**章　绪论
　　空间信息(spatial information)是反映地理实体空间分布特征的信息，具有广泛的范畴、丰富的内容和复杂的结构。可视化借助图形化手段，能够清晰有效地传达、交流与沟通信息，能够全面且本质地把握住地理空间信息的基本特征，已经成为空间信息传播、理解进而交互*重要的工具与手段。因此，本章重点阐述可视化定义与特征、分类以及发展历史，同时引出空间信息可视化的相关知识，让读者对空间信息可视化有一个全面而深刻的认识。
　　1.1　可视化定义与特征
　　1.1.1　可视化定义
　　科学家通过对人的感官研究表明，与数字和文字相比，人对图形图像有更强的信息获取能力。人在日常生活中所接收信息的80%来自视觉，而承载信息量*大的视觉材料是图形图像。人脑对图形图像采用“并行”机制来处理，可以更充分地发挥视觉系统的潜力。而对于数字、文字和表格之类的视觉材料，其承载的信息呈线状通过人眼进入大脑，限制了视觉系统认知能力的发挥(荆其诚等，1980)。因此，如何将现实世界的各种信息转化为图形图像的形式，从而更加有效地发挥人的视觉作用，对海量信息的分析和处理将起到举足轻重的作用。在此背景下，可视化(visualization)技术逐渐发展起来并成为一门新兴学科，它能够使人们在图形世界中直接与计算机进行交流、对话和操作，从而帮助人们更快更好地感知认知信息(芮小平和于雪涛，2016)。
　　可视化定义为利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术。可视化对应两个英文单词：visualize和visualization。visualize是动词，意即“生成符合人类感知的图像”，通过可视元素传递信息。visualization是名词，表达“使某物、某事可见的动作或事实”，对某个原本不可见的事物在人的大脑中形成一幅可感知的心理图片的过程或能力(Hansen and Johnson，2004；陈为等，2013a；Andrienko et al.，2010)。
　　可视化主要包括可视化思维和可视化交流。其中，可视化思维是个人通过探索数据的内在关系来揭示新问题、形**的观点、产生新的综合、找到新的答案并加以确认；可视化交流则是向公众表达已经形成的结论和观点。可视化思维和可视化交流代表着信息处理的不同阶段，如图1-1所示。两个阶段所面对的群体不同、处理方式不同、输出对象和内容也不同，但相互间存在着源和流的密切关系(田宜平等，2015)。
　　图1-1　可视化的概念模型
　　从宏观角度看，可视化包括三个功能(陈为等，2013a)。
　　1. 信息记录
　　将浩如烟云的信息记录成文并世代传播的有效方式之一是将信息成像或采用草图记载。此外，可视化绘图能极大地激发智力和洞察力，帮助验证科学假设。
　　2. 信息推理和分析
　　数据分析的任务通常包括定位、识别、区分、分类、聚类、分布、排列、比较、内外连接比较、关联、关系等。将信息以可视化的方式呈现给用户，将直接提升对信息认知的效率，并引导用户从可视化的结果分析和推理出有效信息。这种直观的信息感知机制，极大地降低了数据理解的复杂度，突破了常规统计分析方法的局限性。
　　3. 信息传播与协同
　　人的视觉感知是*主要的信息界面，它输入了人从外界获取的80%的信息。面向公众用户，传播与发布复杂信息的*有效途径就是将数据可视化，达到信息共享与论证、信息协作与修正、重要信息过滤等目的。
　　1.1.2　可视化特征
　　可视化的宗旨是以简洁易懂、省时高效的方式呈现和表达数据内容，本节将从静态可视化、动态可视化和交互可视化等表现形式阐述可视化的特征(Brehmer and Munzner，2013)。
　　1. 静态可视化主要包括统计图和主题图两种形式
　　统计图能可视化定量的数据结果，呈现基本信息，态度客观中庸，清晰直观，是数据可视化中*基础和*常见的应用，如饼图、柱状图、折线图等，形式较为稳定，为阅读者熟知，所以具有自明性。但统计图很难具有创新性，不易激发阅读者兴趣，也不易引起共鸣，而且统计图在面对复杂或大规模异质性数据时往往显得力不从心。相对于传统的统计图，主题图更加具有针对性，能够更加深刻地反映事物之间的关联性，同时也更加具有趣味性和故事性，信息的可读性程度更高。
　　2. 动态可视化主要包括实时可视化和动画视频两种形式
　　相比于静态可视化，动态可视化更能激发用户的视觉思维，能够从多角度、多维度呈现信息。例如，机场航班信息牌、股票涨跌板等，这类可视化方案具有即时性、动态性、真实性、准确性以及持续性等特征。动画视频用于数据展示具有强烈的话题引导性，同时其综合性和多媒体体验方式能够为观众带来新的视听感受，用户由过去的阅读式转为收听式、收看式，动画视频的科普性和趣味性也能够激发观众兴趣并引起观众共鸣，动画与真人相结合的方式更加具有科技感和创新性。
　　3. 交互可视化允许用户以交互的方式管理和开发数据
　　交互可视化从多个角度呈现用户所需的视图，且用户可以对视图进行直接操控来获取自己想要的数据信息，并可以在一个界面中生成多个视图，以此来形成对比，从而获得一些潜在的信息。随着虚拟现实(virtual reality，VR)、增强现实(augmented reality，AR)以及混合现实技术的快速发展，新技术的变革带领用户进入了一个追求“物我合一”的时代，除了传统的鼠标、键盘等交互设备外，交互模式也日趋多样化，包括手柄交互、凝视交互、语音交互以及手势交互等，这些全新的交互方式更加强调用户的主动交互与探索。
　　1.2　可视化发展历史
　　用图形图像描绘和记录信息的思想，从人们开始观察这个世界进而产生测量和管理的时期就已经出现了(曾悠，2014)，可视化理念与技术在地图学、制图学与统计图表中已经应用和发展了很长一段时间。本节将从可视化起始阶段、物理测量阶段、图形符号阶段和黄金时期等不同阶段对可视化发展历史进行介绍(图1-2)。
　　图1-2　数据可视化的发展历程
　　1.2.1　17世纪前：早期地图与图表
　　17世纪以前被看作可视化的起始阶段，由几何图表和地图生成拉开序幕。这一阶段以几何学为主，主要原因是当时人类研究的领域有限，数据总量较少、表达较简单。伴随着经济、技术的发展以及知识和视野的拓宽，人们开始绘制地图。10世纪，一位天文学家创作了时间序列图来表达天体的时空变化，图中出现了坐标轴、平行坐标等现代统计图形的元素。天文学、测量学、绘图学等在此阶段开始迅猛发展，以跟上探寻世界秘密的步伐。16世纪以后，除了利用手工方式展示可视化作品之外，用于精确观测和测量物理量以及对地理和自然天体位置进行测量的技术和仪器得到了充分发展，形成了更加精准的可视化呈现方式，三角测量法也在此期间创建。这一时期，因为数据总量少、研究范围小、各科学领域都处于初级阶段，所以产生的数据可视化作品较少，可视化的运用还较为单一，系统化程度也较低。
　　1.2.2　17世纪：测量与理论
　　进入17世纪，更加准确的测量手段得到了更广泛应用，针对时间、距离和空间等物理量的测量设备与理论逐渐改良和完善，并被广泛应用于航海、航空、测绘、制图、天文分析等领域。早期的探索打开了数据可视化的大门。大航海时代欧洲船队出现在世界各地，促进了地图的制作和物理量的测量；笛卡儿发明了解析几何和坐标系，为数据可视化做出了历史贡献；人类也开始了对概率论和人口统计学的研究，制图学理论与实践也随着概率论、人口统计学、分析几何、测量误差和政治版图的发展而迅速发展起来。17世纪末，甚至产生了基于真实测量数据的可视化方法。在此时期，由于数据总量的增加，科学研究领域的增多，出现了更多的可视化形式，数据的收集、整理和制作得到了系统性的发展，人们不断提高地图精度，在新的领域运用可视化技术。从这时起，人们开始了可视化思考的新模式。
　　1.2.3　18世纪：新的图形形式
　　进入18世纪，数学和物理已经成为科学研究的基础，英国工业革命、牛顿天体研究、微积分方程的建立都推动着数据的精确化和定量化发展，随着统计学、数据分析的发展，用抽象图形的方式来表示数据的想法也不断成熟。可视化有了更为复杂的表达方式，不单单展现在地图上，等值线、轮廓线开始出现，地理、数学、医学等领域出现概念图，社会和科技的进步体现在数据表现的多样化上。这一时期是统计图形学的鼎盛时期，Joseph Priestley尝试以图的形式介绍不同国家在不同历史时期的关系，并在1765年创造了**个时间线图；1782年William Playfair发明了条形图、饼图、折线图、圆图等常见图形；同年Marcellin Du Carla绘制了等高线图，在测绘、工程和军事方面具有重要历史意义。随着对数据系统性的收集以及科学的分析处理，18世纪数据可视化的形式已经接近当代科学使用的形式，各种图表可视化形式的出现体现了人类数据运用能力的进步。
　　1.2.4　1800～1849年：现代信息图形设计的开端
　　19世纪上半叶，受到18世纪视觉表达方法创新的影响，统计图、概念图和专题绘图等数据可视化表现方法迅猛发展，在此阶段人们已经掌握了现在被广泛使用的统计图形，如轮廓线、折线图、柱状图、饼图。可视化思考的新方式因此产生：图表可以应用于表达数学证明和函数；列线图可用于辅助计算；各类可视化可表达数据的趋势和分布。人们开始有意识地拓展可视化应用的领域。将统计数据及其可视化表达放在地图上，产生了概念制图的新思维，并常常应用于政府规划和运营之中。1801年，英国地质学家William Smith绘制了**幅地质图，引领了一场在地图上表现量化信息的潮流。这一时期的数据收集和整理从科学技术、经济领域扩展到了社会管理领域，由于政府加强了对人口、犯罪、疾病、教育等公共领域的管理，大量社会管理方面的数据被系统性地收集和发布，并逐渐丰富起来，标志着人们开始以科学手段进行社会研究。
　　1.2.5　1850～1899年：数据制图的黄金时期
　　19世纪下半叶，数据可视化迎来了**个黄金时期。数据可视化领域有了飞速的发展，欧洲开始发展数据分析技术，研究数字信息在社会、交通、商业、工业中的意义；高斯和拉普拉斯发起统计理论，成为约束可视化发展的重要一步；官方统计机构普遍建立起来，数据来源开始变得更加规范；国际统计学会议对可视化图像分类和标准进行讨论，制定了统一的规范。不同数据图形开始出现在书籍、报刊、研究报告和政府报告等正式场合之中。这一时期法国工程师Charles Joseph Minard将可视化应用于工程和统计，描述了拿破仑战争时期军队损失的统计图，如实呈现了军队的位置、行军方向、军队汇集、分散的时间地点等信息。1879年，Luigi Perozzo绘制了一张1750～1875年瑞典人口普查数据图，以金字塔的形式表现了人口变化的三维立体图，开始使用三维的形式，并使用彩色表示数据值之间的区别，提高了视觉感知。在对这一时期可视化历史的探究中发现，数据来源的官方化，以及对数据价值的认同，成为可视化快速发展的决定性因素，如今几乎所有的常见可视化元素都已经出现。同时，这一时期出现了三维的数据表达方式，这种创造性的成果对后来的研究有十分重要的作用。
　　1.2.6　1900～1949年：现代休眠期
　　20世纪上半叶，统计学家们的核心任务是在数学的基础上拓展统计的“疆域”，可视化开始面向政府、商业和科学，得到推广和普及。