1.前言
3S 技术的广泛使用使数据库中积累了海量、复杂的空间数据,这对传统的数据可视化系统提出了严峻的考验。空间数据是一种具有明显的空间分布规律、空间位置关系的“图形或图像”数据[1],单纯地利用图形可视化工具,不能表达空间数据的内涵,因此必须融合成熟的地理信息系统(GIS 可视化工具,才能满足数据可视化的初衷[2]。
GIS 技术与图形可视化技术的结合是近年来数据可视化领域的一个重要发展方向,本文设计并实现了一个基于GIS 的数据可视化系统,
开发了HyperTree 、
平行坐标等图形可视化工具,在地图表现力的基础之上,充分发挥了图形可视化工具在数据显示方面的优势。系统强调图层和可视化工具之间的交互功能,弥补了GIS 重“数据对象显示”轻“信
息结构刻画”
的弱点,对海洋环境数据的实例分析表明该系统具有高效透明、交互灵活的特点。
2.系统总体设计2.1体系结构
系统设计的目标是建立一个基于GIS 的交互式可视化平台,该平台集成了关系型数据库、空间地图文件、GIS 组件模块、各种多维图形可视化表达工具和常用图表表达工具。上述模块以关系型数据为分析对象,应用GIS 空间分析原理和方法提取空间信息,并用图层的形式表现出来,通过平行坐标法等图形可视化方法对该对象进行进一步地分析、转化,以探索空间数据内在的抽象规则,而这些抽象规则恰是传统GIS 空间分析和专家经验所无法得到的。最后选用适合的可视化技术进行规则表达,使数据内部蕴涵的规则或模式转化成易于理解识别的图形。图1为系统的体系结构图。
图1系统体系结构图 2.2功能模块设计
系统主要包括以下几个模块(图2:(1数据读取模块:数据分为图层数据和属性数据,其中图层数据以shp 格式存放,而属性数据采用SQLServer 数据库存贮属性数据及文档资料,读取模块提供数据库连接功能,用户输入计算机名、数据库名和表名,即可连接相应数据表;
(2数据预处理模块:针对数据集中的缺失值、噪声、不一致性等进行预处理,并筛选出适合可视化的字段。处理缺失值有几种可选方案,如全取零、取平均值、忽略及人工填补等,噪声主要依靠人工判断,也可由平行坐标来检测,然后可用缺失值方案处理。筛选属性字段,以平行坐标法为例,要选择数值型数据,并且同一字段的取值不能完全相同;
图2系统功能模块结构图
(3GIS 模块:提供图层调用功能和简单的图层编辑处理功能,如刷新、鼠标响应、高亮显示等;
(4可视化工具集模块:重点实现HyperTree 和平行坐标法,并提供工具集管理功能,以动态地增删工具;
(5交互功能模块:实现可视化工具和GIS 图层之间以及可视化工具之间的交互功能。
2.3主要特点
系统设计达到了直观、交互的数据可视化效果,具有以下主要特点:
(1交互性:地理图层、HyperTree 、平行坐标表达以及常用可视化工具之间实现互动,互相联系,优势互补,在需要时可随时调用;
(2地图表达:地理对象的空间位置用图层的形式表现,直观且易操作; (3个性化设置:用户可以方便地调整可视化参数(场景参数如轴系、颜色、高度、阴影、视角、分辨率等,获得数据集信息的不同表现效果;
(4数据的多维表达:除了空间坐标维外,对空间对象或事件的多个属性或变量维,可以按其每一维的值,将其分类、排序、组合和显示;
(5多种表达方式相结合:数据可以用图形符号、图像、图表,三维实体和动画等组合来展示,并通过与空间分析与建模的结合实现更高层次的过程模拟。
3.图形可视化工具
大量的图层数据与时间关系紧密,根据其时间属性形成复杂的层次,这一类型的数据集适合采用基于层次可视化的HyperTree 方法进行表达,可将数据集中的所有层次结构清晰表达在圆形区域中,并突出表现感兴趣区域,从而达到在对数据的全局结构进行分析的同时,可以对重点区域进行详细观察。出于对空间数据特殊性的考虑,系统采用地理信息图层来表达空间数据,丰富的非空间属性数据则用图形可视化工具来表达。集成了平行坐标法体现数据集的疏密程度,清晰表达出数据集各属性之间的相互关系,系统将其设定为属性数据表达的首选工具。通过可视化工具管理模块,还可以集成其它图形工具,如常用的柱状图、饼图等。
3.1HyperTree 层次可视化
带鱼眼功能的二维HyperTree 技术,可用于表达和处理多层次的大数据集[2][3] 。HyperTree 并非将数据集的所有层次一次性都展现出来,
而是将数据集中的部分层次进行了表达,至于其余的层次结构,可以根据上下层的层次关系,快速查询定位。其目的是为了让层次关系以一种统
一的方式在HyperTree 表达的圆形区清晰展现。
该工具可以在焦点层次和上下层次之间平滑地切换,做为焦点的结点可以用鼠标点击的方式轻松选定,用鼠标右键单击想要着重查看的结点,该结点会自动滑到圆形显示区中心位置,其相关结点在周围均匀分布,方便继续查找。
就HyperTree 的实现速度而言,它对数据集仅需要进行一次扫描, 基于GIS 的交互式数据可视化系统的设计与应用 福建省地震局 关玉梅 王紫燕 王玫玲
[摘要]空间对象包含具明显可视化特性的“图形或图像”数据,迄今为止,很少有人关注空间数据的图层显示方式和空间数据的
图形表达方式的结合。为此,
面向海洋环境数据,设计并实现了一个交互式数据可视化系统,以耦合上述两种表达方式。开发了HyperTree 、平行坐标法等可视化工具,实现了GIS 图层表达与可视化工具的交互功能,弥补了GIS 重“数据对象显示”轻“信息结构
刻画”的弱点。[关键词]交互式可视化系统HyperTree 表示法平行坐标法多维数据可视化
基金项目:本文系福建省地震局基金项目。作者简介:关玉梅(1976-,女,主要从事GIS 二次开发及GPS 数据分析处理工作
