《大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)》教案（總62

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教案

（詳案）

2019-2020學(xué)年第2學(xué)期

課程名稱：大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

課程代碼：

適用專業(yè)：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)

教師姓名：

所屬系部：

職稱：

課時(shí):總學(xué)時(shí)64

使用教材：大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

2

教學(xué)單元教案

主題任務(wù)1大數(shù)據(jù)可視化概述序號(hào)1

課時(shí)2教學(xué)手段多媒體、板書(shū)、實(shí)訓(xùn)室

教學(xué)方法講授法、演示法、案例法

教學(xué)課型□理論口實(shí)訓(xùn)回一體化口（其它）

能力目標(biāo)：能夠理解什么是大數(shù)據(jù)可視化；掌握大數(shù)據(jù)可視化的作

用與意義。

知識(shí)目標(biāo)：能夠理解什么是大數(shù)據(jù)可視化；掌握大數(shù)據(jù)可視化的作

教學(xué)目標(biāo)

用與意義；了解數(shù)據(jù)可視化在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。

素質(zhì)目標(biāo)：復(fù)習(xí)舊知識(shí)、學(xué)習(xí)新知識(shí)的能力。

素質(zhì)目標(biāo)：復(fù)習(xí)舊知識(shí)、學(xué)習(xí)新知識(shí)的能力。

能夠理解f~么是大數(shù)據(jù)可視化；掌握大數(shù)據(jù)可視化的作用與意義：了解數(shù)據(jù)可視化在其他

教學(xué)重點(diǎn)

領(lǐng)域的應(yīng)用。

教學(xué)難點(diǎn)能夠理解什么是大數(shù)據(jù)可視化；掌握大數(shù)據(jù)可視化的作用與意義

教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)備注

一.導(dǎo)入（15分鐘）

數(shù)據(jù)是抽象的，有時(shí)也可以是異常美麗的。可視化技術(shù)為大數(shù)據(jù)分析

提供了一種更加直觀的數(shù)據(jù)挖掘、分析與展示手段，有助于發(fā)現(xiàn)大數(shù)據(jù)中

蘊(yùn)含的規(guī)律，在各行各業(yè)均得到了廣泛的應(yīng)用。

可視化和可視化分析利用人類視覺(jué)認(rèn)知的高通量特點(diǎn)，通過(guò)圖形和交

互的形式表現(xiàn)信息的內(nèi)在規(guī)律及其傳遞、表達(dá)的過(guò)程，充分結(jié)合人的智能

和機(jī)器的計(jì)算分析能力，是人們理解復(fù)雜現(xiàn)象、詮釋復(fù)雜數(shù)據(jù)的重要手段

和途徑。

數(shù)據(jù)可視化是大數(shù)據(jù)的主要理論基礎(chǔ)，也是大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)

成為當(dāng)前大數(shù)據(jù)分析的重要研究領(lǐng)域。

—卜面就讓我們開(kāi)始大數(shù)據(jù)可視化之旅吧！

三.教師活動(dòng)：PPT講解、案例演示；學(xué)生活動(dòng)：聽(tīng)講記錄；時(shí)間分

配:5分鐘。

四.教學(xué)內(nèi)容（60分鐘）

3什么是大數(shù)據(jù)可視化

（1）大數(shù)據(jù)可視化的定義

數(shù)據(jù)可視化主要旨在借助于圖形化手段，清晰有效地傳達(dá)與溝通信

息。

3

視覺(jué)空間

數(shù)據(jù)：聚焦于解決數(shù)據(jù)的采集，清理，預(yù)處理，分析，挖掘。

(2)圖形：聚焦于解決對(duì)光學(xué)圖像進(jìn)行接收、提取信息、加工變

換、模式識(shí)別及存儲(chǔ)顯示。

(3)可視化：聚焦于解決將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形，并進(jìn)行交互處理。

(4)大數(shù)據(jù)可視化的分層

從市場(chǎng)上的數(shù)據(jù)可視化工具來(lái)看，數(shù)據(jù)可視化分為5個(gè)層級(jí)，如下圖

所示：

(5)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)基礎(chǔ)概念

數(shù)據(jù)可視化技術(shù)包含以下幾個(gè)基本概念：

1.數(shù)據(jù)空間：是由n維屬性和m個(gè)元素組成的數(shù)據(jù)集所構(gòu)成的多維信息空間；

2.數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)：是指利用一定的算法和工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量的推演和計(jì)算；

3.數(shù)據(jù)分析：指對(duì)多維數(shù)據(jù)進(jìn)行切片、塊、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作剖析數(shù)據(jù)，從而能多角度多側(cè)面觀

察數(shù)據(jù)；

4.數(shù)據(jù)可視化：是指將大型數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)以圖形圖像形式表示，并利用數(shù)據(jù)分析和開(kāi)

發(fā)工具發(fā)現(xiàn)其中未知信息的處理過(guò)程。

(6)數(shù)據(jù)可視化已經(jīng)提出了許多方法,這些方法根據(jù)其可視化的原理不同可以劃分為基于

幾何的技術(shù)'面向像素技術(shù)、基于圖標(biāo)的技術(shù)、基于層次的技術(shù)、基于圖像的技術(shù)和分布式技術(shù)

等等。

(7)數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域的起源

4

數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域的起源，可以追溯到20世紀(jì)50年代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的早期“當(dāng)時(shí)，人們利用

計(jì)算機(jī)創(chuàng)建了首批圖形圖表。

轆可視是技

科學(xué)與工程實(shí)踐當(dāng)中對(duì)于術(shù)上較為高級(jí)的技術(shù)

方法，而這些技術(shù)方

計(jì)算機(jī)建模和模擬的運(yùn)用科學(xué)可視化.

法允許利用圖形、圖

像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)

以及用戶界面，通過(guò)

肆、鰥網(wǎng)寸立

儂表面、屬性以及

動(dòng)畫(huà)的麻對(duì)懶

加以化睇

信息可視化觥

異質(zhì)性轆集的分

析工作提供支持

教師活動(dòng)：PPT講解；學(xué)生活動(dòng)：聽(tīng)講記錄；時(shí)間分配：20分鐘。

2.數(shù)據(jù)可視化作用與意義

（1）數(shù)據(jù)可視化作用

1.數(shù)據(jù)可視化的主要作用包括數(shù)據(jù)記錄和表達(dá)、數(shù)據(jù)操作及數(shù)據(jù)分

析3個(gè)方面，這也是以可視化技術(shù)支持計(jì)算機(jī)輔助數(shù)據(jù)認(rèn)知的3個(gè)基本階

段：

2.數(shù)據(jù)記錄和表達(dá)

3.借助于有效的圖形展示工具，數(shù)據(jù)可視化能夠在小空間呈現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)。

4.數(shù)據(jù)操作

數(shù)據(jù)操作是以計(jì)算機(jī)提供的界面、接口、協(xié)議等條件為基礎(chǔ)完成人與數(shù)據(jù)的交互需求。

5.數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析是通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得多維、多源、異構(gòu)和海量數(shù)據(jù)所隱含信息的核心手段,它

是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)計(jì)算和數(shù)據(jù)可視化的綜合應(yīng)用。

（2）數(shù)據(jù)可視化意義

數(shù)據(jù)可視化在數(shù)據(jù)科學(xué)中的重要地位主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

1.視覺(jué)是人類獲得信息的最主要途徑

1）視覺(jué)感知是人類大腦的最主要功能之一

2）眼睛是感知信息能力最強(qiáng)的人體器官之一

2.數(shù)據(jù)可視化的主要優(yōu)勢(shì)

1）可以洞察統(tǒng)計(jì)分析無(wú)法發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)

2）可視化處理有利于大數(shù)據(jù)普及應(yīng)用

3.可視化能夠幫助人們提高理解與處理數(shù)據(jù)的效率

4.數(shù)據(jù)可視化能夠在小空間展示大規(guī)模數(shù)據(jù)

3.數(shù)據(jù)可視化的經(jīng)典案例

數(shù)據(jù)可視化是對(duì)各類數(shù)據(jù)的可視化理論與方法的統(tǒng)稱。

近年來(lái)，可視化的應(yīng)用范圍隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷拓寬，除了傳統(tǒng)的醫(yī)

學(xué)、航空學(xué)、汽車設(shè)計(jì)、氣象預(yù)報(bào)和海洋學(xué)領(lǐng)域外，大數(shù)據(jù)可視化的重要應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)在大

5

科學(xué)、大工程、大安全、互聯(lián)網(wǎng)與社交媒體、物聯(lián)網(wǎng)與智慧城市5大領(lǐng)域。

(1)元素周期表

(2)倫敦地鐵圖

(3)南J格爾玫瑰圖

(4)智能交通可視化

(5)生命科學(xué)可視化

教師活動(dòng)：講解演示；學(xué)生活動(dòng)：聽(tīng)講記錄；時(shí)間分配：50分鐘。

三.總結(jié)(5分鐘)

教師總結(jié)本次課的重點(diǎn)內(nèi)容及需要使用的注意知識(shí)點(diǎn)。

作業(yè)布置

教學(xué)反思

6

教學(xué)單元教案

主題任務(wù)2可視化的類型與模型序號(hào)2

課時(shí)2教學(xué)手段多媒體、板書(shū)、實(shí)訓(xùn)室

教學(xué)方法講授法、演示法、案例法

教學(xué)課型□理論口實(shí)訓(xùn)凡一體化口（其它）

能力目標(biāo)：能夠掌握科學(xué)可視化的常用方法；能夠掌握可視化三大

模型的基本流程、分析過(guò)程。

知識(shí)目標(biāo)：能夠基本掌握可視化的兩大類型；能夠掌握科學(xué)可視化

教學(xué)目標(biāo)的常用方法；能夠掌握信息可視化數(shù)據(jù)的分類；能夠掌握可視化三

大模型的基本流程、分析過(guò)程。

素質(zhì)目標(biāo):接受新知識(shí)、自主學(xué)習(xí)的能力。

素質(zhì)目標(biāo)：接受新知識(shí)、自主學(xué)習(xí)的能力。

能夠掌握科學(xué)可視化的常用方法；能夠掌握信息可視化數(shù)據(jù)的分類；能夠掌握可視化三大

教學(xué)重點(diǎn)

模型的基本流程、分析過(guò)程；

教學(xué)難點(diǎn)能夠掌握科學(xué)可視化的常用方法；能夠掌握可視化三大模型的基本流程、分析過(guò)程。

教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)備注

一.導(dǎo)入（5分鐘）

了解了可視化相關(guān)技術(shù)及運(yùn)用領(lǐng)域,這一節(jié)我們將來(lái)學(xué)習(xí)可視化的類型與

模型。教師活?動(dòng)：PPT講解；學(xué)生活?動(dòng)：聽(tīng)i并記錄；時(shí)間分配:5分鐘。

二.教學(xué)內(nèi)容

L可視化類型（70分鐘）

1發(fā)展方向

分類

?-----?科學(xué)可視化Y

需用方法

系統(tǒng)的組

j成

_現(xiàn)代信息可

視化發(fā)展

數(shù)據(jù)分類

信息可視

1-----A信息可視化Y

化技術(shù)

把本過(guò)程

及特征

主要特點(diǎn)

L應(yīng)用領(lǐng)域

7

2,科學(xué)可視化

科學(xué)可視化最初稱為"科學(xué)計(jì)算機(jī)之中的可視化"(VisualizationInScientific

Computing,VlSC)o

運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理的研究成果創(chuàng)建視覺(jué)圖像,替代那些規(guī)模龐大而又錯(cuò)綜復(fù)雜的數(shù)

字化呈現(xiàn)形式,幫助人們更好地理解科學(xué)技術(shù)概念和科學(xué)數(shù)據(jù)成果。

科學(xué)可視化的研究重點(diǎn)有兩個(gè)：

一是判斷可視化對(duì)象的類別,判斷類別之后才能確定如何用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行可視化表現(xiàn)；

(1)二是將研究對(duì)象以最接近真實(shí)事物的效果快速地繪制出來(lái),不僅以單純展示的方式

顯現(xiàn)出來(lái),而且能通過(guò)虛擬空間的方式讓人們身臨其境,用視覺(jué)、觸覺(jué)等交互方式

進(jìn)行觀察、理解和研究。

(2)發(fā)展方向

科學(xué)可視化所涉及的領(lǐng)域包括建筑學(xué)、氣象環(huán)境學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、考古學(xué)、機(jī)械制造

等,所有它所處理的對(duì)象是指具有空間幾何特征數(shù)據(jù)的時(shí)空現(xiàn)象,需要對(duì)勘察、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)?zāi)M等

獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行描繪,并提供交互分析手段。所有^發(fā)展的方向也非完冬樣。

(3)分類

體可視化

研究對(duì)象主要是體數(shù)據(jù),即三維采樣數(shù)據(jù),是各類科學(xué)工程領(lǐng)域以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中常見(jiàn)的數(shù)據(jù)類

型(圖

21)0

體可視化技術(shù)包括等值面的抽取技術(shù)(Iso-surfacesExtractionTechnique).直接體繪制

(DirectVolumeRendering)等。

流場(chǎng)可視化

運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù),將流場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維或三維圖形、圖像或動(dòng)畫(huà)進(jìn)行呈現(xiàn),并

詳細(xì)分析其模式和相互關(guān)系,是計(jì)算流體力學(xué)研究與工程實(shí)踐中不可缺少的手段。

大規(guī)模數(shù)據(jù)可視化

8

研究重點(diǎn)在于如何高效快捷地對(duì)每量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

(3)常用方法

顏色映射方法

用顏色表示數(shù)據(jù)場(chǎng)中數(shù)據(jù)值的大小,即在數(shù)據(jù)與顏色之間建立一個(gè)映射關(guān)系,把不同的數(shù)據(jù)映射為

不同的顏色。

等值線方法

制圖對(duì)象某一數(shù)量指標(biāo)值相等的各點(diǎn)連成的平滑曲線，由地圖上標(biāo)出的表示制圖對(duì)象數(shù)量的各點(diǎn)采

用內(nèi)插法找出各整數(shù)點(diǎn)繪制而成的。每?jī)蓷l等值線之間的數(shù)量差額多為常數(shù),可通過(guò)等值線的疏密

程度來(lái)判斷現(xiàn)象的數(shù)量變化趨勢(shì)。

立體圖法和層次分割法

矢量數(shù)據(jù)場(chǎng)的直接法和流線法

通過(guò)記錄坐標(biāo)的方式來(lái)盡可能將地理實(shí)體的空間位置表現(xiàn)的準(zhǔn)確無(wú)誤

(4)系統(tǒng)組成

根據(jù)科學(xué)可視化系統(tǒng)主要功能的要求,科學(xué)可視化系統(tǒng)大致可由以

下幾部分組成：

數(shù)據(jù)的管理與過(guò)濾；

提取幾何圖元和建立模型；

繪制；

顯示和播放。

眾多的科學(xué)可視化系統(tǒng)采用"可視化流水線”作為理論模型：

模擬——?Hi處理------>映射—>繪制——>解釋

3.信息可視化

信息可視化是1989年由斯圖爾特卡德(StuartK.Card)、約克麥金利(JockD.Mackinlay)和

喬治羅伯遜(GeorgeG.Robertson)提出的

信息可視化就是利用計(jì)算機(jī)支撐的、交互的、對(duì)抽象數(shù)據(jù)的可視表示，增強(qiáng)人們對(duì)這些抽象信

息的認(rèn)知.

(1)——即是將非空間數(shù)據(jù)的信息對(duì)象的特征值抽取、轉(zhuǎn)換、映射、高度抽象與整合,

用圖形、圖像、動(dòng)畫(huà)等方式表示信息對(duì)象內(nèi)容特征和語(yǔ)義的過(guò)程.

(2)信息對(duì)象包括文本、圖像、視頻和語(yǔ)音等類型,它們的可視化分別采用不同模型方

法實(shí)現(xiàn)。

9

(3)現(xiàn)代信息可視化發(fā)展

傳統(tǒng)方式的信息可視化是利用視覺(jué)設(shè)計(jì)學(xué)和人體感官原理、將

圖形、色彩、標(biāo)志等原始視覺(jué)信號(hào)應(yīng)用于管理實(shí)踐中。伴隨信息技術(shù)、虛

擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等的發(fā)展.現(xiàn)代的日常生活中所需要管理和處理

的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)模式,對(duì)信息的失效、準(zhǔn)確度要求也逐步提高,因此,現(xiàn)

代信息可視化技術(shù)主要從以下幾個(gè)方面展開(kāi)：

1.文本信息可視化

2.層次信息可視化

信息可視化

4.可視化數(shù)據(jù)挖掘

5.多維信息可視化

(2)數(shù)據(jù)分類

信息可視化可分為：

一維線性數(shù)據(jù)

以一維線性方式組織的數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)庫(kù)、文本等。

二維數(shù)據(jù)

又稱平面數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)集中的對(duì)象具有形狀、大小、顏色等特征。

三維數(shù)據(jù)

主要集中在數(shù)據(jù)對(duì)象的體積、表面積、位置、方向、遮擋與導(dǎo)航等方面。

多維數(shù)據(jù)

是將具有n(3個(gè)以上)個(gè)屬性的數(shù)據(jù)對(duì)象映射為n維空間中的標(biāo)記.

時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)

時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的可視化主要應(yīng)用在期貨市場(chǎng)需求分析、地震預(yù)測(cè)和生物電信號(hào)分析等領(lǐng)域

層次數(shù)據(jù)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在信息可視化中,從原始數(shù)據(jù)到用戶,中間要經(jīng)歷一系列數(shù)據(jù)變換。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換把原始數(shù)據(jù)映射

為數(shù)據(jù)表；

可視化映射把數(shù)據(jù)表轉(zhuǎn)換為結(jié)合了空間基、標(biāo)記和圖形屬性的可視化結(jié)構(gòu)。

(4)技術(shù)

不同的數(shù)據(jù)所涉及的可視化技術(shù)也是不盡相同：

多維數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

平行坐標(biāo)系

散點(diǎn)圖

Andrews曲線法

層次數(shù)據(jù)的可視化

節(jié)點(diǎn)連接圖

樹(shù)圖

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可視化

10

力導(dǎo)向布局

分層布局

網(wǎng)格布局

(5)基本過(guò)程及特征

在CARD等提出的信息可視化模型中,信息可視化過(guò)程可以劃分為3個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過(guò)

1.原始數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)表的轉(zhuǎn)換、

2.數(shù)據(jù)表到可視化結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換、

3.可視化結(jié)構(gòu)到視匿的轉(zhuǎn)換。

(4)主要特點(diǎn)

位置特征交互探討性

直觀形象性信息的動(dòng)態(tài)性

多源數(shù)據(jù)的采集和集成性信息載體的多樣性

(5)應(yīng)用領(lǐng)域

可視化數(shù)據(jù)挖掘KM可視化

可視化技術(shù)在空間信息挖掘中的應(yīng)用信息可視化商品

4.順序模型

順序模型的流程分為七步,如下圖所示,且七步可歸納為這三大部分：

1.原始數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

原始數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換包括7個(gè)階段里的獲取、分析、過(guò)濾和挖掘。

2.數(shù)據(jù)的視囑專換

數(shù)據(jù)的視覺(jué)轉(zhuǎn)換包括7個(gè)階段里的表示和修飾。

3.界面交互

界面交互包括7個(gè)階段里的交互。

原始數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的視覺(jué)轉(zhuǎn)換“界面交互

5.分析模型

下圖是典型的可視分析模型，起點(diǎn)是輸入的數(shù)據(jù),終點(diǎn)是提煉的知識(shí).可視化分析是從數(shù)據(jù)到

知識(shí)從知識(shí)到數(shù)據(jù),再?gòu)臄?shù)據(jù)到知識(shí)的循環(huán)過(guò)程。

數(shù)據(jù)可視化分析流程中的核心要素包括以下四個(gè)方面：

1.數(shù)據(jù)表示與轉(zhuǎn)換

11

2.數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)

3.用戶交互

6循環(huán)模型

該模型包含左邊計(jì)算機(jī)的部分和右邊人的部分。在計(jì)算機(jī)部分中，數(shù)據(jù)被繪制為可視化圖表,

同時(shí)也通過(guò)模型進(jìn)行整理和挖掘。在人的部分中,提出了3層循環(huán):探索循環(huán)、驗(yàn)證循環(huán)和知識(shí)產(chǎn)

生循環(huán)。

教帥活動(dòng)：講解、演不；學(xué)生活動(dòng)：理解記筆記；時(shí)怛J分配:70分鐘。

三.總結(jié)（5分鐘）

總結(jié)本次課的重點(diǎn)、難點(diǎn)知識(shí)：

1.數(shù)據(jù)可視化是關(guān)于數(shù)據(jù)視覺(jué)表現(xiàn)形式的科學(xué)技術(shù)研究。這種數(shù)據(jù)的

視覺(jué)表現(xiàn)形式被定義為“把信息用某種概要形式抽取出來(lái)”，其中應(yīng)包括

信息單位的各種屬性和變量。

2.數(shù)據(jù)可視化主要指的是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù),通過(guò)表

達(dá),建模以及圖形顯示對(duì)數(shù)據(jù)加以可視化解釋。

3、可視化的類型分為:科學(xué)可視化、信息可視化。

4、可視化的模型分為:順序模型、分析模型、循環(huán)模型。

布置餌業(yè)并提醒學(xué)生預(yù)習(xí)下次課的內(nèi)容。________________________

作業(yè)布置

12

教學(xué)反思

13

教學(xué)單元教案

主題任務(wù)3數(shù)據(jù)可視化基礎(chǔ)序號(hào)3

課時(shí)2教學(xué)手段多媒體、板書(shū)、實(shí)訓(xùn)室

教學(xué)方法講授法、演示法、案例法

教學(xué)課型□理論口實(shí)訓(xùn)凡一體化口(其它)

能力目標(biāo)：掌握可視化的基本特征、流程、設(shè)計(jì)組件及框架設(shè)計(jì)整

體思路。

知識(shí)目標(biāo)：掌握可視化的基本特征、流程、設(shè)計(jì)組件及框架設(shè)計(jì)整

教學(xué)目標(biāo)

體思路。

素質(zhì)目標(biāo):接受新知識(shí)、自主學(xué)習(xí)的能力。

素質(zhì)目標(biāo)：接受新知識(shí)、自主學(xué)習(xí)的能力。

教學(xué)重點(diǎn)掌握可視化的基本特征、流程、設(shè)計(jì)組件及框架設(shè)計(jì)整體思路。

教學(xué)難點(diǎn)掌握可視化的基本特征、流程、設(shè)計(jì)組件及框架設(shè)計(jì)整體思路

教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)備注

一.導(dǎo)入(5分鐘)

提出疑問(wèn)：1.可視化技術(shù)需要學(xué)習(xí)和掌握哪些知識(shí)呢怎樣才能更好的利用

可視化技術(shù)呢教師活動(dòng):PPT講解；學(xué)生活動(dòng)：聽(tīng)講記錄；時(shí)間分配:5分

鐘。

二.教學(xué)內(nèi)容(70分鐘)

(1)1.可視化基本特征

數(shù)據(jù)可視化不只是一種新穎的數(shù)據(jù)處理工具和技術(shù)，同時(shí)作為一種表達(dá)數(shù)據(jù)的方法,它是對(duì)現(xiàn)實(shí)世

界的抽象表達(dá)。

利用可見(jiàn)的圖表或圖形呈現(xiàn)數(shù)據(jù),是最能夠讓用戶對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生直觀印象的方式.

(2)大數(shù)據(jù)可視化不僅有一般數(shù)據(jù)可視化的基本特點(diǎn),更有其本身特性帶來(lái)的新要求,其特征主要

體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(3)易懂性

(4)可視化使人們更加容易地理解數(shù)據(jù)和使用數(shù)據(jù),進(jìn)而便于人們將數(shù)據(jù)與他們的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)相

關(guān)聯(lián)?？梢暬沟迷舅槠臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有特定結(jié)構(gòu)的知識(shí),從而為科學(xué)決策支持提供強(qiáng)有力

的支持。

(5)必然性

(6)數(shù)據(jù)量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們直接讀取、瀏覽和操作數(shù)據(jù)的能力,必然要求人們對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行形象

化的歸納和總結(jié),對(duì)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和表現(xiàn)形式進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)換處理。

(7)多維性

(8)通過(guò)數(shù)據(jù)可視化的多維呈現(xiàn),能夠清楚地對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)的多個(gè)變量或者多個(gè)屬性進(jìn)行標(biāo)識(shí),并且

14

所處理的數(shù)據(jù)可以根據(jù)每一維的量值來(lái)進(jìn)行顯示、組合、排序與分類。

(9)片面性

(10)數(shù)據(jù)可視化往往只是從特定的視角或需求來(lái)認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)，并得到符合特定目的的可視化模式.

數(shù)據(jù)可視化的片面性特征意味著可視化模式不能替代數(shù)據(jù)本身,只能作為數(shù)據(jù)表達(dá)的一種特定形

式。

(11)專業(yè)性

數(shù)據(jù)可視化與領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)緊密相關(guān),其形式需求多種多樣并隨行業(yè)、用戶和環(huán)境等條件而動(dòng)

態(tài)變化。專業(yè)化特征是人們從可視化模型中提取專業(yè)知識(shí)的必要環(huán)節(jié),是數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用的最后流

程。

2.可視化流程

可視化的目的是幫助用戶識(shí)別所分析數(shù)據(jù)中隱含的模式或趨勢(shì)而不是提供冗長(zhǎng)的描述。

優(yōu)秀的可視化項(xiàng)目應(yīng)該有效地提取和歸納信息,并把信息有機(jī)組織起來(lái),讓用戶的注意力集中

于關(guān)鍵點(diǎn)。好的可視化項(xiàng)目是一個(gè)反復(fù)迭代的過(guò)程。

可視化的基本步驟

(1)明確問(wèn)題

開(kāi)始創(chuàng)建一個(gè)可視化項(xiàng)目時(shí)，第一步是要明確可視化項(xiàng)目要解決的問(wèn)題。

(2)從基本的可視化著手

確定可視化的目標(biāo)后,下一步是基于要展現(xiàn)的數(shù)據(jù),選擇建立一個(gè)基本的圖形,不同類型的數(shù)據(jù)

各自有其最適合的圖表類型。

(3)確定最能提供信息的指標(biāo)

確定可視化目標(biāo)和可視化形式后,下一步需要確定最能提供信息的指標(biāo),以便于信息準(zhǔn)確表

達(dá)。

(4)選擇正確的圖表類型

在確定最能提供信息的指標(biāo)后,選取正確的圖表類型有助于用戶理解數(shù)據(jù)中隱含的信息和規(guī)

律。

(5)將注意力引向關(guān)鍵信息

最后,采用確定的圖表展現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化結(jié)果時(shí),需要將用戶的注意力引向關(guān)鍵的信息.可視

化項(xiàng)目應(yīng)該總結(jié)關(guān)鍵信息并使之更清晰直白,而不應(yīng)該令人困惑。

可視化的一般流程

?科學(xué)可視化的可視化流水線

?數(shù)據(jù)可視化循環(huán)模型

15

1.數(shù)據(jù)獲取

2.主動(dòng)式是以明確的轆需求為目的,如衛(wèi)星影像、測(cè)繪工程等；被動(dòng)式是以數(shù)據(jù)平臺(tái)

為撤出,由數(shù)據(jù)平臺(tái)的活動(dòng)者提供數(shù)據(jù)來(lái)源,如電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)論壇等。

3.數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是指對(duì)原始的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析、預(yù)處理和計(jì)算等步噱。數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)是保證數(shù)

據(jù)的準(zhǔn)確性、可用性。

4.可視化模式

5.可視化模式是數(shù)據(jù)的一種特殊展現(xiàn)形式，常見(jiàn)的可視化模式有標(biāo)簽云、序列分析、網(wǎng)絡(luò)結(jié)

構(gòu)、電子地圖等.可視化模式的選取決定了可視化方案的雛形。

6.可視化應(yīng)用

可視化應(yīng)用主要根據(jù)用戶的主觀需求展開(kāi),最主要的應(yīng)用方式是用來(lái)觀察和展示,通過(guò)觀察

和人腦分析進(jìn)行推理和認(rèn)知,輔助人們發(fā)現(xiàn)新知識(shí)或者得到新結(jié)論。

3.可視化設(shè)計(jì)組件

、可視化設(shè)計(jì)模型

?數(shù)據(jù)可視化的設(shè)計(jì)可簡(jiǎn)化為四個(gè)層次,各層之間是嵌套的關(guān)系,外層的輸出是內(nèi)層的輸入,同

時(shí)外層的錯(cuò)誤最終會(huì)級(jí)聯(lián)傳導(dǎo)到各內(nèi)層。

?第一層（最外層）

?概括描述用戶遇到的實(shí)際問(wèn)遜,稱為問(wèn)題描述層；

?第二層（抽象層）

負(fù)責(zé)將特定領(lǐng)域的任務(wù)和數(shù)據(jù)映射到抽象且通用的任務(wù)及數(shù)據(jù)類型；

?第三層（編碼層）

設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)類型相關(guān)的視覺(jué)編碼及交互方法；

?第四層（最內(nèi)層）

則需要實(shí)現(xiàn)正確完成數(shù)據(jù)可視化展示和交互的算法。

、可視化設(shè)計(jì)原則

?三個(gè)原則

16

>過(guò)于復(fù)雜繁瑣的可視化可能會(huì)給用戶帶來(lái)理解上的麻煩,甚至?xí)鹩脩魧?duì)原始數(shù)據(jù)信息的

誤解

>缺少友好交互控制的可視化也會(huì)阻礙用戶以更直觀的方式獲得可視化所包含的信息

?美學(xué)因素也在一定程度上影響用戶對(duì)可視化設(shè)計(jì)的喜好或厭惡情緒，進(jìn)而影響可視化傳播和

表達(dá)信息的能力。

?三個(gè)步驟

>確定數(shù)據(jù)到圖形元素（即標(biāo)記）和視覺(jué)通道的映射，明確需要呈現(xiàn)的是什么樣的數(shù)據(jù)

視圖的選擇與用戶交互控制的設(shè)計(jì),建立恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)指標(biāo),從總體到局部逐步展示數(shù)據(jù)結(jié)果

數(shù)據(jù)的有效篩選并注重?cái)?shù)據(jù)的比較,即確定在有限的可視化視圖空間中選擇適當(dāng)容量的信息

進(jìn)行編碼,以避免在數(shù)據(jù)量過(guò)大情況下產(chǎn)生視覺(jué)上的混亂。

、可視化的數(shù)據(jù)

1.認(rèn)知數(shù)據(jù)

2.人們對(duì)數(shù)據(jù)的認(rèn)知，一般都經(jīng)過(guò)從數(shù)據(jù)模型到概念模型的過(guò)程,最后得到數(shù)據(jù)在實(shí)際中

的具體語(yǔ)義。在處理數(shù)據(jù)時(shí),最初接觸的是數(shù)據(jù)模型,數(shù)據(jù)模型是對(duì)數(shù)據(jù)的底層描述及相關(guān)操作。

概念模型是對(duì)數(shù)據(jù)的高層次描述，對(duì)應(yīng)于人們對(duì)數(shù)據(jù)的具體認(rèn)知。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理之前,需

要定義數(shù)據(jù)的概念和它們之間的聯(lián)系，同時(shí)定義數(shù)據(jù)的語(yǔ)義和它們所代表的含義。

3.數(shù)據(jù)分類

在科學(xué)計(jì)算中,通常根據(jù)測(cè)量標(biāo)度,將數(shù)據(jù)分為四類:類別型數(shù)據(jù)、有序型數(shù)據(jù)、區(qū)間型數(shù)據(jù)

和比值型數(shù)據(jù)。類別型數(shù)據(jù)用于區(qū)分物體,有序型數(shù)據(jù)用來(lái)表示對(duì)象間的順序關(guān)系,區(qū)間型

數(shù)據(jù)用于得到對(duì)象間的定量比較,比值型數(shù)據(jù)用于比較數(shù)值間的比例關(guān)系,可以精確地定義

比例。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析要求,不同的應(yīng)用可以采用不同的數(shù)據(jù)分類方法。例如,根據(jù)數(shù)據(jù)模型,可

以將數(shù)據(jù)分為浮點(diǎn)數(shù)、整數(shù)、字符等；根據(jù)概念模型,可以定義數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的實(shí)際意義或者

對(duì)象,例如:氣車、摩托車、自行車等。

、可視化的原材料

?視覺(jué)暗示

可視化最基本的形式就是簡(jiǎn)單地把數(shù)據(jù)映射成彩色圖形?？梢暬故颈仨毐ＷC可以在圖形和它

所代表的數(shù)字間來(lái)回切換。

?坐標(biāo)系

?編碼數(shù)據(jù)的時(shí)候，總得把物體放到一定的位置。有一個(gè)結(jié)構(gòu)化的空間,還要指定圖形和顏色

畫(huà)在哪里的規(guī)則,這就是坐標(biāo)系,它賦予X、Y坐標(biāo)或經(jīng)緯度以意義。

*標(biāo)尺

?坐標(biāo)系指定了可視化的維度而標(biāo)尺則指定了在每一個(gè)維度里數(shù)據(jù)映射到哪里。標(biāo)尺有多種，

但基本上不會(huì)偏離以下三種標(biāo)尺,分別為數(shù)字標(biāo)尺、分類標(biāo)尺和時(shí)間標(biāo)尺.

?背景信息

背景信息（幫助更好地理解數(shù)據(jù)相關(guān)的5W信息,即何人、何事、何時(shí)、何地、為何）可

以使數(shù)據(jù)更清晰,并且能正確引導(dǎo)數(shù)據(jù)使用者.

、可視化的基本圖表

?原始數(shù)據(jù)繪圖

?原始數(shù)據(jù)繪圖用于可視化原始數(shù)據(jù)的屬性值,直觀呈現(xiàn)數(shù)據(jù)特征,其ft表性方法包括:數(shù)據(jù)軌

17

跡、柱狀圖、折線圖、直方圖、餅圖、等值線圖、散點(diǎn)圖、氣泡圖、維恩圖、熱力圖和雷達(dá)

圖等.

?簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)值標(biāo)繪

盒須圖是JohnTukey發(fā)明的通過(guò)標(biāo)繪簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)值來(lái)呈現(xiàn)一維和二維數(shù)據(jù)分布的一種

方法。它的基本形式是用一個(gè)長(zhǎng)方形盒子表示數(shù)據(jù)的大致范圍，并在盒子中用橫線標(biāo)明均值的

皈

同時(shí),在盒子上部和下部分別用兩根橫線標(biāo)注最大值和最小值。盒須圖在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分

析中很有用。針對(duì)二維數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的一維盒須圖可以根據(jù)需要擴(kuò)充為二維盒須圖。

多視圖協(xié)調(diào)關(guān)聯(lián)

多視圖協(xié)調(diào)關(guān)聯(lián)將不同類型的繪圖組合起來(lái),每個(gè)繪圖單元可以展現(xiàn)數(shù)據(jù)某方面的屬性,并且

通常允許用戶進(jìn)行交互分機(jī)提升用戶對(duì)數(shù)據(jù)的模式識(shí)別能力。

在多視圖協(xié)調(diào)關(guān)聯(lián)應(yīng)用中，"選擇"操作作為一種探索方法,可以是對(duì)某個(gè)對(duì)象和屬性進(jìn)"取

消選擇”的過(guò)程,也可以是選擇屬性的子集或?qū)ο蟮淖蛹?以查看每個(gè)部分之間的關(guān)系的過(guò)

程.

4.可視化框架設(shè)計(jì)整體思路

、可視化框架的構(gòu)成

數(shù)據(jù)可視化的本質(zhì)是:將^映射到圖形,同時(shí)將一些附加信息傳達(dá)給用戶。

、數(shù)據(jù)圖形映射的路程

數(shù)可視化從原始數(shù)據(jù)映射到所需要的圖形需要經(jīng)過(guò)多個(gè)步驟,包括統(tǒng)計(jì)分析、預(yù)處理數(shù)據(jù)、

過(guò)濾、映射和繪制等。

18

PPT講解、演示；時(shí)間分配:70分鐘。

三.總結(jié)（5分鐘）

本章說(shuō)明了數(shù)據(jù)可視化的基本特征,在此基礎(chǔ)上,重點(diǎn)闡述了可視化流

程與可視化設(shè)計(jì)組件。

最后，探討了可視化設(shè)計(jì)總體框架和流程。。

最后，探討了可視化設(shè)計(jì)總體框架和流程。。

作業(yè)布置

教學(xué)反思

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教學(xué)單元教案

主題任務(wù)4數(shù)據(jù)可視化的常用方法序號(hào)4

課時(shí)2教學(xué)手段多媒體、板書(shū)、實(shí)訓(xùn)室

教學(xué)方法講授法、演示法、案例法

教學(xué)課型□理論□實(shí)訓(xùn)R一體化口(其它)

能力目標(biāo)：掌握可視化分析常用的方法及可視化設(shè)計(jì)優(yōu)化。。

知識(shí)目標(biāo):理解統(tǒng)計(jì)圖表可視化方法和圖可視化方法；掌握可

教學(xué)目標(biāo)視化分析常用的方法及可視化設(shè)計(jì)優(yōu)化。

素質(zhì)目標(biāo):接受新知識(shí)、自主學(xué)習(xí)的能力。

素質(zhì)目標(biāo)：接受新知識(shí)、自主學(xué)習(xí)的能力。

理解統(tǒng)計(jì)圖表可視化方法和圖□.視化方法；掌握可視化分圻常

教學(xué)重點(diǎn)

用的方法及可視化設(shè)計(jì)優(yōu)化。

教學(xué)難點(diǎn)掌握可視化分析常用的方法及可視化設(shè)計(jì)優(yōu)化。

備

教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)注

一.教學(xué)內(nèi)容

1.課程導(dǎo)入

可視化有許多方法,這些方法在項(xiàng)目中運(yùn)用得也很廣泛。接下來(lái)讓我們一

起來(lái)看看都有哪些方法。

教師活動(dòng)：PPT講解、演示；時(shí)間分配：5分鐘。

2.統(tǒng)計(jì)圖表可視化方法

(1)柱狀圖

柱狀圖(barchart):是一種以長(zhǎng)方形的長(zhǎng)度為變量的表達(dá)圖形的統(tǒng)計(jì)報(bào)告圖，由一系列

高度不等的縱向條紋表示數(shù)據(jù)分布的情況,用來(lái)比較兩個(gè)或兩介以上的價(jià)值(不同視覺(jué)或者不同條

件)，只有一個(gè)變量,通常用于較小的數(shù)據(jù)集分析。

適用場(chǎng)景:柱狀圖適用于二維數(shù)據(jù)集,能夠清晰地比較兩個(gè)維度的數(shù)據(jù)。由于視覺(jué)對(duì)高度之間的差異

感知較敏感,柱狀圖利用柱子之間的高度來(lái)反映數(shù)據(jù)之間的差異。

優(yōu)勢(shì):柱狀圖利用柱子的高度,反映數(shù)據(jù)的差異,肉眼對(duì)高度差異很敏感。

劣勢(shì):柱狀圖的局限在于只適用中小規(guī)模的數(shù)據(jù)集。

(2)二維柱狀圖

傳統(tǒng)柱狀圖:一般用于表示客觀事物的絕對(duì)數(shù)量的比較或者變化規(guī)律,用于顯示一段時(shí)間內(nèi)數(shù)

據(jù)的變化,或者顯示不同項(xiàng)目之間的對(duì)比,分為:二維簇狀柱形圖、二維堆積柱形圖、二維百分比堆

積柱形圖。如下圖所示：

20

(3)三維柱狀圖

三維柱形圖:這種圖表類型沿著兩個(gè)數(shù)軸比較數(shù)據(jù)點(diǎn),數(shù)據(jù)點(diǎn)指在圖表中繪制的單介值,這些值

由條形、柱形、折線、餅圖和其他被稱為數(shù)據(jù)標(biāo)記的圖形表示。相同顏色的數(shù)據(jù)標(biāo)記組成一個(gè)數(shù)據(jù)

系列。

三維簇狀柱形圖、三維堆積柱形圖、三維百分比堆積柱形圖分別如下圖所示：

(4)條狀圖

排列在工作表的列函亍中的數(shù)據(jù)可以繪制到條形圖中。條形圖顯示各個(gè)項(xiàng)目之間的比較情

況。

描繪條形圖要素:組數(shù)、組寬度、組限。

適用場(chǎng)景:軸標(biāo)簽過(guò)長(zhǎng)、顯示的數(shù)值是持續(xù)型的。

0S0010001S002000

(5)折線圖

21

適用場(chǎng)景:適用于二維大數(shù)據(jù)集,尤其是SB些趨勢(shì)比單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)更重要的場(chǎng)合。同時(shí),它還適

用于多個(gè)二維數(shù)據(jù)集之間的比較,當(dāng)需要體現(xiàn)許多數(shù)據(jù)點(diǎn)的順序時(shí),能夠按時(shí)間(年、月和

日)或類別顯示趨勢(shì),如下圖：

(6)餅圖

適用場(chǎng)景:一般適用于表述一維數(shù)據(jù)(行和列)的可視,尤其是能夠直觀反映數(shù)據(jù)序列中

各項(xiàng)的大小、總和和相互之間的比例大小,圖表中的每個(gè)數(shù)據(jù)系列具有唯一的顏色或圖案

并且在圖表的圖例中表示。

使用數(shù)據(jù):反映某個(gè)部分占整體的比例,用于對(duì)比幾個(gè)數(shù)據(jù)在其形成的總和中所占百分比值時(shí)最有

用。如果想表示多個(gè)系列的整據(jù),則可以用環(huán)形圖。

優(yōu)勢(shì):餅圖能夠直觀地反映某個(gè)部分占整體的比例。

劣勢(shì)：餅圖的局限性在于要求僅有一個(gè)要繪制的數(shù)據(jù)系列，同時(shí)繪制的數(shù)值沒(méi)有負(fù)值,同時(shí)幾乎沒(méi)有

零值.

(7)散點(diǎn)圖

22

適用場(chǎng)景:適用于三維數(shù)據(jù)集,但其中只有兩維需要比較。

重要作用：可以用來(lái)繪制函數(shù)曲線,從簡(jiǎn)單的三角函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)到更復(fù)雜的混合型函

數(shù),都可以利用它快速準(zhǔn)確地繪制出曲線,所以常用于教學(xué)和科學(xué)計(jì)算中。

(8)氣泡圖

氣泡圖:是散點(diǎn)圖的一種變形,通過(guò)每個(gè)點(diǎn)的面積大小,來(lái)反映第三維所表達(dá)的信息。

區(qū)別：氣泡圖與散點(diǎn)圖相似,不同的是,氣泡圖允許在圖表中額外加入一個(gè)表示大小的變量。

(9)雷達(dá)圖

雷達(dá)圖(RadarChart):又可稱為戴布拉圖、蜘蛛網(wǎng)圖(SpiderChart),是財(cái)務(wù)分析報(bào)表的

一種。

適用場(chǎng)景：適用于多維數(shù)據(jù)(四維以上)，且每介維度必須可以排序。

3.圖可視化方法

23

圖是表達(dá)數(shù)據(jù)最靈活、最強(qiáng)大的方式之一，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)雅變換，"無(wú)圖無(wú)真相""一圖

勝千言”正是對(duì)圖可視化方;去最好的歸納。圖可視化能夠簡(jiǎn)介地表述復(fù)雜的關(guān)系、吸引讀者的注意

力、有助于讀者理解和回憶等特點(diǎn)。

近年來(lái),圖論方法在數(shù)據(jù)可視化,尤其是社會(huì)網(wǎng)絡(luò)類數(shù)據(jù)的可視化中得到廣泛應(yīng)用。

(1)圖的類型

圖的類型>>關(guān)系

圖可視化最重要的作用之一,便是能夠表達(dá)關(guān)系。這些關(guān)系組成了已經(jīng)定義的世界或系

統(tǒng)。

圖能夠使得我們以一種非常容易理解的方式來(lái)描述和表達(dá)世界。

圖的類型>>分層

對(duì)于分層數(shù)據(jù)中獲取信息,圖也是一個(gè)很好的選擇。分層圖常被稱樹(shù)。樹(shù)有一個(gè)根父節(jié)點(diǎn),

其鏈接分支到第二個(gè)節(jié)點(diǎn)第二級(jí)節(jié)點(diǎn)還可能再次分支,以峰推,直到到達(dá)沒(méi)有子節(jié)點(diǎn)的葉子

節(jié)點(diǎn),根節(jié)點(diǎn)的每個(gè)后代節(jié)點(diǎn)都只有一個(gè)父節(jié)點(diǎn).

分層中常見(jiàn)的圖形是樹(shù)。樹(shù)是一種非線性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),用樹(shù)能很好地描述有分支和層次特性的數(shù)據(jù)

集合。

樹(shù)形結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實(shí)生活中廣泛存在,如社會(huì)組織機(jī)構(gòu)的組織關(guān)系圖就可以用樹(shù)形結(jié)構(gòu)來(lái)表示。

樹(shù)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中也有廣泛應(yīng)用,如在編譯系統(tǒng)中,用樹(shù)表示源程序的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)

(2)圖論可視化

圖論(GraphTheory)是數(shù)學(xué)的一個(gè)分支。它以圖為研究對(duì)象。圖論中的

圖是由若干給定的點(diǎn)及連接兩點(diǎn)的線所構(gòu)成的圖形,這種圖形通常用來(lái)描

述某些事物之間的某種特定關(guān)系,用點(diǎn)代表事物,用連接兩點(diǎn)的線表示相應(yīng)

兩個(gè)事物間具有這種關(guān)系。

B瑞金

父

?

?

識(shí)

?

援

濟(jì)

沙

讀

書(shū)

陣巖石

?小艮吳■芬

(3)思維導(dǎo)圖

思維導(dǎo)圖(MindMap),即借助圖表來(lái)分析問(wèn)題、理清思路。常見(jiàn)的思維圖有八種：

CircleMap圓圈圖、TreeMap樹(shù)狀圖、BubbleMap氣泡圖、DoubleBubbleMap雙重氣

24

泡圖、FlowM叩流程圖、Multi-flowM叩多重流程圖、BraceM叩括號(hào)圖，和BridgeM叩

橋型圖。

思維導(dǎo)圖>>圓圈圖

定義T將,主要用7把一個(gè)主題展開(kāi)來(lái),聯(lián)想或描述細(xì)節(jié)。它有兩個(gè)圓圈,里面的小圈是

主題,而外面的大圈里放的是和這個(gè)主題有關(guān)的細(xì)節(jié)或特征。其基本形狀如下圖所示：

氣泡圖描述事物性質(zhì)和特征。國(guó)外很多幼兒園和小學(xué)都在用氣泡圖幫助孩子學(xué)習(xí)知識(shí)、描述事物。

圓圈圖強(qiáng)調(diào)的是一個(gè)概念的具體展開(kāi),而氣泡圖更加側(cè)重于對(duì)一個(gè)概念的特征描述。例如,用氣泡圖

分析一只鷹有哪些特征。在場(chǎng)分析問(wèn)題的時(shí)候,不必太糾結(jié)到底該用哪種圖,怎么直觀怎么來(lái).

4.可視化分析方法常用算法

(1)沙盒分析法

沙盒分析的關(guān)鍵能力主要有:認(rèn)知、自動(dòng)處理模型范本、想法的解讀。運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)界面和

協(xié)議,整合了高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言功能.沙盒的組成如下圖所示：

25

閨發(fā)處理

域優(yōu)化泡染平臺(tái)

優(yōu)點(diǎn):識(shí)別大量的人為認(rèn)知,減少搜索時(shí)間,識(shí)別模式較強(qiáng),對(duì)人類社會(huì)行為的可視分析十分有

效。

(2)認(rèn)知作業(yè)分析法

認(rèn)知作業(yè)分析法是研究個(gè)人或者團(tuán)隊(duì)在特殊環(huán)境下的心理過(guò)程、行為和判斷的方法,融合

了計(jì)算機(jī)技術(shù),有效地進(jìn)行人類抉擇。

認(rèn)知作業(yè)分析:人們對(duì)完成特定任務(wù)的思維邏輯過(guò)程信息,這些信息包括如何去處理所獲取

的信息和下一步該做什么。

認(rèn)知作業(yè)分析著重研究認(rèn)知過(guò)程,而不是完成任務(wù)的機(jī)理。

優(yōu)點(diǎn)：不受其他事物的影響,反應(yīng)速度快,可應(yīng)用于決策判斷,應(yīng)急疏散。

(3)順序模式法

順序模式:用來(lái)發(fā)現(xiàn)離散事件同時(shí)發(fā)生的概率。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展,人們能處理更龐大的數(shù)

據(jù)而且獲得大量的順序模式,每個(gè)順序模式包含一個(gè)最小概率,其意義為這個(gè)模式發(fā)生的百分比。

優(yōu)點(diǎn)：快速地顯示數(shù)據(jù)蜻構(gòu)與分布、顯示單個(gè)事件的發(fā)生頻率、準(zhǔn)確性高，可應(yīng)用于文本挖

掘。

(4)協(xié)同多視圖法

多視圖可用多種形式的視圖,如促進(jìn)信息加工中的抽象視圖、分層和時(shí)間序列的視圖。在可視分析

中實(shí)現(xiàn)協(xié)同并不容易,因?yàn)闆](méi)有正式的協(xié)同規(guī)則,有的規(guī)則也不是萬(wàn)能的,需要具有一定的針對(duì)性才

能體現(xiàn)協(xié)同多視圖法的效果。協(xié)同多視圖法的基本原理如下圖所示：

26

5.可視化分析研究的特點(diǎn)

可視分析學(xué)的根本原理是將可視化作為半自動(dòng)分析過(guò)程的媒介人類和機(jī)器合作,利用兩者各自

特有的能力,獲得最有效的結(jié)果。

可視分析學(xué)從6個(gè)基本方面放大了人類感知能力：

1.增加感知源,如通過(guò)可視化源來(lái)擴(kuò)展人類工作記憶。

2.減少搜索,例如在小空間中表示大量數(shù)據(jù)。

3.增強(qiáng)模式認(rèn)知,如在空間中展示具備時(shí)間序列特征的信息.

4.支持關(guān)系可感知的簡(jiǎn)易推理。

5.對(duì)大量潛在事件的感知監(jiān)測(cè).

6.提供可操作的介質(zhì)，與靜態(tài)圖不同，能允許探索參數(shù)值的表示空間。

可視化分析學(xué)將形成分析過(guò)程和模型的建構(gòu)式評(píng)價(jià)、修正和迅速提高,最終改善知識(shí)和決

策,將科技應(yīng)用到計(jì)算和可視化,分析報(bào)告和技術(shù)轉(zhuǎn)移上,促進(jìn)分析推理、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)

據(jù)表示的發(fā)展。

6.可視化分析的運(yùn)用案例

(1)模型和決策支持

回歸模型在許多應(yīng)用領(lǐng)域中扮演著重要角色,典型的回歸模型構(gòu)建過(guò)程中輸入變量的特征

子集選取受到限制,其他局限還存在于局部結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換以及變量間交互的識(shí)別。

基于模型驅(qū)動(dòng)黑色系期貨日K線數(shù)據(jù)驗(yàn)證如下圖：

27

牙7產(chǎn)

(2)圖像和視頻數(shù)據(jù)處理

圖像和視頻數(shù)據(jù)是繼文本數(shù)據(jù)之后的又一大數(shù)據(jù)類型，可視分析學(xué)在這兩種數(shù)據(jù)分析上同樣能

發(fā)揮優(yōu)勢(shì).

雙目生理性眼顫的互抑制可視化如下圖所示：

(3)社會(huì)媒體數(shù)據(jù)分析

可視分析學(xué)還被用至社會(huì)媒體數(shù)據(jù)分析、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析、文檔重建系統(tǒng)和人類地形分析等領(lǐng)域

社會(huì)媒體數(shù)據(jù)可視化分析如下圖所示：

28

BHBP時(shí)建麗

主成分分析(PrincipalComponentAnalysis,PCA)法:一種利用線性映射來(lái)國(guó)攢據(jù)降維

的方法,同時(shí)去除數(shù)據(jù)的相關(guān)性,以最大限度保持原始數(shù)據(jù)的方差信息,從而進(jìn)行有效的特征提取。

主成分分析是通過(guò)一個(gè)或幾倏合性較好的指標(biāo)來(lái)概括多個(gè)變量具有相關(guān)性的指標(biāo),即主成分,這些

指標(biāo)希望能互相獨(dú)立地代表某一方面的性質(zhì),指標(biāo)要可靠、真實(shí),能充分反映個(gè)體間的變異。

優(yōu)點(diǎn):將多變量概括為少變量并且損失少量信息，對(duì)數(shù)據(jù)起到了降堆的作用，為后續(xù)的計(jì)算減少工作

量；缺點(diǎn):有時(shí)候新變量的符號(hào)有正有負(fù)時(shí)物理意義難以弄清楚。

時(shí)間復(fù)雜度:0(11人2mA2)刀和m分別為行數(shù)、列數(shù),即樣本和變量數(shù)。

因子分析:從假定的因子模型出發(fā),把復(fù)雜數(shù)據(jù)視為由公共因子、誤差和特殊因子構(gòu)成。

使用了主成分分析的方法但其關(guān)于特征值的計(jì)算是以相關(guān)矩陣作為出發(fā),把每個(gè)變量置于同一

度量,使特征值相對(duì)均勻,并將主成分轉(zhuǎn)換成因子,還把特征向量正規(guī)化使之長(zhǎng)度為1.

層次分析法：能對(duì)大量的非定量的模糊數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,如良好、優(yōu)秀、一般等,層次分析法用

定量的方法去描述這些數(shù)據(jù),將定性和定量相結(jié)合,分層次分析,用數(shù)學(xué)的方法確定每一層中所

有元素的重要性的權(quán)值,最后分析排序結(jié)果,解決問(wèn)題。

層次分析的步驟為：

1.構(gòu)造判斷矩陣

2.計(jì)算層次單排序

3.計(jì)算各層元素的組合權(quán)重

4.一致性檢驗(yàn)

7、可視化方法的選擇

在可視化圖表工具的表現(xiàn)形式方面,圖表類型表現(xiàn)的更加多樣化,豐富化。除了傳統(tǒng)的餅圖、柱狀

圖、折線圖等常見(jiàn)圖形,還有氣泡圖、面積圖、省份地圖、詞云、瀑布圖、漏斗圖等酷炫圖表,甚至

還有GIS地圖。這些種類繁多的圖形能滿足不同的展示和分析需求。下圖總結(jié)了根據(jù)需求分析可采

用的統(tǒng)計(jì)可視化方法。

29

三.總結(jié)（5分鐘）

1.數(shù)據(jù)可視化的最重要目的和最高追求是將簡(jiǎn)單、易于理解、快速易懂的可視化展現(xiàn)形式,表

示復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)系。

2、圖可視化能夠簡(jiǎn)潔地表述復(fù)雜的關(guān)系、吸引讀者的注意力、有助于讀者理解和回憶等特點(diǎn),

因此勝過(guò)千言萬(wàn)語(yǔ).

3.可視分析方法有沙盒分析方法、認(rèn)知作業(yè)分析法、順序模式法、協(xié)同多視圖法。

4、可視化分析學(xué)從6個(gè)基本方面放大了人類的感知能力,它的產(chǎn)出物是可以供分析師使用的

分析系統(tǒng)。

4.可視化分析學(xué)從6個(gè)基本方面放大了人類的感知能力,它的產(chǎn)出物是可以供分析師使用的分

析系統(tǒng)。

4、可視化分折學(xué)從6個(gè)基本方面放大了人類的感知能力，它的產(chǎn)出物是可以供分析師使用的

分析系統(tǒng)。

作業(yè)布置

教學(xué)反思

30

教學(xué)單元教案

主題任務(wù)5可視化交互序號(hào)5

課時(shí)2教學(xué)手段多媒體、板書(shū)、實(shí)訓(xùn)室

教學(xué)方法講授法、演示法、案例法

教學(xué)課型□理論口實(shí)訓(xùn)凡一體化口（其它）

能力目標(biāo)：掌握可視化交互方法分類、空間和模型。

知識(shí)目標(biāo)：掌握可視化交互方法分類、空間和模型。

教學(xué)目標(biāo)

素質(zhì)目標(biāo):接受新知識(shí)、自主學(xué)習(xí)的能力。

素質(zhì)目標(biāo)：接受新知識(shí)、自主學(xué)習(xí)的能力。

教學(xué)重點(diǎn)掌握可視化交互方法分類、空間和模型。

教學(xué)難點(diǎn)掌握可視化交互方法分類、空間和模型。

教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)備注

一?導(dǎo)入

交互式信息可視化

的用戶界面慢至

到信息多面體可視

分析界面模型。MFA）

交互式可覘化的關(guān)

H于w?.h的立直

可視化《22

常可視化楂型

教師活動(dòng):提問(wèn)；學(xué)生活動(dòng)：思考回答；時(shí)間分配:5分鐘。

二.教學(xué)內(nèi)容

L可視化交互方法分類

可視化交互研究屬于可視化與人機(jī)交互的交叉領(lǐng)域.

交互方法五花八門,而一個(gè)良好的交互方法通常有一個(gè)特定的視圖設(shè)計(jì),這大大提高了可視

化顯示信息,支持研究和假設(shè)瞼證的能力。

31

數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)中的兩個(gè)核心要素一視覺(jué)呈現(xiàn)和交互是密不可分的,其交互性技術(shù)的功能是促

進(jìn)用戶與系統(tǒng)之間的信息交流，主要分為5類：平移+縮放技術(shù)、動(dòng)態(tài)過(guò)濾技術(shù)、概覽+細(xì)節(jié)技

術(shù)、焦點(diǎn)+上下文技術(shù)、多視圖關(guān)聯(lián)技術(shù)。

下面開(kāi)始介紹這五類方法：

(1)平移+縮放技術(shù)

可縮放用戶界面(ZoomableUserInterfaces,ZUI)最早源于對(duì)PAD及PAD++的研究；

是一種使用空間和尺度組織信息,將平移(Panning)與縮放(Zooming)作為主要交互技術(shù)

的圖形用戶界面.

平移與縮放操作由鼠標(biāo)與鍵盤作為主要交互設(shè)備進(jìn)行控制,平移用于改變信息空間的位

置，縮放用于改變信息空間的比例。鼠標(biāo)、鍵盤的輸入與平移、縮放的輸出的關(guān)系分為線性相關(guān)與

非線性相關(guān)兩種。

非線性平移與縮放技術(shù)主要包括以下三種形式：

1.目標(biāo)導(dǎo)向的縮放

2.平移與縮放相結(jié)合

3.自動(dòng)縮放

(2)動(dòng)態(tài)過(guò)濾技術(shù)

Shneiderman對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)濾的定義是:動(dòng)態(tài)過(guò)濾描述了用戶對(duì)于可視化查詢參數(shù)的交互控

制,通過(guò)交互控制對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的搜索結(jié)果進(jìn)行快速(每100ms刷新)、動(dòng)態(tài)、可視化的顯示.

使用動(dòng)態(tài)過(guò)濾的用戶界面稱為動(dòng)態(tài)過(guò)濾用戶界面,通過(guò)可視化的信息呈現(xiàn),并且基于直接操縱原

理提供用戶動(dòng)態(tài)交互控制,可以更加高效地探索、理解大規(guī)模的數(shù)據(jù)空間。

(3)概覽+細(xì)節(jié)技術(shù)

概覽+細(xì)節(jié)(Overview+Detail)的基本思想:在資源有限的條件下同時(shí)顯示整體與細(xì)節(jié)；

概覽：指不需要做你可操作，在一個(gè)視圖上可以集中顯示所有的對(duì)象；

細(xì)節(jié):是突出用戶需要的重點(diǎn)部分進(jìn)行展示；

概覽+細(xì)節(jié)的用戶交互模式：指既顯示全局概覽,又將細(xì)節(jié)部分在相鄰視圖上或者本視圖的側(cè)面

進(jìn)行展示,其好處在于非常符合用戶探索數(shù)據(jù)的行為方式.

(4)焦點(diǎn)+上下文技術(shù)

焦點(diǎn)+上下文技術(shù)是在同一視圖上提供選中的數(shù)據(jù)子集的上下文信息,致力于顯示用戶興趣焦

點(diǎn)部分的細(xì)節(jié)信息，同時(shí)展示焦點(diǎn)與周邊的關(guān)系關(guān)聯(lián)，即整合了當(dāng)前聚焦點(diǎn)的細(xì)節(jié)信息與全局部分

上下文信息。

焦點(diǎn)+上下