基于信息多维属性的信息可视化结构

李 晶 薛澄岐 史铭豪 牛亚峰 王海燕

(东南大学机械工程学院，南京 211189)

基于信息多维属性的信息可视化结构

李 晶 薛澄岐 史铭豪 牛亚峰 王海燕

(东南大学机械工程学院，南京 211189)

为寻找易于用户认知的信息可视化方法，进行了信息多维属性与可视化结构的映射关系研究.基于复杂网络理论将信息分为3种表现形式，同时将信息的属性归纳为实体属性、关联属性和时间属性.针对信息的属性划分，提出实体属性与可视化图形的映射关系，及关联属性和时间属性与可视化结构的映射关系.通过分析信息所具有的多种关联属性，建立了可视化结构的映射，归纳出信息可视化结构映射的6种基本结构:列表式结构、坐标式结构、空间(地理)位置结构、树状或网状结构、时间流结构、综合结构.最后结合新闻信息可视化实例，阐述了所提出的可视化映射关系和基本结构的应用.

可视化映射;信息属性;可视化结构;映射方法

信息可视化是指采用图形语言的信息呈现［1］.它利用人类对视觉可视模式的快速识别能力，通过图形结构语言对信息的属性进行呈现，可以帮助用户进行信息认知加工［2-3］.可视化结构呈现与人类的认知规律相契合，有利于信息内部结构及关系整理的凸显和过滤，便于人类快速、直接地获取信息的逻辑结构和关联属性，从而缩短用户的认知时间，减少认知负荷，改善信息传递效率.

目前，多维信息可视化呈现是信息可视化领域研究的热点问题之一［4-5］.Card 等［6］提出可视化参考模型，描述了可视化结构和视图间的转换关系.周宁等［7］对信息可视化显示方式和信息可视化的分类进行了介绍.石慧等［8］提出约束信息可视化的4个可视化映射步骤.杨峰等［9］研究了结构可视化中的结构关系.许世虎等［10］指出构建信息可视化的逻辑结构有助于避免人们视觉思维时的混淆，降低认知成本.但目前尚缺乏基于信息多维属性的可视化结构映射关系的研究.

本文研究信息多维属性与信息可视化结构的映射关系.以复杂网络理论为基础，通过信息多维属性分析信息的图形可视化和结构可视化，建立基于信息多维属性的可视化映射关系;然后根据映射关系归纳信息可视化结构，并进行案例应用.

1 信息的多维属性

信息具有的性质可称之为信息的属性［11］，统计学家Stevens将信息的属性分为:名义属性、序列属性、区间属性以及比率属性.Ware［12］提出信息在可视化过程中的3类主要属性分别为信息类别属性、信息区间属性和信息数值属性.基于人机交互数字界面信息所具有的网络复杂性，从复杂网络角度对信息及其属性进行分析，有利于寻找信息与可视化结构之间的映射关系.

1.1 信息的分类

复杂网络是指由规模巨大的节点和链接关系错综复杂的边构成的网络结构［13］.根据复杂网络理论，界面信息可视为一个复杂网络系统，包括3种形式:信息实体、信息关联和信息整体.

如图1所示，信息实体是指信息中的元数据，在信息网络系统中处于节点位置;它具有实体属性和关联属性，其中实体属性是指信息的表现形式，关联属性是指信息实体在信息网络中的层级与位置关系.信息关联是2个或2个以上的信息实体及其之间的相互联系;它包含信息实体和信息结构2个要素，其中信息结构是信息实体中关联属性的体现.信息整体是指包含多个信息实体和信息关联的集合体，可视为一个较高层的信息实体，同样具有实体属性和关联属性.在信息整体中，每个信息实体都可以看成这个信息整体的一个实体属性.

图1 信息实体、信息关联和信息整体示意图

1.2 信息的属性

根据信息的3种表现形式，将信息的属性分为实体属性、关联属性和时间属性.信息的实体属性指定义信息个体的有效条件，包括名称、数值、状态等.信息的关联属性用来描述信息实体(整体)之间的关系属性，包括分组/分类等关联属性、程度/数值等对比属性、层次关系属性、重要度关系和影响关联属性、空间方位属性和距离关联属性等.信息的时间属性指信息实体(整体)在一段时间内随时间变化的状态属性.

1.3 信息多维属性的映射关系

根据信息具有实体属性、关联属性和时间属性这一特点，将信息编码的可视化映射分为可视化图形映射和可视化结构映射.如图2所示，信息实体属性对应可视化图形映射，通过图形元素的“定义”，对实体属性进行一种显性呈现.信息的关联属性和时间属性对应可视化结构映射，通过空间、位置、层次等结构进行隐性呈现.

图2 信息多维属性的可视化映射关系

2 可视化结构映射关系

从认知规律来看，具有逻辑性的信息整体更易于人的认知.可视化结构是指设计者采用某种组织方法对原始信息进行分类、排序和控制，并采用视觉图形化的方式将信息呈现给用户［14-15］.如图3所示，根据信息多维属性的不同类别，分别建立可视化结构映射关系，并将信息的可视化结构分为六大类别:列表式结构、坐标式结构、树状或网状结构、空间(地理)位置结构、时间流结构和综合结构.

2.1 列表式结构

列表式结构是表征信息分组、分类等关联属性的结构.基本结构由行/列组成，如图4所示.行/列分别代表信息实体或信息的属性，列表中的表格用于表示信息的某一属性.列表式结构将信息的属性分类陈列出来，适用于对离散信息的归档工作，广泛用于各种数据库和资料库.

图3 可视化结构分类图

图4 列表式结构示意图

2.2 坐标式结构

坐标式结构是表征信息的程度、数值等对比属性的结构.此结构由坐标轴和信息实体/信息属性在坐标轴上的表征形式组成.坐标轴的基本元素包含名称、方向、单位刻度及坐标轴区间等.由于信息的属性具有多维表现特征，信息实体的每一维属性都可以由一条坐标轴表征.坐标式结构可分为以下4种.

1)一维属性的坐标式结构

图5 一维属性的线性坐标式结构图

图6 一维属性的环状/饼状坐标式结构

如图5所示，坐标轴结构中展示了信息实体A，B，C，D，E关于一维属性x的程度、数值等对比属性的直线表征形式(此例中以点的形式表征实体属性).图6为一维属性的环状/饼状坐标式结构，坐标轴为首尾相连的圆环/扇形，表征一维属性x;信息实体A，B，C，D，E采用条状/扇面图形在圆环坐标轴上进行表征.

2)二维属性的坐标式结构

对具有2个维度的程度、数值等对比属性的信息进行表征时，可以使用二维属性的坐标式结构.如图7所示，二维属性的坐标式结构通过2个数轴分别表征信息的2个属性x，y.点状结构中，根据数轴x，y构成的空间位置关系表征信息的程度、数值等对比属性;柱状结构中，通过柱状图的高低、宽窄表征信息的对比属性.

图7 二维属性的点状/柱状坐标式结构

3)三维属性的坐标式结构

三维信息的坐标式结构用于呈现一个或多个信息的三维的程度、数值、比例关系等关联属性.基于人们对三维立体的习惯性认知，将其分为空间结构和平面结构2种，如图8所示.

图8 三维属性的空间/平面坐标式结构图

空间结构中，需要用结构线表征信息实体的立体化;平面结构中，信息通过连接线将3个关联属性图形化.当信息实体过多或信息的3个关联属性呈现不规则次序时，此结构表征会增加用户的认知复杂度.

4)多维属性的坐标式结构

当信息的关联属性多于3个时，通过多维属性坐标式结构进行表征，如图 9 所示，a，b，c，d，e，f为信息的多个关联属性.

图9 多维属性坐标式结构图

2.3 树状或网状结构

树状或网状结构是表征信息实体间的层级关系、重要程度关系、信息实体内影响关系等关联属性的结构.

树状结构主要呈现为分层结构，层级之间体现“父子”关系.一般情况下，父级有若干子级，子级对应1个父级，如图10所示.

图10 树状结构示意图

网状结构没有固定的“父子关系”.每一个节点对应一个信息实体，信息实体之间通过关联属性进行连接.图11中是常见的2种网状结构示意图.由于信息的复杂性和层级不同，需要考虑连接线的长度、方向等特点，以及图形形式的各方面要素，确保结构清晰明确.2.4 空间(地理)位置结构

图11 网状结构示意图

空间(地理)位置结构是表征信息的空间方位、距离等关联属性的结构.此结构呈现的是包含空间或地理位置属性的信息实体或信息整体.其结构由表示空间地理位置的图形元素和表征信息实体的图形元素组成.其中，表示空间地理位置的图形元素可以是与实际空间等比例表征的地图，也可以是表示抽象的位置关系的示意图.

2.5 时间流结构

时间流结构是表征信息整体或信息实体、属性等在一段时间内随时间变化状态的关联属性的结构.这种结构包含时间轴，通过图形在时间轴上的变化对信息的变化进行表征.

一般情况下，时间轴为横向或纵向的直线式结构，如图12(a)所示，用于表征时间跨度比较长、范围大的时间结构，如年代、年、月、日等;对于周期性的时间或者与刻度表相关的时间属性，一般采用时刻表式的时间轴，有圆形表盘式时间流结构、扇形表盘式时间流结构图等，如图12(b)所示.

图12 时间流结构

2.6 综合结构

当信息需要不同类别的关联属性同时呈现时，需要通过以上5种基本结构的重构，组织恰当的综合结构.其组构方法分为2种:第1种通过嵌套方式，以某种可视化结构作为主要结构，其他可视化结构作为辅助结构，适用于信息实体的某一种关联属性占重要作用，其他关联属性为次要作用时的情况.第2种为融合方式，在可视化结构中，寻找图形的匹配性，通过图形的多维性表征多个关联属性.

3 新闻信息案例分析

3.1 新闻信息的关联属性

新闻是人们获得各类信息的重要途径之一.不同的用户浏览信息时对新闻属性的需求不同.

首先，新闻的事件属性是信息的分组/分类关联属性.新闻信息根据事件的性质不同可以分为多种类别，如政治、经济、体育、娱乐等，每一个类别的信息集合中还可以进行不同分类.其次，新闻具有程度关联属性.根据新闻事件的重要情况不同，可分为微程度信息、中等程度信息、重大程度信息等.地理位置属性也是新闻的基本属性之一.根据地域的不同，新闻信息可以被分为国内新闻、国际新闻;北京市新闻、江苏省新闻等.根据新闻发生的地域级别，可以将新闻按照全球、国家、市、区等层次体系进行划分.最后，新闻信息也具有时间属性.根据时间属性的不同粒度，可以将新闻信息划分为不同的新闻信息实体集合，如以年、月、日的时间体系对新闻内容加以呈现.

3.2 新闻信息的可视化设计方案

根据新闻信息具有事件类别关联属性、重要性程度关联属性、地理位置关联属性、时间关联属性等属性的特点，对可视化结构进行方案设计，如图13所示.新闻的时间关联属性是通过直线坐标式时间轴结构进行表征，时间粒度控制器可以通过控制点控制时间范围的大小(世纪、年、月、天).中间的主要可视化区域为新闻信息的地理位置关联属性结构图，采用常用的地图中的各个区域、国家的抽象图形进行表征，符合人的经验认知规律，并通过左侧的位置属性对区域范围的大小进行粒度控制.右下角对新闻信息的事件类别关联属性采用一维属性环状坐标式结构进行表征，通过颜色对不同类别进行区分.左下角为新闻信息的重要性程度关联属性的表征图，圆形面积的大小表征新闻信息实体的重要程度.

图13 新闻设计方案图

4 结语

本文通过对信息多维属性的研究，寻找信息可视化结构映射方法，指导人机交互界面信息的有效编码.提出复杂网络信息的3种表现形式:信息实体、信息关联、信息整体，以及信息的实体属性、关联属性和时间属性.根据信息属性的划分，将信息编码的可视化映射分为可视化图形映射和可视化结构映射.针对不同类别的关联属性，将可视化结构映射归纳为列表式结构、坐标式结构、空间(地理)位置结构、树状或网状结构、时间流结构、综合结构6种可视化结构.最后，基于可视化结构映射关系的方法，针对新闻信息具有事件、程度、地理位置和时间关系等属性，通过可视化结构映射对大规模的新闻信息进行可视化呈现.

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Information visual structure based on multidimensional attributes of information

Li Jing Xue Chengqi Shi Minghao Niu Yafeng Wang Haiyan
(School of Mechanical Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China)

The mapping relationships between multidimensional attributes of information and visual structures are researched to seek an information visualization method which matches users’cognition.The representation of information is divided into three forms based on the complex network theory，and the attributes of information are summed up to entity attributes，associate attributes and temporal attributes.Focusing on the attribute partition of information，the mapping relationships between entity attributes and visual graphs，and the mapping relationships between associate attributes and time attributes and visual structures are put forward.Based on the analysis of multidimensional associate attributes of information，visualization structure mappings are built and six basic structures of information visualization structure mappings are concluded，i.e.，listing structure，coordinate structure，space(geographic)position structure，net or tree shaped structure，time flow structure and composite structure.Finally，combined with the design example of news information visualization，the applications of the mapping methods and basic structures are analyzed.

visual mapping;attribute of information;visual structure;mapping method

TP301

A

1001－0505(2012)06-1094-06

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.014

2012-02-23.

李晶 (1987—)，女，博士生;薛澄岐(联系人)，男，教授，ipd_xcq@seu.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(71071032).

李晶，薛澄岐，史铭豪，等.基于信息多维属性的信息可视化结构［J］.东南大学学报:自然科学版，2012，42(6):1094-1099.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.014］