1、計 算 機 工 程 第 33 卷 第18期Vol .33 No.18 Computer Engineering · 軟件技術與數據庫 ·文章編號：10003428(2007)18006702文獻標識碼：A2007年9月September 2007中圖分類號：P208可視化技術在空間數據挖掘中的應用王占剛1,2，莊大方1，邱冬生1(1. 中國科學院地理科學與資源研究所資源環境數據中心，北京 100101；2. 中國科學院研究生院，北京 100039)摘 要：在闡述可視化與空間數據挖掘關系的基礎上，探討了可視化在空間數據挖掘過程中應用的各個環節，提出了將具體應用劃分為概念層、邏

2、輯層和基礎層3個層次。以地質模型數據挖掘為例，對應3個層次闡述了可視化應用的關鍵技術：地質模型可視化，交互式挖掘與探索性可視化分析。開發了一個原型系統，初步實現了可視化挖掘功能。 關鍵詞：可視化；空間數據挖掘；人機交互；探索性可視化分析；地質模型挖掘Application of Visualization Technology in Spatial Data MiningWANG Zhan-gang1,2, ZHUANG Da-fang1, QIU Dong-sheng1(1. Data Center for Resources and Environment Sciences, Instit

3、ute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy ofSciences, Beijing 100101; 2. Graduate School, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039)【Abstract】Based on the relation between visualization and spatial data mining, every step about the application of visualization in v

4、isual datamining is discussed. Application is divided into three levels: concept level, logistic level and base level. Taking geological model mining as anexample, pivotal techniques are brought forward in accordance with the three levels: geological model visualization, interactive data miningandex

5、ploratory visual analysis. A prototype system is developed and visual data mining is realized.【Key words】visualization; spatial data mining; man-machine interaction; exploratory visual analysis; geological model mining面對日益豐富的空間數據，如何從中提取隱含的知識、空間關系和特征、發現人們未知的各種空間規律和趨勢，是空間分析領域急待解決的關鍵問題之一1。數據挖掘(data min

6、ing, DM)是從大量數據中發現知識的有效途徑，但其算法本身非常復雜，過程較為抽象，挖掘的結果通常難以理解2。可視化技術可以從復雜的多維數據中產生圖形展示客觀事物及其內在的聯系，從而豐富科學發現的過程3,4。通過豐富的圖形表現能力，可視化技術能夠準確地表達原始數據、挖掘結果、挖掘過程，使用戶深入地理解問題并選擇更適當的數據挖掘算法，達到深入剖析數據的目的。尤其面向空間數據，可視化對于揭示空間實體的結構特征、相互關系及演變規律具有十分重要的意義。用，輔助人們進行空間認知6。通過該環境，可以激發人的形象思維，幫助人們尋找數據中的模式和特征，加深用戶對數據含義、數據之間的相互關系和發展趨勢的理解7

7、, 8。可見，如果能充分利用可視化技術豐富的圖形表達能力，在準確表達原始數據的基礎上，通過人機交互融入用戶自身的專家知識與經驗，實時地選擇數據挖掘方法，并將每一個過程清楚地表達出來，就能讓用戶深入地理解問題并根據需求不斷地改進挖掘方法，使得整個空間知識發現經歷一個逐步求精的優化過程6，實現探索性數據分析的目的。2 可視化在空間數據挖掘中的應用2.1 應用環節數據挖掘的步驟可分為3步：數據準備，數據挖掘和結果的解釋評估2。其中，數據準備是對多種數據源進行清理、集成、選擇和變換的預處理工作；數據挖掘步驟是使用某種方法提取感興趣的數據模式；結果的解釋評估是用符合用戶習慣的表達方式向用戶提供挖掘的知識

8、，并且依據某種興趣度對模式進行度量。從空間數據挖掘過程和自身特點來看，其每一步都需要可視化的支持。結合傳統數據挖掘的步驟，本文將可視化技術在空間數據挖掘過程中的應用歸納為以下幾個環節：原始數據可視化，人機交互操作，數據挖掘過程表達以及挖掘結果的可視化。其對應于整個空間數據挖掘的過程，如圖1所示，在對原始數據可視化的基礎上進行相應的預處理工作，形成預處理數基金項目：中國科學院知識創新工程基金資助項目(KZCX3-SW-357) 作者簡介：王占剛(1977)，男，博士研究生，主研方向：地學可視化，數據挖掘，GIS；莊大方，研究員、博士生導師；邱冬生，博士、副研究員收稿日期：2006-09-30 E

9、-mail：wangzg1 可視化與空間數據挖掘的關系地學可視化是科學計算可視化在地球科學領域的一個研究分支，它的目的是在可視化表達、分析地學數據的基礎上，為用戶提供一種信息交流與反饋的機制，使其在觀察數據外觀的基礎上更深層次地剖析其內在的信息和知識。空間數據挖掘從空間數據中提取隱含的知識、關系、模式和特征等，幫助人們理解空間數據，揭示空間特征，發現人們未知的各種空間規律、關系和趨勢5。可視化技術能夠形象地展示空間信息及其內在屬性，從而挖掘數據間的規律性和發展趨勢，給予人們意想不到的洞察力。(1)可視化技術可以有效地揭示空間實體的結構特征、相互關系及演變規律，使用戶對數據的剖析更清晰、理解更深

10、刻。(2)可視化技術能夠為挖掘過程提供人機交互的手段，實現用戶與計算機之間交流與反饋的機制，是將專家知識與經驗作用于計算機的橋梁。(3)可視化技術可以為人們營造一個高效的空間信息表達與分析環境，為數據挖掘提供導航作67據集，為用戶提供直觀的視覺感知；然后利用人機交互操作，將用戶的挖掘意圖直接作用于數據集生成中間結果；在數據挖掘過程中進行實時的可視化表達，同時借助于人形象思維能力進行探索性數據分析，循環改進挖掘方法與途徑，獲得挖掘結果；最終將數據挖掘結果可視化，獲得所需的空間 表達模型，可以更好地挖掘模型中空間形態結構及內部屬性信息。地質模型具有巖性、深度、粒度等多維屬性，因此，可以采用降維的方

11、法來實現多維數據可視化。通常的做法是把高維信息轉換到人類視覺能夠感知的二維或三維空間10。在可視化過程中，還可以運用統計圖、專題圖、符號圖等形式知識。圖1 可視化在空間數據挖掘中的應用環節2.2 應用層次依據挖掘目標的深度和廣度可以將可視化在空間數據挖掘中的應用分為若干層次。MacEachen等人從概念層、操作層和實現層3個層次論述了可視化在數據挖掘中的應用9：概念層的數據挖掘主要強調空間模式分析，輔助理解時空過程，注重于剖析隱含的時空特征。可視化在本層次的作用是進行探索性可視化分析。操作層挖掘是將概念層的挖掘目標細分為一些子目標，并且每一個目標可以通過一些具體的操作實現，其重點在于挖掘過程的

12、確定。實現層挖掘是在概念層與操作層的基礎上實現挖掘目標的具體過程，是用戶實際操作的挖掘工具。可視化在本層次中的作用是提供一個可視化的分析環境。本文借鑒MacEachen的挖掘層次劃分方法，根據可視化在空間數據挖掘中的用途及表現形式，將具體應用劃分為概念層、邏輯層、基礎層3個層次，如表1所示。可視化在概念層以動畫、漫游、聯合表達等形式啟發人的形象思維能力，在不斷改進挖掘的過程中實現探索性的可視化分析目的，幫助用戶發現隱藏的時空模式、規律等；在邏輯層，可視化通過聯合表達、圖形疊加、高亮法、聚焦等技術在圖形表達的基礎上為用戶提供動態顯示與交互操作機制，用戶通過這種機制將基本可視化工具集成，形成空間數

13、據可視化挖掘模型，挖掘其內在空間特征與關系；基礎層可以為用戶提供實際可用的數據挖掘環境和工具，它以圖形顯示、統計圖、專題圖、符號等形式表達外部空間形態與結構，給用戶以初步的印象并激發其形象思維。表1 可視化在空間數據挖掘中的應用層次數據挖掘目的 可視化用途表現形式 概念層挖掘時空模 實現探索性可視化分析，結合動畫、漫游、聯合式、規律人的形象思維發現空間知識 表達等在圖形表達的基礎上提供動態聯合表達、圖形疊邏輯層挖掘內在空間顯示與交互操作機制，將基本特征與關系 可視化工具集成形成空間數據加、高亮法、聚可視化挖掘模型焦等基礎層挖掘外部空間形態、結構提供基本的可視化工具與環境圖形顯示、專題圖、符號等

14、3 可視化的地質模型數據挖掘3.1 關鍵技術對應前面提出的可視化在空間數據挖掘中應用的環節和層次，本文從以下幾個關鍵技術對可視化的地質模型挖掘進行研究探討。(1)地質模型可視化可視化技術能夠使人直觀地理解空間數據中的各種復雜模式空間結構形態結構和復雜關系等。地質體、地質構造等空間現象在現實世界中都是以三維形式客觀存在的，因此以真三維的形式來68 來豐富展現的內容，這是以抽象形式來表達豐富內涵的方法，是對空間數據可視化的一種有益的補充。另外，還可以利用虛擬現實等前沿技術來模擬真實的環境，為用戶營造一個可視化的虛擬地理環境11，進一步促進數據挖掘與地理知識的發現。(2)交互式挖掘人機交互是實現地質

15、模型挖掘的重要技術，它是用戶與計算機之間進行信息交流與反饋的有效途徑12。人機交互過程不僅包含用戶對空間數據的操作，而且包括用戶對整個數據挖掘過程的干預與監控，例如通過取消、中斷、恢復、功能組合等有效控制挖掘過程。在地質模型可視化處理之后，可以通過直接三維交互的形式對模型進行一些特殊的操作，如切片、虛擬鉆探、填挖方分析、透明切片與透明鉆探等，以剖析模型內在的特征與關系。交互式挖掘是將基本可視化工具集成所形成的一種特殊的空間數據挖掘模型。它利用基本可視化工具對空間數據進行表達，然后結合用戶敏銳的觀察能力與豐富的專業知識對其進行分析檢驗，并通過一系列特殊的人機交互操作將自身豐富的經驗知識實時反饋到

16、挖掘過程中，同時運用聯合表達、圖形疊加、高亮法、聚焦等技術進行多角度表達，實時地顯示動態挖掘結果。用戶不斷選擇合適的可視化工具，直到獲得所需的內在空間特征與關系為止。(3)探索性可視化分析探索性可視化分析是在空間數據可視化與交互式挖掘的基礎上形成的一種較高層次的挖掘方式，它著重于挖掘隱藏的時空模式、規律等深層次信息，強調借助于人的形象思維能力，不斷改進挖掘方法與表達方式，循環往復直到獲得用戶需要的信息。這種方法比較符合人類認識客觀事物的規律，其最大特點是沒有具體的挖掘目標。用戶通過人機交互將自己的經驗與知識反饋給挖掘過程，并不斷檢驗分析結果、改進可視化方法。整個挖掘過程經歷了一個不斷改進、逐步

17、求精的循環過程。探索性可視化分析為地質模型挖掘營造了一個可視化環境，用戶可以自由地觀察與剖析模型，尋找其蘊涵的知識機理，真正實現探索性知識發現。3.2 系統實現目前，地質模型研究的傳統方法大多注重其外在形態的表達，對內部結構與屬性的分析做得不夠；沒有形成深度挖掘地質模型的功能，用戶還無法根據自己真正的需求來剖析模型。本文借鑒數據挖掘的思想，將可視化本身作為一種信息挖掘工具用于地質模型的信息剖析。在已有三維地質模型的基礎上12，以Visual C+6.0為開發工具、OpenGL為三維圖形開發包，開發了一個軟件原型系統GeoVisMiner 1.0。該系統實現了從3個層次上對地質模型進行可視化挖掘：在基礎層實現了地層三