数据可视化的基本原理与方法

章节摘录

版权页：   插图：   从数据分析处理的角度看，信息化的实体系统的状态包括三维位置、时间、客观主体和属性参数组。其中，属性可以是空间几何、外观、拓扑、地理属性等，也可以是主体在某时刻的状态描述，如温度、湿度、速度、通话记录等。传统的地理信息系统和图形学已经深入地研究了空间位置、几何、外观、拓扑、地理属性等信息的建模与可视化方法，并在产业界产生了较大影响，如基于遥感影像的地理环境建模、GPS地图导航、数字城市建模等。另一类数据记录实体随时间演化的属性状态，如视频、定点监控传感器网络数据、从通信手机或GPS获得的位置信息、P2P移动网络的定位信息、网络交通控制器、智能传输环境、RFID射频识别信息等。这些数据通常采用主动推送的方式，形成源源不断的数据流。 毋庸置疑，将这些综合信息服务于社会和经济活动，需要发展新的基于地理位置的综合信息可视化方法。本节从信息简化、多目标标识和综合信息可视化角度介绍已有方法。 6.5.1地理信息简化与标识 地图可承载的信息复杂，从有利于用户感知的角度，需要从原始数据中抽取出重要的区域、信息和特征，并予以突出显示。这种简化和抽象，实际上是对原始精确地图所含信息的概括，它与具体的应用以及任务密切相关，如图6.22所示。设计良好的地图概括方法突出了与任务相关的最重要地图元素，同时保留基本准确的可视化效果。常用的地图概括的例子： 1）点简化。在小型的地图上去除一些不相关或者不可分的密集的点，或者合并一些点。 2）线简化。去除线上小的形状；合并多条相似的线为中心线；去掉重叠的线。 3）多边形简化。去除小的形状；合并并且保留重要的形状特点，包括简化多边形的边界，保留重要的形状和大小，或在允许的误差范围内合并相邻的多边形。 地图的重要显示元素是地图上的标记。地图标记的选择和布局通常采用基于规则的启发式方法，并依赖全局优化算法求解，如局部寻找、贪婪算法、模拟退火算法、随机算法和遗传算法。

前言

数据是记录科学现象和客观世界的基本信息单元。当今世界每时每刻都在产生大量的数据。数据可视化为人类洞察数据的内涵、理解数据蕴藏的规律提供了重要的手段。我国对数据可视化的研究始于1990年初，部分高校开设了面向研究生的科学可视化课程，一些经典的科学可视化教材相继出版，例如，1996年浙江大学石教英教授等编写的《科学计算可视化》、1999年清华大学唐泽圣教授等编写的《三维数据场可视化》等，为我国培养可视化研究和应用方面的专业人才发挥了重要的作用。进入21世纪，人类获取数据的能力得到迅猛发展。据统计，2010年世界新增信息总量为988艾（1018）字节，该数量以每年至少30%的速率增长。随着数据时代的来临，针对实际科学和社会问题，涌现了许多新的复杂数据的处理与分析方法。面对当前科学可视化、信息可视化、可视分析研究和应用的新形势，高校急需一本新的数据可视化教材。本书正是在这样一个背景下，基于作者多年从事大学本科可视化课程建设和科学研究的积累编撰而成。全书分为三篇，共11章，组织结构分布如下图所示。基础篇阐述数据可视化的历史沿革，从人、数据、可视化流程等三个层面阐述数据可视化的基础理论和概念。其中，第一章阐述可视化的定义、作用和发展历史，给出了数据可视化的分类，并简略描述了数据可视化设计框架和可视化流程。第二章详细介绍视觉感知和认知的基本原理和可视化编码原则。数据模型在第三章中介绍，包括数据定义、组织、管理、分析、挖掘等及数据工作流。第四章介绍可视化的基础理论，包括可视化流程、图形符号、视觉变量和评估方法等内容。根据数据的时空特性，可粗略地将数据分为时空数据和非时空数据。数据篇的第一部分讲述含有空间或时间信息的可视化方法。其中，第五章介绍空间标量场数据可视化，包括一维、二维或三维真实物理空间的标量场数据的可视化方法。当空间数据具有真实的地球地理空间坐标时，需要采用特定的地理信息可视化方法，第六章详细介绍面向地理信息的基于点、线和区域的可视化方法及其应用。数据篇的第二部分介绍复杂多变量、非结构化、非几何的抽象数据的可视化方法，这类数据来源于真实物理空间、人类社会空间和网络信息空间，例如，物种遗传关系、家谱和社交网络。第七章将介绍复杂多变量数据的可视化方法，主要采用视觉通道编码、降维、变量选择、交互等方法减少复杂多变量的非时空数据可视化产生的视觉混淆对有用信息的干扰。注意到大部分非时空数据具有层次结构关系，例如公司组织结构、社交网络用户关系，第八章详细描述层次结构数据的可视化方法，包括树、图、超图、网络等。应用篇着重介绍面向不同类型数据的可视化综合应用及实用系统。其中，第九章介绍跨媒体数据（文本、图像、音乐、视频等数据的综合）的可视化方法；第十章介绍可视化中的人机交互方法，包括交互准则、交互的分类和相关评测技术；第十一章介绍可视化系统，包括应用系统、开发工具和研究小组等。本书可作为大学本科计算机或相关专业的三、四年级学生的数据可视化课程的教科书，课程总学时是32。具体分配方案是：第四、五、七章每章4个学时；其余各章，每章2个学时；学期末的4个学时安排期末的大课程答辩。授课可采用多媒体投影教学方式，辅助以大量的案例分析、视频材料和互动演示。课程的实践可采用Processing和VTK。本书的附属资料（电子课件、作业、数据、在线资源、视频和图像）。本书由陈为（浙江大学）、张嵩（美国密西西比州立大学）、鲁爱东（美国北卡罗莱纳大学夏洛特分校）合作撰写。陶煜波（浙江大学)、陈伟锋（浙江财经学院)、吴向阳（杭州电子科技大学)及浙江大学CAD＆CG国家重点实验室部分师生参与了初稿的写作。各章初稿的撰写人是：第一章陈为、陶煜波；第二章陈伟锋；第三章吴向阳、马昱欣；第四、五、十一章张嵩，第43、44节陈伟锋；第六、七、十章鲁爱东，第102节张嵩；第八章夏菁；第九章黄芯芯、马晓红和彭帝超。彭群生教授参与了本书的策划，对全书稿做了认真审查，并提出了许多具体的修改建议。本书编辑鞠丽娜女士对此书的出版给予了大力支持。浙江大学CAD＆CG国家重点实验室可视分析小组的朱斯衎、张建霞、邹瑶瑶等同学参与了书稿的准备、讨论和校对。杭州电子科技大学刘真博士帮助审校了部分章节，在此一并致谢。由于时间仓促，作者水平有限，书中难免存在欠妥之处，敬请读者不吝指正。

书籍目录

第一篇 基 础 篇

第一章 数据可视化简介

11 可视化的意义

12 可视化的目标和作用

13 可视化简史

14 数据可视化释义

141 数据可视化的现代意义

142 数据可视化分类

143 数据可视化与其他方向的关系

习题

参考文献

第二章 视觉感知与视觉通道

21 视觉感知与认知

211 感知与认知定义

212 格式塔理论

213 视觉感知的相对性

22 视觉通道

221 视觉通道的类型

222 视觉通道的特性

习题

参考文献

第三章 数据

31 数据基础

311 数据属性

312 数据相似性度量

32 数据特征

321 数据统计特征

322 数据的不确定性

33 数据预处理

331 数据质量

332 数据预处理步骤

333 数据预处理与可视化

34 数据存储

341 文件存储

342 数据库

343 数据仓库

344 数据存储与可视化

35 数据分析

351 统计分析方法

352 探索性数据分析

353 数据挖掘

354 可视数据挖掘与可视分析

习题

参考文献

第四章 数据可视化基础

41 数据可视化流程

42 数据处理和数据变换

421 数据滤波

422 数据降维

423 数据采样

424 数据聚类和剖分

425 数据配准与转换

43 可视化编码

431 标记和视觉通道

432 可视化编码元素的优先级

433 源于统计图表的可视化

44 可视化设计

441 可视化设计框架

442 数据的筛选

443 数据到可视化的直观映射

444 视图选择与交互设计

445 可视化中的美学因素

446 可视化隐喻

习题

参考文献

第二篇 数 据 篇

第五章 时空数据可视化

51 一维标量数据可视化

52 二维标量数据可视化

521 颜色映射法

522 等值线提取法

523 高度映射法

524 标记法

53 三维标量数据可视化

531 等值面绘制

532 直接体绘制

54 多变量空间数据可视化

541 常规多变量数据可视化

542 矢量场数据可视化

543 张量场数据可视化

55 时间序列数据可视化

551 时间的属性

552 时序数据可视化方法

习题

参考文献

第六章 地理空间数据可视化

61 地图投影

611 地图投影

612 常用可视化变量

62 点形数据的可视化

621 点地图

622 像素地图

63 线形数据的可视化

631 网络地图

632 流量地图

64 区域数据的可视化

641 等值线图

642 等值区间地图

643 比较统计地图

65 基于地理位置的综合信息可视化

651 地理信息简化与标识

652 多源时空地理信息可视化

习题

参考文献

第七章 高维非空间数据可视化

71 高维数据变换

711 主成分分析法

712 多维尺度分析法

713 等距映射法

714 局部线性嵌入法

72 高维数据的可视化呈现

721 基于点的方法

722 基于线的方法

723 基于区域的方法

724 基于样本的方法

73 高维数据的可视化交互

731 灰尘与磁铁

732 过滤

733 放大

734 画笔和链接

735 灵活轴线法

习题

参考文献

第八章 层次和网络数据可视化

81 层次数据可视化

811 结点链接法

812 空间嵌套填充法

813 其他方法

82 网络数据可视化

821 结点链接法

822 相邻矩阵布局

823 其他方法

83 图的交互与简化

831 动态网络数据的可视化

832 图可视化的视觉效果

833 图可视化中的交互

习题

参考文献

第三篇 应 用 篇

第九章 跨媒体数据可视化

91 文本与文档可视化

911 文本可视化释义

912 文本可视化基本流程

913 单文本内容可视化

914 多文档可视化

915 时序型文本可视化

916 特殊文本可视化

92 社交网络可视化

921 相关概念与原理

922 基本可视化方法

923 案例分析

93 日志数据可视化

931 商业交易数据可视化

932 移动轨迹数据可视化

933 系统日志数据可视化

习题

参考文献

第十章 可视化交互与评估

101 可视化交互

1011 可视化交互方法分类

1012 可视化交互空间

1013 可视化交互模型

1014 交互硬件与软件

102 可视化的价值和评估

1021 可视化的价值

1022 可视化评估

习题

参考文献

第十一章 可视化软件与工具

111 可视化软件分类

112 科学可视化软件与工具

113 信息可视化软件与工具

114 可视分析软件与开发工具

习题

参考文献

编辑推荐

《普通高等教育"十二五"规划教材:数据可视化的基本原理与方法》可作为高等院校计算机、数据处理及相关专业高年级学生和研究生的教学用书，对于从事数据可视化、数据分析、视觉艺术开发和应用的科技人员也有较大的参考价值。

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