[發明專利]一種基于螺旋圖的時間序列數據可視化方法

有效

• 申請號: 201710095028.1
• 申請日: 2017-02-22
• 公開（公告）號: CN106846437B
• 公開（公告）日: 2019-11-05
• 發明（設計）人: 李天瑞;楊歡歡;陳馨菂
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G06T11/20
• 分類號: G06T11/20
• 代理公司: 成都盈信專利代理事務所(普通合伙) 51245
• 代理人: 張澎

本發明公開了一種基于螺旋圖的時間序列數據可視化方法，包括如下步驟：首先對于給定的階段性時間序列，使用一個圓環表示一個狀態，多個同心圓表示階段性時間序列所包含的狀態集；其次狀態間的可達路徑使用螺旋線表示，其中螺旋線的顏色和透明度分別與路徑的種類和路徑與其他路徑的交叉點數量有關，而且螺旋線的透明度根據該螺旋線與其他螺旋線的交叉個數采用長尾算法計算；最后設計交互動作以滿足用戶的操作需要。對我國鐵路列車站點數據的實驗，驗證了模型對階段性時間序列數據可視化的有效性，并能夠為用戶對于狀態變換間路線選擇提供決策支持。本發明解決了在有限的空間中，在不增加時間軸長度的情況下，有效展示任意時間長度的路徑的問題，并通過采用基于長尾函數的透明度算法，給每條路徑分配透明度，降低路徑交叉重疊帶來雜亂度，同時有效保留了數據信息。

技術領域

本發明涉及信息可視化領域，尤指一種基于螺旋圖的時間序列數據可視化方法。

背景技術

人類的日常行為中，時間是無所不在的標尺。在當今數據劇增的時代，人們在活動中都產生著大量的數據，其中就包含涉及狀態變化的時間序列數據。人們往往希望從時間序列數據中得到數據隨著時間變化的模式，但是通過肉眼觀察大量數據是很難從中快速得到有效信息。

可視化將數據抽象為圖表的形式，幫助人們理解晦澀難懂的數據，并通過交互發現隱藏在數據中的知識。比較常見的可視化形式包括折線圖、圓餅圖、散點圖以及最近出現交互性比較強的桑基圖，樹圖等等。不同的可視化展現形式適用于不同特性的數據。可視化技術在展示時間序列數據已經取得了卓越的成果，例如曲線圖，主題河流，樹圖，螺旋圖等。其中螺旋圖是可視化中展示周期性時間序列數據的一種重要的形式。螺旋圖通過連續的螺旋線能夠展現數據在時間上的連續性以及不同時間周期上的變化規律，因此其在處理周期性連續數據領域得到了廣泛的應用。

階段性時間序列數據類型是一種比較特殊的數據類型，它描述了一個事件的狀態隨著時間的變化。一個事件從起始時間到結束時間，一共包含n個狀態，事件順序地從狀態1轉換到狀態n，從狀態i轉換到狀態i+1的過程稱為階段i，并且該過程存在多條可達路徑。對階段性時間序列數據可視化需要滿足以下要求：1.有效地展示狀態轉換過程中時間的變化；2.良好的交互，為用戶進行各個階段的路徑選擇提供決策支持；3.在有限的空間中展示可擴展的時間長度；4.保證數據可靠性的條件下滿足人們審美需求。

本發明所研究數據的重要特征是：狀態轉換之間的路徑耗時具有不確定性，而已有的可視化方法，如平行坐標、桑基圖等不能有效展示可擴展的時間軸。平行坐標與桑基圖，以一條時間軸表示一個狀態，狀態之間的連線表示可達路徑，那么當某個路線歷時很長時必然會導致與之相關的時間軸加長，這顯然不符合可視化簡潔美觀的審美要求。本發明提出的螺旋圖能較好解決這個問題。

螺旋圖廣泛應用于表示周期性變化的時間序列數據。在較早1998年Carils等給出了一種可視化周期性時間序列數據的新型可視化形式，并介紹了幾個螺旋可視化的實際應用。不同的可視化樣式可以以螺旋圖的樣式排列布局在圖表上，比如墨點圖，三維環圖，柱狀圖，這些實體的大小表示數值的大小。1999年Hewagamage等采用3D的螺旋形式在地理圖片上展示時空性數據。2001年Weber等關注使用線條與顏色對時序性數據編碼。當數據量較大時提出使用3D耳輪式螺旋展示數據。2002年Dragicevic等提出一種新型的可視化展示即將發生事件的方式——SpriaClock(螺旋時鐘)，它結合了螺旋圖和時鐘表現形式，能較好展示時序發生的一系列事件。2005年Tominski等提出在3D地圖上展示3D耳輪螺旋圖，它針對3D地圖帶來的信息隱藏提出了隧道視圖查看更多耳輪螺旋圖隱藏的信息，并提出將耳輪螺旋圖進行顏色編碼展示多個變量的數據的編碼形式。2008年Tominski等提出使用TTPC編碼方式對螺旋圖顏色編碼，使得數值對于用戶更加清晰可辨。2012年Cheng等提出一種新穎的極平行坐標的方式可視化時間序列數據，并與傳統平行坐標進行比較。極平行坐標可以展示更多的坐標，而且可以有效地展示時間序列數據的周期性特征。

發明內容