地理空間數(shù)據(jù)可視化-weiwei

1、地理空間數(shù)據(jù)可視化引言提要從地圖到地理空間數(shù)據(jù)可視化地理數(shù)據(jù)可視化的方法和技術(shù)可視化思考點(diǎn)數(shù)據(jù)可視化線數(shù)據(jù)可視化區(qū)域數(shù)據(jù)可視化三維數(shù)據(jù)可視化時間屬性可視化12,000 B.C.A stone tablet found in a cave in Abauntz in the Navarra region of northern Spain is believed to contain the earliest known representation of a landscape.3000 B.C.1507地圖，是根據(jù)一定的數(shù)學(xué)法則，將地球或其他星球的自然現(xiàn)象和社會現(xiàn)象通過概括和符號縮繪在平面上

2、的圖形。傳統(tǒng)地圖學(xué) (Cartography)地圖的主題疆界，地形，河流地圖的映射球面投影，圓錐投影，等距投影地圖細(xì)節(jié)的選擇簡化，合并，強(qiáng)調(diào)地圖映射地圖映射，也就是將數(shù)據(jù)中的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成屏幕上的坐標(biāo)按照曲面映射過程中的優(yōu)化目標(biāo)區(qū)分，地圖映射主要包含以下三種類型： 等角度（正形投影）：源曲面和目標(biāo)曲面（即投影前后）的任何位置的局部切向和法向方向組成的角度保持不變等面積：地圖上任何圖形面積經(jīng)主比例尺放大以后與實(shí)地上相應(yīng)圖形面積大小保持不變等距離：在標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)緯線上無長度變形，即投影后任何點(diǎn)到原點(diǎn)的距離保持不變等距離投影Radical Cartography 等方位角投影應(yīng)該用什么樣的映射Jenny,

3、 Bernhard. Adaptive composite map projections.Visualization and Computer Graphics, IEEE Transactions on18.12 (2012): 2575-2582.超多多面體投影Jarke J. van Wijk.Unfolding the Earth: Myriahedral Projections. TheCartographic Journal, Vol. 45, No. 1, pp.32-42, February 2008從地圖到地理數(shù)據(jù)可視化Visualization最早在地圖學(xué)文獻(xiàn)中出現(xiàn)：Ph

4、ilbrick, A. K., Toward a unity of cartographical forms and geographical content: Professional Geographer, v. 5, no. 5, p. 11 15, 1953現(xiàn)代意義的visualization在文獻(xiàn)中出現(xiàn)：McCormick, Defanti, and Brown, Visualization in scientific Computing: Computer graphics. V.21, no. 6, 1987“Use of sophisticated computing tech

5、nology to create visual displayed, the goal of which is to facilitate thinking and problem solving.”可視化？炒概念？“The ability to prompt instantaneous changes in maps results not only in a quantitative difference in the number of things a user can make visible, but a qualitative difference in the way user

6、s think and in turn in the way maps function as prompts to thinking and decision making.” Wood, 1994從地圖到地理數(shù)據(jù)可視化地理空間數(shù)據(jù)可視化的先行者：DiBiase, D., Visualization in the earth sciences: Bull College of Earth and Mineral Sciences, Pennsylvania State Univ. v59, no. 2, 13-18, 1990.MacEachren, A. M., and Ganter, J

7、. H., A pattern identification approach to cartographic visualization: Cartographica, v. 27, no. 2, p. 64 81, 1990.地圖角色的改變傳統(tǒng)的角色：溝通功能傳遞信息給大眾新的角色：認(rèn)知功能幫助人們思考，解決問題，做決定Freitag 1993CARTOGRAPHY3MacEachren, 1994展現(xiàn)已知的揭示未知的高交互性低交互性面向小眾的面向大眾的地理空間數(shù)據(jù)可視化的定義 “Geovisualization integrates approaches from visualizati

8、on in scientific computing (ViSC), cartography, image analysis, information systems (GISystems) to provide theory, methods, and tools for visual exploration, analysis, synthesis, and presentation of geospatial data”-International cartographic association commission (2001)地理數(shù)據(jù)可視化的推動力圖形硬件和個人電腦的普及虛擬現(xiàn)實(shí)技

9、術(shù)爆炸性增長的數(shù)據(jù)80%的采集數(shù)據(jù)包含地理信息互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展信息的聚合，地圖制作門檻的降低地理空間數(shù)據(jù)可視化技術(shù)可視化思考可視化圖形語言地理數(shù)據(jù)和可視化技術(shù)點(diǎn)數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)面數(shù)據(jù)三維數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的時間屬性可視化思考例子1瓦格納和大陸漂移可視化思考例子21854年倫敦霍亂案例很近，卻很少病例MacEachren和Ganter的模型MacEachren, Alan M., and John H. Ganter. A pattern identification approach to cartographic visualization.Cartographica: The International Jo

10、urnal for Geographic Information and Geovisualization27.2 (1990): 64-81.階段一階段二地理數(shù)據(jù)圖形語言Bertin（1967年）：地點(diǎn)，大小，紋理密度/大小，顏色，色調(diào)，飽和度，方向，形狀等MacEachren（2001年）：時間位置，時長，順序，變化率，頻率，同步性等 地理空間數(shù)據(jù)地理信息空間數(shù)據(jù)與普通的空間數(shù)據(jù)都描述了一個對象在空間中的位置點(diǎn)，線，面，空間，時空“Fundamentally different from other kinds of data since they are inherently spati

11、ally structured in two or three dimensions” MacEachren and Kraak 點(diǎn)數(shù)據(jù)可視化點(diǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)描述的對象是地理空間中離散的點(diǎn)，具有經(jīng)度和緯度的坐標(biāo)，但不具備大小尺寸地圖上的地標(biāo)附近的學(xué)校最直接可視化點(diǎn)數(shù)據(jù)的方法根據(jù)坐標(biāo)直接標(biāo)識在地圖上，圓點(diǎn)是最常用的標(biāo)識符號其它標(biāo)識符號：向量箭頭、六邊形蜂窩網(wǎng)格 基于位置信息的服務(wù)團(tuán)800 谷歌地圖上的加油站時間+地理數(shù)據(jù)美國報(bào)業(yè)的發(fā)展 向量型點(diǎn)數(shù)據(jù)紐約時報(bào)將2010年美國中期選舉的結(jié)果和2008年的大選進(jìn)行了比較 六邊形（蜂窩）網(wǎng)格美國沃爾瑪商店位置的可視化 支持多分辨率Bricks點(diǎn)數(shù)據(jù)Brick

12、s能更好地進(jìn)行數(shù)值對比不能解決bricks重疊覆蓋的問題by Stephen Few世界社交媒體芝加哥人口與種族人口密度圖香港倫敦 線數(shù)據(jù)可視化線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)通常指的連接兩個或更多地點(diǎn)的線段或者路徑線數(shù)據(jù) 長度屬性 連接關(guān)系美國航線的可視化Facebook全球用戶之間的好友關(guān)系連線綁定技術(shù)圖片來源： FlowMap美國加利福尼亞州向其他各州的移民左圖:直接用直線箭頭連接加利福尼亞州和人口流入的州右圖:用Flow Map算法生成的flowmap問題如何針對一般的流動圖生成捆綁效果圖？現(xiàn)實(shí)生活的啟發(fā)公路圖的優(yōu)點(diǎn)直線分段線段高速路，國道，省道大家都熟悉道路 v.s. 線捆綁如何安排控制點(diǎn)和捆綁線？線密

13、度交通密度線主方向高速主干道零散的線國道，省道如何構(gòu)建“交通網(wǎng)絡(luò)圖”？如何引導(dǎo)連接線到道路上？基本思路構(gòu)建網(wǎng)格反映圖的連接關(guān)系控制點(diǎn)網(wǎng)格的邊安排路徑尋找一系列控制點(diǎn)control edges控制網(wǎng)格引導(dǎo)邊的捆綁過程不同的控制網(wǎng)格不同的捆綁效果揭示和強(qiáng)化實(shí)際流動的規(guī)律與圖相配的網(wǎng)格有意義的結(jié)果終極目標(biāo)什么樣的結(jié)果是好結(jié)果？降低不必要的邊交叉有類似方向的長度的邊被捆綁在一起邊被捆綁之后和原始直線的偏移盡量少控制網(wǎng)格生成法 1參照圖節(jié)點(diǎn)的分布生成控制網(wǎng)格：控制網(wǎng)格生成法 1尋找控制點(diǎn)？先求交點(diǎn)控制網(wǎng)格生成法 1根據(jù)交點(diǎn)的分布情況生成控制點(diǎn)多個交點(diǎn)一個控制點(diǎn)控制網(wǎng)格生成法 1經(jīng)過交點(diǎn)經(jīng)過控制點(diǎn)控制網(wǎng)格

14、生成法 1交互：改變控制點(diǎn)個數(shù)控制網(wǎng)格生成法 1交互：修改控制網(wǎng)格問題按照點(diǎn)的分布來生成控制網(wǎng)格有時并不能生成理想的網(wǎng)格需要控制網(wǎng)格和連接線相交新的控制網(wǎng)格根據(jù)邊的分布來控制網(wǎng)格的生成邊的平滑后處理簡單的例子具體步驟根據(jù)邊的分布(original graph)(regular cells)(merged regions)具體步驟根據(jù)邊的分布具體步驟根據(jù)邊的分布可控變量小網(wǎng)格合并中不同的合并閾值(threshold = 45O)(threshold = 12O)(threshold = 5O)可控變量給定閾值后，小網(wǎng)格合并中不同的中間結(jié)果初步捆綁結(jié)果網(wǎng)格上的控制點(diǎn)：平滑后處理如何衡量一個曲線的質(zhì)

15、量好壞？到原始直線的距離曲線的彎曲程度曲線的彎曲個數(shù)平滑后處理對于每一條線：擴(kuò)大搜索面積遍歷所有路徑尋找最好的一條捆綁結(jié)果的繪制顏色？透明度？ 線方向？線長短？線密度？手動調(diào)整控制點(diǎn)位置，網(wǎng)格頂點(diǎn)位置，合并節(jié)點(diǎn)。動畫從直線到曲線實(shí)際例子1西北航空（美國國內(nèi)航線）實(shí)際例子1西北航空（美國國內(nèi)航線）(colors directions)(colors lengths)實(shí)際例子1西北航空（美國國內(nèi)航線）實(shí)際例子2美國人口移動數(shù)據(jù)實(shí)際例子2顏色人口移動總量區(qū)域數(shù)據(jù)可視化等值線圖又稱輪廓線圖計(jì)算方法等值線抽取真實(shí)數(shù)據(jù)的采樣距離場計(jì)算所屬區(qū)域中心的距離等值線圖等高線圖 用surfer 與Arcgis生成的

16、等高線圖 Choropleth 地圖Choropleth地圖（等值區(qū)間地圖）可視化假設(shè)數(shù)據(jù)的屬性在一個區(qū)域內(nèi)部平均分布，因此一個區(qū)域用同一種顏色來表示其屬性男女售房代理大比拼顏色的選擇無序的數(shù)據(jù)：區(qū)分度大的顏色顏色的選擇可比較的數(shù)據(jù)相同的顏色，不同的亮度，色調(diào)連續(xù)變化的顏色世界油價水平Choropleth 地圖的誤導(dǎo) Choropleth地圖最大的問題在于數(shù)據(jù)分布和地理區(qū)域大小的不對稱大量數(shù)據(jù)集中于人口密集的區(qū)域，而人口稀疏的地區(qū)卻占有了大多數(shù)的屏幕空間，用大量屏幕空間來表示小部分?jǐn)?shù)據(jù)的做法對空間的利用非常不經(jīng)濟(jì)這種不對稱還常常會造成用戶對數(shù)據(jù)理解的錯誤什么是重要的？保證用戶的思維連貫性相似的

17、形狀，被描繪面積的鄰接關(guān)系地圖上的每個州根據(jù)人口做縮放 Cartogram地圖Cartogram圖（比較統(tǒng)計(jì)圖）按照地理區(qū)域的屬性值對各個區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖冃?，以此克服Choropleth地圖對空間展示的不合理性“Space as an indispensable graphic variable with a large influence on what the user of a map sees” MacEachrenCartogram的區(qū)域縮放算法輸入平面多邊形網(wǎng)格和每個區(qū)域?qū)?yīng)的數(shù)值目標(biāo)使變形后每個網(wǎng)格多邊形的面積和數(shù)值成正比最小化形狀誤差和面積誤差的空間優(yōu)化問題CartoDraw方

18、法采樣掃描線算法逐漸調(diào)整多邊形的頂點(diǎn)位置，允許交互控制形變，最小化兩個誤差D. A. Keim, S. C. North, and C. Panse. Medial-Axis-based Cartograms. IEEE Computer Graphics and Applications. 25(3), 2005:6068 Cartogram的矩形地圖算法標(biāo)準(zhǔn)幾何圖形更容易判斷區(qū)域面積大小RecMap識別問題Heilmann R, Keim D A, Panse C, et al. Recmap: Rectangular map approximations. INFOVIS 2004. 北

19、京奧運(yùn)會獎牌排名可視化 New York Times多元關(guān)系地圖為了顯示地理空間不同位置上的區(qū)域?qū)傩灾苯拥亩嘣P(guān)系，可以采用連線、集合等方法表達(dá)。城市的住宅區(qū)屬于同一類物業(yè)城市的綠地則屬于公共區(qū)域。氣泡集線集三維地圖可視化三維可視化在地理數(shù)據(jù)中兩種使用方式：嶄新的應(yīng)用旅游線路規(guī)劃移動導(dǎo)航移動廣告市政規(guī)劃交通模擬三維可視化的用法導(dǎo)航三維可視化的用法城市的規(guī)劃三維可視化的用法城市的模擬三維可視化的問題和傳統(tǒng)的地圖思想相左傳統(tǒng)，抽象的描繪逼真，虛擬的環(huán)境可能帶來視覺干擾和具體應(yīng)用緊密相關(guān)視覺遮擋，錯覺距離更難估計(jì)，遮擋隱藏物體道路被建筑物嚴(yán)重遮擋理想的結(jié)果比較一下給予道路更多的顯示空間周圍的細(xì)節(jié)都保

20、留（轉(zhuǎn)彎，標(biāo)志建筑物等）基本思想擴(kuò)充關(guān)鍵道路的寬度放大標(biāo)志性建筑物的體積如何做到的引入Focus+Context的概念普通的F+C的技術(shù)并不適用具體步驟擴(kuò)充道路關(guān)鍵性技術(shù)Seam carvingAvidan and Shamir SIGGRAPH 2007使用Seam Carving目標(biāo)：給道路加入更多的空間限定條件：不能破壞其他道路的狀態(tài)擴(kuò)展例子擴(kuò)展技術(shù)細(xì)節(jié)迭代（尋找足夠多的seam）：計(jì)算加入seam的代價，選擇最優(yōu)的一條：Cat(D)Cat(C)Cat(B)Cat(A)ABCD擴(kuò)展技術(shù)細(xì)節(jié)后處理：修補(bǔ)破損街區(qū)放大標(biāo)志建筑物基本思想可能做法：放大整個街區(qū)，魚眼放大我們的做法：基于網(wǎng)格，有針

21、對性的放大空間利用率更高，沒有變形具體結(jié)果后處理如果還有少量遮擋應(yīng)用例子：導(dǎo)航應(yīng)用例子：導(dǎo)航應(yīng)用例子：信息標(biāo)記時間相關(guān)屬性和時間相關(guān)的三種現(xiàn)象存在性變化特定特征的出現(xiàn)或消失地理屬性變化地點(diǎn)，形狀，大小變化主題屬性變化定量的或定性的特定屬性變化存在性變化使用文字標(biāo)記特定時間點(diǎn)存在性變化擴(kuò)展第三維地理屬性變化運(yùn)動軌跡：在二維地圖上可以顯示少數(shù)軌跡速度？相遇？地理屬性變化擴(kuò)展第三維主題屬性變化Change map缺少絕對數(shù)字1983年和1990年意大利失業(yè)率的變化主題屬性變化混合視圖美國搶劫率時間地理分布圖主題屬性變化動畫比較統(tǒng)計(jì)圖很難發(fā)現(xiàn)特定區(qū)域的變化，比較不同區(qū)域動畫的陷阱用空間表示空間，用時間

22、表示時間習(xí)慣問題變化失明（change blindness）中心凹視力和邊緣視力快慢變化率多點(diǎn)變化習(xí)慣問題Historically cartographers actively avoided dealing with time by mapping most static things with static maps, thereby shifting the burden of dealing with the temporal phenomena to the map user. Langran 1992For thousands of years cartographers have ben perfecting the representation of dynamic spatio-temporal phenomena with static, spatial representations in the form of two-dimensional maps.Bertin, 1983變化失明（change blindness）In