数据可视化技术现状与发展研究★

李公立 刘佃兴 黄仲元

(北京清华同衡规划设计研究院有限公司，北京 100085)

0 引言

在数据急增的时代，如何能够从海量多样的数据集中直观的挖掘影响商机的因素，可视化无疑是最佳的选择。通过调研发现，数据可视化伴随着人类多方面的应用需求历经了漫长的发展历程。目前，数据可视化的发展呈现了多维数据复合展示的特征；涌现了大量的可视化工具；基于平台的可视化三维技术有了进一步的应用发展；对于一些特殊行业的监控中心或者调度中心等重要指挥枢纽，大屏幕显示系统表现出超强的可视能力，已经成为现代行业不可或缺的核心装备。

1 数据可视化的发展历程

当今时代，数据可视化的信息随处可见，甚至占据了各大媒体论坛的大量版面。可视化并不是现代社会科学发展的产物，反而可视化的相关理念和技术已经有数百年之久的历史，它的发展见证了地球物探、科学计算、工程制造、统计分析等学科的不断进步。在早些时候，一些地理现象的考察者们为了揭示自然界中各种现象之间的联系，定义了一种图形化的表达形式，提出了像等温线、等压线、等高线、等势线等一系列等值线图，还有可以表达其他自然信息的图示符号。现代图表可以追溯到18世纪的第一季度，历史学家图表的发展归功于政治经济学家W.Playfair和数学家J.H.Lambert在这一领域的研究发现[1]。

在20世纪初,人们已经将表格和统计图等原始的可视化技术应用到了科学数据分析中[2]。随着后续几何学、统计学的快速发展，以图表表达数据的方式逐步流行起来，改变了社会发展和科学进步的走势，对人类的认知能力带来了巨大的提升。进入21世纪以后，历史上从来没有像今天这样大的产生数据[3]。尤其是2010年以来，数据应用的领域与深度得以高速发展，原始的可视化技术已经难以应对所谓的大数据时代，面对时代需求人们开始深入了解相应领域的背景知识，融合计算机科学、统计分析等多个方面的技术，设计满足大数据需求的用户交互手段，进而对庞大而构造不全的数据进行快速挖掘有用的内在信息。

1.1 数据可视化的概念

目前，数据可视化并没有一个确切稳定的概念或者明确的说明。在可视化技术发展之初，人们只是以点线或简单图形的方式表现数据，这样可以减少人类大脑对数据的直接阅读，间接提升人们对数据内涵的掌控能力。随着数据应用领域的拓宽和表现强度需求的加深，人们开始以视觉表现对人类自身影响进行成体系的研究，可视化开始以更为抽象或更为直观的形式表示数据内在的信息，使可视化的概念得以不断的演变，并扩展其在社会各领域中的应用价值。

1.2 数据可视化的应用现状

数据可视化目前主要是借助于日益成熟和完备的图形学理论以及计算机视觉等手段，通过更为有效的数据清洗，提取更为可靠的特征属性结合相关领域背景的建模方法，最终使数据具备了可视化解释，能够清晰有效地传达不为人知的内涵信息。人们对数据的分析应用能力会直接或间接关联社会各行业的商业价值，产生巨大的经济效益，对人民生活和社会进步具有重大意义。一个国家拥有数据的规模和运用数据的能力将成为综合国力的重要组成部分,对数据的占有和控制将成为国家间和企业间新的争夺焦点[4]。当然，并不是所有数据都适合可视化，现在对那些多维而又凌乱的数据集合进行前期梳理和有效属性整合，也是数据可视化技术发展的一个应用方向。

2 数据可视化发展趋势

今天，在人类活动的许多领域中，大量的数据被收集和存储[5]。人类社会正在高速向前发展，计算机可视化领域及其传统智能领域的发展使数据已成为制约社会发展的重要因素。未来，数据在人类社会活动中扮演越发重要的作用，数据可视化技术也会随着人们对数据应用的要求更加趋于成熟。

2.1 多维数据复合

随着科学科技的持续发展，影响各领域发展的数据已从单一转向多维，海量的数据蕴含了极为复杂的多维信息。由于人类受限于自身能力，无法直观获取多维数据的认识，因此如何可视化多维数据，从中挖掘出有用的知识，是可视化面临的一个挑战[6]。同时，在探索复杂数据的规律时,人们发现在同一个窗口中可视化多个属性会更加有利于人们观察数据不同属性之间的相互关系[7]。可视化技术通过专业的几何图形方法，寻找复杂数据背后至关重要的影响因素；将多维数据信息复合成图形或图像的形式，展示多维数据的分布特征，帮助用户从全局的角度观察数据变化规律、分析数据影响范围，便于用户准确把握数据内涵。

2.2 可视化工具涌现

在当今社会发展的潮流中，任何有形或是无形的产品都不再强求工作人员从最底层干起，可视化技术也顺应了这一潮流。正如牛顿所说的“站在巨人的肩膀上”，可视化编程的方式正慢慢改变着可视化新工具发展的趋势。现阶段可视化的可视化工具不断涌现，不断发展，使可视化工作已经不再需要所谓的全才，除了对相关领域具备一定认知之外，仅需熟知一项前卫的可视化工具。

经调研发现，目前社会上使用较多的数据可视化工具有D3.js,JpGraph,Highcharts,iCharts等，这些工具具备功能灵活、易于上手的特点，而且有的工具还支持用户直接将数据拖拽到对应的系统中，使其具备高效地使用效率。这些热门的可视化工具除了可以制作基本的柱状图或折线图等图表类型之外，还可以创建内容复杂多样的交互图表，以及酷炫的过渡效果。

2.3 超强的可视展现能力

在2000年,伊利诺伊大学芝加哥分校电子可视化实验室在教育与商业科学研究中心一个项目中，持续研究大规模复杂数据在拼接阵列式显示墙中高效显示的问题[8]。目前，主流的大屏幕显示系统可支持多屏联动、多终端复合控制、实时数据更新等大屏海量数据展示功能，在实现高分辨率超清输出的基础上，具备优异的展示能力、实时的数据同步能力、高效的查询能力以及具备一定的数据分析、数据跟踪的计算能力，以满足当代大数据背景下用户的不同可视化需求。图1为大屏幕示意图。

2.4 可视化三维平台化

目前，随着计算机软硬件对大规模数据图形化处理能力的逐步增强，使可视化三维技术得以快速发展。Geographic Information System也称为GIS系统，该系统借助计算机技术综合管理空间地理信息数据[9]。经过调研发现，GIS系统凭借与地理空间信息结合的数据可视化手段，是目前国内主要研究大规模数据可视化的主流系统平台。如今，对于一个城市或更大的地域范围内的地理信息系统，数据总量可以超过几个TB[10]。现在GIS应用的主要基于GIS平台的二次开发，图2是一种基于GIS的三维可视化基本架构，其开发方法主要是在微软的Visual Studio系列编程工具中利用GIS系统提供的各种控件导入数据、处理数据以及显示数据，最终在生成的应用程序中将数据三维可视化，并提供管理数据、查询数据、更新数据、分析数据等功能。

除了类似GIS这种伴随可视化发展多年的研发平台之外，像Unity3D，Unreal Engine等三维引擎已陆续发展为数据可视化的研发平台，尤其是近两年投入这些引擎进行可视化研究的人员逐步增多，同时部分引擎逐步降低开发成本，并针对一些像建筑、模拟、教育等应用方面甚至提供开源免费的鼓励方针。

3 结语

近些年来，社会中各个行业和领域都已被数据化了，数据俨然已成为影响当今社会生产的重要因素。随着数据可视化技术的持续更新，其边界也在不断地向多领域、多学科扩展，可视化技术不断的专业化，人们的生产方式随之发生颠覆式的改变。数据可视化技术一直是国内外数据挖掘、数据应用领域中研究重点，新的研究应用不断涌出，当然目前也存在大量有待解决的问题，仍然需要进一步研究，相信未来新技术可以给人们带来更好的数据可视化体验，对社会生产带来更有效的决策依据。2017年，大数据应用的全面创新之年，数据可视化技术将在更多产业化、数据化相对成熟的领域进一步得到应用。