面向統(tǒng)計(jì)+地理信息的可視化平臺可用性評估

冀媛媛 遆 鵬

(1. 西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 四川 成都 611756;2. 高速鐵路運(yùn)營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 611756)

0 引言

綜合利用統(tǒng)計(jì)和地理信息是認(rèn)識自然現(xiàn)象、社會活動、日常生活等諸多方面的狀況和態(tài)勢的典型方式,例如，資源環(huán)境監(jiān)測、空間規(guī)劃、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等,為綜合評價、管理、分析和決策服務(wù)提供了定量和定性評估基礎(chǔ)和事實(shí)支撐。面對龐雜的統(tǒng)計(jì)和地理信息,相比文字與數(shù)字,圖形化表達(dá)能直觀傳達(dá)數(shù)據(jù)關(guān)鍵特征,幫助快速理解復(fù)雜信息和深入認(rèn)識隱藏規(guī)律,實(shí)現(xiàn)與用戶的高效信息傳遞。例如，世界銀行采用多種統(tǒng)計(jì)圖表與專題地圖相結(jié)合對聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)進(jìn)行可視化展示,趙清波等采用河流圖等對交通流量進(jìn)行可視化展示,陶健等采用3D柱狀圖等對COVID-19確診人數(shù)等進(jìn)行可視化展示。由于統(tǒng)計(jì)信息有類型多樣、現(xiàn)勢性、動態(tài)性特點(diǎn),面對不同行業(yè)與分析角度的應(yīng)用需求,往往需要不同的可視化技術(shù)體現(xiàn)數(shù)據(jù)本身特征。然而豐富而復(fù)雜的可視化技術(shù)給非專業(yè)人員帶來了困難,因此國內(nèi)外不同機(jī)構(gòu)將大量可視化技術(shù)集成,開發(fā)了多種可視化平臺,實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)和地理信息可視化應(yīng)用的大眾化服務(wù)。當(dāng)前常見的可視化平臺在專業(yè)性、使用操作等方面具有一定差異,然而并未有相關(guān)對比評估研究以更好地指導(dǎo)普通用戶選擇合適平臺。因此,本文從現(xiàn)有可視化平臺功能分析出發(fā),采用模糊層次分析法建立可用性評價指標(biāo)體系并結(jié)合典型實(shí)例對典型平臺做可用性評估,本研究成果能夠?yàn)橛糜诮y(tǒng)計(jì)與空間信息可視化制作的平臺選擇提供較為專業(yè)的建議,推動可視化應(yīng)用實(shí)踐,更好地服務(wù)于大眾。

1 典型可視化平臺功能對比分析

當(dāng)前常見的可免費(fèi)使用的可視化平臺有ECharts、Highcharts、Power Map(中文名為地圖增強(qiáng)版)、Pixel Map Generator和Polymaps,主要提供針對統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表達(dá)的圖表可視化和基于底圖模板對空間信息表達(dá)的地圖可視化。其中，Power Map平臺是3D數(shù)據(jù)可視化地圖插件,其余4個平臺是網(wǎng)站,各網(wǎng)站網(wǎng)址及軟件插件介紹如表1所示。

本節(jié)從交互功能、模板功能、編輯功能、三維環(huán)境、動態(tài)表達(dá)、主要表達(dá)數(shù)據(jù)類型方面,對各平臺做對比,結(jié)果如表2所示。雖然它們都能支持統(tǒng)計(jì)和地理信息可視化,但有所側(cè)重?？紤]功能的全面性,本研究選擇主要用于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可視化的ECharts和主要用于地圖可視化的Power Map作為統(tǒng)計(jì)和地理數(shù)據(jù)可視化的代表性平臺進(jìn)行可用性對比評估。

表1 可視化平臺對應(yīng)網(wǎng)站網(wǎng)址及軟件插件

表2 可視化平臺功能

2 可視化平臺可用性評估方法

可視化平臺的可用性包括有效性、效率和滿意度3個方面。有效性指特定任務(wù)完成情況,效率指單位時間完成工作量,滿意度指對平臺的主觀感受。本節(jié)采用模糊層次分析法根據(jù)可用性三方面提出可視化平臺可用性評估方法,首先采用層次分析法構(gòu)建評估指標(biāo)群并基于重要性確定權(quán)重,之后采用模糊綜合評價法對平臺可用性做綜合評價。

2.1 研究基于層次分析法的評估指標(biāo)體系構(gòu)建

目前針對各類軟件的可用性研究主要從界面視覺、交互、內(nèi)容、糾錯等方面建立評價指標(biāo)體系,如邱玥等對國土資源系統(tǒng)用戶界面做可用性研究,嚴(yán)慧敏等對政務(wù)網(wǎng)站界面做可用性研究,滕學(xué)偉等對GIS人機(jī)交互界面做可用性評估。本文基于上述研究采用的指標(biāo)體系,結(jié)合可視化平臺本身特點(diǎn),對ECharts和Power Map兩個典型平臺構(gòu)建可用性評估指標(biāo)體系。

可視化平臺的可用性評價指標(biāo)體系包括三級。第一級(目標(biāo)層)是面向可視化平臺整體的可用性評估;第二級(準(zhǔn)則層)是目標(biāo)層的劃分,由于可視化統(tǒng)計(jì)和地理信息時需要考慮界面呈現(xiàn)、可視化表達(dá)與制作、平臺系統(tǒng)操作、幫助與糾錯,因此將其設(shè)為第二級;第三級(指標(biāo)層)是從有效性、效率和滿意度3個方面對準(zhǔn)則層的進(jìn)一步劃分。本文的可用性評價指標(biāo)體系如表3所示。

對一級指標(biāo)來說,其余各級指標(biāo)重要性有差別,因此需要對指標(biāo)賦權(quán)重。本文采用Saaty學(xué)者提出的1-9標(biāo)度法(表4),通過兩兩比較法判斷每級指標(biāo)的相對重要程度并構(gòu)造判斷矩陣,基于判斷矩陣計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。

表3 可視化平臺可用性評價指標(biāo)體系

表4 1-9標(biāo)度法定義

首先計(jì)算層次單排序。通過比較二級指標(biāo)相對重要性,構(gòu)造對應(yīng)判斷矩陣(表5)。

表5 二級指標(biāo)判斷矩陣

判斷矩陣記為=(

a

)×,

a

為指標(biāo)

i

對

j

的重要性比較值,

n

為指標(biāo)數(shù)。根據(jù)式(2)～式(3)計(jì)算歸一化特征向量=(

w

,…,

w

)。

經(jīng)計(jì)算,二級指標(biāo)判斷矩陣歸一化特征向量為=(0

.

160 3,0

.

466 9,0

.

277 6,0

.

095 3)。由于對指標(biāo)重要性比較具有一定主觀性,為避免主觀評價引入誤差,需進(jìn)行一致性檢測,檢驗(yàn)通過則說明計(jì)算合理,歸一化特征向量即為權(quán)向量。檢驗(yàn)過程如式(4)～(7)所示,計(jì)算最大特征根

λ

和一致性指標(biāo)

C

,根據(jù)表6查得平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

R

,計(jì)算隨機(jī)一致性比率

C

。當(dāng)

C

<0.10時通過檢驗(yàn),否則需重新構(gòu)造判斷矩陣。

表6 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的數(shù)值

經(jīng)計(jì)算,二級指標(biāo)判斷矩陣的最大特征根為

λ

=4

.

030 9,

C

=0

.

010 3,

C

=0

.

011 6<0

.

10,通過一致性檢驗(yàn),此時其歸一化特征向量為權(quán)向量,表示各二級指標(biāo)對于一級指標(biāo)的權(quán)重。

根據(jù)以上方法分別建立三級指標(biāo)判斷矩陣,計(jì)算權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，見表7。

表7 界面呈現(xiàn)判斷矩陣

界面呈現(xiàn)指標(biāo)權(quán)重為=(0

.

648 3,0

.

229 7,0

.

122 0),

C

=0

.

003 6<0

.

10,通過檢驗(yàn),見表8。

表8 可視化表達(dá)與制作判斷矩陣

可視化表達(dá)與制作指標(biāo)權(quán)重為=(0

.

571 4,0

.

142 9,0

.

285 7),

C

=0<0

.

10,通過檢驗(yàn),見表9。

表9 平臺系統(tǒng)操作判斷矩陣

平臺系統(tǒng)操作指標(biāo)權(quán)重為=(0

.

414 3,0

.

241 0,0

.

135 2,0

.

074 3,0

.

135 2),

C

=0

.

003 8<0

.

10,通過檢驗(yàn),見表10。

表10 幫助與糾錯判斷矩陣

幫助與糾錯指標(biāo)權(quán)重為=(0

.

2583,0

.

1047,0

.

6370),

C

=0

.

0371<0

.

10,通過檢驗(yàn)。

以上是三級指標(biāo)對于二級指標(biāo)的權(quán)重,為計(jì)算對于一級指標(biāo)的權(quán)重,需要將所有三級指標(biāo)進(jìn)行綜合分析,即進(jìn)行層次總排序,并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

假設(shè)二級指標(biāo)中

m

個指標(biāo)

B

,

B

,…,

B

相對一級指標(biāo)權(quán)重為

b

,

b

,…,

b

,所有三級指標(biāo)中

n

個指標(biāo)對二級指標(biāo)中指標(biāo)

B

的層次單排序權(quán)重為

c

1,

c

2,…,

c

,則所有三級指標(biāo)中第

j

個指標(biāo)相對于一級指標(biāo)的權(quán)重

w

為

(8)

對層次總排序進(jìn)行一致性檢驗(yàn),假設(shè)

m

個二級指標(biāo)的一致性指標(biāo)為

C

I,平均隨機(jī)一致性指標(biāo)為

R

I,則三級指標(biāo)層次總排序一致性比率為：

(9)

經(jīng)過計(jì)算,

C

=0

.

0049<0

.

10,通過一致性檢驗(yàn)。最終,各級指標(biāo)相對于一級指標(biāo)的權(quán)重如表11所示。

表11 指標(biāo)權(quán)重值

2.2 基于模糊綜合評價法的可用性評估

根據(jù)評估指標(biāo)體系進(jìn)行可視化平臺可用性評估,首先需要選擇適宜的評估實(shí)驗(yàn)方法。常用可用性評估實(shí)驗(yàn)方法有用戶測試法、問卷調(diào)查法、用戶模型法、啟發(fā)式評估、認(rèn)知性遍歷、經(jīng)驗(yàn)性評估、實(shí)踐觀察等?？紤]到本評估工作主要是為用戶選擇合適的可視化平臺提供指導(dǎo)建議,且評估指標(biāo)主要與用戶使用體驗(yàn)及滿意度相關(guān),本文采用用戶測試法和問卷調(diào)查法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),采用用戶測試法讓實(shí)驗(yàn)人員使用平臺完成特定任務(wù),通過問卷調(diào)查得到實(shí)驗(yàn)人員對各指標(biāo)的評分。由于人們對指標(biāo)的認(rèn)知有一定主觀因素,難以用統(tǒng)計(jì)學(xué)思想處理,且最終可用性評估結(jié)果受多指標(biāo)影響,因此本文采用模糊綜合評價法對平臺可用性做綜合評價。

(1)建立可用性評價因素集

U

={

u

,

u

,…,

u

}。因素為指標(biāo),

m

為指標(biāo)數(shù)。(2)建立可用性評語集

V

={

v

,

v

,…,

v

}。

n

為評價等級數(shù),本文設(shè)置

n

=5,

V

={很滿意,滿意,一般,不滿意,很不滿意}={5,4,3,2,1}。評價定量分級標(biāo)準(zhǔn)如表12所示。

表12 分級標(biāo)準(zhǔn)

(3)建立單因素模糊綜合評價矩陣=(

r

)×。

r

為評價因素集

U

中指標(biāo)

u

對評價集

V

中評價等級

v

的隸屬度,通過各評價等級對應(yīng)人數(shù)與總評價人數(shù)作商求得。(4)確定各評價指標(biāo)權(quán)重={

w

,

w

,…,

w

},本文為表11中的指標(biāo)權(quán)重值。(5)對多級指標(biāo)做模糊綜合評價,計(jì)算綜合評分。根據(jù)式(10)計(jì)算模糊綜合評價向量,將歸一化處理后,根據(jù)式(11)計(jì)算模糊評定分值

F

。

3 可用性評估實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用世界銀行網(wǎng)站提供的2020年歐盟國家人均GDP年增長率數(shù)據(jù),共26人參與實(shí)驗(yàn)。為使評估一致,實(shí)驗(yàn)提供了在兩個平臺上制作的產(chǎn)品,實(shí)驗(yàn)人員需根據(jù)樣例使用兩個平臺進(jìn)行可視化。

之后根據(jù)三級可用性指標(biāo)制作問卷,使實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)操作體驗(yàn)和主觀感受評分并對感受較差指標(biāo)做意見反饋。評分方式采用李克特量表,5是很滿意,4是滿意,3是一般,2是不滿意,1是很不滿意。有效回收問卷有26份,結(jié)果如表13,表中數(shù)據(jù)表示評價該等級的人數(shù)。

表13 ECharts和Power Map三級指標(biāo)評價結(jié)果

3.1 計(jì)算結(jié)果

Echarts：根據(jù)式(10)～(11),界面呈現(xiàn)、可視化表達(dá)與制作、平臺系統(tǒng)操作、幫助與糾錯模糊評定分值為

F

=(4

.

685 7,4

.

703 3,4

.

642 5,3

.

659 5),評價依次為很滿意、很滿意、很滿意、滿意?？傮w評定分值為

F

=4

.

584 9,等級為很滿意。Power Map：根據(jù)式(10)～(11),界面呈現(xiàn)、可視化表達(dá)與制作、平臺系統(tǒng)操作、幫助與糾錯模糊評定分值為

F

=(4

.

592 6,4

.

175 8,4

.

349 1,3

.

551 8),評價依次為很滿意、滿意、滿意、滿意?？傮w評定分值為

F

=4

.

231 8,等級為滿意。

3.2 評估結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)人員反饋,兩平臺整體都在滿意等級以上,ECharts分值(4.584 9)略高于Power Map(4.231 8)。對二級、三級指標(biāo)分析如下：

(1)在界面呈現(xiàn)方面,ECharts評分(4.685 7)與Power Map(4.592 6)相差不大。對Power Map兼容性滿意程度略高,可能是其兼容性與Microsoft Office Excel版本有關(guān),而具有Power Map插件的2016及以后版本應(yīng)用很廣。ECharts兼容性與瀏覽器有關(guān),瀏覽器類型與版本多樣,因此出現(xiàn)部分兼容性不好的現(xiàn)象。對ECharts界面布局清晰有條理以及美觀性的滿意度更高,可能因?yàn)槠漤撁娣趴s時布局會做自適應(yīng)調(diào)整,而Power Map自適應(yīng)調(diào)整能力較弱,操作頁面變化時,較多功能控件可能壓蓋作圖區(qū)域,但因這兩方面權(quán)重值較小,因此兩平臺評分相差不大。

(2)在可視化表達(dá)與制作方面,ECharts評分(4.703 3)略高于Power Map(4.175 8)。主要由于對ECharts可視化模板豐富度較滿意,同時該三級指標(biāo)權(quán)重較大,從而導(dǎo)致整體評分略高。多數(shù)人對Power Map可視化成果清晰易懂和制作容易度表示較高滿意,可能因?yàn)镋Charts模板樣式多,容易選擇困難,甚至需要一定可視化知識基礎(chǔ)。此外，Power Map無須進(jìn)行代碼編寫,制作難度較低。

(3)在平臺系統(tǒng)操作方面,ECharts評分(4.642 5)略高于Power Map(4.349 1)。對ECharts功能完備性及功能靈活性滿意度較高,可能因?yàn)镋Charts有開源優(yōu)勢,功能更豐富且靈活。對ECharts操作經(jīng)濟(jì)性滿意度較低,可能因?yàn)樾枰欢ùa編寫能力。對于交互響應(yīng)能力以及符合使用習(xí)慣,兩平臺滿意度一致。

(4)在幫助與糾錯方面,ECharts評分(3.659 5)與Power Map(3.551 8)相差不大。在具有幫助與指引信息方面,大部分對ECharts滿意度更高,對Power Map滿意度一般,可能因?yàn)镋Charts上有較詳細(xì)的幫助手冊,Power Map各功能鍵上雖有簡要說明懸浮窗,但作用有限;對Power Map幫助信息易獲取滿意度較高,可能因?yàn)閼腋〈靶问礁子^察,而ECharts的幫助信息需要在網(wǎng)站上查找,內(nèi)容量大且內(nèi)容難度高,獲取與理解相對困難。對ECharts具有容錯性滿意度較高,可能因?yàn)樵撈脚_需要進(jìn)行代碼編輯,代碼錯誤會被直接提示,方便用戶及時修改。

4 結(jié)束語

本研究針對適用于統(tǒng)計(jì)與地理數(shù)據(jù)表達(dá)的不同典型可視化平臺做可用性評估,從而幫助用戶選擇適宜的平臺進(jìn)行可視化產(chǎn)品制作。首先根據(jù)功能差別選出典型平臺ECharts和Power Map,之后提出可視化平臺評價方法,從界面呈現(xiàn)、可視化表達(dá)與制作、平臺系統(tǒng)操作、幫助與糾錯4個方面構(gòu)建14個指標(biāo)并分別計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重以建立可用性評價指標(biāo)體系,之后采用用戶測試法和問卷調(diào)查法對指標(biāo)打分,通過模糊層次分析法做可用性評估。實(shí)驗(yàn)表明,兩平臺均在滿意級別以上,ECharts分值略高于Power Map。具體差異在于,ECharts模板樣式較豐富,能滿足多種樣式表達(dá)需求,且美觀程度較高;配有使用手冊,易于具有專業(yè)知識的新手快速入門;展示頁面能隨瀏覽器頁面的放縮進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,視覺體驗(yàn)較好。Power Map則操作簡單,無需代碼編輯基礎(chǔ),對使用者專業(yè)性要求低,適用人群較廣;模板雖少,但都是常見形式,易于理解,滿足大多數(shù)可視化需求。

根據(jù)平臺功能分析和評估結(jié)果, ECharts支持開源使用且模板豐富,能支持較復(fù)雜和多類型統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的可視化需求,可視化產(chǎn)品形式會更豐富。Power Map在表達(dá)地理數(shù)據(jù)方面有突出優(yōu)勢,能便捷表達(dá)數(shù)據(jù)隨時間變化,易于用戶結(jié)合地理環(huán)境做進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析,且可結(jié)合三維地圖進(jìn)行可視化表達(dá)與分析。本研究所采用的測試數(shù)據(jù)是較為常見和典型的類型,但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單。并且本研究主要關(guān)注可視化產(chǎn)品生成操作的難易度評估。因此，未來工作需要在本研究提出的評估體系的基礎(chǔ)上考慮更多類型和多層級的統(tǒng)計(jì)與地理信息,并結(jié)合可視化產(chǎn)品的應(yīng)用目的,例如，對比分析、變化分析等,進(jìn)行更為系統(tǒng)和深入的測試對比,從而為用戶提供更為全面的建議和幫助。