新冠数据动态(1)(1)(1).doc
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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毕业论文(设计)(2021届本科) 题 目:新冠肺炎疫情数据动态可视化方法研究 学 院:信息学院 专 业:空间信息与数字技术 班 级:1班 姓 名: 学 号: 指导教师: 2021年3月目 录1 绪论11.1项目背景与意义11.2国内外研究现状21.3本文内容及组织架构42 研究基础52.1动态可视化52.1.1时空数据动态可视化52.1.2动态地图52.2时态GIS62.2.1概念62.2.2主要功能62.2.3应用领域72.3技术基础83 疫情数据动态可视化设计83.1动态可视化表达的目标要求83.2时空过程动态可视
2、化方法93.3动态可视化设计93.4项目可行性分析104 基于ArcGIS的动态可视化实现过程114.1数据准备114.2数据的连接与转置114.3动态图生成124.4创建图表144.5疫情动态地图15结论16谢辞17参考文献17新冠肺炎疫情数据动态可视化方法研究摘要:2020年,是人们共同奋斗的一年,在年初,突如其来的新型冠状病毒肺炎疫情随着春运的人员大规模流动在全国乃至全世界快速地蔓延,这之后疫情的相关动态就每时每刻都牵动着全球民众的心。事实证明,信息的公开透明、及时有效和实事求是有利于疫情的防控。信息的可视化有利于对多样化数据的挖掘,能将数据的特征、客观规律及隐藏在背后的信息直观地呈现出
3、来。而数据动态可视化有利于普通用户和管理人员快速对疫情数据进行分析、判断,预测发展状态。尤其是GIS中的时态GIS的发展和应用,对具有时空特征的数据的描述有重大意义。本文以研究新冠肺炎疫情数据动态可视化方法为目的,在时空数据动态可视化、时态GIS等相关研究理论的基础之上,利用信息技术可视化展示非空间、利用GIS挖掘新空间,并试图将两者的优势进行充分的结合,最终设计实现新冠肺炎疫情数据的动态可视化。从而帮助公众更直观、快速地通过数据的动态化展示获取他们所想了解的信息。关键词:新冠肺炎;GIS;时空数据;动态可视化Study on Dynamic Visualization Method of C
4、OVID-19 DataAbstract: The year 2020 was a year of common struggle. At the beginning of the year, the sudden outbreak of new coronavirus pneumonia spread rapidly in the whole country and around the world along with the mass migration of people during the Spring Festival, and the dynamics of the outbr
5、eak have touched the hearts of people all over the world. Facts have proved that open, transparent, timely, effective and realistic information is conducive to the prevention and control of the epidemic. The visualization of information is conducive to the mining of diversified data, which can visua
6、lly present the characteristics, objective laws and hidden information of data. Dynamic visualization of data is helpful for common users and managers to analyze, judge and predict the development status of epidemic data. In particular, the development and application of temporal GIS in GIS is of gr
7、eat significance to the description of spatiotemporal data. Based on spatiotemporal data visualization and temporal GIS, this paper combines GIS technology with information visualization technology, and makes full use of GIS ability to mine spatial information and information visualization to show t
8、he advantage of non-spatial information. Thus help the public more intuitive, fast through the dynamic display of data to obtain the information they want to know.Key Words: COVID-19; GIS; spatio-temporal data; dynamic visualization1 绪论1.1 项目背景与意义众所周知,在我国过去的十年间,像禽流感、甲型流感等公共卫生事件对我国社会经济发展造成了不可忽视的损失。不幸
9、的是2019年我国再次面临一次重大的突发性公共卫生事件-新兴冠状病毒,新兴冠状病毒比以往过去十年的任何一次卫生事件更难以控制,可以说这是新中国成立以来,我国乃是全世界面临的防控难度最大的一次卫生安全事件。在其于2019年12月末在武汉出现首例病毒性肺炎病例后,该病迎来了一次大范围爆发。世界卫生组织于2020年l月12日将它命名为SARS-CoV-2。WHO于2020年2月11日将其称为“corona virus disease 2019”。新型冠状病毒具有潜伏期长、传播性强的的特点,往往通过呼吸飞沫传染,因而也不易被人们察觉1。因为是新毒株的出现,人们对其特点和流行规律缺乏认识,不掌握或较少掌
10、握防治方法,恰巧正逢春节的人流大迁徙,所以在前期出现快速传播,大范围扩散,导致大量的人感染,并对人们的健康造成严重危害,给社会经济带来重大损失。所以要了解每个地区的人员感染情况,每日数据的变化,并依据此施行有效的措施,如封城、封路的方法,减少人员的流动,从而减少新型冠状病毒的传播。而随着技术的发展,新闻报道中对疫情状况的简单的文字描述不足以满足人们对信息的认知和了解,而是致力于让信息借助图形化手段,清晰有效地传达与沟通信息。可视化技术将统计数据变成文字、图标以及统计地图的形式,方便人们查看以及帮助人们深入了解2,对于疫情相关信息而言,统计地图这个统计数据中重要的可视化形式可以作为展示疫情数据的
11、一个有效方法。但是这种统计地图只是静态的表达,无法充分利用统计数据,造成了一种浪费。而且用户需要每天再次下载公布出的最新地图,即无法达到实时的效果。所以在此基础上能有效利用数据的动态可视化方法成为一大热门方法,它能让人们实时获取和了解疫情的情况,如哪里又新增确诊。从而人们可以根据所获取的这些透明、及时、属实的信息来做出合理的判断。最出名的是丁香医生疫情实时地图,也是持续更新最直接最及时的疫情动态地图,它主要通过疫情地图的形式展示疫情实时动态,其疫情数据主要从各大官方渠道整合汇总。在此之前,空间技术不断地被发展,并被各种应用深入,因此有人在此基础上提出,时间和空间数据模型的研究,并将建立和集成空
12、间可视化技术作为研究的重点。例如,利用数据库的资源达成网上空间的可视化,以及空间知识、空间信息的处理可视化3。现有的时空数据可视化方法和技术,主要通过计算机的动画以及图形图画完成,这为表现时空数据的动态变化提供了极大地可能性,同时时空数据的展示也得益于GIS及其数据模型的进步,这都为时空数据的呈现提供了强大的技术支持。1.2 国内外研究现状数据可视化的目的是为了给人们提供一种更为直接的可视化交互环境。它主要是指数据库中的数据可以进行不同的组合及整理,这也就方便人们从数据的多个角度进行观察和解读,换句话说,就是将数据看作是一个图元,那么多个数据就是多个图元集合,这样研究者就可以从不同的视角分析图
13、元,即数据。数据可视化技术主要具有交互性、多维性以及可视性的等特点:(1)首先是可视化技术的交互性。主要是指用户或是研究者可以直接地相互管理和研究、甚至开发数据。(2)其次是可视化技术的多维性。数据可视化本身就是可以从多角度、多视角进行分析和研究的,因此,研究者也可以对数据进行分门别类、排列组合,并根据每个维的值来显示。(3)可视性。数据可以用多种形式来展示,比如图像、曲线、二维图形、3D影像等。公众可依此对数据的相互关系进行可视化分析。数据可视化在流行病学中的最早应用可以定位到1853年发生霍乱的伦敦。许多医生觉得霍乱和天花是由“瘴气”中的有害物所引发的。然而英国医生John Snow(18
14、13-1858)并不这样想,他认为污水是传染源。他绘制了一张标记有病例地点的地图。他发现了大多数的病例都围绕这某一口水井聚集。经过对这张霍乱死亡映射图的分析,John Snow医生认为这个井就是霍乱病传染的根源5。官员被这张地图说服,政府因此拆去水泵的手柄。居民无法在此取水。自此之后,传染病就消失了。这张地图阐释了可视化技术在帮助追踪和阻止致命性流行病方面具有重要作用。图1 John Snow 霍乱疫情地图如今,疫情可视化最直接、最常用的方法是将疫情数据绘制成动态地图。疫情地图主要结合全国各省市、甚至是街道社区的定位信息产生的相关数据而形成,其主要目的是为了方便民众查询周边的疫情实况。除以上优
15、势外,可视化数据也可以借助于散点图等方式呈现病毒患者的个人踪迹,这样不仅可以及时更新疫情地图,更可以帮助相关政府部门进行疫情防控6。依据数据可视化的方式方法以及数据内容,可将现有的公共平台大致可分为疫情的数字可视化、疫情实时地图以及疫情可视化分为3类:(1)疫情的专题可视化疫情的表现有多个层面,通过专题可视化可直观地展示其不同特征,辅助揭示其内在规律。针对病例变化的可视化方式有:折线图、气泡图、堆积面积图、螺旋柱状图、晴雨表、像素图、Sankey图、传染树图等。疫情折线图、气泡图、堆积面积图以及螺旋柱状图主要通过不同专题图形表达各地疫情统计特征,给人以更加直观感觉。疫情变化晴雨表以及像素图借鉴
16、像素可视化的思路表示各地每天新确诊人数以及变化趋势,可非常直观地进行各地最新疫情的比较。疫情桑基图通过流量延伸分支的方式,能够揭示疫情随人流的传染路径,而疫情传染树图则可显示病毒起源、变异、传播过程7。(2)疫情地图可视化疫情实时地图将疫情过程与地图表达结合,可展示与COVID-19相关要素的时空变化,是目前表达疫情时空传播的主要方式。目前关于疫情的地图类型,主要有静态分布地图、动态演变地图,财新数据的病例流向图,疫情仪表盘,世卫组织疫情仪表盘等。针对疫情表达的内容,主要包括:病例分布、病例轨迹、医疗资源、疫情风险、民众反响等。(3)疫情可视化探索分析除了对疫情的时空分布进行展示外,部分网站提
17、供了针对疫情规律和原因的可视化探索分析功能。疫情可视化探索分析是在疫情实时地图的基础上,通过空间分析及统计方法,进一步对疫情数据进行交互式的分析。针对疫情的可视化探索功能主要包括:热点分析、关联分析、动态演化、风险分析等。Tableau在其表数据分析基础上构建了疫情病例的可视化热点分析功能,对美国、印度等多个国家疫情热点进行探测。WHO(World Health Organization)在其疫情地图网站上添加了数据探索功能,提供了疫情累计病例、死亡人数、本地人口等数据的多维展示以及关联分析功能,并通过动态散点图反映疫情指标间的关联关系变化。美国CDCP(Centers for Disease
18、 Control and Prevention)的Data Visualization以及欧洲ECDC(European Centre for Disease Prevention and Control)在其疫情地图上构建了分析模型,提供了动态演化及疫情对比结果。英国南安普顿大学的WorldPop研究组根据疫情与人群移动数据分析并绘制了动态疫情风险地图8。1.3 本文内容及组织架构本文主要研究怎样将信息可视化与GIS技术相结合,并依此将新冠肺炎疫情数据动态可视化。第一章为绪论部分,主要阐述了疫情数据可视化分析的研究背景和研究现状,进而通过对相关现状的分析与说明,总结出疫情数据可视化分析的重要
19、意义。第二章主要针对疫情数据可视化分析涉及的相关理论知识,对相关概念进行辨析和论述,例如时空数据动态可视化、动态地图、时态GIS。第三章主要对疫情数据动态可视化方法进行研究和设计。主要依据分析可视化的目标进行可视化分析、设计。第四章主要是可视化的实施过程。基于ArcGIS的动态可视化,进行疫情数据的可视化分析过程研究。最后对本研究的相关内容进行总结,并提出不足,期望后人进行深入研究。2 研究基础2.1 动态可视化2.1.1 时空数据动态可视化可视化分析是一种心理过程,主要是指人脑中可以形成一种帮助人们观察事物的图像,这种图像易于人们形成关于事物的概念。将大量由实验获得的抽象数据通过计算机技术或
20、系统,转化成人们可以直接进行数据分析和探索的计算机图形,就是科学计算可视化。地理可视化是对地学数据的视觉分析,这也是科学计算可视化的具体应用。地理可视化是用于促进地学的研究与探索,主要是指地学研究者将地学数据进行处理和分析,并结合地理学和地图学的理论,把分析的数据转化成图表、文字或者是符号的形式。时空数据也称为多维数据,是分析时空现象的数据。具体来说,时空数据可以表示研究现象的时间、空间以及属性等多方面的变化过程,因此它也是时空信息的重要载体。研究时空数据的可视化对研究地理现象的多维变化关系和变化规律有巨大的帮助。但是对于时空数据的可视化研究,不仅要对地理对象进行空间形态的模拟,更关注地理对象
21、在空间形态和属性方面的动态变化。根据先前研究内容不难发现,时间的动态性与用户沟通参与的互动性是时空数据可视化的两大重要特点。但是考虑到时态表达的紧急性要求,并参考数据的动态变化以及可视化表现出的动态的视觉性感受两方面内容,能否最大程度地体现动态性才是更为重要的方面,比如利用Falsh这种技术说明某个对象在特殊时间内的变化发展状况,还有电子地图或静态地图中常见的地图符号的明灭、高亮以及由视觉变量造成的动感等都是对动态性要求最好的证明。时空数据的动态可视化指的是同时兼顾时间信息的独特性以及时间、空间变化的多变性等因素,利用动态突显技术以表现出变化的过程。其目的是为了显现一种动态过程,也就是展现地理
22、实体(研究对象)根据时间的推移而不断变化的过程,所以,可视化这种技术和其表达效果应该满足更高标准的要求,但必须以用户为中心,兼顾动态和效果、可互动性、平滑流畅性和可回溯性。2.1.2 动态地图随着人们视觉体验的不断提高,以及时间要素在地图上体现的需求越来越迫切,动态符号慢慢在各类地图中出现的原因源自于人们对视觉体验的要求越来越高,另外的原因就是时间要素需要飞快地表现在地图中。动态符号的出现一方面催生了动态地图的出现,另一方面极大地丰富了传统地图的功能,改变了传统地图只能显现研究对象的空间地理方位和说明研究对象概念特点的简单功能。作为时空数据动态可视化的重要表达方式,动态地图前景广阔,其优势十分
23、明显,主要是用户交互式操作方面,地图能够通过一系列跟踪和模拟监控手段清楚再现出动态化的地理现象变化情况,而不像以前那样单呈现出最终结果,从以下这几方面看其功能:(1)过程再现:过程再现即再现动态变化过程,通过保存的历史数据构建出先前变化过程的模型然后进行可视化的显示。例如为了便于城市合理规划,利用再现功能动态显示近年来某市各个小区房价变动趋势从而为城市内部资源分配和发展重心迁移规划提供重要的参考依据。(2)实时跟踪:因为动态地图能实时监测外部世界,也就是说动态地图显现出来真实世界的数据源是和现实世界趋于一致的,因而动态地图能够实时表现地理实体或模型的运动情况。比如利用动态地图可以对一些自然灾害
24、进行实时的监测,方便第一时间采取措施以预防灾害发生。(3)运动模拟:基于用户视点的行进变化情况并对此进行建模。比如模拟飞行,以用户视点立体三维路线为中心,加以调整速度和加速度,人们能够很好地模拟甚至于掌握飞行运动飞行运动。2.2 时态GIS2.2.1 概念GIS(geographic information science或Geographic Information System),无论是作为一门学科和技术,还是作为一个技术系统,已经和我们的生活息息相关、密不可分了。作为一门学科,它能说明、储存、分析并传送空间信息;作为一个技术系统,它采用地理模型分析法,以地理空间数据库(Geospatia
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