一种顾及语义数据层次特征的隐喻地图构造生成方法与流程

本发明涉及无定位语义数据的可视化表达，尤其涉及一种顾及语义数据层次特征的隐喻地图构造生成方法。

背景技术：

在大数据时代，随着各类软硬件技术的发展，获取数据的渠道更为多样，相应的，数据量得到极大丰富。对数据进行有效的表达，有助于从大量数据中提取有用的特征、规律、模式，从而促进对数据的理解、分析。构建合适的数据表达载体是其中的关键，优秀的数据表达载体不仅需要正确表达数据，还应采用适宜的形式向受众展示，以便于信息的理解。

根据数据中是否包含空间定位属性，可以将数据分为空间数据与非空间数据，后者即无空间位置特征的语义数据。对于空间数据，一般使用地图作为载体进行表达分析，非空间数据的表达则常借助各类图形图表进行。在使用图形图表进行数据表达时，往往缺乏艺术美感，或需要一定专业基础对表达内容进行分析解读。人类具有独特的空间认知优势，面对陌生、抽象的概念或关系，往往借助有形的空间事物辅助理解思考，使用形象思维代替抽象思维。地图是常用的空间数据表达载体，千百年来地图一直作为人类认识理解空间事物的重要工具，人类在读图识图过程中与地图建立了充分的熟悉。地图除了用于表达空间数据，亦可作为非空间数据的表达载体，即隐喻地图。隐喻地图通过将陌生领域的要素反映为人所熟悉的地图领域内要素对象，以建立源目标(地图对象)与对象目标(表达对象)之间的映射联系，达到以熟悉、可感的形式展示陌生、抽象内容的目的。

地图作为经典的认知模型，其不仅可以反映要素横向上的邻接性，更可以通过面域套合表达数据的层次关系特征。使用隐喻地图表达无定位特征的抽象层次数据，可以对数据结构、关系等进行显性展现，此外，地图制图学中丰富的技术方法可以为数据的表达分析提供有力的支撑。然而，目前尚缺乏系统化、体系化的隐喻地图构建方法，阻碍了隐喻地图的推广与使用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中缺乏无定位特征层次数据隐喻地图的系统化构造方法的缺陷，提供一种顾及语义数据层次特征的隐喻地图构造生成方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种顾及语义数据层次特征的隐喻地图构造生成方法，该方法包括以下步骤：

数据准备阶段：

模型化层次数据的结构特征，通过多叉树的形式统一组织层次数据，每一条层次数据项被存储在多叉树的一个树节点上；

地图构建阶段：

步骤1、构建隐喻地图框架：构造正六边形地图底图，按线性引导顺序为层次数据的各叶子节点分配空间区域，根据层次数据间的包含归属关系，通过合并子面域生成父面域的方式，自下而上的完成剩余节点的空间区域划分，完成隐喻地图框架构建；

步骤2、对隐喻地图框架进行地图整饰：对隐喻地图框架中的地图要素进行符号化处理，表达数据的层次结构特征，实现对数据的性质特点的展示。

进一步地，本发明的步骤1中构建隐喻地图框架的方法具体为：

步骤1.1、构建作为生成正六边形地图底图的离散点集合；

步骤1.2、以步骤1.1中的离散点集合的各离散点作为发生元，实施泰森多边形构造算法，得到单元形态为正六边形的地图底图；

步骤1.3，按照分形生成规则，构建引导地图区域划分的分形曲线；

步骤1.4，在步骤1.3构建的分形曲线的引导下，为层次数据叶子节点分配相应区域；

步骤1.5，根据层次数据结构中的归属包含关系，对步骤1.4中叶子节点区域进行合并生成父节点区域，不断重复此过程，完成所有节点区域的构建工作，继而得到隐喻地图框架。

进一步地，本发明的步骤1.1中构建作为生成正六边形地图底图的离散点集合的方法具体为：

步骤1.1.1、设定初始点坐标为L(x,y),设定沿y轴方向的递增步长为sy,设定沿x轴方向的递增步长为sx，设定点集纵向宽度为n，设定点集横向宽度为m，设定横向计步器i及纵向计步器j,进行计步器的初始化，设定i＝0，j＝0，开始离散点的构建过程；

步骤1.1.2、进行纵向构点，设置新构点坐标为L_new(x_a,y_a)，x_a＝x,y_a＝y+(j*s_y)，更新纵向计步器数值j＝j+1；

步骤1.1.3、不断重复步骤1.1.2，直到j＝n，即完成一列点的构建；更新横向计步器数值i＝i+1，j＝0，更新初始点横坐标x＝x+sx；对初始点纵坐标做自适应调整，当i为奇数，变化其数值即y＝y-s_y/2，当i为偶数，变化其数值即y＝y+s_y/2；

步骤1.1.4、不断重复步骤1.1.3，直到计步器数值满足终止条件，即i＝m，完成离散点集合的构建。

进一步地，本发明的步骤1.3中构建引导地图区域划分的分形曲线选择Gosper曲线，构建Gosper曲线使用字符绘制法，该方法具体为：

步骤1.3.1、构建字符替换规则F，对字符序列R中出现的字符进行一对多型替换；具体替换规则为F(A)＝{A-B--B+A++AA+B-}，即使用字符集合“A-B--B+A++AA+B-”替换字符“A”，F(B)＝{+A-BB--B-A++A+B}，即使用字符集合“+A-BB--B-A++A+B”替换字符“B”；其中，字符“A”、“B”为绘制字符，字符“+”、“-”为转向字符；对字符序列中的字符“A”、“B”完成一遍替换后，即认为完成一遍迭代过程；

步骤1.3.2、设置字符序列R的初始值为“A”，根据设置的迭代次数n，按照步骤1.3.1中的规则，对字符序列R进行n次迭代；

步骤1.3.3、根据生成的结果字符串序列R，进行曲线绘制；绘制流程为：

步骤A、设定绘制点p(x,y)，设定存储曲线折点的集合L，将初始点p(x,y)加入集合L，设定绘制步长s与步骤1.1.1中的s_y相等，设定绘制角度初始值θ；

步骤B、逐个读取序列R中字符内容，当字符为“A”或“B”时，更新绘制点坐标,x＝x+s*cos(θ),y＝y-s*sin(θ)，将更新后的绘制点加入集合L，当字符为“+”或“-”时，更新绘制角度，遇到字符“+”时，θ＝θ+π/3，遇到字符“-”时，θ＝θ-π/3；

步骤C、对于步骤B中所得到的点集合L，按照点的加入顺序将L中各点串联成线，得到Gosper曲线。

进一步地，本发明的步骤1.4中在分形曲线的引导下，为层次数据叶子节点分配相应区域的方法具体为：

步骤1.4.1、确定构图所需的六边形单位总数量n，确定需要表达的值属性总量v，计算每个六边形单位所代表的值属性数量u＝v/n；

步骤1.4.2、按顺序提取层次数据所有叶子节点，对于每个叶子节点，根据其所需表达值属性数值g，按k＝g/u计算其所需分配的六边形数目其中k需要做取整处理，沿Gosper曲线引导顺序为其分配对应数目的六边形，并对分配的六边形进行融合形成叶子节点的对应区域。

进一步地，本发明的步骤1.5中对叶子节点区域进行合并生成父节点区域的方法具体为：

步骤1.5.1、根据父子节点包含关系，对于同属于一个父节点的叶子节点对应区域进行合并操作，将合并得到的结果区域作为父节点对应区域；

步骤1.5.2、对于步骤1.5.1中得到的父节点区域，同样根据父子节点包含关系生成更高层次父节点的对应区域，以此类推，自下而上的通过合并低层次区域的方式构造高层次区域，直至到达最顶层父节点。

进一步地，本发明的步骤2中对隐喻地图框架进行地图整饰的方法具体为：

步骤2.1、根据隐喻地图框架中不同区域对象所对应的层级关系，依照层级关系对隐喻地图边界形式进行设计；

步骤2.2、依照层级关系对隐喻地图进行文字标注设计；

步骤2.3、根据不同区域对象所对应的分级或分类，对地图区域进行分级渲染或分类渲染。

进一步地，本发明的步骤2.1中依照层级关系对隐喻地图边界形式进行设计的方法具体为：

提取隐喻地图框架中各层级区域的边界，即区域外轮廓，根据区域对象所对应的层级关系，结合地图符号视觉参量方法，从边界的形状、尺寸、明度、颜色的方面对其进行设计，通过边界样式对区域层级关系进行区分。

进一步地，本发明的步骤2.3中对地图区域进行渲染的方法具体为：

地图区域分级渲染：选定地图渲染所需表达的值属性，选定渲染色彩类型，根据各区域属性值的大小，对不同区域渲染不同明度大小的色彩，通过色彩明度的大小反映属性值大小；

地图区域分类渲染：选定对各区域对象进行类型区分的属性，对不同属性值绑定不同色相的色彩，建立属性值与各种色相色彩间的映射关系；针对各地图区域，根据标识其类型的属性值，为其设定对应色相的色彩，以此实现通过色相类型区分区域对象种类。

本发明产生的有益效果是：本发明的顾及语义数据层次特征的隐喻地图构造生成方法具有如下优点：1、能够对具有层次关系特征的语义数据进行地图化展示表达，突出数据的结构特征，并对数据内容进行直观表达，展示数据属性特点。2、充分利用人的视觉认知天赋及对地图的熟悉，促进抽象数据的理解认知。3、提供一种新的数据可视化方式，将隐喻地图作为载体，便于地图相关技术、方法的引入以辅助无定位特征抽象数据的分析。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的方法流程示意图。

图2是本发明中离散点发生元示意图。

图3是本发明中六边形底图示意图。

图4是本发明中Gosper曲线示意图。

图5是本发明中Gosper曲线与六边形底图配准示意图。

图6是本发明中层次数据叶子节点地图区域。

图7是本发明中层次数据叶子节点父节点的地图区域。

图8是本发明中层次数据根节点的地图区域示意图。

图9是本发明中隐喻地图框架示意图。

图10是本发明中隐喻地图边界样式示意图。

图11是本发明中隐喻地图标注示意图。

图12是本发明中隐喻地图分级渲染示意图。

图13是本发明中隐喻地图分类渲染示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的顾及语义数据层次特征的隐喻地图构造生成方法，该方法包括以下步骤：

数据准备阶段：

模型化层次数据的结构特征，通过多叉树的形式统一组织层次数据，每一条层次数据项被存储在多叉树的一个树节点上；

地图构建阶段：

步骤1、构建隐喻地图框架：构造正六边形地图底图，按线性引导顺序为层次数据的各叶子节点分配空间区域，根据层次数据间的包含归属关系，通过合并子面域生成父面域的方式，自下而上的完成剩余节点的空间区域划分，完成隐喻地图框架构建；

步骤2、对隐喻地图框架进行地图整饰：对隐喻地图框架中的地图要素进行符号化处理，表达数据的层次结构特征，实现对数据的性质特点的展示。

在本发明的另一个具体实施例中，该方法的具体步骤如下：

1.构造离散点发生元。

离散点发生元的构建方法如下：

(1定初始点坐标为L(x,y),设定纵向(即沿y轴方向)的递增步长为s_y,设定横向(即沿x轴方向)的递增步长为s_x，设定点集纵向宽度为n，设定点集横向宽度为m，设定横向计步器i及纵向计步器j,进行计步器的初始化，设定i＝0，j＝0，开始离散点的构建过程。

(2进行纵向构点，设置新构点坐标为L_new(x_a,y_a)，x_a＝x,y_a＝y+(j*s_y)，更新纵向计步器数值j＝j+1。

(3不断重复步骤(2，直到j＝n，即完成一列点的构建。更新横向计步器数值i＝i+1，j＝0，更新初始点横坐标x＝x+s_x。对初始点纵坐标做自适应调整，当i为奇数，变化其数值即y＝y-s_y/2，当i为偶数，变化其数值即y＝y+s_y/2。

(4不断重复步骤(3，直到计步器数值满足终止条件，即i＝m。完成离散点发生元集合构建，结果如图2所示。

2.将步骤1中得到的离散点集合输入泰森多边形构造算法，得到泰森多边形集合。对位于泰森多边形集合边缘部位，形态并非正六边形的多边形进行剔除，得到无缝拼接的正六边形集合，结果如图3所示。

泰森多边形又叫冯洛诺伊图(Voronoi diagram)，得名于Georgy Voronoi，是由一组由连接两邻点直线的垂直平分线组成的连续多边形组成。泰森多边形是对空间平面的一种剖分，其特点是多边形内的任何位置离该多边形的样点(如居民点)的距离最近，离相邻多边形内样点的距离远，且每个多边形内含且仅包含一个样点。

3.构建引导地图区域划分的Gosper分形曲线。

(1，构建字符替换规则F，对字符序列R中出现的字符进行一对多型替换。具体替换规则为F(A)＝{A-B--B+A++AA+B-}，即使用字符集合“A-B--B+A++AA+B-”替换字符“A”，F(B)＝{+A-BB--B-A++A+B}，即使用字符集合“+A-BB--B-A++A+B”替换字符“B”。其中，字符“A”、“B”为绘制字符，字符“+”、“-”为转向字符。对字符序列中的字符“A”、“B”完成一遍替换后，即认为完成一遍迭代过程。

(2，设置字符序列R的初始值为“A”，根据设置的迭代次数n，按照步骤(1中的规则，对字符序列R进行n次迭代。

(3，根据生成的结果字符串序列R，进行曲线绘制。绘制流程为：

步骤A：设定绘制点p(x,y)，设定存储曲线折点的集合L，将初始点p(x,y)加入集合L，设定绘制步长s与步骤1构造离散点发生元(1中的sy相等，设定绘制角度初始值θ。

步骤B：逐个读取序列R中字符内容，当字符为“A”或“B”时，更新绘制点坐标,x＝x+s*cos(θ),y＝y-s*sin(θ)，将更新后的绘制点加入集合L，当字符为“+”或“-”时，更新绘制角度，遇到字符“+”时，θ＝θ+π/3，遇到字符“-”时，θ＝θ-π/3。

步骤C：对于步骤B中所得到的点集合L，按照点的加入顺序将L中各点串联成线，得到Gosper曲线。

图4表示了上述过程中构建完成的Gosper曲线，将其与步骤2中得到的正六边形底图(图3)进行匹配，使每个曲线折点都与六边形中心点(即泰森多边形发生元点)重合，得到匹配结果如图5所示。

4.节点区域的分配划定。

(1确定构图所需的六边形单位总数量n，确定需要表达的值属性总量v，计算每个六边形单位所代表的值属性数量u＝v/n。

(2，按顺序提取层次数据所有叶子节点，对于每个叶子节点，根据其所需表达值属性数值g，计算其所需分配的六边形数目k＝g/u，沿Gosper曲线引导顺序为其分配对应数目的六边形，并对分配的六边形进行融合形成叶子节点的对应区域，如图6所示。

(3，根据父子节点包含关系，对于同属于一个父节点的叶子节点对应区域进行合并操作，将合并得到的结果区域作为父节点对应区域，如图7所示。

(4，对于步骤(3中得到的父节点区域，同样根据父子节点包含关系生成更高层次父节点的对应区域，以此类推，自下而上的通过合并低层次区域的方式构造高层次区域，直至到达最顶层父节点，如图8所示。

自下而上完成所有节点区域的分配后，即可得到图9中所示的隐喻地图框架。

5.底图整饰操作。

(1依照层级关系对隐喻地图边界形式进行设计，地图整饰操作针对步骤4中生成的隐喻地图框架进行。首先提取各层级区域的边界即区域外轮廓，根据区域对象所对应的层级关系，结合Bertin地图符号视觉参量理论，从边界的形状、尺寸、明度、颜色等方面对其进行设计。如图10所示，通过边界样式可以对区域层级关系进行区分。

(2对图中区域进行文字标注。首先确定各区域需要进行标注的属性，一般为区域对象名称或其他自定义属性。根据标注区域的层次级别，对标注尺寸、样式、颜色等进行设计，以保证凸显标注间的层级关系，结果如图11所示。

(3对地图区域进行普染色，即进行区域渲染工作。区域渲染分为分级渲染或分类渲染，结合具体渲染需求进行，渲染操作面向属于同一层级的各区域展开，具体说明如下：

地图区域分级渲染：选定地图渲染所需表达的值属性，选定渲染色彩类型，根据各区域属性值的大小，对不同区域渲染不同明度大小的色彩，通过色彩明度的大小反映属性值大小，分级渲染结果可见图12。

地图区域分类渲染：选定对各区域对象进行类型区分的属性，对不同属性值绑定不同色相的色彩，建立属性值与各种色相色彩间的映射关系。针对各地图区域，根据标识其类型的属性值，为其设定对应色相的色彩，以此实现通过色相类型区分区域对象种类，分类渲染结果可见图12。

本发明的方法具有如下优点：1、能够对具有层次关系特征的语义数据进行地图化展示表达，突出数据的结构特征，并对数据内容进行直观表达，展示数据属性特点。2、充分利用人的视觉认知天赋及对地图的熟悉，促进抽象数据的理解认知。3、提供一种新的数据可视化方式，将隐喻地图作为载体，便于地图相关技术、方法的引入以辅助无定位特征抽象数据的分析。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。