基于GeoScene的时空数据多维动态可视化方法——以湖北新冠疫情数据为例

王育红，冯 锋，左雨芳，孙 冉

(江苏师范大学 地理测绘与城乡规划学院，江苏 徐州 221116)

近年来，空间数据快速获取与更新手段不断丰富、大容量存储技术日益成熟、高性能计算设备逐渐普及，各类空间数据及其关联数据正以前所未有的速度急剧增长和持续积累，时空数据规模越来越庞大。这些新的发展成就，为充分考虑空间数据的时间特征，深入开展时空数据组织管理[1]、挖掘分析[2]、可视化[3]等方面的理论研究与应用实践，有效促进知识决策服务型动态GIS的设计与实现，奠定提供了坚实基础与良好契机。

1987年，美国国家基金会图形图像专题讨论组提出并阐述“科学计算可视化”(Visuali-zation in Scientific Computing，ViSC)概念，一般将其看作可视化科学与技术被系统研究的开端。该概念后来被简化为“科学可视化”，甚至是“可视化”[4]。可视化的本意是“使之可见”，其根本目标是把由实验或数值计算获得的大量数据转变成人的视觉可以感知的计算机图形图像，以帮助人们直接理解现象、发现规律和传播知识。随着研究的深入，目前可视化已建立形成了由科学可视化、数据可视化、信息可视化、知识可视化、可视化分析等分支组成的复杂技术体系。这些技术及应用之间又存在着区别、交叉和联系[5-6]。

作为可视化研究与应用的一个重要组成分支，GIS时空数据可视化的基本形式是地图。尽管地图制图相对于可视化是一门非常古老的学科，但将可视化理论与技术融入地图制图和GIS却可为其注入新的动力，带来根本性变革，该工作始于20世纪90年代初[7-8]。时空数据可视化技术的核心是为使用者提供直观的、可交互的空间信息可视化环境，它已远远超出了传统的符号化及视觉变量表示法的水平，而进入可交互地图条件下的探索视觉效果和提高视觉功能的阶段。经过近三十年的不懈努力，时空数据可视化在理论模型、技术方法、开发类库、软件平台等方面积累了许多有益成果，目前已呈现出并行化、多样化、多维动态化的总体研究与应用趋势[8-12]。

为克服传统静态GIS的不足，避免从底层编码实现相应技术的困难，结合当前发展趋势，本文选择2020年10月发布的最新国产高性能GIS桌面软件——GeoScene Pro 2.0(简称GeoScene)，以曾广为关注的湖北省新冠疫情数据为例，在设计建立时空数据库的基础上，详细讨论空间二维、三维环境下的动态可视化方法及相关技术细节，以期为同类可视化问题提供高效、实用的解决方案与技术参考。

1 时空数据组织与处理

简单地讲，时空数据就是具有时间元素并随时间变化而变化的空间数据。时空数据涉及各式各样的数据，不仅具有明显的空间分布和属性语义特征，而且具有数据量庞大、非线性以及时变等特点。根据变化的内容，可将时空数据分为3大类：仅空间变化的时空数据、仅属性变化的时空数据以及空间属性同时变化的时空数据。

1.1 基本组织结构

无论哪种类型的时空数据，GeoSence都以要素类(空间关系表)的形式加以组织管理，通过不同类型的字段来分别记录实体现象的空间、属性和时间数据。其中，时间/时戳数据有“单字段”和“双字段”两种记录方式。“单字段”仅用来表示现象实体发生变化或者被观测采集的时间，一般适用于变化或观测周期相对固定的情况，如每隔3 h、1 d等；“双字段”则分别用来表示现象实体发生变化或者被观测采集的“开始”和“结束”时间，一般适用于现象实体持续存在时间或观测周期不统一的情况。

文中所采用的湖北省新冠疫情时空数据属于仅属性变化的时空数据，分别使用面状和点状两个要素类加以管理。除了描述行政区空间特征的几何形式不同之外，这两个要素类并无其他不同。二者都以“单字段”方式记录湖北省17个省辖市区，从2020-01-23—2020-03-23，每天的新增病例、新增出院、新增死亡数据。表1给出了面状要素类组织管理新冠疫情时空数据的基本结构与形式。

表1 新冠疫情时空数据基本结构和形式

1.2 处理生成过程

上述时空数据的生成主要依据两种来源的原始数据。一是来源于湖北省卫健委在疫情期间每日发布的新冠疫情数据；二是从中科院资源环境科学与数据中心获得的中国地市行政边界数据。图1给出了对这些数据进行处理派生形成所需时空数据以及后续可视化的基本过程，本节主要讨论处理生成环节。

图1 湖北新冠疫情时空数据处理生成与可视化基本过程

1)每日新冠疫情数据的处理生成。在湖北省卫健委官网，按时间先后依次打开每日发布的新冠疫情情况网页，从中解析提取17个省辖市区的新增病例、新增出院、新增死亡的数据。为提高输入汇总的效率，将所得数据按如表2所示形式记录在Excel工作表中。在所需数据汇总结束后，使用Excel软件对所得工作表的“武汉市”“黄石市”等17个数据列进行逆透视，然后再对包含3个疫情数据的数据列进行拆分，然后按表1所示内容重新命名所得工作表的相应字段，最后将该工作表导入到基于GeoDatabase[13]的疫情时空数据库中。

表2 基于列的新冠疫情数据非结构化汇总表

2)行政区划空间数据的处理生成。从所获得的中国地市行政区划空间数据Shape文件中，选择提取湖北省辖的17个面状行政区要素，并核对修改每个要素的名称、代码等数据，使其与表1、表2相应内容保持一致。为满足后期时空立方体可视化的要求，使用GeoScene自带的“投影”工具，将该数据集所采用的CGS2000经纬度地理坐标转换为高斯投影平面坐标。最后，使用GeoScene自带的“要素转点”工具，以面状行政区要素类为输入，生成包含17个面状要素对应中心点的要素类。

3)新冠疫情时空数据的处理生成。首先，使用GeoScene自带的“添加连接”工具，通过共同的“政区名称”字段，向“省辖行政区点要素”连接追加“新冠疫情属性表”中的不同行政区随时间变化的疫情数据；然后，将这一需要动态连接扩展的临时性数据，导入到疫情时空数据库，生成永久性“新冠疫情点状时空数据”，以提高后期可视化的处理效率。接着，再按照类似过程生成“新冠疫情面状时空数据”。

2 多维可视化主要形式

目前，GeoScene支持在多个视图窗口环境中，以不同形式同时展示呈现时空数据所包含的全部或部分信息。例如，在某一时段内或某一时刻点上的某些要素的空间或属性信息，等等。这些可视化可概括为地图、场景、属性表和统计图4种主要形式。其中，地图和场景分别以二维平面图形和三维立体图形的形式来展示要素的空间位置形状及相应属性信息；属性表和统计图则以二维表格文字和几何图形的形式来展示要素的属性信息。

2.1 地图可视化

地图是GeoScene最便捷的可视化方式，只需将包含时空或空间数据的要素类拖拽到地图窗口，系统便会自动创建相应图层对其加以展示。1幅地图通常包含多个图层。图层是空间数据内容的图形化展示与呈现，它通过符号和标注来表达数据的特征和差异，同一内容的空间数据可以表示为不同形式的图层，正所谓“内容与形式相分离”。在加载创建图层后，一般需要调整设置图层符号和标注的类型、大小、颜色、参考字段等属性，以使其表达更明确、更丰富、更美观。

针对数据记录多、数值差别大的湖北省新冠疫情时空数据，可采用GeoScene提供的分级色彩、分级符号、比例符号、点密度、统计图表等方式来符号化相应图层(见图2)，从而派生形成不同类型的疫情地图与可视化效果。为避免因行政区空间位置形状未变化造成的信息遮挡和冗余混乱，这些地图仅选择使用了2020-02-10的面状疫情空间数据。

图2 新冠疫情时空数据地图可视化示例

2.2 场景可视化

场景也被称为3D地图。场景中既可以包含2D平面要素图层，也可以包含具有高程(度)信息的真3D立体要素图层。在默认情况下，文中所用疫情时空数据在场景中最初显示为2D图层，可通过3D符号化、按属性拉伸、生成时空立方体三种方式将其转化为3D图层。图3分别给出了点状疫情数据采用上述方式在场景中的三维可视化表达效果。

图3 新冠疫情时空数据场景可视化示例

其中，前两幅图只选择使用了2020-02-10的点状疫情数据；后一幅图所用数据则是使用“通过以定义位置创建时空立方体”工具，在再次连接行政区中心点与全部疫情点状时空数据的基础上，以5 d为间隔聚合统计生成的新增病例真三维时空立方体数据。该数据以netCDF[14-15]格式存储，需要使用专门的处理工具将其转换为3D要素图层，才可以将其显示在场景中。

2.3 属性表可视化

属性表是最接近时空数据原始逻辑组织结构的一种可视化形式。它以平面二维表的形式逐行展示时空数据所包含的要素记录及相关属性。如果需要，可以关闭隐藏属性表相关属性字段的显示，也可以按图层中所设置的时间起止范围、属性取值范围、地图窗口范围等条件来过滤显示仅在相应范围内的要素记录。

2.4 统计图可视化

统计图又称统计图表，是利用点、线、面、体等几何图形，表示数据间对比、结构、依存、分布等不同关系及其变动情况的各种工具的统称。针对表格型数据，目前GeoScene共提供了条形图、散点图、散点图矩阵、直方图、箱形图、QQ(分位数)图、折线图、剖面图、数据时钟、日历热点图等10种类型的图形可视化表达形式。其中，数据时钟、日历热点图则主要用来表达一般时态表格数据或矢量时空表格数据在整个或其中某一时段内的发生情况和变化趋势。图4分别给出了利用数据时钟、日历热点图对湖北省每日新增新冠病例汇总统计的可视化表达效果图。

图4 新冠疫情时空数据统计图表可视化示例

3 动态可视化基本策略

与静态可视化相比，动态可视化不仅可以丰富数据的表达维度，而且可以分析挖掘事物现象的时空格局、演化规律，甚至模拟预测其变化过程与发展趋势。动态可视化的实质是从复杂的输入数据中生成连续的动态图像。目前，空间数据动态可视化一般采用动态地图来实现，其表达对象和目标可概况为两种基本情景：一是通过“意动”符号增强静态空间数据可视化的动态视觉效果与感受；二是基于“时戳”信息从时空数据集中动态提取并展示不同时刻或时段内的数据记录，以刻画模拟地理要素空间或属性特征随时间推移发生运动变化的过程[16]。

作为新一代GIS软件平台，GeoScene动态可视化能力大幅改善和提升，可通过时间滑块、动画视频两种方式，在地图、场景、表格、统计图表4种不同的视图窗口中动态展示浏览、追踪回放时空数据。

3.1 时间滑块策略

时间滑块是GeoScene软件系统的一个功能组件，可用来从时空数据集中动态提取、展示播放指定时段的数据记录。如果要使用时间滑块，必须先在地图或场景中设置启用引用空间数据集的对应图层的时间属性，并指定时间值的存储方式及具体字段。当图层启用时间之后，时间滑块会自动出现在包含该时态图层的地图或场景窗口中，系统主界面也会增加“时间”功能选项卡。

在“时间”功能选项卡中，可进一步设置时态图层动态可视化的“开始结束”时间、跨度(时间窗大小)、播放速度等参数，以帮助用户获得最佳的可视化效果。在利用时间滑块进行动态回放过程中，如果打开了时态图层的属性表或基于该图层创建的统计图表，则属性表或统计图表的显示内容将随着地图或场景显示内容的变化而变化。基于时间滑块实现动态可视化的基本原理如图5所示。

图5 基于时间滑块的动态可视化基本实现原理

3.2 动画视频策略

作为重要的多媒体技术和表现形式，动画和视频具有很深的渊源。由于二者都是利用视觉延迟原理，沿时间轴依次更换显示连续渐变的静态图像或图形，从而产生动态视觉感受的媒体形式，因此，经常被认为是同一个东西。但严格区分起来，二者还是有区别的。动画是一门综合艺术，其每帧图像/图形都是由人工设计或计算机产生的；而视频是一种信号处理技术，其每帧图像主要是通过实时摄取自然景象或者活动对象获得的。简单地讲，动画是一种表现形式，视频是一种播放方式。

在GeoScene软件系统中，动画是指创建连续图像集合并快速回放这些图像以创建动态图像的过程。连续图像集合中的每个图像被称为关键帧。关键帧只能用来记录地图或场景窗口中相关图层的显示内容和状态。用户可通过手动逐项插入方式为动画创建关键帧，也可以根据特定的工作流使用导入方法自动创建大量关键帧，如根据浏览书签、时间滑块步长等。

动画不仅能按时间动态展示时空数据，而且能以不同的视点、比例、范围等参数动态切换展示一般静态空间数据。与时间滑块相比，通过动画对时空数据进行动态可视化具有信息内容丰富、方便共享等优势。在设计动画时，可根据需要在相应关键帧上添加放置文本、段落、图像、图形、版权、水印等信息；在设计创建完动画之后，可以将其导出转换为不同格式的视频文件，以方便没有GeoScene软件系统的用户浏览查看相应地图或场景。

4 结束语

作为利用视觉通道帮助用户发现数据特征、理解数据内涵、洞察数据规律的一种重要技术手段和高效人机界面，数据可视化一直是多个学科领域共同关注研究的热点。文中在简要梳理数据可视化概念和历程的基础上，从时空数据可视化发展趋势及全球关注的新冠疫情出发，详细分析讨论了最新国产GIS桌面软件平台——GeoScene系统环境下的时空数据库组织管理、多维可视化形式以及动态可视化实施策略等内容。该研究进一步验证了GeoScene在时空数据高效组织处理、二三维融合动态可视化等方面的卓越性能，可为解决同类可视化应用问题提供了实用的技术参考和灵活的方法选择。针对目前疫情时空数据人工手动解译获取效率低、更新慢的不足，下一步将研究利用网络爬虫、中文分词等技术加以解决。