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1、上海海洋大学 2021 届毕业设计（论文）新冠肺炎疫情数据动态可视化方法研究第 1 页2.2.2 主要功能时间维信息的引入使得传统的 GIS 系统已经不能处理愈来愈多的信息和管理更加复杂的数据，面对这些问题，基于现有的研究基础之上，时态 GIS 应具备以下功能。（1）档案功能:记录不同时刻的 GIS 数据，记录历史过程是时态 GIS 的基本功能。（2）趋势分析:以初始数据为基准，对数据进行时间序列分析和预测，为政府和企业提供决策支持。（3）更新数据:不断提供新的数据才能保持时态 GIS 系统的现势性。（4）查询功能:由于时间维的引入，使得时态 GIS 不仅可以对静态的空间数据进行查询，还可以对
2、动态的时空数据进行查询。（5）显示功能:不同于静态 GIS 用图表来帮助解决用户关于“where”、“how”的问题，时态 GIS 还要反应地理运动和状态变化的过程，显示功能使 GIS 可以描述自身状态并向用户报告相关结果。2.2.3 应用领域随着人们对地理空间现象中时间维信息的高度重视，以及时空数据模型的研究越来越成熟，时态 GIS在很多领域都进行了探索和实践：（1）城市演化:随着城镇化建设的发展，我国城市的房产、地籍等信息变更频繁,因此充分利用时态GIS 可以有效的记载、管理城市各方面不断更新的历史数据。采用时态 GIS 对城市各方面信息的演化过程进行动态管理和分析，预测城市未来变化趋势，
3、可以为城市规划的决策提供可靠的依据。（2）房产信息管理:随着我国城市范围的不断扩展和现代化建设的快速发展，城市的房产信息越来越庞大。利用时态 GIS 可以有效管理城乡房产海量数据，实现房产数据的共享，方便用户对房产数据的实时查询、综合应用分析以及预测调控。其次，根据时态 GIS 存储的数据可以动态演示房产信息的演变过程，实现房产信息的历史回溯和变化过程重现。（3）土地利用变更与地籍管理:结合计算机、互网络、多媒体、数据库以及数据传输与实时更新等技术，将不同时间、多尺度、多用途的地籍数据进行整合处理，可用于土地利用变更的时态分析，对于各地方政府进行土地管理和规划，合理利用土地资源，提高土地持续利
4、用率具有重要的现实意义和社会意义。（4）灾害分析及预测:灾害问题诸如滑坡泥石流、台风等，是人类面临的一个非常重要的安全问题。利用时态 GIS 实时监测灾害频发区域的地质、气象等时空数据，对预测灾害、降低灾害造成的损失具有重要的研究意义。（5）资源环境:利用时态 GIS 对资源时空数据进行有效的存储管理，可以完整地反映资源利用情况及环境变化过程。通过对比、分析历史、当前的时空数据，对资源环境现状进行实时监测，并对未来发展状况进行预测，能够为国家资源环境的管理提供很好的服务。第 2 页（6）医疗卫生:时态 GIS 可以有效地存储和管理传染病发病区域的时空信息，进而通过 GIS 去逼真地表达、再现、
5、分析传染病的传播规律，根据发病原因分析传染病的时空蔓延趋势，通过构建动态监测方案来有效的控制传染病的覆盖范围。（7）交通管理:随着城市的发展，大量的车辆从城市中流入流出，交通管理的重要.性日益突显。利用时态 GIS 对交通规划领域的历史数据以及车流量数据进行管理和可视化分析，通过对已有数据的充分合理利用，可以实现交通模型的不断改进、更新和扩充，而可视化分析结果还可以用来跟踪交通事故发生的位置、时间、光线及其他人为因素，从而有针对性的采取措施来降低交通事故发生的频率。（8）其他。2.3 技术基础地理信息系统（geographic information system，GIS）是对地理空间信息进行
6、描述、采集、处理、存储、管理、分析和应用的一门交叉学科。随着计算机技术、信息技术、空间技术、网络技术的发展，GIS广泛应用于测绘、资源管理、城乡规划、灾害监测、交通运输、水利水电、环境保护、国防建设等各个领域，并深入涉及地理信息的社会生产、生活各个方面，是一门实践性很强的学科19。关于地理信息系统软件，常见的国外的软件有 ArcGIS(包括 ArcGIS、MapObjects,ArcIMS、ArcSDE 等)、MapInfo、Geoconcept、GeoMedia、MGE 等，常见的国内软件的有 MapGIS、GeoStar、Citystar、Supermap 等。这类软件具有相似的功能集合，
7、区别在于它们各自具有一些特定的实现方式（如用户界面、操作流程），另外它们的操作效率（如速度、数据量）也各不相同。这种相似性，也正说明了 GIS 技术的成熟。而在这些大量的 GIS 软件平台中，美国 ESRI 公司开发的 ArcGIS 这个 GIS 软件平台是最突出的 GIS 软件平台，其强大的空间分析处理工具和不断更新、完善的空间分析功能是其它软件所不具备的。ArcGIS 地理信息系统平台是一个综合的系统，用户可用其来搜集、组织、管理、分析、交流和发布地理信息。ArcGIS 是世界领先的地理信息系统(GIS)建设和运用平台，它为全球人民在政府、企业、科技、教育和媒体领域提供了地理知识应用服务。
8、ArcGIS 也能发布地理信息，这样所有人都可以访问和使用它。本研究就是使用 ArcGIS 对时态数据进行动态展示。3 3 疫情数据动态可视化设计疫情数据动态可视化设计3.1 动态可视化表达的目标要求地理时空过程可以理解为地理时空对象的形态或属性随着长期或短期时间推移所产生的连续或离散的变化过程。疫情数据所代表的时空数据与传统的空间数据相比，它增加了时间维度，在数据的语义理解、数据结构、数据互操作、存储上都更为复杂。对疫情数据这种地理时空过程的动态可视化主要是展示地理信息数据随时间变化而变化的动态过程。与传统的地图可视化、地理信息可视化相比，动态可视化对技术第 3 页方法和表达效果的要求更高，
9、包括以下 4 个方面:（1）动态效果:时空数据可视化最大的特点是能表现出时空数据的变化过程，反映动态现象在时间上的趋势性、顺序性和周期性，产生动态效果。这种动态效果是在时间轴上对时空过程进行捡选或插值而产生的伸缩后的近似效果，与人们对动态现象的过程感知相一致。（2）可交互性:交互是人与计算机互动的过程，按需实现人对动态可视化的介入和控制，而不是计算机单方面按程序指令进行展示，这也是科学可视化发展的需要。可交互性是方便人们对地理时空过程观察和感知的有利手段和方法，需要研究和发展诸如多通道界面的多种人机交互方式，提高人机信息的交流和感知。（3）可回溯性:时空数据蕴含丰富的历史信息，是时空数据区别于
10、静态现势数据的价值所在，回溯时空数据的历史状态是动态可视化的基本要求之一，其作用一是再现历史情景，二是不同历史状态的对比，从而使人们感知历史的状态和发生的变化。（4）平滑流畅:动态可视化需要实时从数据库中访问和调度时空数据，并随时间变化展示相应的时态数据，所以高效地检索和提取所需的数据是动态可视化流畅性的保障，增强动态可视化的用户体验。3.2 时空过程动态可视化方法（1）时间轴动画：通过指定一定的时间跨度，按时间轴正序或逆序的方式来直观地表达区域内各地理实体的变化过程，是人们研究时空过程变化中最直观、最有效的方式之一。在时间轴动画中，用户需指定起始指示时间和结束指示时间及动画实际播放时间，通过
11、时间映射数据库，可将指示时间映射为数据库中存储的有效时间数据格式，限定整个变化过程的时间范围及播放方向，参与时空筛选计算20。（2）多时态对比：通过指定一系列预进行对比的时间点，以多视口的方式，直观展示同一区域内不同时态下各地理实体的差异，对于人们研究区域的发展、变迁有着重要的意义。针对用户指定的每一个时间，基于时空筛选机制，从现势库、历史库、过程库重构生成对应时空的版本库，然后将版本数据进行可视化。当用户指定了 n 个时间对比点，相应地将会生成 n 个时态的场景数据，将每个时态的场景数据分别在一个单独视口中进行可视化，使得多个时态的场景数据得以同时显示，同时各个视口由一个统一的漫游器来控制场
12、景的浏览，实现多时态数据在同一位置、同一视角进行漫游，观察、对比同一区域内的发展、变化。（3）实体历史回溯：以地理实体为目标，以地理实体的惟一检索条件(如实体 ID)，查询数据库中该地理实体在各时间范围为的存在方式和状态，直观展示特定地理实体的历史变迁的一种方法。3.3 动态可视化设计（1）研究设计原则疫情数据动态可视化的设计是为了更直接的显现疫情数据时空特征动态可视化表达的原理、方法和思第 4 页路，并且最好在该过程中能用更多的方式展现疫情数据的变化。在设计的过程中，要注意一下几个方面:依照研究的目标分析研究的需求。研究的最终目标决定了研究结果的主要方向，研究结果需要帮助公众更简单、直接的理
13、解和分析数据，了解研究所表达出的信息。如果研究设计过于复杂，非专业人员不能很好的使用，则该研究就失去了意义。研究涉及到的数据资料要全面、准确。利于用户交互设计。该系统的交互性好，有利于用户参与到制图的过程中，通过用户的判断和操作，使用户的个性化需求得到满足。动态地图显示友好，动态化展示方式多样。友好清晰的设计更有利于公众快速了解想要获取的信息，多样化的展示也能够满足更多人的需求，也能让公众从多角度了解所需信息。（2）研究设计目标新冠肺炎疫情数据动态可视化的目的是为了研究地理信息系统与信息可是话技术的结合，所以本研究既要体现信息可视化的目的，即对多样化数据的挖掘，将数据的特征、客观规律及隐含在背
14、后的信息直观地呈现出来，还要在信息可视化技术的基础上结合 GIS 相关技术，充分利用 GIS 挖掘空间信息的能力和信息可视化展现非空间信息的优势，使之在地图上更好的做出展示。（3）研究设计针对新冠肺炎疫情数据的特点以及对地图显示的需求，该研究主要包括以下内容:疫情地图浏览、疫情数据的动态显示等。研究的基本内容：疫情地图浏览、疫情数据在地图中动态显示、用其他方法展示疫情相关数据的信息等。研究要能直接的表达数据的变化。对于信息的可视化，用数据的的变化传递信息是一种常用的方式，动态的可视化方式可以非常直观的将这种变化呈现给公众，所以要使疫情数据随着时间变化在地图上动态展示。3.4 项目可行性分析通过
15、对国内外研究现状的查询和了解，并对现行研究内容进行了分析和总结，决定可行性的主要因素主要有：（1）技术可行性：该项目需要在 windows 操作系统进行，利用 ArcGIS 进行制图，在计算机上只需要安装所需的 ArcGIS 软件，至少包括 ArcMap 与 ArcCatalog，不需要大型的系统软件和应用软件来支持。在人员配置上，需了解 GIS 相关知识并会使用 ArcGIS，综上，研究该项目具有技术可行性。（2）系统经济可行性：该项目作为非盈利项目没有后续销售收益，但该项目的实现有助于之后做进一步研究。第 5 页（3）法律可行性：该项目研究所使用工具和技术不违反法律。（4）扩展可行性：该项
16、目寿命在 5 年以上，将根据未来需求进行扩展到更多领域。（5）运行可行性：该研究考虑公众要快速获取信息，尽量做到界面美观，直观，易于了解信息。综上，该项目具有可行性。4 4 基于基于 ArcGISArcGIS 的动态可视化实现过程的动态可视化实现过程本研究使用的是疫情期间公开的确诊数据，以全国各省份地理位置为范围，利用 ArcGIS 中的时态 GIS工具时间滑块来将确诊数据动态的展示出来。这样的可视化方法能让地图中的确诊数据更直观、丰富和细致的阐释各地疫情的严重程度和发展变化，这对全国疫情增长的趋势做出了可视化的动态疫情图。使得公众可以发现随着时间的推移，新型冠状病毒在全球和全国的蔓延态势，直
17、观的发现中国疫情的拐点。使得公众可以结合时事政治，了解国家的不同的措施对本国疫情控制的影响。4.1 数据准备网上各种平台、网站、小程序、公众号能看到各类疫情地图、疫情的可视化呈现等，所以网上可以有多种方式获得数据，比较权威的数据是各级卫健委发布的每日疫情报告，可以去各地各级卫健委官网查询，但这样的获取地数据不足以支撑全国层面的研究，并且卫健委的通告基本上是文字的形式还需要自己处理。想要获取全球各个国家的数据还可从 WHO（World Health Organization）官网获的。另外还可凭借已有的开源项目获取数据，如 GitHub 上的开源项目，这个项目的记录从 2019 年 12 月 1
18、 日开始，每日精确到国家、省、市的确诊、疑似、治愈、死亡人数。2019-12-01 至 2020-01-02 数据来自 asycns 提供的实验室确诊数据。2020-01-02 至 2020-01-10 数据无变化。2020-01-10 至 2020-02-06 数据来源是国家、各省、武汉市卫生健康委员会的疫情通告。之后的数据是从今日头条界面上收集的。数据以 CSV 格式存储在版本库中，同时提供 JSON 及 EXCEL 格式数据。该研究数据是从 2020 年 2 月 5 日开始，到 2020 年 8 月 6 日结束。该数据描述的是全国每日新增确诊的数量。该数据包含地州名称、日期、每日各省新增
19、数量。每天的数据都有变化，因此研究期间，每天对应一个字段。而每天的字段命名格式为 yyyymmdd，数据类型为文本。4.2 数据的连接与转置将获取到地确诊数据与地图数据利用“连接”功能进行“连接”。由于数据是动态演变的，需要每天的矢量面都有一个记录。而且因为数据量大，所以利用 ArcGIS 软件的工具箱中的“转置字段”工具，生成一个结果包含“省”、“DATE”、“num”字段的属性表，“省”的数据类型为文本，“DATE”的数据类型为日期，“num”的数据类型为长整型。最终总共 6255 条数据。结果片段如图 2 所示：第 6 页图 2 数据处理后的部份表格4.3 动态图生成选中处理完成后的数据
20、图层，并打开“属性”，在“时间”标签里选中“在此图层中启用时间”复选框，即启用时间。因为添加时态数据集后，必须先设置其时间属性，才能在 ArcMap 中使用“时间滑块”来显示随时间变化的数据。继续对“时间”标签下其他内容进行编辑。单击“图层时间”下拉框，选择“每个要素具有一个开始和结束的时间字段”。如果时间存储在单个属性图层中，则使用“每个要素具有单个时间字段”；如果要素的开始时间和结束时间存储在两个单独的字段中，则使用“每个要素具有一个开始和结束的时间字段”，在这种情况下，要素会在某个特定时间段内显示，具体取决于开始时间字段和结束时间字段的时间值。本研究选择“每个要素具有单个时间字段”。调整
21、时间步长间隔，通常以固定时间间隔采集时态数据。时间步长间隔用于定义时态数据的间隔长度，并可使用时间滑块以指定的间隔查看数据。设置结果如图 3 所示：第 7 页图 3 图层属性编辑效果在“工具”中打开“时间滑块”编辑器，它可按日期显示数据，时间滑块与瞬时地图效果如图 4 与图5 所示。另外“时间滑块”还可导出为视频，以便储存和查看，导出格式为 avi，如图 6 所示。图 4 时间滑块效果第 8 页图 5 动态图效果动态图效果图 6 疫情动态地图视频4.4 创建图表在地图的动态展示的基础上，加入其他方式的补充展示，可以帮助公众更快速、直观的了解和获取所需信息。本研究加入图表的来展示每日确诊数量的情
22、况，这是一个连续、不断变化的完整过程。利用 ArcMap第 9 页中的“视图图表创建图表”功能生成图表，用 Y 轴表示省份，X 轴表示每日新增确诊数量。结果如图7 所示。图 7 图表效果4.5 疫情动态地图最终效果如图 8 所示。打开时间滑块后，通过对时间轴的移动，使我们能在地图和图表中看到 2020年 2 月 5 日-2020 年 8 月 6 日中国各省份确诊人数的变化。通过动态地图，我们可以直观的看到中国在疫情发生的前期，确诊人数一直在快速增长，尤其是湖北省的确诊人数增长最快。第 10 页图 8 疫情动态地图最终效果结论结论新冠肺炎疫情数据的可视化在这场“战疫”中展现了它的优点和作用，它能
23、够实时、高效地向用户传达疫情信息，在传递疫情信息、揭示疫情特征、提高民众防控意识、辅助管理层制定决策方面发挥重要作用。新冠疫情数据可视化的形式多样，而它与地理信息系统中的时态 GIS 相结合，让数据动态的显示。数据的动态可视化能让用户更快速地获取想要了解的信息，并提高用户分析多维时序数据的效率。本文论述了时空数据动态可视化与时态 GIS 相关内容。此外本研究尝试将 GIS 技术和信息可视化技术相结合，充分利用 GIS 挖掘空间信息的能力和信息可视化展现非空间信息的优势，让新冠肺炎疫情数据能在地图上直接的动态化展示。当然这个研究不是完美的，它还有很多不足之处需要改进：（1）数据不够丰富。本研究对
24、新冠疫情肺炎数据的动态可视化只选取了全国各省的每日新增数据，所以对信息的展示不够全面。（2）本研究仅基于 ArcGIS 地理信息系统平台进行动态可视化，不能让大众都直接的接触最终结果。交互功能不够完善。本研究仅仅是对新冠肺炎疫情数据的动态可视化，未来可以在此研究的基础上对其他数据进行动态可视化，以满足大众各方面的需求,除此之外未来还需进一步研究的内容：（1）丰富数据的内容，达到使用多项数据对事件进行全面展示，并能进行相关分析，并作出预判。（2）实现数据实时更新，并作出动态可视化图。第 11 页（3）增加用户交互功能，让用户获取他们所想要的信息。谢辞谢辞四年的大学生活马上要结束了，现在回想大学四
25、年的这四年，有许多美好的记忆。很高兴认识了我的三位室友，与别的寝室、专业的两位朋友。在上大学前我曾十分担心宿舍内室友间关系不和，因为这四年有很大一部分时间都要在宿舍度过，但认识她们以后，我所有的担心都不见了。她们各自都有她们的优点，小王做事很认真、顾总有自己的想法且思虑周全、周女神做事大气，这让我受益良多。希望我们以后友谊长存，希望大家都能有光明美好的未来。这大学的四年还要感谢在大学中教授我知识的各位老师。感谢班主任王令群老师平时对我的照顾，在课外我们可以像普通朋友一样互相评论朋友圈。还要感谢王建老师在我大学最后阶段的毕业设计中的指导，在大学这个每学期都会有不同的老师来教授课程这种教学环境中，
26、王建老师总共教过我三门课程，也是王建老师带我了解了空间信息相关的知识。另外这大学的四年，有三年我都是在信息学院团委中任职，我要感谢王姗姗老师对我的指导，她教给我怎么样更好的处理事务过程，交给我怎样组织和带领大家共同完成各种各样的任务和活动。还要感谢我的家人，尤其是父母。他们总是尽他们最大的努力在背后支持着我，希望他们身体健康。参考文献1马璇.警惕家庭聚集感染传播N.深圳特区报,2020 年 02 月 02 日，A06.2刘谨萍.基于时态 GIS 的统计地图动态可视化研究D.西南交通大学,2015.3刘纪平,常燕卿,李青元.空间信息可视化的现状与趋势J.测绘学院学报,2002(03):207-2
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