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，可視化無疑是最佳的選擇。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)可視化伴隨著人類多方面的應(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，甚至占據(jù)了各大媒體論壇的大量版面?？梢暬⒉皇乾F(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)。現(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，改變了社會(huì)發(fā)展和科學(xué)進(jìn)步的走勢(shì)，對(duì)人類的認(rèn)知能力帶來了巨大的提升。進(jìn)入21世紀(jì)以后，歷史上從來沒有像今天這樣大的產(chǎn)生數(shù)據(jù)[3]。尤其是2010年以來，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)滿足大數(shù)據(jù)需求的用戶交互手段，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)可視化并沒有一個(gè)確切穩(wěn)定的概念或者明確的說明。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，人們開始以視覺表現(xiàn)對(duì)人類自身影響進(jìn)行成體系的研究，可視化開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)視覺等手段，通過更為有效的數(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，能夠清晰有效地傳達(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，數(shù)據(jù)在人類社會(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。由于人類受限于自身能力，無法直觀獲取多維數(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]?？梢暬夹g(shù)通過專業(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，以滿足當(dāng)代大數(shù)據(jù)背景下用戶的不同可視化需求。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)的二次開發(fā)，圖2是一種基于GIS的三維可視化基本架構(gòu)，其開發(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)、查詢數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)等功能。

除了類似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)用方面甚至提供開源免費(fèi)的鼓勵(lì)方針。

3 結(jié)語

近些年來，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題，仍然需要進(jìn)一步研究，相信未來新技術(shù)可以給人們帶來更好的數(shù)據(jù)可視化體驗(yàn)，對(duì)社會(huì)生產(chǎn)帶來更有效的決策依據(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。