯示散點圖，軸之間的直線變成穿過散點圖的曲線，這樣既保持了平行坐標(biāo)里的連接關(guān)系，又能用散點圖表示平行坐標(biāo)里無法表現(xiàn)的數(shù)據(jù)趨勢［16］。

2.2.2.2 圖標(biāo)顯示技術(shù)

基本思路是用多個可視特征圖標(biāo)來表示多維信息，圖標(biāo)每一個可視特征表示多維信息中一維，該方法適合為數(shù)不多并且在二維平面上具有良好展開特性的數(shù)據(jù)集［5］。常用的圖標(biāo)顯示技術(shù)有Chernoff面法和星繪法。Chernoff面法中面部表情不適合量化分析，并且容易干擾用戶對數(shù)據(jù)的理解，所以Chernoff面法在元數(shù)據(jù)可視化方面應(yīng)用較少。

1）星繪法。星繪法（見圖4）是從一點向外等角度地繪制發(fā)散的線段，線段的長度表示要素屬性值的大小，連接各條線段的終點形成星狀的圖形。元數(shù)據(jù)多要素可視化時，將要素的屬性值對應(yīng)為輻條的長度，數(shù)據(jù)集以相應(yīng)的星狀圖表示。星狀圖越完整，形狀越大，表示數(shù)據(jù)越符合設(shè)定的需求。

圖4 星繪法

Elena，F(xiàn)anea等提出了Parallel－Glyphs方法［17］，將星繪法與平行坐標(biāo)結(jié)合起來，取得了較好的可視效果。

2.2.2.3 層次可視化技術(shù)

對于海量數(shù)據(jù)的表達，層次可視化技術(shù)是顯示不同層次、大規(guī)模數(shù)據(jù)的有效工具。層次可視化技術(shù)可以為某個主題的要素屬性提供相關(guān)信息的整體概覽，并將更多的可視空間分配給用戶關(guān)注的部分分支。應(yīng)用比較廣泛的有空間樹和雙曲線樹。

1）空間樹?？臻g樹（見圖5）是采用點—線形式和收縮—展開方法來實現(xiàn)層次結(jié)構(gòu)的可視化技術(shù)［3］。當(dāng)用戶點擊相應(yīng)分支時，就展開下一級分支信息，可用顏色和形狀標(biāo)記焦點和根節(jié)點之間路徑。

圖5 空間樹

2）雙曲線樹。雙曲線樹（見圖6）是一種利用雙曲平面布局和“焦點＋上下文”的可視化技術(shù)，將用戶關(guān)注的細(xì)節(jié)顯示在平面中心，保證整個層次結(jié)構(gòu)的完全顯示。例如，對“延坪島炮擊事件”進行可視化，可將延坪島作為根節(jié)點，其海島地理位置、地形狀況和周邊海域水文狀況等都可以作為其子節(jié)點，子節(jié)點可繼續(xù)擴展到軍事設(shè)施分布、數(shù)據(jù)更新時間、數(shù)據(jù)來源等下一層次信息。用戶點擊相應(yīng)節(jié)點可使其顯示在中心位置，獲得放大的局部信息。

圖6 雙曲線樹

3 應(yīng)用流程

地理空間元數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用流程可以描述為“先總體瀏覽，再移動和過濾，最后放大所需信息”。如圖7所示，圖7中a表示用戶在使用地理空間元數(shù)據(jù)庫時，首先會限定搜索范圍，如用戶輸入感興趣區(qū)域的名稱或在地圖上選擇特定的位置或范圍。在搜索結(jié)果中，用戶可根據(jù)需要在界面上選擇關(guān)鍵的元數(shù)據(jù)要素，確定優(yōu)先考慮的選項（見圖7中b）。系統(tǒng)會根據(jù)用戶選擇的要素，繪制所需元數(shù)據(jù)要素的可視化視圖，其中圖7中c顯示了星繪法和平行坐標(biāo)法2種可視化形式。用戶可以交互式地刷新和選擇元數(shù)據(jù)視圖，也可以根據(jù)需要打開或關(guān)閉不同的可視化視圖，直到找到合適的數(shù)據(jù)集，并在地圖上研究其地理內(nèi)容。數(shù)據(jù)集的內(nèi)容以圖像和文本元數(shù)據(jù)的形式提供給用戶，圖7中d顯示了地圖和元數(shù)據(jù)要素列表兩種形式。

圖7 地理空間元數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用流程［13］

4 結(jié)束語

隨著測控技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，人類獲取的空間信息數(shù)量呈幾何級增長，豐富的空間信息資源促進基礎(chǔ)地理信息建設(shè)和元數(shù)據(jù)服務(wù)的日益完善。因此，面對海量數(shù)據(jù)，高效、準(zhǔn)確的空間數(shù)據(jù)檢索將是影響數(shù)據(jù)服務(wù)和信息共享的重要因素。

信息可視化技術(shù)作為揭示抽象信息之間關(guān)系和特征的有力工具，有助于提高元數(shù)據(jù)服務(wù)的有效性和可用性。元數(shù)據(jù)服務(wù)的發(fā)展趨勢將以信息可視化技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合地理空間元數(shù)據(jù)的特點，分析元數(shù)據(jù)可視化的影響因素和應(yīng)用流程，為不同類型、不同需求的用戶，提供高效可靠的解決方案。

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