1、Web空間信息可視化技術(shù)與方法綜述摘要：信息可視化是可視化研究領(lǐng)域的一個(gè)分支，是以可視的形式展示信息并提供交互機(jī)制， 以促進(jìn)信息認(rèn)知和理解為目標(biāo)的理論、方法和技術(shù)。信息可視化被廣泛應(yīng)用于商業(yè)、科研、生活等各個(gè)領(lǐng)域，其不僅被學(xué)術(shù)界廣泛研究，還被工業(yè)界應(yīng)用到商務(wù)數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、 知識管理等多個(gè)領(lǐng)域，相關(guān)的研究論文、應(yīng)用系統(tǒng)層出不窮。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息組織、信息處理技術(shù)的進(jìn)步，信息可視化過程中的數(shù)據(jù)表示、 可視化表征以及交互機(jī)制都可以在 Web環(huán)境下進(jìn)行。關(guān)鍵字：空間可視化；Web； 發(fā)展現(xiàn)狀0 引言在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，Web成為用戶接觸最多的應(yīng)用平臺，各領(lǐng)域的應(yīng)用都以Web的形式提供給用戶使用，W

2、eb 因其共享性、易用性成為進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)決策的重要內(nèi)容。而在Web環(huán)境下催生出的技術(shù)如Ajax、SVG、Applet、Web Services以及各種Web 開發(fā)框架的不斷出現(xiàn)，為基于Web的系統(tǒng)開發(fā)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)和平臺支撐。因此信息可視化應(yīng)用系統(tǒng)，作為信息可視化理論的承載媒介，需要也有必要將其實(shí)施于Web環(huán)境下，供更多的用戶使用。1 空間信息可視化概述1.1 定義首先可視化是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中定義的，它是指用于創(chuàng)建圖形、圖像或動畫，以便交流溝通訊息的任何技術(shù)和方法；其次信息可視化是指研究大規(guī)模非數(shù)值型信息資源的視覺呈現(xiàn)；繼而空間信息可視化是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)，將復(fù)雜的科學(xué)現(xiàn)象和自

3、然景觀及一些抽象概念圖形化的過程。1.2 分類按可視化數(shù)據(jù)類型分，可以將信息可視化技術(shù)分為：一維、二維、三維、多維、層次、網(wǎng)狀、時(shí)序、文本、算法和軟件可視化技術(shù)。其中一維、二維和三維是多維的特例，時(shí)序數(shù)據(jù)為一維的特例。而層次類型為網(wǎng)狀類型的特例，文本類型則對應(yīng)普通文本或超文本，算法和軟件數(shù)據(jù)類型主要對應(yīng)與算法流程及軟件源代碼的可視化。按照可視化展示方法可以分為：網(wǎng)絡(luò)展示、層次展示、表格、時(shí)間圖、圖解、地圖、圖標(biāo)。其中網(wǎng)絡(luò)展示是指展示具有實(shí)體節(jié)點(diǎn)以及實(shí)體間聯(lián)系的可視化結(jié)構(gòu)；層次展示則為展示層次型數(shù)據(jù)；表格展示方法則將可視化視圖以表格的方式進(jìn)行組織；時(shí)間圖是將可視化視圖元素按照時(shí)間軸的順序排列；圖

4、解常常采用不規(guī)則繪制的方式對信息的內(nèi)涵和結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由的展示，在結(jié)構(gòu)上靈活度較高；地圖是將視圖元素映射到地圖空間或物理坐標(biāo)空間中；圖標(biāo)是以某種圖標(biāo)的形式代表某種數(shù)據(jù)內(nèi)容。從用戶交互的角度出發(fā)可以將可視化技術(shù)分為：交互操作、視圖變換。其中交互操作是指用戶通過對視圖、可視化結(jié)構(gòu)以及原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重新設(shè)定，與可視化流程進(jìn)行交互，改變可視化結(jié)果。交互操作可以分為三類：對圖形屬性的操作、對數(shù)據(jù)集合的操作以及對數(shù)據(jù)值的操作；而視圖變換則涉及到四類技術(shù)：視角控制、位置選取、視圖縮放、視圖扭曲。2 國外研究進(jìn)展在信息可視化應(yīng)用中，必須涉及到采用何種架構(gòu)方法，為用戶提供服務(wù)，按照分層視角，可以將信息可視化分為單層架

5、構(gòu)和多層架構(gòu)。其中單層架構(gòu)是指信息可視化系統(tǒng)是單機(jī)版的，只能在用戶個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，可視化過程中采用的數(shù)據(jù)、處理邏輯、可視化算法和可視化視圖都集成在單一的軟件內(nèi)。 而多層架構(gòu)則包含兩層的C/S模式及多層客戶機(jī)服務(wù)器模式，其中C/S 模式的架構(gòu)將信息可視化過程及相關(guān)功能組件相隔離，分別負(fù)責(zé)不同的可視化功能，此時(shí)客戶端往往作為信息可視化視圖展示和交互的界面，當(dāng)客戶端為瀏覽器時(shí)，便成為B/S 模式(瀏覽器/服務(wù)器模式)。而Web 環(huán)境下的信息可視化是信息可視化在B/S 模式下的實(shí)現(xiàn)，與之相關(guān)的模型都是建立在B/S 模式下的。2.1 網(wǎng)格和Web 服務(wù)隨著分布式系統(tǒng)開發(fā)從理論到應(yīng)用的發(fā)展，網(wǎng)格、Web

6、服務(wù)等技術(shù)的出現(xiàn)，在構(gòu)建Web應(yīng)用時(shí)，可以利用網(wǎng)格和Web服務(wù)提高數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和功能分布靈活度。 因此在某些可視化領(lǐng)域，尤其是科學(xué)可視化領(lǐng)域 (因?yàn)榭茖W(xué)可視化對運(yùn)算量的要求較高)，開始出現(xiàn)了基于Web 的分布式可視化模型。在Web可視化領(lǐng)域，對可視化Web 服務(wù)研究相對較多的為地理信息可視化 (GSI) Web 服務(wù)和科學(xué)可視化Web服務(wù)。其中前者往往基于商用的 GIS Web 服務(wù)如Google地圖及 Google Earth 服務(wù)，而 GSI 領(lǐng)域中的開放地理信息系統(tǒng)聯(lián)合會(Open GIS Consortium ，OGC )定義的數(shù)據(jù)模型和在線服務(wù)(online Serviees) 也被

7、廣泛應(yīng)用。2.2 新型的Web 信息可視化方法的開發(fā)在Web信息可視化時(shí)，往往采用一定的可視化方法，這里提到的方法為可視化展示技術(shù)，即采用何種展示算法進(jìn)行展示，并不涉及具體采用何種編程語言或工具包實(shí)現(xiàn)。在基于Web的信息進(jìn)行可視化時(shí)，往往利用己有的可視化方法，但也由針對Web特定的信息進(jìn)行可視化的。 Seifert等就專門研究了標(biāo)簽云的可視化，提出了一系列的算法，保證標(biāo)簽云的可用性和美觀度。Oka 等則提出了基于Web的學(xué)術(shù)語義網(wǎng)的可視化方法，通過進(jìn)行實(shí)體和關(guān)系映射與可視化，展示學(xué)術(shù)語義網(wǎng)的特征模式 。2.3 眾多Web可視化實(shí)現(xiàn)技術(shù)的出現(xiàn)任何可視化方法最終一定通過某種技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，以使計(jì)算機(jī)

8、可以將信息的可視化結(jié)果展示在屏幕上。早期可視化的實(shí)現(xiàn)往往封裝在 Applet、普通圖像文件或VRM L中，因?yàn)槠淇梢栽跒g覽器端展示。而隨著Web技術(shù)的發(fā)展和Web的演進(jìn)，在Web2. 0 時(shí)代，實(shí)現(xiàn)可視化方法的技術(shù)變得異常豐富起來，可選擇性由Applet發(fā)展為Flash、Silverlight等，而 VRML則發(fā)展到X3D、VML，而二維可視化的實(shí)現(xiàn)則發(fā)展為SVG 。這些技術(shù)為可視化在Web環(huán)境下的應(yīng)用創(chuàng)造了條件，將這些技術(shù)從可視化對象維度上分類，可以分為：二維和三維可視化技術(shù)。 在二維可視化中，采用的技術(shù)為基于圖像的可視化方法，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，采用圖像文件 (SVG、JPG、PNG、GIF 等

9、)。交互特性的二維可視化，則需要采用其它的技術(shù)手段如 (Applet、Flash 等)。Google發(fā)布了基于二維信息可視化的Web服務(wù) Google Chart，通過在U RL 內(nèi)添加可視化數(shù)據(jù)，就會返回PNG格式的可視化圖像，該方式在二維可視化中簡單、易用，簡單的調(diào)用形式更易于可視化的普及。但Google 隱藏了其工作原理的細(xì)節(jié)，這也限制了該服務(wù)中對可視化圖像的可操控性，因?yàn)闊o法對返回的PNG 格式的圖表進(jìn)行進(jìn)一步的處理。進(jìn)行三維可視化時(shí)，往往要采取特定的技術(shù)方法，如采用VRM語言，SVG矢量語言、Java3D 和 X3D ，以及具有三維可視化功能的瀏覽器插件，就可以對可視化對象進(jìn)行三維展

10、示。 在Web環(huán)境下，許多研究者對可視化對象進(jìn)行了三維展示。Gouqing Zhou 就采用VRML技術(shù)，并利用 JSP/Servelte 對進(jìn)行了3D 數(shù)字城市的展示；而Vincezo Dle Fatto 則側(cè)重于 3D 對象的表示之上，其提出了WebMGISQL 3D 可視化描述方法，并依據(jù)該方法構(gòu)建了3D 可視化環(huán)境，并評估了該 3D 表示方法的適用性。由于多種可視化實(shí)現(xiàn)技術(shù)的出現(xiàn)，促使開發(fā)者在選取相應(yīng)技術(shù)時(shí)，必須根據(jù)不同技術(shù)的特點(diǎn)予以選擇，這就需要遵循一定的原則。因此針對可視化實(shí)現(xiàn)技術(shù)的評估的研究開始出現(xiàn)，研究者從不同的角度對不同技術(shù)進(jìn)行評測 ，這為開發(fā)者帶來了幫助。Ntahan Hl

11、omberg 等從技術(shù)能力、交互性、平臺支持、特定應(yīng)用四個(gè)方面給出了 15 個(gè)子指標(biāo) (如表1所示)，對信息可視化在Web上的實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了評估。其評估主要側(cè)重于技術(shù)的可交互性，并將可視化實(shí)現(xiàn)技術(shù)分為兩類： 2D 和 3D，并給出了評估結(jié)果。這為開發(fā)者選取特定技術(shù)時(shí)提供了依據(jù)，但該評估模型并沒有對Applet、Flash 等可視化技術(shù)進(jìn)行評估，而二者卻是實(shí)現(xiàn)時(shí)很重要的兩種手段。W.Johnson則專門對三種Web可視化實(shí)現(xiàn)中的展示媒介：SVG、HTM L5 Canvas 和純HTML 進(jìn)行了測評。這三種媒介都是基于描述語言的，即可以采用XML 或 HTML 語言直接表示可視化結(jié)果，而不像Fla

12、sh和Applet需要可執(zhí)行程序作為展示工具；通過對同一可視化數(shù)據(jù)并采用通用的可視化方法(TreeMap) 的實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)，W.Johnson對三種方式給出了結(jié)論，即數(shù)據(jù)集較小或可視化圖中線條較少時(shí) SVG 較合適而當(dāng)數(shù)據(jù)集較大則 Canvas 較合適。這些研究側(cè)重于對可視化展示技術(shù)和開發(fā)工具的評測，這可以為信息可視化Web應(yīng)用的開發(fā)工具和展示方式的選取提供定性和定量依據(jù)和規(guī)則。2.4 眾多通用的Web 信息可視化開發(fā)組件的出現(xiàn)在傳統(tǒng)的具有交互性的可視化中，往往采用應(yīng)用程序式的開發(fā)方式，采用Java 和 C+構(gòu)建應(yīng)用程序，并在其中展示動畫效果，如果在瀏覽器端進(jìn)行可視化，則需要Applet等額外的

13、組件。但 Nicloas Garcia Belmonte開發(fā)了一個(gè)Javascirpt 的可視化包，能對treemap、 radialgraph、hyperbolic Tree 進(jìn)行可視化，并且具有交互性，因此不需要安裝任何插件即可實(shí)現(xiàn)可視化效果，不過該Javascirpt包所含的可視化功能還不完善，但是其說明可以采用瀏覽器端的腳本語言進(jìn)行可視化應(yīng)用的開發(fā)，而將可視化繪制過程分擔(dān)在客戶端，服務(wù)器端處理后臺的模型管理及數(shù)據(jù)組織即可。3. 國內(nèi)研究進(jìn)展國內(nèi)關(guān)于Web環(huán)境可視化的研究成果已經(jīng)較多，在這些研究中大部分是著眼于 Web應(yīng)用的，如可視化在“醫(yī)學(xué)”、“GIS0”、“數(shù)據(jù)挖掘”、“生物”領(lǐng)域中

14、的可視化，其中醫(yī)學(xué)、GSI 及生物領(lǐng)域的可視化主要是針對領(lǐng)域數(shù)據(jù)的，而非通用信息可視化內(nèi)容，但其可視化應(yīng)用實(shí)現(xiàn)方式及可視化架構(gòu)對信息可視化的Web實(shí)現(xiàn)有借鑒意義。 研究主要集中在三個(gè)方面：1) Web可視化的維度；2）Web可視化的技術(shù)應(yīng)用；3) Web可視化系統(tǒng)架構(gòu)。3.1Web可視化的維度國內(nèi)研究者中，針對可視化維度，進(jìn)行了不同的研究，這些維度分布在由二維到五維的整個(gè)維度空間。韓偉杰基于 Vis5D 構(gòu)建Web可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分發(fā)揮了Vis5D的可視化功能，進(jìn)行了5 維數(shù)據(jù)的可視化。 基于B/S結(jié)構(gòu)模型對 Vis5D 進(jìn)行了二次改進(jìn)，構(gòu)建了 Web可視化系統(tǒng)。 實(shí)現(xiàn)的 Web可視化系統(tǒng)

15、不僅充分發(fā)揮出了Vis5D的各項(xiàng)可視化功能，而且可以充分利用軟硬件資源，提高了可視化的效率。張燕在基于Web的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和 4D 信息可視化技術(shù)的基礎(chǔ)上做了研究和分析，針對這兩種技術(shù)的特點(diǎn)和可視化需求，提出了將基于Web的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成到 4D 信息可視化系統(tǒng)的思路，并結(jié)合水壩施工工程實(shí)現(xiàn)了一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。陳健等則在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了城市三維景觀可視化，其利用Java 3D 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于 Web的城市三維景觀可視化技術(shù)方案，并成功開發(fā)了原型系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明在三層 B/S 結(jié)構(gòu)下采用 Java 3D 進(jìn)行場景建模和交互，是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)城市三維景觀可視化的有效途徑。3.2 Web可視化的技術(shù)應(yīng)

16、用Web可視化的技術(shù)應(yīng)用主要是以某種技術(shù)為核心，擴(kuò)展出相應(yīng)的可視化方法在 Web 可視化中，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)既包含客戶端技術(shù)也包含服務(wù)端技術(shù)，研究者提出的技術(shù)應(yīng)用有 SVG、VRML、Ajax、GML、XML。這些技術(shù)可以解決可視化應(yīng)用中的不同層面的問題。徐云等研究了空間數(shù)據(jù)在SVG文檔中的數(shù)據(jù)組織及編碼問題，實(shí)現(xiàn)了地圖數(shù)據(jù)到SVG圖形的轉(zhuǎn)換方法，并利用此方法完成了校園地圖的部分轉(zhuǎn)換，并基于此方法提出了一個(gè)全新的WebGIS體系結(jié)構(gòu)。張愛國等則針對瀏覽器GML問題，提出了一種基于組件的可視化策略。該策略采用文檔對象模型(DOM)進(jìn)行GML 模式文件和實(shí)例文件解析，按地理要素對GML 進(jìn)行數(shù)據(jù)分流/分

17、層，然后分層可視化的辦法 ，實(shí)現(xiàn)了GML數(shù)據(jù)的Web可視化。龍騰飛則研究了Ajax技術(shù)在可視化應(yīng)用中的作用問題。其以ArcIMS為例分析了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)(WebGIS)在數(shù)據(jù)傳輸模式和客戶機(jī)服務(wù)器交互方式等方面存在的不足，闡述了在WebGIS中使用Ajax技術(shù)帶來的優(yōu)勢，如減輕服務(wù)器的負(fù)擔(dān)、平衡服務(wù)器和客戶端的負(fù)載 、無刷新更新頁面、減少用戶心理和實(shí)際的等待時(shí)間、實(shí)現(xiàn)地圖的動態(tài)更新、實(shí)現(xiàn)地圖的可視化交互以及開發(fā)效率高等，并指出在WebGIS中使用Ajax技術(shù)應(yīng)該注意的諸如兼容性和用戶習(xí)慣等問題。3.6 Web信息可視化系統(tǒng)架構(gòu)在Web可視化應(yīng)用中，系統(tǒng)架構(gòu)是不可忽略的部分，因?yàn)槿魏我粋€(gè)

18、Web可視化應(yīng)用系統(tǒng)必定建立在一定的架構(gòu)之上，由于Web的特點(diǎn)，其宏觀架構(gòu)必然是B/S模式的，但在具體實(shí)現(xiàn)層面，會產(chǎn)生不同的應(yīng)用方案，如基于Web Service及基于網(wǎng)格的架構(gòu)方案。石旭介紹 了一種新穎的矢量 圖形可視化方法JVGL(Javascript Vector Graphic Library) 的基本原理，從地圖窗口與JVGL的歸一化、地圖符號的JVGL可視化實(shí)現(xiàn)、對GML的擴(kuò)展支持等方面分析了將JVGL應(yīng)用到WebGIS平臺上的具體方案，形成了一種基于JVGL 的 Web可視化系統(tǒng)架構(gòu)。肖磊等則針對 目前應(yīng)用非常廣泛的B/S結(jié)構(gòu)應(yīng)用系統(tǒng)中數(shù)據(jù)可視化問題 ，提出了一種基于Web Service的系統(tǒng)架構(gòu)解決方案，并在.NET 應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。王衛(wèi)民等也將Web Service應(yīng)用于可視化系統(tǒng)構(gòu)建中，提出了基于文件下載機(jī)制的Web 服務(wù)可視化解決方案。高曙則在其博士論文中提出了基于網(wǎng)格、Web服務(wù)及可視化本體的可視化系統(tǒng)架構(gòu) SOVP，其論文提出了可視化的分布式管道模型，以可視化本體作為可視化對象描述方式，并進(jìn)行了可視化發(fā)布與發(fā)現(xiàn)機(jī)制的研究。4. 國內(nèi)外研究的不足之處經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外關(guān)于Web環(huán)境下信息可視化的研究有如下不足：1) 缺