基于信息可視化技術的地理空間元數據可視化研究

徐少坤，宋國民，王海葳，陳令羽

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

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

信息可視化將元數據集的空間、屬性和時間的外部形式和內部特征等抽象數據，以人能感知的形式表現出來。用戶可以選擇合適的元數據要素來探索和比較不同的數據集，同時改變參數來瀏覽所有可用的元數據資源，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）是將抽象數據用可視的形式表示出來，用于揭示抽象信息之間的關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據到可視化形式再到人的感知系統可調節的映射［2］。數據檢索是信息可視化的核心，目的在于形象化地表達信息，發現新的知識，識別信息在結構、模式、非規則、趨勢等方面的規律。

圖1 信息可視化參考模型

1.2 研究內容

信息可視化作為可視化研究的新領域，廣泛應用于知識發現、信息檢索、數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構。其研究重點在于既要獲得整體層次結構，又要便于快速查找所需節點，并用更多的可視空間來顯示用戶關注的信息。應用廣泛的有圓錐樹、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。特別是在數據倉庫和信息挖掘中，一般采用坐標變換、嵌套以及多視圖等技術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、平行坐標和自組織映射［5］等。

3）文本信息可視化。利用可視化技術快速地從海量文本信息中獲取所需的內容和知識，也是信息可視化關注的目標。根據文本內容的大小，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信息空間呈網狀結構，Web可視化的研究內容包括信息搜索的可視界面、網頁導航和布局以及網絡節點的動態顯示和交互控制［6］。根據網站的規模，Web可視化可分為單網站可視化和網站集合可視化。清華大學網站可視圖是比較典型的Web可視化例子［7］。

2 地理空間元數據可視化

地理空間元數據是指地理空間數據集和相關信息資源的描述信息，是對空間特征的概括和抽取［8］。許多國家、研究機構都制定了相關的元數據標準，代表性的有美國聯邦數據委員會起草的CSDGM和國際標準化組織制定的ISO/FDIS 19115。

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

國外的地理空間元數據服務發展比較成熟，在理論模型、可視化技術和應用工具等方面已進行深入研究。Card等人認為：“元數據與其他知識結構中的復雜數據，都是高維多變量的，信息可視化技術可以輔助其發現規律”［10］。Kraak和Ormeling提出地理空間元數據的可視化環境體現在3個方面：地理可視化、多元可視化及設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將是海量數據顯示的有效工具［12］。

2.1 影響因素分析

在地理空間元數據可視化設計過程中，任務需求、用戶和元數據規格參數是影響數據搜索的3大因素［13］。

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

2）地理空間元數據服務的用戶。大部分的元數據用戶也是GIS應用程序的用戶，這些用戶涵蓋從商業程序的最終用戶到新環境、新語言的研究者。另外，程序和軟件開發者、數據管理者、數據生產商也會使用元數據。針對各種類型的用戶，分析其需求和關注點，以滿足其不同層次、不同階段的服務需求。

3）地理空間元數據的規格參數。為滿足廣泛的應用需求，地理空間元數據標準制定了詳細的元數據要素。但并不是所有要素都有明確的意義，都值得用戶去關注。要根據用戶類型和任務需求，結合元數據的規格參數，分析用戶可能關注的元數據要素，并提供相似的要素滿足其潛在的需求。

2.2 可視化技術

地理空間元數據的可視化技術，根據元數據要素的個數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

地理空間元數據單要素的可視化，可以采用傳統的信息可視化方法，如條形統計圖、柱狀圖、折線圖、餅圖、散點圖、顏色編碼等。

對于簡單的二維數據，散點圖（scatterplot）是比較常見的可視化方法。例如，2個元數據要素，可以映射為二維坐標上的一系列點，進而獲得數據的整體趨勢。柱狀圖是數據比較的有效形式，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據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，結構簡單。可通過分析各種形式的特點，對元數據單要素采用合適的表現形式；同時可將多種可視化形式組合起來，為用戶提供潛在的、相關的信息。

2.2.2 多要素可視化技術

地理空間元數據多要素可視化一般是指3個或3個以上元數據要素的可視化，其表現形式要求既能清晰地反映大數據集的整體趨勢，又能快速查找所需的元數據。可應用于地理空間元數據可視化的技術主要有以下幾種：

2.2.2.1 多維可視化技術

1）散點圖矩陣。對散點圖進行適當的改進，可用于元數據多要素的可視化表達。其中一種方法是把元數據的每個要素，用不同的圖形、顏色、紋理等表示在二維坐標上。

散點圖矩陣（見圖2）也是一種有效的可視化方式。它將元數據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。散點圖矩陣是區別元數據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個要素之間的關系，而不受數據集大小和要素個數的限制［5］。

圖2 散點圖矩陣

2）平行坐標。平行坐標（見圖3）是在二維空間中采用等距離、豎直多條平行坐標軸表示多維空間，坐標軸取值范圍從相應數據維屬性的最小值到最大值均勻分布。平行坐標中數據關系的表達直觀，易于理解，有助于發現大規模數據之間復雜關系。

圖3 平行坐標

平行坐標將用戶搜索的元數據要素映射為平行坐標軸，根據關鍵詞的重要性設置相應的坐標軸順序。搜索結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。當數據量比較大時，坐標軸之間的線可能比較多，要素間的關系會模糊不清，可對線進行半透明化處理［15］，其顏色的深淺反映元數據的趨勢特征；當數據量較少時，平行坐標有利于用戶快速查找所需的結果。

散點圖和平行坐標的結合可以獲得整體趨勢和局部特征的優化形式。在平行坐標軸之間顯示散點圖，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里的連接關系，又能用散點圖表示平行坐標里無法表現的數據趨勢［16］。

2.2.2.2 圖標顯示技術

基本思路是用多個可視特征圖標來表示多維信息，圖標每一個可視特征表示多維信息中一維，該方法適合為數不多并且在二維平面上具有良好展開特性的數據集［5］。常用的圖標顯示技術有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據的理解，所以Chernoff面法在元數據可視化方面應用較少。

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。元數據多要素可視化時，將要素的屬性值對應為輻條的長度，數據集以相應的星狀圖表示。星狀圖越完整，形狀越大，表示數據越符合設定的需求。

圖4 星繪法

Elena，Fanea等提出了Parallel－Glyphs方法［17］，將星繪法與平行坐標結合起來，取得了較好的可視效果。

2.2.2.3 層次可視化技術

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

1）空間樹。空間樹（見圖5）是采用點—線形式和收縮—展開方法來實現層次結構的可視化技術［3］。當用戶點擊相應分支時，就展開下一級分支信息，可用顏色和形狀標記焦點和根節點之間路徑。

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，將用戶關注的細節顯示在平面中心，保證整個層次結構的完全顯示。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點，子節點可繼續擴展到軍事設施分布、數據更新時間、數據來源等下一層次信息。用戶點擊相應節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 應用流程

地理空間元數據可視化應用流程可以描述為“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據庫時，首先會限定搜索范圍，如用戶輸入感興趣區域的名稱或在地圖上選擇特定的位置或范圍。在搜索結果中，用戶可根據需要在界面上選擇關鍵的元數據要素，確定優先考慮的選項（見圖7中b）。系統會根據用戶選擇的要素，繪制所需元數據要素的可視化視圖，其中圖7中c顯示了星繪法和平行坐標法2種可視化形式。用戶可以交互式地刷新和選擇元數據視圖，也可以根據需要打開或關閉不同的可視化視圖，直到找到合適的數據集，并在地圖上研究其地理內容。數據集的內容以圖像和文本元數據的形式提供給用戶，圖7中d顯示了地圖和元數據要素列表兩種形式。

圖7 地理空間元數據可視化應用流程［13］

4 結束語

隨著測控技術和互聯網絡的發展，人類獲取的空間信息數量呈幾何級增長，豐富的空間信息資源促進基礎地理信息建設和元數據服務的日益完善。因此，面對海量數據，高效、準確的空間數據檢索將是影響數據服務和信息共享的重要因素。

信息可視化技術作為揭示抽象信息之間關系和特征的有力工具，有助于提高元數據服務的有效性和可用性。元數據服務的發展趨勢將以信息可視化技術為基礎，結合地理空間元數據的特點，分析元數據可視化的影響因素和應用流程，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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