王育紅，馮 鋒，左雨芳，孫 冉

(江蘇師范大學(xué) 地理測(cè)繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

近年來，空間數(shù)據(jù)快速獲取與更新手段不斷豐富、大容量存儲(chǔ)技術(shù)日益成熟、高性能計(jì)算設(shè)備逐漸普及，各類空間數(shù)據(jù)及其關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)正以前所未有的速度急劇增長(zhǎng)和持續(xù)積累，時(shí)空數(shù)據(jù)規(guī)模越來越龐大。這些新的發(fā)展成就，為充分考慮空間數(shù)據(jù)的時(shí)間特征，深入開展時(shí)空數(shù)據(jù)組織管理[1]、挖掘分析[2]、可視化[3]等方面的理論研究與應(yīng)用實(shí)踐，有效促進(jìn)知識(shí)決策服務(wù)型動(dòng)態(tài)GIS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，奠定提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)與良好契機(jī)。

1987年，美國(guó)國(guó)家基金會(huì)圖形圖像專題討論組提出并闡述“科學(xué)計(jì)算可視化”(Visuali-zation in Scientific Computing，ViSC)概念，一般將其看作可視化科學(xué)與技術(shù)被系統(tǒng)研究的開端。該概念后來被簡(jiǎn)化為“科學(xué)可視化”，甚至是“可視化”[4]?？梢暬谋疽馐恰笆怪梢姟?，其根本目標(biāo)是把由實(shí)驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算獲得的大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成人的視覺可以感知的計(jì)算機(jī)圖形圖像，以幫助人們直接理解現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)規(guī)律和傳播知識(shí)。隨著研究的深入，目前可視化已建立形成了由科學(xué)可視化、數(shù)據(jù)可視化、信息可視化、知識(shí)可視化、可視化分析等分支組成的復(fù)雜技術(shù)體系。這些技術(shù)及應(yīng)用之間又存在著區(qū)別、交叉和聯(lián)系[5-6]。

作為可視化研究與應(yīng)用的一個(gè)重要組成分支，GIS時(shí)空數(shù)據(jù)可視化的基本形式是地圖。盡管地圖制圖相對(duì)于可視化是一門非常古老的學(xué)科，但將可視化理論與技術(shù)融入地圖制圖和GIS卻可為其注入新的動(dòng)力，帶來根本性變革，該工作始于20世紀(jì)90年代初[7-8]。時(shí)空數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的核心是為使用者提供直觀的、可交互的空間信息可視化環(huán)境，它已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)的符號(hào)化及視覺變量表示法的水平，而進(jìn)入可交互地圖條件下的探索視覺效果和提高視覺功能的階段。經(jīng)過近三十年的不懈努力，時(shí)空數(shù)據(jù)可視化在理論模型、技術(shù)方法、開發(fā)類庫(kù)、軟件平臺(tái)等方面積累了許多有益成果，目前已呈現(xiàn)出并行化、多樣化、多維動(dòng)態(tài)化的總體研究與應(yīng)用趨勢(shì)[8-12]。

為克服傳統(tǒng)靜態(tài)GIS的不足，避免從底層編碼實(shí)現(xiàn)相應(yīng)技術(shù)的困難，結(jié)合當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)，本文選擇2020年10月發(fā)布的最新國(guó)產(chǎn)高性能GIS桌面軟件——GeoScene Pro 2.0(簡(jiǎn)稱GeoScene)，以曾廣為關(guān)注的湖北省新冠疫情數(shù)據(jù)為例，在設(shè)計(jì)建立時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論空間二維、三維環(huán)境下的動(dòng)態(tài)可視化方法及相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)，以期為同類可視化問題提供高效、實(shí)用的解決方案與技術(shù)參考。

1 時(shí)空數(shù)據(jù)組織與處理

簡(jiǎn)單地講，時(shí)空數(shù)據(jù)就是具有時(shí)間元素并隨時(shí)間變化而變化的空間數(shù)據(jù)。時(shí)空數(shù)據(jù)涉及各式各樣的數(shù)據(jù)，不僅具有明顯的空間分布和屬性語義特征，而且具有數(shù)據(jù)量龐大、非線性以及時(shí)變等特點(diǎn)。根據(jù)變化的內(nèi)容，可將時(shí)空數(shù)據(jù)分為3大類：僅空間變化的時(shí)空數(shù)據(jù)、僅屬性變化的時(shí)空數(shù)據(jù)以及空間屬性同時(shí)變化的時(shí)空數(shù)據(jù)。

1.1 基本組織結(jié)構(gòu)

無論哪種類型的時(shí)空數(shù)據(jù)，GeoSence都以要素類(空間關(guān)系表)的形式加以組織管理，通過不同類型的字段來分別記錄實(shí)體現(xiàn)象的空間、屬性和時(shí)間數(shù)據(jù)。其中，時(shí)間/時(shí)戳數(shù)據(jù)有“單字段”和“雙字段”兩種記錄方式。“單字段”僅用來表示現(xiàn)象實(shí)體發(fā)生變化或者被觀測(cè)采集的時(shí)間，一般適用于變化或觀測(cè)周期相對(duì)固定的情況，如每隔3 h、1 d等；“雙字段”則分別用來表示現(xiàn)象實(shí)體發(fā)生變化或者被觀測(cè)采集的“開始”和“結(jié)束”時(shí)間，一般適用于現(xiàn)象實(shí)體持續(xù)存在時(shí)間或觀測(cè)周期不統(tǒng)一的情況。

文中所采用的湖北省新冠疫情時(shí)空數(shù)據(jù)屬于僅屬性變化的時(shí)空數(shù)據(jù)，分別使用面狀和點(diǎn)狀兩個(gè)要素類加以管理。除了描述行政區(qū)空間特征的幾何形式不同之外，這兩個(gè)要素類并無其他不同。二者都以“單字段”方式記錄湖北省17個(gè)省轄市區(qū)，從2020-01-23—2020-03-23，每天的新增病例、新增出院、新增死亡數(shù)據(jù)。表1給出了面狀要素類組織管理新冠疫情時(shí)空數(shù)據(jù)的基本結(jié)構(gòu)與形式。

表1 新冠疫情時(shí)空數(shù)據(jù)基本結(jié)構(gòu)和形式

1.2 處理生成過程

上述時(shí)空數(shù)據(jù)的生成主要依據(jù)兩種來源的原始數(shù)據(jù)。一是來源于湖北省衛(wèi)健委在疫情期間每日發(fā)布的新冠疫情數(shù)據(jù)；二是從中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心獲得的中國(guó)地市行政邊界數(shù)據(jù)。圖1給出了對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理派生形成所需時(shí)空數(shù)據(jù)以及后續(xù)可視化的基本過程，本節(jié)主要討論處理生成環(huán)節(jié)。

圖1 湖北新冠疫情時(shí)空數(shù)據(jù)處理生成與可視化基本過程

1)每日新冠疫情數(shù)據(jù)的處理生成。在湖北省衛(wèi)健委官網(wǎng)，按時(shí)間先后依次打開每日發(fā)布的新冠疫情情況網(wǎng)頁(yè)，從中解析提取17個(gè)省轄市區(qū)的新增病例、新增出院、新增死亡的數(shù)據(jù)。為提高輸入?yún)R總的效率，將所得數(shù)據(jù)按如表2所示形式記錄在Excel工作表中。在所需數(shù)據(jù)匯總結(jié)束后，使用Excel軟件對(duì)所得工作表的“武漢市”“黃石市”等17個(gè)數(shù)據(jù)列進(jìn)行逆透視，然后再對(duì)包含3個(gè)疫情數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)列進(jìn)行拆分，然后按表1所示內(nèi)容重新命名所得工作表的相應(yīng)字段，最后將該工作表導(dǎo)入到基于GeoDatabase[13]的疫情時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)中。

表2 基于列的新冠疫情數(shù)據(jù)非結(jié)構(gòu)化匯總表

2)行政區(qū)劃空間數(shù)據(jù)的處理生成。從所獲得的中國(guó)地市行政區(qū)劃空間數(shù)據(jù)Shape文件中，選擇提取湖北省轄的17個(gè)面狀行政區(qū)要素，并核對(duì)修改每個(gè)要素的名稱、代碼等數(shù)據(jù)，使其與表1、表2相應(yīng)內(nèi)容保持一致。為滿足后期時(shí)空立方體可視化的要求，使用GeoScene自帶的“投影”工具，將該數(shù)據(jù)集所采用的CGS2000經(jīng)緯度地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為高斯投影平面坐標(biāo)。最后，使用GeoScene自帶的“要素轉(zhuǎn)點(diǎn)”工具，以面狀行政區(qū)要素類為輸入，生成包含17個(gè)面狀要素對(duì)應(yīng)中心點(diǎn)的要素類。

3)新冠疫情時(shí)空數(shù)據(jù)的處理生成。首先，使用GeoScene自帶的“添加連接”工具，通過共同的“政區(qū)名稱”字段，向“省轄行政區(qū)點(diǎn)要素”連接追加“新冠疫情屬性表”中的不同行政區(qū)隨時(shí)間變化的疫情數(shù)據(jù)；然后，將這一需要?jiǎng)討B(tài)連接擴(kuò)展的臨時(shí)性數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到疫情時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，生成永久性“新冠疫情點(diǎn)狀時(shí)空數(shù)據(jù)”，以提高后期可視化的處理效率。接著，再按照類似過程生成“新冠疫情面狀時(shí)空數(shù)據(jù)”。

2 多維可視化主要形式

目前，GeoScene支持在多個(gè)視圖窗口環(huán)境中，以不同形式同時(shí)展示呈現(xiàn)時(shí)空數(shù)據(jù)所包含的全部或部分信息。例如，在某一時(shí)段內(nèi)或某一時(shí)刻點(diǎn)上的某些要素的空間或?qū)傩孕畔?，等等。這些可視化可概括為地圖、場(chǎng)景、屬性表和統(tǒng)計(jì)圖4種主要形式。其中，地圖和場(chǎng)景分別以二維平面圖形和三維立體圖形的形式來展示要素的空間位置形狀及相應(yīng)屬性信息；屬性表和統(tǒng)計(jì)圖則以二維表格文字和幾何圖形的形式來展示要素的屬性信息。

2.1 地圖可視化

地圖是GeoScene最便捷的可視化方式，只需將包含時(shí)空或空間數(shù)據(jù)的要素類拖拽到地圖窗口，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建相應(yīng)圖層對(duì)其加以展示。1幅地圖通常包含多個(gè)圖層。圖層是空間數(shù)據(jù)內(nèi)容的圖形化展示與呈現(xiàn)，它通過符號(hào)和標(biāo)注來表達(dá)數(shù)據(jù)的特征和差異，同一內(nèi)容的空間數(shù)據(jù)可以表示為不同形式的圖層，正所謂“內(nèi)容與形式相分離”。在加載創(chuàng)建圖層后，一般需要調(diào)整設(shè)置圖層符號(hào)和標(biāo)注的類型、大小、顏色、參考字段等屬性，以使其表達(dá)更明確、更豐富、更美觀。

針對(duì)數(shù)據(jù)記錄多、數(shù)值差別大的湖北省新冠疫情時(shí)空數(shù)據(jù)，可采用GeoScene提供的分級(jí)色彩、分級(jí)符號(hào)、比例符號(hào)、點(diǎn)密度、統(tǒng)計(jì)圖表等方式來符號(hào)化相應(yīng)圖層(見圖2)，從而派生形成不同類型的疫情地圖與可視化效果。為避免因行政區(qū)空間位置形狀未變化造成的信息遮擋和冗余混亂，這些地圖僅選擇使用了2020-02-10的面狀疫情空間數(shù)據(jù)。

圖2 新冠疫情時(shí)空數(shù)據(jù)地圖可視化示例

2.2 場(chǎng)景可視化

場(chǎng)景也被稱為3D地圖。場(chǎng)景中既可以包含2D平面要素圖層，也可以包含具有高程(度)信息的真3D立體要素圖層。在默認(rèn)情況下，文中所用疫情時(shí)空數(shù)據(jù)在場(chǎng)景中最初顯示為2D圖層，可通過3D符號(hào)化、按屬性拉伸、生成時(shí)空立方體三種方式將其轉(zhuǎn)化為3D圖層。圖3分別給出了點(diǎn)狀疫情數(shù)據(jù)采用上述方式在場(chǎng)景中的三維可視化表達(dá)效果。

圖3 新冠疫情時(shí)空數(shù)據(jù)場(chǎng)景可視化示例

其中，前兩幅圖只選擇使用了2020-02-10的點(diǎn)狀疫情數(shù)據(jù)；后一幅圖所用數(shù)據(jù)則是使用“通過以定義位置創(chuàng)建時(shí)空立方體”工具，在再次連接行政區(qū)中心點(diǎn)與全部疫情點(diǎn)狀時(shí)空數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以5 d為間隔聚合統(tǒng)計(jì)生成的新增病例真三維時(shí)空立方體數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)以netCDF[14-15]格式存儲(chǔ)，需要使用專門的處理工具將其轉(zhuǎn)換為3D要素圖層，才可以將其顯示在場(chǎng)景中。

2.3 屬性表可視化

屬性表是最接近時(shí)空數(shù)據(jù)原始邏輯組織結(jié)構(gòu)的一種可視化形式。它以平面二維表的形式逐行展示時(shí)空數(shù)據(jù)所包含的要素記錄及相關(guān)屬性。如果需要，可以關(guān)閉隱藏屬性表相關(guān)屬性字段的顯示，也可以按圖層中所設(shè)置的時(shí)間起止范圍、屬性取值范圍、地圖窗口范圍等條件來過濾顯示僅在相應(yīng)范圍內(nèi)的要素記錄。

2.4 統(tǒng)計(jì)圖可視化

統(tǒng)計(jì)圖又稱統(tǒng)計(jì)圖表，是利用點(diǎn)、線、面、體等幾何圖形，表示數(shù)據(jù)間對(duì)比、結(jié)構(gòu)、依存、分布等不同關(guān)系及其變動(dòng)情況的各種工具的統(tǒng)稱。針對(duì)表格型數(shù)據(jù)，目前GeoScene共提供了條形圖、散點(diǎn)圖、散點(diǎn)圖矩陣、直方圖、箱形圖、QQ(分位數(shù))圖、折線圖、剖面圖、數(shù)據(jù)時(shí)鐘、日歷熱點(diǎn)圖等10種類型的圖形可視化表達(dá)形式。其中，數(shù)據(jù)時(shí)鐘、日歷熱點(diǎn)圖則主要用來表達(dá)一般時(shí)態(tài)表格數(shù)據(jù)或矢量時(shí)空表格數(shù)據(jù)在整個(gè)或其中某一時(shí)段內(nèi)的發(fā)生情況和變化趨勢(shì)。圖4分別給出了利用數(shù)據(jù)時(shí)鐘、日歷熱點(diǎn)圖對(duì)湖北省每日新增新冠病例匯總統(tǒng)計(jì)的可視化表達(dá)效果圖。

圖4 新冠疫情時(shí)空數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖表可視化示例

3 動(dòng)態(tài)可視化基本策略

與靜態(tài)可視化相比，動(dòng)態(tài)可視化不僅可以豐富數(shù)據(jù)的表達(dá)維度，而且可以分析挖掘事物現(xiàn)象的時(shí)空格局、演化規(guī)律，甚至模擬預(yù)測(cè)其變化過程與發(fā)展趨勢(shì)。動(dòng)態(tài)可視化的實(shí)質(zhì)是從復(fù)雜的輸入數(shù)據(jù)中生成連續(xù)的動(dòng)態(tài)圖像。目前，空間數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)可視化一般采用動(dòng)態(tài)地圖來實(shí)現(xiàn)，其表達(dá)對(duì)象和目標(biāo)可概況為兩種基本情景：一是通過“意動(dòng)”符號(hào)增強(qiáng)靜態(tài)空間數(shù)據(jù)可視化的動(dòng)態(tài)視覺效果與感受；二是基于“時(shí)戳”信息從時(shí)空數(shù)據(jù)集中動(dòng)態(tài)提取并展示不同時(shí)刻或時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)記錄，以刻畫模擬地理要素空間或?qū)傩蕴卣麟S時(shí)間推移發(fā)生運(yùn)動(dòng)變化的過程[16]。

作為新一代GIS軟件平臺(tái)，GeoScene動(dòng)態(tài)可視化能力大幅改善和提升，可通過時(shí)間滑塊、動(dòng)畫視頻兩種方式，在地圖、場(chǎng)景、表格、統(tǒng)計(jì)圖表4種不同的視圖窗口中動(dòng)態(tài)展示瀏覽、追蹤回放時(shí)空數(shù)據(jù)。

3.1 時(shí)間滑塊策略

時(shí)間滑塊是GeoScene軟件系統(tǒng)的一個(gè)功能組件，可用來從時(shí)空數(shù)據(jù)集中動(dòng)態(tài)提取、展示播放指定時(shí)段的數(shù)據(jù)記錄。如果要使用時(shí)間滑塊，必須先在地圖或場(chǎng)景中設(shè)置啟用引用空間數(shù)據(jù)集的對(duì)應(yīng)圖層的時(shí)間屬性，并指定時(shí)間值的存儲(chǔ)方式及具體字段。當(dāng)圖層啟用時(shí)間之后，時(shí)間滑塊會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)在包含該時(shí)態(tài)圖層的地圖或場(chǎng)景窗口中，系統(tǒng)主界面也會(huì)增加“時(shí)間”功能選項(xiàng)卡。

在“時(shí)間”功能選項(xiàng)卡中，可進(jìn)一步設(shè)置時(shí)態(tài)圖層動(dòng)態(tài)可視化的“開始結(jié)束”時(shí)間、跨度(時(shí)間窗大小)、播放速度等參數(shù)，以幫助用戶獲得最佳的可視化效果。在利用時(shí)間滑塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)回放過程中，如果打開了時(shí)態(tài)圖層的屬性表或基于該圖層創(chuàng)建的統(tǒng)計(jì)圖表，則屬性表或統(tǒng)計(jì)圖表的顯示內(nèi)容將隨著地圖或場(chǎng)景顯示內(nèi)容的變化而變化?；跁r(shí)間滑塊實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可視化的基本原理如圖5所示。

圖5 基于時(shí)間滑塊的動(dòng)態(tài)可視化基本實(shí)現(xiàn)原理

3.2 動(dòng)畫視頻策略

作為重要的多媒體技術(shù)和表現(xiàn)形式，動(dòng)畫和視頻具有很深的淵源。由于二者都是利用視覺延遲原理，沿時(shí)間軸依次更換顯示連續(xù)漸變的靜態(tài)圖像或圖形，從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)視覺感受的媒體形式，因此，經(jīng)常被認(rèn)為是同一個(gè)東西。但嚴(yán)格區(qū)分起來，二者還是有區(qū)別的。動(dòng)畫是一門綜合藝術(shù)，其每幀圖像/圖形都是由人工設(shè)計(jì)或計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的；而視頻是一種信號(hào)處理技術(shù)，其每幀圖像主要是通過實(shí)時(shí)攝取自然景象或者活動(dòng)對(duì)象獲得的。簡(jiǎn)單地講，動(dòng)畫是一種表現(xiàn)形式，視頻是一種播放方式。

在GeoScene軟件系統(tǒng)中，動(dòng)畫是指創(chuàng)建連續(xù)圖像集合并快速回放這些圖像以創(chuàng)建動(dòng)態(tài)圖像的過程。連續(xù)圖像集合中的每個(gè)圖像被稱為關(guān)鍵幀。關(guān)鍵幀只能用來記錄地圖或場(chǎng)景窗口中相關(guān)圖層的顯示內(nèi)容和狀態(tài)。用戶可通過手動(dòng)逐項(xiàng)插入方式為動(dòng)畫創(chuàng)建關(guān)鍵幀，也可以根據(jù)特定的工作流使用導(dǎo)入方法自動(dòng)創(chuàng)建大量關(guān)鍵幀，如根據(jù)瀏覽書簽、時(shí)間滑塊步長(zhǎng)等。

動(dòng)畫不僅能按時(shí)間動(dòng)態(tài)展示時(shí)空數(shù)據(jù)，而且能以不同的視點(diǎn)、比例、范圍等參數(shù)動(dòng)態(tài)切換展示一般靜態(tài)空間數(shù)據(jù)。與時(shí)間滑塊相比，通過動(dòng)畫對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)可視化具有信息內(nèi)容豐富、方便共享等優(yōu)勢(shì)。在設(shè)計(jì)動(dòng)畫時(shí)，可根據(jù)需要在相應(yīng)關(guān)鍵幀上添加放置文本、段落、圖像、圖形、版權(quán)、水印等信息；在設(shè)計(jì)創(chuàng)建完動(dòng)畫之后，可以將其導(dǎo)出轉(zhuǎn)換為不同格式的視頻文件，以方便沒有GeoScene軟件系統(tǒng)的用戶瀏覽查看相應(yīng)地圖或場(chǎng)景。

4 結(jié)束語

作為利用視覺通道幫助用戶發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)特征、理解數(shù)據(jù)內(nèi)涵、洞察數(shù)據(jù)規(guī)律的一種重要技術(shù)手段和高效人機(jī)界面，數(shù)據(jù)可視化一直是多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域共同關(guān)注研究的熱點(diǎn)。文中在簡(jiǎn)要梳理數(shù)據(jù)可視化概念和歷程的基礎(chǔ)上，從時(shí)空數(shù)據(jù)可視化發(fā)展趨勢(shì)及全球關(guān)注的新冠疫情出發(fā)，詳細(xì)分析討論了最新國(guó)產(chǎn)GIS桌面軟件平臺(tái)——GeoScene系統(tǒng)環(huán)境下的時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)組織管理、多維可視化形式以及動(dòng)態(tài)可視化實(shí)施策略等內(nèi)容。該研究進(jìn)一步驗(yàn)證了GeoScene在時(shí)空數(shù)據(jù)高效組織處理、二三維融合動(dòng)態(tài)可視化等方面的卓越性能，可為解決同類可視化應(yīng)用問題提供了實(shí)用的技術(shù)參考和靈活的方法選擇。針對(duì)目前疫情時(shí)空數(shù)據(jù)人工手動(dòng)解譯獲取效率低、更新慢的不足，下一步將研究利用網(wǎng)絡(luò)爬蟲、中文分詞等技術(shù)加以解決。