关系网络 | 文献精读:复杂的地理流动可视化

本文将详细探讨一篇2017年发表的论文《Many-to-Many Geographically-Embedded Flow Visualisation: An Evaluation》[1]，是关于在许多地理位置之间资源流动的可视化，论文作者是Yalon Yang等人。

此论文提出了一个新的可视化样式——MapTrix，混合了不同类型的可视化（地图、关系网络、矩阵）。

MapTrix：呈现地理位置之间资源的流入与流出

根据国家的复杂程度，MapTrix可以分成上图左右两种样式：澳大利亚的州的数量较少，在呈现州跟州之间资源流动时，比较简单，中间的长条图用来表示资源的流入与流出；美国的州数量较多，流动可视化变得复杂许多，因此简化了可视化的设计，删除了中间的长条图。

此论文的二个主要贡献

1、提出一个新的、混合了不同类型可视化的样式——MapTrix。结合了流动与OD矩阵，此可视化保存了这二种可视化类型的优点（保有地理信息、避免视觉杂乱）；

2、第一个使用定量研究方法来比较静态流动可视化的论文（静态是指无法交互），大致上是给受测试者指定一些任务，需要理解可视化才能正确回答，回答的正确率与回答时间都会被记录下来。

如同其他类型的关系网络可视化一样，流动可视化的易读性一直是一个问题。如何清楚展现许多地理位置之间的资源流动状态，是很有挑战性的难点。

MapTrix用来展现许多地点之间资源的流动状态。在论文中，MapTrix的设计并不是用来自嗨，而是有明确的目的（在地图上清楚展现复杂的资源流动）并用实验来评估MapTrix的易读性、可理解性等。

这篇论文一样隶属于关系网络可视化的范畴，在视觉上用点线/矩阵表达不同地点之间资源的流动是关系网络可视化的一种。在地图上，地理位置可以视为关系节点（nodes），资源的流动可以用关系线（edges）表达。更多关于节点与线组成的关系网络可视化，在关系网络 | 文献泛读之1:node-link与matrix已经大致梳理，本文着重在跟地理信息结合的关系网络可视化。

对我的启发

这篇论文是我在许多可视化论文中最喜欢的其中一篇，它对我的启发：

1、设计可视化从来不是拍脑袋随意决定的，每一步设计过程，需要有具体的目标支持；

2、体现可视化的“千面”特性，不同类型的可视化可以根据分析任务的不同来进行组合；

3、论文结构清楚，具有良好、易懂的写作逻辑；在写关系网络 | 实操案例分享论文时，学习了这篇论文的写作架构与思路。 

流动数据可视化相关文献

根据作者在论文中的阐述，不同地点之间资源、人的移动，称为流动（flow）。关于流动的论文，论文作者将这部分分成以下三类：

要可视化资源流动，不一定需要使用关系网络；用不同地图表明不同时期的数据状态，如上图1、2，一样是展现数据的流动变化。

此论文探讨的主题是流动地图与OD地图，论文作者将在视觉上呈现流动的方法，分成三类：1、流动地图；2、OD矩阵；3、其他方法。

1、流动地图：

在地图上用箭头/线呈现OD（起始&结束），一个经典的例子：

Minard画的这张图，展示1858年人口的流动，线条的粗细代表人口流动的多寡，颜色代表人口的来源国家/地区，例如：黄色是中国，些许人口流入古巴、澳大利亚、加利福尼亚州。（查看高清地图：https://cartographia.files.wordpress.com/2008/05/minard-full.jpg）

但这种方式在数据量变大时，容易导致杂乱并难以阅读，论文作者综述了三种方法来解决此类问题：

2、OD矩阵：

用矩阵的行&列去表示OD，但此类可视化造成的最主要问题是，遗失了地理信息。论文作者归纳了二种解决方法：

3、其他方法：

将地图结合其他可视化来呈现流动数据：

但以上这些方法都分别存在一些不足之处，例如，流动地图的方式还是容易造成视觉杂乱，OD地图则是还没有定量的研究方法来跟其他类型的可视化做评估比较。

MapTrix的设计思路

1、整体视觉层面的设计

论文中详细阐述了设计迭代的三个过程：

2、Leader line放置的算法

为了清楚呈现流动线，论文提出了几个算法来限制流动线的绘制，如：不能有交叉，相邻的线要清楚分开等，详细的算法见论文。

定量研究&研究后的重新设计

将MapTrix与flow map跟OD地图定量比较。为了与MapTrix具有可比较的基础，论文作者设计了定制的flow map、OD map。例如，Flow map的设计，基本上是将flow线捆绑并使用渐层颜色来表示flow的方向。

评估MapTrix易读性的实验，具体而言是跟同样表示资源流动的可视化做比较：

以澳大利亚为例：

（a）Bundled Flow Map，在澳大利亚地图上，把各个州之间的关系线聚集起来，用来表示州跟州的资源流动（flow）；

（b）OD Map，将地图简化成数个大方格（代表澳大利亚的每一个州），这些大方格尽量排列成澳大利亚的形状，并在每个大方格内嵌入数个小方格。这种方式取代了关系线的使用，可以展示不同州之间的资源流动，小方格的颜色代表流入这些州的资源数量；

（c）MapTrix，同时使用地图与矩阵，用地图展示位置的地理信息，用矩阵展示每个位置之间的资源流动状态，每个矩阵的小方格的颜色代表州跟州的资源流动数量。

通过许多测验后（详见论文），结果显示，OD地图与MapTrix有相似结果，但flow地图表现不佳（did not scale at all well）；实验参与者偏好MapTrix。

在第二次实验时，使用了比较复杂地图，来考验MapTrix的延展性。第一次实验用的是澳大利亚的地图，澳大利亚的地理位置点比较少，在第二次实验时，选了具有较多地理位置点的美国。

第一次研究flow map的表现明显比MapTrix、OD地图差，所以第二次研究时只比较MapTrix、OD地图。

因为选用了比较复杂的地图，所以可视化的设计上有所调整：因连接线过多，移除了地图与矩阵中间的长条图：

结果显示，MapTrix、OD地图仍具有相似的表现，而且两种方法可以适用51x51的流动线。研究也显示，受测试者花了更多的时间来回答题目。

复杂Maptrix的交互版本

因为地图变复杂后，静态的可视化样式已经无法清楚呈现，所以论文作者研发了可交互的MapTrix。

交互版的MapTrix可以针对特定的地理位置进行展示，选定部分的地理位置后，右边的矩阵也相应简化，只显示这些位置的对应关系。

交互版的MapTrix在设计上跟静态的版本有些不同，不只是交互上的区别，还有视觉呈现上的不同，这个交互版本并没有通过定量研究来评估易读性。

（交互版本的demo链接 https://vis.yalongyang.com/maptrix/index.html）

结语

在2017年秋季上关系网络这门课时，我们阅读了许多相关的论文，并需要在课堂上、网上讨论心得，老师要求我们除了总结论文的贡献之处，还需要以自己的观点提出论文的不足之处。我个人认为这是是个很好的思辨训练。永远要对现有的可视化提出不足之处，并提出改进的方式，这样可视化的创新与进步才能不断的持续下去。

我当时提了两点可以改进的地方，简要陈述如下：

1、对于目标用户没有详细的说明

2、可视化的交互不是很直观

阅读这篇文章的读者们也可以留言讨论，你认为MapTrix的三种设计样式在哪些部分有所不同，以及你认为这样设计好或不好，还有可能可以的改进方式有哪些

Reference

1.Y. Yang, T. Dwyer, S. Goodwin and K. Marriott, "Many-to-Many Geographically-Embedded Flow Visualisation: An Evaluation," in IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, vol. 23, no. 1, pp. 411-420, Jan. 2017.
doi: 10.1109/TVCG.2016.2598885
URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7539669&isnumber=7747554