數(shù)據(jù)可視化的基本原理與方法

前言

數(shù)據(jù)是記錄科學(xué)現(xiàn)象和客觀世界的基本信息單元。當(dāng)今世界每時(shí)每刻都在產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可視化為人類洞察數(shù)據(jù)的內(nèi)涵、理解數(shù)據(jù)蘊(yùn)藏的規(guī)律提供了重要的手段。我國(guó)對(duì)數(shù)據(jù)可視化的研究始于1990年初，部分高校開(kāi)設(shè)了面向研究生的科學(xué)可視化課程，一些經(jīng)典的科學(xué)可視化教材相繼出版，例如，1996年浙江大學(xué)石教英教授等編寫的《科學(xué)計(jì)算可視化》、1999年清華大學(xué)唐澤圣教授等編寫的《三維數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化》等，為我國(guó)培養(yǎng)可視化研究和應(yīng)用方面的專業(yè)人才發(fā)揮了重要的作用。進(jìn)入21世紀(jì)，人類獲取數(shù)據(jù)的能力得到迅猛發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年世界新增信息總量為988艾（1018）字節(jié)，該數(shù)量以每年至少30%的速率增長(zhǎng)。隨著數(shù)據(jù)時(shí)代的來(lái)臨，針對(duì)實(shí)際科學(xué)和社會(huì)問(wèn)題，涌現(xiàn)了許多新的復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理與分析方法。面對(duì)當(dāng)前科學(xué)可視化、信息可視化、可視分析研究和應(yīng)用的新形勢(shì)，高校急需一本新的數(shù)據(jù)可視化教材。本書正是在這樣一個(gè)背景下，基于作者多年從事大學(xué)本科可視化課程建設(shè)和科學(xué)研究的積累編撰而成。全書分為三篇，共11章，組織結(jié)構(gòu)分布如下圖所示。基礎(chǔ)篇闡述數(shù)據(jù)可視化的歷史沿革，從人、數(shù)據(jù)、可視化流程等三個(gè)層面闡述數(shù)據(jù)可視化的基礎(chǔ)理論和概念。其中，第一章闡述可視化的定義、作用和發(fā)展歷史，給出了數(shù)據(jù)可視化的分類，并簡(jiǎn)略描述了數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)框架和可視化流程。第二章詳細(xì)介紹視覺(jué)感知和認(rèn)知的基本原理和可視化編碼原則。數(shù)據(jù)模型在第三章中介紹，包括數(shù)據(jù)定義、組織、管理、分析、挖掘等及數(shù)據(jù)工作流。第四章介紹可視化的基礎(chǔ)理論，包括可視化流程、圖形符號(hào)、視覺(jué)變量和評(píng)估方法等內(nèi)容。根據(jù)數(shù)據(jù)的時(shí)空特性，可粗略地將數(shù)據(jù)分為時(shí)空數(shù)據(jù)和非時(shí)空數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)篇的第一部分講述含有空間或時(shí)間信息的可視化方法。其中，第五章介紹空間標(biāo)量場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化，包括一維、二維或三維真實(shí)物理空間的標(biāo)量場(chǎng)數(shù)據(jù)的可視化方法。當(dāng)空間數(shù)據(jù)具有真實(shí)的地球地理空間坐標(biāo)時(shí)，需要采用特定的地理信息可視化方法，第六章詳細(xì)介紹面向地理信息的基于點(diǎn)、線和區(qū)域的可視化方法及其應(yīng)用。數(shù)據(jù)篇的第二部分介紹復(fù)雜多變量、非結(jié)構(gòu)化、非幾何的抽象數(shù)據(jù)的可視化方法，這類數(shù)據(jù)來(lái)源于真實(shí)物理空間、人類社會(huì)空間和網(wǎng)絡(luò)信息空間，例如，物種遺傳關(guān)系、家譜和社交網(wǎng)絡(luò)。第七章將介紹復(fù)雜多變量數(shù)據(jù)的可視化方法，主要采用視覺(jué)通道編碼、降維、變量選擇、交互等方法減少?gòu)?fù)雜多變量的非時(shí)空數(shù)據(jù)可視化產(chǎn)生的視覺(jué)混淆對(duì)有用信息的干擾。注意到大部分非時(shí)空數(shù)據(jù)具有層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，例如公司組織結(jié)構(gòu)、社交網(wǎng)絡(luò)用戶關(guān)系，第八章詳細(xì)描述層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的可視化方法，包括樹(shù)、圖、超圖、網(wǎng)絡(luò)等。應(yīng)用篇著重介紹面向不同類型數(shù)據(jù)的可視化綜合應(yīng)用及實(shí)用系統(tǒng)。其中，第九章介紹跨媒體數(shù)據(jù)（文本、圖像、音樂(lè)、視頻等數(shù)據(jù)的綜合）的可視化方法；第十章介紹可視化中的人機(jī)交互方法，包括交互準(zhǔn)則、交互的分類和相關(guān)評(píng)測(cè)技術(shù)；第十一章介紹可視化系統(tǒng)，包括應(yīng)用系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)工具和研究小組等。本書可作為大學(xué)本科計(jì)算機(jī)或相關(guān)專業(yè)的三、四年級(jí)學(xué)生的數(shù)據(jù)可視化課程的教科書，課程總學(xué)時(shí)是32。具體分配方案是：第四、五、七章每章4個(gè)學(xué)時(shí)；其余各章，每章2個(gè)學(xué)時(shí)；學(xué)期末的4個(gè)學(xué)時(shí)安排期末的大課程答辯。授課可采用多媒體投影教學(xué)方式，輔助以大量的案例分析、視頻材料和互動(dòng)演示。課程的實(shí)踐可采用Processing和VTK。本書的附屬資料（電子課件、作業(yè)、數(shù)據(jù)、在線資源、視頻和圖像）。本書由陳為（浙江大學(xué)）、張嵩（美國(guó)密西西比州立大學(xué)）、魯愛(ài)東（美國(guó)北卡羅萊納大學(xué)夏洛特分校）合作撰寫。陶煜波（浙江大學(xué))、陳偉鋒（浙江財(cái)經(jīng)學(xué)院)、吳向陽(yáng)（杭州電子科技大學(xué))及浙江大學(xué)CAD＆CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室部分師生參與了初稿的寫作。各章初稿的撰寫人是：第一章陳為、陶煜波；第二章陳偉鋒；第三章吳向陽(yáng)、馬昱欣；第四、五、十一章張嵩，第43、44節(jié)陳偉鋒；第六、七、十章魯愛(ài)東，第102節(jié)張嵩；第八章夏菁；第九章黃芯芯、馬曉紅和彭帝超。彭群生教授參與了本書的策劃，對(duì)全書稿做了認(rèn)真審查，并提出了許多具體的修改建議。本書編輯鞠麗娜女士對(duì)此書的出版給予了大力支持。浙江大學(xué)CAD＆CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室可視分析小組的朱斯衎、張建霞、鄒瑤瑤等同學(xué)參與了書稿的準(zhǔn)備、討論和校對(duì)。杭州電子科技大學(xué)劉真博士幫助審校了部分章節(jié)，在此一并致謝。由于時(shí)間倉(cāng)促，作者水平有限，書中難免存在欠妥之處，敬請(qǐng)讀者不吝指正。

書籍目錄

第一篇基礎(chǔ)篇 第一章數(shù)據(jù)可視化簡(jiǎn)介 11可視化的意義 12可視化的目標(biāo)和作用 13可視化簡(jiǎn)史 14數(shù)據(jù)可視化釋義 141數(shù)據(jù)可視化的現(xiàn)代意義 142數(shù)據(jù)可視化分類 143數(shù)據(jù)可視化與其他方向的關(guān)系 習(xí)題 參考文獻(xiàn) 第二章視覺(jué)感知與視覺(jué)通道 21視覺(jué)感知與認(rèn)知 211感知與認(rèn)知定義 212格式塔理論 213視覺(jué)感知的相對(duì)性 22視覺(jué)通道 221視覺(jué)通道的類型 222視覺(jué)通道的特性 習(xí)題 參考文獻(xiàn) 第三章數(shù)據(jù) 31數(shù)據(jù)基礎(chǔ) 311數(shù)據(jù)屬性 312數(shù)據(jù)相似性度量 32數(shù)據(jù)特征 321數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征 322數(shù)據(jù)的不確定性 33數(shù)據(jù)預(yù)處理 331數(shù)據(jù)質(zhì)量 332數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟 333數(shù)據(jù)預(yù)處理與可視化 34數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 341文件存儲(chǔ) 342數(shù)據(jù)庫(kù) 343數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù) 344數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與可視化 35數(shù)據(jù)分析 351統(tǒng)計(jì)分析方法 352探索性數(shù)據(jù)分析 353數(shù)據(jù)挖掘 354可視數(shù)據(jù)挖掘與可視分析 習(xí)題 參考文獻(xiàn) 第四章數(shù)據(jù)可視化基礎(chǔ) 41數(shù)據(jù)可視化流程 42數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)變換 421數(shù)據(jù)濾波 422數(shù)據(jù)降維 423數(shù)據(jù)采樣 424數(shù)據(jù)聚類和剖分 425數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與轉(zhuǎn)換 43可視化編碼 431標(biāo)記和視覺(jué)通道 432可視化編碼元素的優(yōu)先級(jí) 433源于統(tǒng)計(jì)圖表的可視化 44可視化設(shè)計(jì) 441可視化設(shè)計(jì)框架 442數(shù)據(jù)的篩選 443數(shù)據(jù)到可視化的直觀映射 444視圖選擇與交互設(shè)計(jì) 445可視化中的美學(xué)因素 446可視化隱喻 習(xí)題 參考文獻(xiàn) 第二篇數(shù)據(jù)篇 第五章時(shí)空數(shù)據(jù)可視化 51一維標(biāo)量數(shù)據(jù)可視化 52二維標(biāo)量數(shù)據(jù)可視化 521顏色映射法 522等值線提取法 523高度映射法 524標(biāo)記法 53三維標(biāo)量數(shù)據(jù)可視化 531等值面繪制 532直接體繪制 54多變量空間數(shù)據(jù)可視化 541常規(guī)多變量數(shù)據(jù)可視化 542矢量場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化 543張量場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化 55時(shí)間序列數(shù)據(jù)可視化 551時(shí)間的屬性 552時(shí)序數(shù)據(jù)可視化方法 習(xí)題 參考文獻(xiàn) 第六章地理空間數(shù)據(jù)可視化 61地圖投影 611地圖投影 612常用可視化變量 62點(diǎn)形數(shù)據(jù)的可視化 621點(diǎn)地圖 622像素地圖 63線形數(shù)據(jù)的可視化 631網(wǎng)絡(luò)地圖 632流量地圖 64區(qū)域數(shù)據(jù)的可視化 641等值線圖 642等值區(qū)間地圖 643比較統(tǒng)計(jì)地圖 65基于地理位置的綜合信息可視化 651地理信息簡(jiǎn)化與標(biāo)識(shí) 652多源時(shí)空地理信息可視化 習(xí)題 參考文獻(xiàn) 第七章高維非空間數(shù)據(jù)可視化 71高維數(shù)據(jù)變換 711主成分分析法 712多維尺度分析法 713等距映射法 714局部線性嵌入法 72高維數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn) 721基于點(diǎn)的方法 722基于線的方法 723基于區(qū)域的方法 724基于樣本的方法 73高維數(shù)據(jù)的可視化交互 731灰塵與磁鐵 732過(guò)濾 733放大 734畫筆和鏈接 735靈活軸線法 習(xí)題 參考文獻(xiàn) 第八章層次和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可視化 81層次數(shù)據(jù)可視化 811結(jié)點(diǎn)鏈接法 812空間嵌套填充法 813其他方法 82網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可視化 821結(jié)點(diǎn)鏈接法 822相鄰矩陣布局 823其他方法 83圖的交互與簡(jiǎn)化 831動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可視化 832圖可視化的視覺(jué)效果 833圖可視化中的交互 習(xí)題 參考文獻(xiàn) 第三篇應(yīng)用篇 第九章跨媒體數(shù)據(jù)可視化 91文本與文檔可視化 911文本可視化釋義 912文本可視化基本流程 913單文本內(nèi)容可視化 914多文檔可視化 915時(shí)序型文本可視化 916特殊文本可視化 92社交網(wǎng)絡(luò)可視化 921相關(guān)概念與原理 922基本可視化方法 923案例分析 93日志數(shù)據(jù)可視化 931商業(yè)交易數(shù)據(jù)可視化 932移動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)可視化 933系統(tǒng)日志數(shù)據(jù)可視化 習(xí)題 參考文獻(xiàn) 第十章可視化交互與評(píng)估 101可視化交互 1011可視化交互方法分類 1012可視化交互空間 1013可視化交互模型 1014交互硬件與軟件 102可視化的價(jià)值和評(píng)估 1021可視化的價(jià)值 1022可視化評(píng)估 習(xí)題 參考文獻(xiàn) 第十一章可視化軟件與工具 111可視化軟件分類 112科學(xué)可視化軟件與工具 113信息可視化軟件與工具 114可視分析軟件與開(kāi)發(fā)工具 習(xí)題 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：   插圖：   從數(shù)據(jù)分析處理的角度看，信息化的實(shí)體系統(tǒng)的狀態(tài)包括三維位置、時(shí)間、客觀主體和屬性參數(shù)組。其中，屬性可以是空間幾何、外觀、拓?fù)?、地理屬性等，也可以是主體在某時(shí)刻的狀態(tài)描述，如溫度、濕度、速度、通話記錄等。傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)和圖形學(xué)已經(jīng)深入地研究了空間位置、幾何、外觀、拓?fù)?、地理屬性等信息的建模與可視化方法，并在產(chǎn)業(yè)界產(chǎn)生了較大影響，如基于遙感影像的地理環(huán)境建模、GPS地圖導(dǎo)航、數(shù)字城市建模等。另一類數(shù)據(jù)記錄實(shí)體隨時(shí)間演化的屬性狀態(tài)，如視頻、定點(diǎn)監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、從通信手機(jī)或GPS獲得的位置信息、P2P移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位信息、網(wǎng)絡(luò)交通控制器、智能傳輸環(huán)境、RFID射頻識(shí)別信息等。這些數(shù)據(jù)通常采用主動(dòng)推送的方式，形成源源不斷的數(shù)據(jù)流。 毋庸置疑，將這些綜合信息服務(wù)于社會(huì)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，需要發(fā)展新的基于地理位置的綜合信息可視化方法。本節(jié)從信息簡(jiǎn)化、多目標(biāo)標(biāo)識(shí)和綜合信息可視化角度介紹已有方法。 6.5.1地理信息簡(jiǎn)化與標(biāo)識(shí) 地圖可承載的信息復(fù)雜，從有利于用戶感知的角度，需要從原始數(shù)據(jù)中抽取出重要的區(qū)域、信息和特征，并予以突出顯示。這種簡(jiǎn)化和抽象，實(shí)際上是對(duì)原始精確地圖所含信息的概括，它與具體的應(yīng)用以及任務(wù)密切相關(guān)，如圖6.22所示。設(shè)計(jì)良好的地圖概括方法突出了與任務(wù)相關(guān)的最重要地圖元素，同時(shí)保留基本準(zhǔn)確的可視化效果。常用的地圖概括的例子： 1）點(diǎn)簡(jiǎn)化。在小型的地圖上去除一些不相關(guān)或者不可分的密集的點(diǎn)，或者合并一些點(diǎn)。 2）線簡(jiǎn)化。去除線上小的形狀；合并多條相似的線為中心線；去掉重疊的線。 3）多邊形簡(jiǎn)化。去除小的形狀；合并并且保留重要的形狀特點(diǎn)，包括簡(jiǎn)化多邊形的邊界，保留重要的形狀和大小，或在允許的誤差范圍內(nèi)合并相鄰的多邊形。 地圖的重要顯示元素是地圖上的標(biāo)記。地圖標(biāo)記的選擇和布局通常采用基于規(guī)則的啟發(fā)式方法，并依賴全局優(yōu)化算法求解，如局部尋找、貪婪算法、模擬退火算法、隨機(jī)算法和遺傳算法。

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《普通高等教育"十二五"規(guī)劃教材:數(shù)據(jù)可視化的基本原理與方法》可作為高等院校計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理及相關(guān)專業(yè)高年級(jí)學(xué)生和研究生的教學(xué)用書，對(duì)于從事數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析、視覺(jué)藝術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的科技人員也有較大的參考價(jià)值。

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