空间信息可视化综述

1、Web空间信息可视化技术与方法综述摘要：信息可视化是可视化研究领域的一个分支，是以可视的形式展示信息并提供交互机制， 以促进信息认知和理解为目标的理论、方法和技术。信息可视化被广泛应用于商业、科研、生活等各个领域，其不仅被学术界广泛研究，还被工业界应用到商务数据分析、数据挖掘、 知识管理等多个领域，相关的研究论文、应用系统层出不穷。随着网络技术、信息组织、信息处理技术的进步，信息可视化过程中的数据表示、 可视化表征以及交互机制都可以在 Web环境下进行。关键字：空间可视化；Web； 发展现状0 引言在互联网环境下，Web成为用户接触最多的应用平台，各领域的应用都以Web的形式提供给用户使用，W

2、eb 因其共享性、易用性成为进行系统开发决策的重要内容。而在Web环境下催生出的技术如Ajax、SVG、Applet、Web Services以及各种Web 开发框架的不断出现，为基于Web的系统开发提供了强有力的技术和平台支撑。因此信息可视化应用系统，作为信息可视化理论的承载媒介，需要也有必要将其实施于Web环境下，供更多的用户使用。1 空间信息可视化概述1.1 定义首先可视化是在计算机图形学中定义的，它是指用于创建图形、图像或动画，以便交流沟通讯息的任何技术和方法；其次信息可视化是指研究大规模非数值型信息资源的视觉呈现；继而空间信息可视化是指运用计算机图形图像处理技术，将复杂的科学现象和自

3、然景观及一些抽象概念图形化的过程。1.2 分类按可视化数据类型分，可以将信息可视化技术分为：一维、二维、三维、多维、层次、网状、时序、文本、算法和软件可视化技术。其中一维、二维和三维是多维的特例，时序数据为一维的特例。而层次类型为网状类型的特例，文本类型则对应普通文本或超文本，算法和软件数据类型主要对应与算法流程及软件源代码的可视化。按照可视化展示方法可以分为：网络展示、层次展示、表格、时间图、图解、地图、图标。其中网络展示是指展示具有实体节点以及实体间联系的可视化结构；层次展示则为展示层次型数据；表格展示方法则将可视化视图以表格的方式进行组织；时间图是将可视化视图元素按照时间轴的顺序排列；图

4、解常常采用不规则绘制的方式对信息的内涵和结构进行自由的展示，在结构上灵活度较高；地图是将视图元素映射到地图空间或物理坐标空间中；图标是以某种图标的形式代表某种数据内容。从用户交互的角度出发可以将可视化技术分为：交互操作、视图变换。其中交互操作是指用户通过对视图、可视化结构以及原始数据进行重新设定，与可视化流程进行交互，改变可视化结果。交互操作可以分为三类：对图形属性的操作、对数据集合的操作以及对数据值的操作；而视图变换则涉及到四类技术：视角控制、位置选取、视图缩放、视图扭曲。2 国外研究进展在信息可视化应用中，必须涉及到采用何种架构方法，为用户提供服务，按照分层视角，可以将信息可视化分为单层架

5、构和多层架构。其中单层架构是指信息可视化系统是单机版的，只能在用户个人计算机上运行，可视化过程中采用的数据、处理逻辑、可视化算法和可视化视图都集成在单一的软件内。 而多层架构则包含两层的C/S模式及多层客户机服务器模式，其中C/S 模式的架构将信息可视化过程及相关功能组件相隔离，分别负责不同的可视化功能，此时客户端往往作为信息可视化视图展示和交互的界面，当客户端为浏览器时，便成为B/S 模式(浏览器/服务器模式)。而Web 环境下的信息可视化是信息可视化在B/S 模式下的实现，与之相关的模型都是建立在B/S 模式下的。2.1 网格和Web 服务随着分布式系统开发从理论到应用的发展，网格、Web

6、服务等技术的出现，在构建Web应用时，可以利用网格和Web服务提高数据运算能力和功能分布灵活度。 因此在某些可视化领域，尤其是科学可视化领域 (因为科学可视化对运算量的要求较高)，开始出现了基于Web 的分布式可视化模型。在Web可视化领域，对可视化Web 服务研究相对较多的为地理信息可视化 (GSI) Web 服务和科学可视化Web服务。其中前者往往基于商用的 GIS Web 服务如Google地图及 Google Earth 服务，而 GSI 领域中的开放地理信息系统联合会(Open GIS Consortium ，OGC )定义的数据模型和在线服务(online Serviees) 也被

7、广泛应用。2.2 新型的Web 信息可视化方法的开发在Web信息可视化时，往往采用一定的可视化方法，这里提到的方法为可视化展示技术，即采用何种展示算法进行展示，并不涉及具体采用何种编程语言或工具包实现。在基于Web的信息进行可视化时，往往利用己有的可视化方法，但也由针对Web特定的信息进行可视化的。 Seifert等就专门研究了标签云的可视化，提出了一系列的算法，保证标签云的可用性和美观度。Oka 等则提出了基于Web的学术语义网的可视化方法，通过进行实体和关系映射与可视化，展示学术语义网的特征模式 。2.3 众多Web可视化实现技术的出现任何可视化方法最终一定通过某种技术进行实现，以使计算机

8、可以将信息的可视化结果展示在屏幕上。早期可视化的实现往往封装在 Applet、普通图像文件或VRM L中，因为其可以在浏览器端展示。而随着Web技术的发展和Web的演进，在Web2. 0 时代，实现可视化方法的技术变得异常丰富起来，可选择性由Applet发展为Flash、Silverlight等，而 VRML则发展到X3D、VML，而二维可视化的实现则发展为SVG 。这些技术为可视化在Web环境下的应用创造了条件，将这些技术从可视化对象维度上分类，可以分为：二维和三维可视化技术。 在二维可视化中，采用的技术为基于图像的可视化方法，在技术实现上，采用图像文件 (SVG、JPG、PNG、GIF 等

9、)。交互特性的二维可视化，则需要采用其它的技术手段如 (Applet、Flash 等)。Google发布了基于二维信息可视化的Web服务 Google Chart，通过在U RL 内添加可视化数据，就会返回PNG格式的可视化图像，该方式在二维可视化中简单、易用，简单的调用形式更易于可视化的普及。但Google 隐藏了其工作原理的细节，这也限制了该服务中对可视化图像的可操控性，因为无法对返回的PNG 格式的图表进行进一步的处理。进行三维可视化时，往往要采取特定的技术方法，如采用VRM语言，SVG矢量语言、Java3D 和 X3D ，以及具有三维可视化功能的浏览器插件，就可以对可视化对象进行三维展

10、示。 在Web环境下，许多研究者对可视化对象进行了三维展示。Gouqing Zhou 就采用VRML技术，并利用 JSP/Servelte 对进行了3D 数字城市的展示；而Vincezo Dle Fatto 则侧重于 3D 对象的表示之上，其提出了WebMGISQL 3D 可视化描述方法，并依据该方法构建了3D 可视化环境，并评估了该 3D 表示方法的适用性。由于多种可视化实现技术的出现，促使开发者在选取相应技术时，必须根据不同技术的特点予以选择，这就需要遵循一定的原则。因此针对可视化实现技术的评估的研究开始出现，研究者从不同的角度对不同技术进行评测 ，这为开发者带来了帮助。Ntahan Hl

11、omberg 等从技术能力、交互性、平台支持、特定应用四个方面给出了 15 个子指标 (如表1所示)，对信息可视化在Web上的实现技术进行了评估。其评估主要侧重于技术的可交互性，并将可视化实现技术分为两类： 2D 和 3D，并给出了评估结果。这为开发者选取特定技术时提供了依据，但该评估模型并没有对Applet、Flash 等可视化技术进行评估，而二者却是实现时很重要的两种手段。W.Johnson则专门对三种Web可视化实现中的展示媒介：SVG、HTM L5 Canvas 和纯HTML 进行了测评。这三种媒介都是基于描述语言的，即可以采用XML 或 HTML 语言直接表示可视化结果，而不像Fla

12、sh和Applet需要可执行程序作为展示工具；通过对同一可视化数据并采用通用的可视化方法(TreeMap) 的实现和实验，W.Johnson对三种方式给出了结论，即数据集较小或可视化图中线条较少时 SVG 较合适而当数据集较大则 Canvas 较合适。这些研究侧重于对可视化展示技术和开发工具的评测，这可以为信息可视化Web应用的开发工具和展示方式的选取提供定性和定量依据和规则。2.4 众多通用的Web 信息可视化开发组件的出现在传统的具有交互性的可视化中，往往采用应用程序式的开发方式，采用Java 和 C+构建应用程序，并在其中展示动画效果，如果在浏览器端进行可视化，则需要Applet等额外的

13、组件。但 Nicloas Garcia Belmonte开发了一个Javascirpt 的可视化包，能对treemap、 radialgraph、hyperbolic Tree 进行可视化，并且具有交互性，因此不需要安装任何插件即可实现可视化效果，不过该Javascirpt包所含的可视化功能还不完善，但是其说明可以采用浏览器端的脚本语言进行可视化应用的开发，而将可视化绘制过程分担在客户端，服务器端处理后台的模型管理及数据组织即可。3. 国内研究进展国内关于Web环境可视化的研究成果已经较多，在这些研究中大部分是着眼于 Web应用的，如可视化在“医学”、“GIS0”、“数据挖掘”、“生物”领域中

14、的可视化，其中医学、GSI 及生物领域的可视化主要是针对领域数据的，而非通用信息可视化内容，但其可视化应用实现方式及可视化架构对信息可视化的Web实现有借鉴意义。 研究主要集中在三个方面：1) Web可视化的维度；2）Web可视化的技术应用；3) Web可视化系统架构。3.1Web可视化的维度国内研究者中，针对可视化维度，进行了不同的研究，这些维度分布在由二维到五维的整个维度空间。韩伟杰基于 Vis5D 构建Web可视化系统，该系统充分发挥了Vis5D的可视化功能，进行了5 维数据的可视化。 基于B/S结构模型对 Vis5D 进行了二次改进，构建了 Web可视化系统。 实现的 Web可视化系统

15、不仅充分发挥出了Vis5D的各项可视化功能，而且可以充分利用软硬件资源，提高了可视化的效率。张燕在基于Web的虚拟现实技术和 4D 信息可视化技术的基础上做了研究和分析，针对这两种技术的特点和可视化需求，提出了将基于Web的虚拟现实技术集成到 4D 信息可视化系统的思路，并结合水坝施工工程实现了一个应用实例。陈健等则在网络环境下实现了城市三维景观可视化，其利用Java 3D 技术实现了基于 Web的城市三维景观可视化技术方案，并成功开发了原型系统。实验表明在三层 B/S 结构下采用 Java 3D 进行场景建模和交互，是在网络环境下实现城市三维景观可视化的有效途径。3.2 Web可视化的技术应

16、用Web可视化的技术应用主要是以某种技术为核心，扩展出相应的可视化方法在 Web 可视化中，其实现技术既包含客户端技术也包含服务端技术，研究者提出的技术应用有 SVG、VRML、Ajax、GML、XML。这些技术可以解决可视化应用中的不同层面的问题。徐云等研究了空间数据在SVG文档中的数据组织及编码问题，实现了地图数据到SVG图形的转换方法，并利用此方法完成了校园地图的部分转换，并基于此方法提出了一个全新的WebGIS体系结构。张爱国等则针对浏览器GML问题，提出了一种基于组件的可视化策略。该策略采用文档对象模型(DOM)进行GML 模式文件和实例文件解析，按地理要素对GML 进行数据分流/分

17、层，然后分层可视化的办法 ，实现了GML数据的Web可视化。龙腾飞则研究了Ajax技术在可视化应用中的作用问题。其以ArcIMS为例分析了传统的网络地理信息系统(WebGIS)在数据传输模式和客户机服务器交互方式等方面存在的不足，阐述了在WebGIS中使用Ajax技术带来的优势，如减轻服务器的负担、平衡服务器和客户端的负载 、无刷新更新页面、减少用户心理和实际的等待时间、实现地图的动态更新、实现地图的可视化交互以及开发效率高等，并指出在WebGIS中使用Ajax技术应该注意的诸如兼容性和用户习惯等问题。3.6 Web信息可视化系统架构在Web可视化应用中，系统架构是不可忽略的部分，因为任何一个

18、Web可视化应用系统必定建立在一定的架构之上，由于Web的特点，其宏观架构必然是B/S模式的，但在具体实现层面，会产生不同的应用方案，如基于Web Service及基于网格的架构方案。石旭介绍 了一种新颖的矢量 图形可视化方法JVGL(Javascript Vector Graphic Library) 的基本原理，从地图窗口与JVGL的归一化、地图符号的JVGL可视化实现、对GML的扩展支持等方面分析了将JVGL应用到WebGIS平台上的具体方案，形成了一种基于JVGL 的 Web可视化系统架构。肖磊等则针对 目前应用非常广泛的B/S结构应用系统中数据可视化问题 ，提出了一种基于Web Service的系统架构解决方案，并在.NET 应用程序开发环境中进行了实现。王卫民等也将Web Service应用于可视化系统构建中，提出了基于文件下载机制的Web 服务可视化解决方案。高曙则在其博士论文中提出了基于网格、Web服务及可视化本体的可视化系统架构 SOVP，其论文提出了可视化的分布式管道模型，以可视化本体作为可视化对象描述方式，并进行了可视化发布与发现机制的研究。4. 国内外研究的不足之处经过调研发现，国内外关于Web环境下信息可视化的研究有如下不足：1) 缺