數(shù)據(jù)可視化技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展研究★

李公立 劉佃興 黃仲元

(北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100085)

0 引言

在數(shù)據(jù)急增的時(shí)代，如何能夠從海量多樣的數(shù)據(jù)集中直觀的挖掘影響商機(jī)的因素，可視化無(wú)疑是最佳的選擇。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)可視化伴隨著人類(lèi)多方面的應(yīng)用需求歷經(jīng)了漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程。目前，數(shù)據(jù)可視化的發(fā)展呈現(xiàn)了多維數(shù)據(jù)復(fù)合展示的特征；涌現(xiàn)了大量的可視化工具；基于平臺(tái)的可視化三維技術(shù)有了進(jìn)一步的應(yīng)用發(fā)展；對(duì)于一些特殊行業(yè)的監(jiān)控中心或者調(diào)度中心等重要指揮樞紐，大屏幕顯示系統(tǒng)表現(xiàn)出超強(qiáng)的可視能力，已經(jīng)成為現(xiàn)代行業(yè)不可或缺的核心裝備。

1 數(shù)據(jù)可視化的發(fā)展歷程

當(dāng)今時(shí)代，數(shù)據(jù)可視化的信息隨處可見(jiàn)，甚至占據(jù)了各大媒體論壇的大量版面。可視化并不是現(xiàn)代社會(huì)科學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物，反而可視化的相關(guān)理念和技術(shù)已經(jīng)有數(shù)百年之久的歷史，它的發(fā)展見(jiàn)證了地球物探、科學(xué)計(jì)算、工程制造、統(tǒng)計(jì)分析等學(xué)科的不斷進(jìn)步。在早些時(shí)候，一些地理現(xiàn)象的考察者們?yōu)榱私沂咀匀唤缰懈鞣N現(xiàn)象之間的聯(lián)系，定義了一種圖形化的表達(dá)形式，提出了像等溫線、等壓線、等高線、等勢(shì)線等一系列等值線圖，還有可以表達(dá)其他自然信息的圖示符號(hào)?，F(xiàn)代圖表可以追溯到18世紀(jì)的第一季度，歷史學(xué)家圖表的發(fā)展歸功于政治經(jīng)濟(jì)學(xué)家W.Playfair和數(shù)學(xué)家J.H.Lambert在這一領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn)[1]。

在20世紀(jì)初,人們已經(jīng)將表格和統(tǒng)計(jì)圖等原始的可視化技術(shù)應(yīng)用到了科學(xué)數(shù)據(jù)分析中[2]。隨著后續(xù)幾何學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)的快速發(fā)展，以圖表表達(dá)數(shù)據(jù)的方式逐步流行起來(lái)，改變了社會(huì)發(fā)展和科學(xué)進(jìn)步的走勢(shì)，對(duì)人類(lèi)的認(rèn)知能力帶來(lái)了巨大的提升。進(jìn)入21世紀(jì)以后，歷史上從來(lái)沒(méi)有像今天這樣大的產(chǎn)生數(shù)據(jù)[3]。尤其是2010年以來(lái)，數(shù)據(jù)應(yīng)用的領(lǐng)域與深度得以高速發(fā)展，原始的可視化技術(shù)已經(jīng)難以應(yīng)對(duì)所謂的大數(shù)據(jù)時(shí)代，面對(duì)時(shí)代需求人們開(kāi)始深入了解相應(yīng)領(lǐng)域的背景知識(shí)，融合計(jì)算機(jī)科學(xué)、統(tǒng)計(jì)分析等多個(gè)方面的技術(shù)，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)需求的用戶(hù)交互手段，進(jìn)而對(duì)龐大而構(gòu)造不全的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速挖掘有用的內(nèi)在信息。

1.1 數(shù)據(jù)可視化的概念

目前，數(shù)據(jù)可視化并沒(méi)有一個(gè)確切穩(wěn)定的概念或者明確的說(shuō)明。在可視化技術(shù)發(fā)展之初，人們只是以點(diǎn)線或簡(jiǎn)單圖形的方式表現(xiàn)數(shù)據(jù)，這樣可以減少人類(lèi)大腦對(duì)數(shù)據(jù)的直接閱讀，間接提升人們對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)涵的掌控能力。隨著數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬和表現(xiàn)強(qiáng)度需求的加深，人們開(kāi)始以視覺(jué)表現(xiàn)對(duì)人類(lèi)自身影響進(jìn)行成體系的研究，可視化開(kāi)始以更為抽象或更為直觀的形式表示數(shù)據(jù)內(nèi)在的信息，使可視化的概念得以不斷的演變，并擴(kuò)展其在社會(huì)各領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值。

1.2 數(shù)據(jù)可視化的應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)可視化目前主要是借助于日益成熟和完備的圖形學(xué)理論以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)等手段，通過(guò)更為有效的數(shù)據(jù)清洗，提取更為可靠的特征屬性結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域背景的建模方法，最終使數(shù)據(jù)具備了可視化解釋?zhuān)軌蚯逦行У貍鬟_(dá)不為人知的內(nèi)涵信息。人們對(duì)數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用能力會(huì)直接或間接關(guān)聯(lián)社會(huì)各行業(yè)的商業(yè)價(jià)值，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)人民生活和社會(huì)進(jìn)步具有重大意義。一個(gè)國(guó)家擁有數(shù)據(jù)的規(guī)模和運(yùn)用數(shù)據(jù)的能力將成為綜合國(guó)力的重要組成部分,對(duì)數(shù)據(jù)的占有和控制將成為國(guó)家間和企業(yè)間新的爭(zhēng)奪焦點(diǎn)[4]。當(dāng)然，并不是所有數(shù)據(jù)都適合可視化，現(xiàn)在對(duì)那些多維而又凌亂的數(shù)據(jù)集合進(jìn)行前期梳理和有效屬性整合，也是數(shù)據(jù)可視化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)應(yīng)用方向。

2 數(shù)據(jù)可視化發(fā)展趨勢(shì)

今天，在人類(lèi)活動(dòng)的許多領(lǐng)域中，大量的數(shù)據(jù)被收集和存儲(chǔ)[5]。人類(lèi)社會(huì)正在高速向前發(fā)展，計(jì)算機(jī)可視化領(lǐng)域及其傳統(tǒng)智能領(lǐng)域的發(fā)展使數(shù)據(jù)已成為制約社會(huì)發(fā)展的重要因素。未來(lái)，數(shù)據(jù)在人類(lèi)社會(huì)活動(dòng)中扮演越發(fā)重要的作用，數(shù)據(jù)可視化技術(shù)也會(huì)隨著人們對(duì)數(shù)據(jù)應(yīng)用的要求更加趨于成熟。

2.1 多維數(shù)據(jù)復(fù)合

隨著科學(xué)科技的持續(xù)發(fā)展，影響各領(lǐng)域發(fā)展的數(shù)據(jù)已從單一轉(zhuǎn)向多維，海量的數(shù)據(jù)蘊(yùn)含了極為復(fù)雜的多維信息。由于人類(lèi)受限于自身能力，無(wú)法直觀獲取多維數(shù)據(jù)的認(rèn)識(shí)，因此如何可視化多維數(shù)據(jù)，從中挖掘出有用的知識(shí)，是可視化面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)[6]。同時(shí)，在探索復(fù)雜數(shù)據(jù)的規(guī)律時(shí),人們發(fā)現(xiàn)在同一個(gè)窗口中可視化多個(gè)屬性會(huì)更加有利于人們觀察數(shù)據(jù)不同屬性之間的相互關(guān)系[7]。可視化技術(shù)通過(guò)專(zhuān)業(yè)的幾何圖形方法，尋找復(fù)雜數(shù)據(jù)背后至關(guān)重要的影響因素；將多維數(shù)據(jù)信息復(fù)合成圖形或圖像的形式，展示多維數(shù)據(jù)的分布特征，幫助用戶(hù)從全局的角度觀察數(shù)據(jù)變化規(guī)律、分析數(shù)據(jù)影響范圍，便于用戶(hù)準(zhǔn)確把握數(shù)據(jù)內(nèi)涵。

2.2 可視化工具涌現(xiàn)

在當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的潮流中，任何有形或是無(wú)形的產(chǎn)品都不再?gòu)?qiáng)求工作人員從最底層干起，可視化技術(shù)也順應(yīng)了這一潮流。正如牛頓所說(shuō)的“站在巨人的肩膀上”，可視化編程的方式正慢慢改變著可視化新工具發(fā)展的趨勢(shì)?，F(xiàn)階段可視化的可視化工具不斷涌現(xiàn)，不斷發(fā)展，使可視化工作已經(jīng)不再需要所謂的全才，除了對(duì)相關(guān)領(lǐng)域具備一定認(rèn)知之外，僅需熟知一項(xiàng)前衛(wèi)的可視化工具。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前社會(huì)上使用較多的數(shù)據(jù)可視化工具有D3.js,JpGraph,Highcharts,iCharts等，這些工具具備功能靈活、易于上手的特點(diǎn)，而且有的工具還支持用戶(hù)直接將數(shù)據(jù)拖拽到對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)中，使其具備高效地使用效率。這些熱門(mén)的可視化工具除了可以制作基本的柱狀圖或折線圖等圖表類(lèi)型之外，還可以創(chuàng)建內(nèi)容復(fù)雜多樣的交互圖表，以及酷炫的過(guò)渡效果。

2.3 超強(qiáng)的可視展現(xiàn)能力

在2000年,伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校電子可視化實(shí)驗(yàn)室在教育與商業(yè)科學(xué)研究中心一個(gè)項(xiàng)目中，持續(xù)研究大規(guī)模復(fù)雜數(shù)據(jù)在拼接陣列式顯示墻中高效顯示的問(wèn)題[8]。目前，主流的大屏幕顯示系統(tǒng)可支持多屏聯(lián)動(dòng)、多終端復(fù)合控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新等大屏海量數(shù)據(jù)展示功能，在實(shí)現(xiàn)高分辨率超清輸出的基礎(chǔ)上，具備優(yōu)異的展示能力、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)同步能力、高效的查詢(xún)能力以及具備一定的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)跟蹤的計(jì)算能力，以滿(mǎn)足當(dāng)代大數(shù)據(jù)背景下用戶(hù)的不同可視化需求。圖1為大屏幕示意圖。

2.4 可視化三維平臺(tái)化

目前，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)圖形化處理能力的逐步增強(qiáng)，使可視化三維技術(shù)得以快速發(fā)展。Geographic Information System也稱(chēng)為GIS系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合管理空間地理信息數(shù)據(jù)[9]。經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，GIS系統(tǒng)憑借與地理空間信息結(jié)合的數(shù)據(jù)可視化手段，是目前國(guó)內(nèi)主要研究大規(guī)模數(shù)據(jù)可視化的主流系統(tǒng)平臺(tái)。如今，對(duì)于一個(gè)城市或更大的地域范圍內(nèi)的地理信息系統(tǒng)，數(shù)據(jù)總量可以超過(guò)幾個(gè)TB[10]?，F(xiàn)在GIS應(yīng)用的主要基于GIS平臺(tái)的二次開(kāi)發(fā)，圖2是一種基于GIS的三維可視化基本架構(gòu)，其開(kāi)發(fā)方法主要是在微軟的Visual Studio系列編程工具中利用GIS系統(tǒng)提供的各種控件導(dǎo)入數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)以及顯示數(shù)據(jù)，最終在生成的應(yīng)用程序中將數(shù)據(jù)三維可視化，并提供管理數(shù)據(jù)、查詢(xún)數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)等功能。

除了類(lèi)似GIS這種伴隨可視化發(fā)展多年的研發(fā)平臺(tái)之外，像Unity3D，Unreal Engine等三維引擎已陸續(xù)發(fā)展為數(shù)據(jù)可視化的研發(fā)平臺(tái)，尤其是近兩年投入這些引擎進(jìn)行可視化研究的人員逐步增多，同時(shí)部分引擎逐步降低開(kāi)發(fā)成本，并針對(duì)一些像建筑、模擬、教育等應(yīng)用方面甚至提供開(kāi)源免費(fèi)的鼓勵(lì)方針。

3 結(jié)語(yǔ)

近些年來(lái)，社會(huì)中各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域都已被數(shù)據(jù)化了，數(shù)據(jù)儼然已成為影響當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)的重要因素。隨著數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的持續(xù)更新，其邊界也在不斷地向多領(lǐng)域、多學(xué)科擴(kuò)展，可視化技術(shù)不斷的專(zhuān)業(yè)化，人們的生產(chǎn)方式隨之發(fā)生顛覆式的改變。數(shù)據(jù)可視化技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域中研究重點(diǎn)，新的研究應(yīng)用不斷涌出，當(dāng)然目前也存在大量有待解決的問(wèn)題，仍然需要進(jìn)一步研究，相信未來(lái)新技術(shù)可以給人們帶來(lái)更好的數(shù)據(jù)可視化體驗(yàn)，對(duì)社會(huì)生產(chǎn)帶來(lái)更有效的決策依據(jù)。2017年，大數(shù)據(jù)應(yīng)用的全面創(chuàng)新之年，數(shù)據(jù)可視化技術(shù)將在更多產(chǎn)業(yè)化、數(shù)據(jù)化相對(duì)成熟的領(lǐng)域進(jìn)一步得到應(yīng)用。