[发明专利]一种基于螺旋图的时间序列数据可视化方法

说明书

本发明公开了一种基于螺旋图的时间序列数据可视化方法，包括如下步骤：首先对于给定的阶段性时间序列，使用一个圆环表示一个状态，多个同心圆表示阶段性时间序列所包含的状态集；其次状态间的可达路径使用螺旋线表示，其中螺旋线的颜色和透明度分别与路径的种类和路径与其他路径的交叉点数量有关，而且螺旋线的透明度根据该螺旋线与其他螺旋线的交叉个数采用长尾算法计算；最后设计交互动作以满足用户的操作需要。对我国铁路列车站点数据的实验，验证了模型对阶段性时间序列数据可视化的有效性，并能够为用户对于状态变换间路线选择提供决策支持。本发明解决了在有限的空间中，在不增加时间轴长度的情况下，有效展示任意时间长度的路径的问题，并通过采用基于长尾函数的透明度算法，给每条路径分配透明度，降低路径交叉重叠带来杂乱度，同时有效保留了数据信息。

技术领域

本发明涉及信息可视化领域，尤指一种基于螺旋图的时间序列数据可视化方法。

背景技术

人类的日常行为中，时间是无所不在的标尺。在当今数据剧增的时代，人们在活动中都产生着大量的数据，其中就包含涉及状态变化的时间序列数据。人们往往希望从时间序列数据中得到数据随着时间变化的模式，但是通过肉眼观察大量数据是很难从中快速得到有效信息。

可视化将数据抽象为图表的形式，帮助人们理解晦涩难懂的数据，并通过交互发现隐藏在数据中的知识。比较常见的可视化形式包括折线图、圆饼图、散点图以及最近出现交互性比较强的桑基图，树图等等。不同的可视化展现形式适用于不同特性的数据。可视化技术在展示时间序列数据已经取得了卓越的成果，例如曲线图，主题河流，树图，螺旋图等。其中螺旋图是可视化中展示周期性时间序列数据的一种重要的形式。螺旋图通过连续的螺旋线能够展现数据在时间上的连续性以及不同时间周期上的变化规律，因此其在处理周期性连续数据领域得到了广泛的应用。

阶段性时间序列数据类型是一种比较特殊的数据类型，它描述了一个事件的状态随着时间的变化。一个事件从起始时间到结束时间，一共包含n个状态，事件顺序地从状态1转换到状态n，从状态i转换到状态i+1的过程称为阶段i，并且该过程存在多条可达路径。对阶段性时间序列数据可视化需要满足以下要求：1.有效地展示状态转换过程中时间的变化；2.良好的交互，为用户进行各个阶段的路径选择提供决策支持；3.在有限的空间中展示可扩展的时间长度；4.保证数据可靠性的条件下满足人们审美需求。

本发明所研究数据的重要特征是：状态转换之间的路径耗时具有不确定性，而已有的可视化方法，如平行坐标、桑基图等不能有效展示可扩展的时间轴。平行坐标与桑基图，以一条时间轴表示一个状态，状态之间的连线表示可达路径，那么当某个路线历时很长时必然会导致与之相关的时间轴加长，这显然不符合可视化简洁美观的审美要求。本发明提出的螺旋图能较好解决这个问题。

螺旋图广泛应用于表示周期性变化的时间序列数据。在较早1998年Carils等给出了一种可视化周期性时间序列数据的新型可视化形式，并介绍了几个螺旋可视化的实际应用。不同的可视化样式可以以螺旋图的样式排列布局在图表上，比如墨点图，三维环图，柱状图，这些实体的大小表示数值的大小。1999年Hewagamage等采用3D的螺旋形式在地理图片上展示时空性数据。2001年Weber等关注使用线条与颜色对时序性数据编码。当数据量较大时提出使用3D耳轮式螺旋展示数据。2002年Dragicevic等提出一种新型的可视化展示即将发生事件的方式——SpriaClock(螺旋时钟)，它结合了螺旋图和时钟表现形式，能较好展示时序发生的一系列事件。2005年Tominski等提出在3D地图上展示3D耳轮螺旋图，它针对3D地图带来的信息隐藏提出了隧道视图查看更多耳轮螺旋图隐藏的信息，并提出将耳轮螺旋图进行颜色编码展示多个变量的数据的编码形式。2008年Tominski等提出使用TTPC编码方式对螺旋图颜色编码，使得数值对于用户更加清晰可辨。2012年Cheng等提出一种新颖的极平行坐标的方式可视化时间序列数据，并与传统平行坐标进行比较。极平行坐标可以展示更多的坐标，而且可以有效地展示时间序列数据的周期性特征。

发明内容