智慧校園多維數(shù)據(jù)可視化展示技術研究

◆李楊 李明明 李國強 李鵬飛

智慧校園多維數(shù)據(jù)可視化展示技術研究

◆李楊 李明明 李國強 李鵬飛

（信息工程大學 河南 450000）

由于傳統(tǒng)智慧校園多維數(shù)據(jù)可視化展示技術在實踐中分辨率較低，為此提出智慧校園多維數(shù)據(jù)可視化展示技術研究。本文分析了數(shù)據(jù)可視化技術的應用與研究重點，設計智慧校園多維數(shù)據(jù)可視化展示技術，利用數(shù)據(jù)相似性設計智慧校園多維數(shù)據(jù)排列算法，對多維數(shù)據(jù)進行降維處理；使用計算機等終端聯(lián)網(wǎng)設備，采用在智慧校園中構(gòu)建信息可視化場景的方式，展示多種類型數(shù)據(jù)。經(jīng)實驗證明，設計技術對于智慧校園多維數(shù)據(jù)可視化展示的分辨率高于傳統(tǒng)技術。

智慧校園；多維數(shù)據(jù)；可視化展示技術；設計

隨著社會的不斷發(fā)展與經(jīng)濟建設腳步的推進，日常生活中的數(shù)據(jù)量與日俱增。以教育產(chǎn)業(yè)為例，在信息化社會背景下，高校建設正逐步向數(shù)字化的方向遞進，智慧校園便是這一時代下的關鍵產(chǎn)物。智慧校園中數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式呈現(xiàn)得更加多維度化，這些數(shù)據(jù)集不僅是高校教學成果的代表，同時也是教育產(chǎn)業(yè)發(fā)展的表現(xiàn)。例如，教學資源數(shù)據(jù)、教學成果數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)維度與成果復雜性同樣存在著直接聯(lián)系，維度越高，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)越復雜。在智慧校園建設中，這些數(shù)據(jù)屬于共有資源，也是高校教學的支撐，但由于數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式過于隨機化，導致用戶很難直接在數(shù)據(jù)中找到其中潛在的某種規(guī)律性，也無法定位到數(shù)據(jù)中有價值的信息，即使這些數(shù)據(jù)的操作性極強，但由于解析這些數(shù)據(jù)所耗費的成本過高，此方面一直是智慧校園建設的關鍵影響因素[1]。為了解決這一問題，提出了多維數(shù)據(jù)可視化技術，將技術的應用與計算機相結(jié)合，將多維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可在移動設備上顯示的圖像，增加數(shù)據(jù)集合的可視化程度，從而體現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接價值?；诖耍疚膶⒁灾腔坌@為基礎，開展多維數(shù)據(jù)可視化展示技術的研究，使數(shù)據(jù)成為推進智慧校園建設的主要工具。

1 數(shù)據(jù)可視化技術的應用與研究重點

多維可視化技術是實現(xiàn)數(shù)據(jù)解析與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼的重要工具，不僅可實現(xiàn)對校內(nèi)資源的建設與分析，同時也幫助用戶從海量數(shù)據(jù)中找到某種潛在規(guī)律?？梢暬故镜闹攸c在于如何將數(shù)據(jù)更為直接地呈現(xiàn)出來，從而輔助用戶更深入地了解數(shù)據(jù)[2]。這一過程中，“數(shù)據(jù)”是研究的重點，以此為依據(jù)，對數(shù)據(jù)可視化技術的應用開展分析。

例如，可視化展示技術可用于數(shù)據(jù)的前端引擎檢索，在CSS網(wǎng)頁框架設計中，并在計算機技術的支撐下，高效采集并存儲數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的清晰化展示。本文研究的智慧校園多維數(shù)據(jù)可視化展示便是指對校園中現(xiàn)有的業(yè)務數(shù)據(jù)進行提煉，并采用建立數(shù)據(jù)可視化平臺的方式，解決數(shù)據(jù)缺乏時效性的問題。

在本文的研究中，重點便是如何實現(xiàn)校園數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化處理；如何搭配數(shù)據(jù)才能使新數(shù)據(jù)呈現(xiàn)得更為清晰化[3]?？傊?，可視化技術在目前智慧校園的建設與成果導出中，屬于關鍵支撐技術，只有加深對數(shù)據(jù)的理解，掌握數(shù)據(jù)的價值，深入挖掘數(shù)據(jù)的意義，才能使數(shù)據(jù)具有更強的時效性。下面將綜合上述提出的觀點，開展深入研究。

2 智慧校園多維數(shù)據(jù)可視化展示技術研究

2.1 基于數(shù)據(jù)相似性設計智慧校園多維數(shù)據(jù)排列算法

為了提高智慧校園在建設中產(chǎn)出成果的可視化程度，應先明確智慧校園中不同數(shù)據(jù)的所屬類型，定位數(shù)據(jù)維度，并通過數(shù)據(jù)的實際價值，進行數(shù)據(jù)的可視化處理[4]。考慮到智慧校園中大部分數(shù)據(jù)均以散點的方式分布，因此在處理數(shù)據(jù)前，可采用抽樣選擇數(shù)據(jù)的方式，對其中代表性數(shù)據(jù)集合進行聚類與降維處理。此過程遵循不同類型數(shù)據(jù)具有相似性的原則，將具有代表性的高緯度數(shù)據(jù)進行聚類，并使用FCM技術，挖掘數(shù)據(jù)中具有代表性的內(nèi)容。將導向的內(nèi)容進行矩陣的規(guī)范化排列，去除散點數(shù)據(jù)集合，將相鄰的數(shù)據(jù)從中心聚合，以用于后期對多維數(shù)據(jù)的調(diào)用。上述多維數(shù)據(jù)降維聚合流程可表示圖1。

按照圖1的流程，對智慧校園中獲取的多維數(shù)據(jù)進行預處理，應用預處理后的數(shù)據(jù)集合，采用聚類分析的方式，對集合進行無訓練式學習。假定此數(shù)據(jù)集合中含有的數(shù)據(jù)種類為n，則校園中內(nèi)存的相似數(shù)據(jù)可用如下計算公式表示。

2.2 智慧校園多維數(shù)據(jù)成果可視化展示

為了實現(xiàn)智慧校園多種類型數(shù)據(jù)的可視化展示，在完成數(shù)據(jù)相似度的計算與數(shù)據(jù)降維聚合處理后，使用計算機等終端聯(lián)網(wǎng)設備，采用在智慧校園中構(gòu)建信息可視化場景的方式，展示多種類型數(shù)據(jù)[5]。包括：二維模型數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、DEM柵格數(shù)據(jù)、DEL矢量數(shù)據(jù)、智慧校園全景數(shù)據(jù)等。

以智慧校園中多維數(shù)據(jù)作為展示的基礎，建立智慧校園多維數(shù)據(jù)展示模型，用于顯示校園建設整體布局、建筑物模型以及實物內(nèi)部基礎設施等。在此基礎上，采用全景圖像展示方法，將智慧校園內(nèi)部建設成果信息，展示在前端顯示界面上，從而為推進校園智慧化與可視化建設提供現(xiàn)實感。

在展示過程中，根據(jù)校園內(nèi)不同建筑的實際尺寸，通過建模軟件對其可視化數(shù)據(jù)進行編輯操作，建立多維可視化模型[6]。選擇可將二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為多維數(shù)據(jù)的建模軟件，利用智慧校園原本的GIS數(shù)據(jù)信息，將其轉(zhuǎn)換為可視圖像。綜上所述，多維數(shù)據(jù)成果可視化展示步驟如下。

使用全站儀、監(jiān)控等設備，采集校內(nèi)多維信息數(shù)據(jù)，包括智慧校園建設成果的具體坐標數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)等。將采集到的地理數(shù)據(jù)信息導入到CAD制圖軟件中，并根據(jù)實際物體的情況連接成面或線（采集到的圖片數(shù)據(jù)信息可通過PS軟件處理）[7]。選用skerchup軟件建立多維數(shù)據(jù)可視化模型，將CAD及PS軟件中的數(shù)據(jù)導入到繪圖軟件中，選擇對已成面的數(shù)據(jù)進行再編輯，修改導入未統(tǒng)一維度面中的散點數(shù)據(jù)。再將這一部分數(shù)據(jù)組合成一個面或線，根據(jù)實際測量的數(shù)據(jù)信息，對展示的可視化成果進行后期處理，對于細節(jié)部分應根據(jù)實際情況編輯，創(chuàng)建特殊形狀和材質(zhì)。將建立的多維可視化成果導出，格式設置為.bmp格式，并利用轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換為可支持格式，以此完成對智慧校園多維數(shù)據(jù)的可視化展示。

3 對比實驗

實驗選取某CMC數(shù)據(jù)集合作為可視化展示對象，該數(shù)據(jù)集合是從UCI數(shù)據(jù)集上下載的多維數(shù)據(jù)結(jié)合，數(shù)據(jù)點數(shù)量為500個，數(shù)據(jù)屬性數(shù)目為8個，數(shù)據(jù)種類包含2種。實驗利用此次設計技術與傳統(tǒng)技術對該多維數(shù)據(jù)集合進行可視化展示，實驗中所使用的工具為一臺計算機和MATLAB R2008，將多維數(shù)據(jù)降維標準差參數(shù)設置為0.01，對數(shù)據(jù)進行可視化展示。實驗中分別展示100MB數(shù)據(jù)、200MB數(shù)據(jù)、300MB數(shù)據(jù)、400MB數(shù)據(jù)、500MB數(shù)據(jù)，對每次多維數(shù)據(jù)可視化展示的分辨率進行查看，分辨率越高則表示智慧校園多維數(shù)據(jù)可視化展示的清晰度越高，因此將分辨率作為實驗結(jié)果，對兩種技術進行對比分析，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 兩種技術可視化展示分辨率對比（ppi）

多維數(shù)據(jù)數(shù)量/MB最低分辨率要求/ ppi設計技術傳統(tǒng)技術 100800×9001680×1050500×900 200800×9001450×1050400×600 300800×9001920×1050800×600 400800×9001920×1050700×800 500800×9001920×1050800×900

從表1可以看出，此次設計技術對于智慧校園多維數(shù)據(jù)可視化展示的分辨率高于要求，并且最高分辨率可以達到1920×1050ppi；而傳統(tǒng)技術對于智慧校園多維數(shù)據(jù)可視化展示的分辨率不僅低于設計技術，而且最低分辨率僅為400×600ppi，因此實驗證明了設計技術在分辨率方面優(yōu)于傳統(tǒng)技術，適用于智慧校園多維數(shù)據(jù)可視化展示。

4 結(jié)束語

信息技術的發(fā)展與建設規(guī)模日益壯大，如何高效地處理市場生產(chǎn)導出的不同類型數(shù)據(jù)，成為了有關單位的研究重點，為此本文以智慧校園為例，開展了多維數(shù)據(jù)可視化展示技術的研究。在此基礎上，采用將本文設計技術與傳統(tǒng)技術進行對比的方式，驗證本文設計的可視化技術更具備實用性，不僅可實現(xiàn)對智慧校園中不同類型數(shù)據(jù)的展示，同時也實現(xiàn)了對校內(nèi)建設成果的展示，解決了傳統(tǒng)可視化展示技術存在的問題。因此，在后期的研究中，為了進一步提高信息的交互能力，可將研究點調(diào)整為技術的定量指導應用中，從而使多維數(shù)據(jù)可視化的結(jié)果更為準確。

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