? ??數(shù)據(jù)可視化是什么？

? ? The main goal of data visualization is its ability tovisualize data, communicating information clearly and effectively.— Vitaly Friedman

? ? 數(shù)據(jù)可視化的目的，是要對數(shù)據(jù)進行可視化處理，以使得能夠明確地、有效地傳遞信息。

? ? 為什么需要數(shù)據(jù)可視化？
? ? 比起枯燥乏味的數(shù)值，人類對于大小、位置、濃淡、顏色、形狀等能夠有更好更快的認識。經過可視化之后的數(shù)據(jù)能夠加深人對于數(shù)據(jù)的理解和記憶，增加信息的可傳播性。
? ?例如有以下的數(shù)據(jù)，你能一眼看出哪一個最大嗎？
? 【 321, 564, 1391, 245, 641, 798, 871 】
? ?可視化之后呢？

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可以把數(shù)據(jù)可視化可分為九大階段：

1.17世紀前：早期地圖與圖表

? ? ? 在17世紀以前人類研究的領域有限，總體數(shù)據(jù)量處于較少的階段，因此幾何學通常被視為可視化的起源，數(shù)據(jù)的表達形勢也較為簡單。但隨著人類知識的增長，活動范圍不斷擴大，為了能有效探索其他地區(qū)，人們開始匯總信息繪制地圖。16世紀用于精確觀測和測量物理量以及地理和天體位置的技術和儀器得到了充分發(fā)展，尤其在W.snell于1617年首創(chuàng)三角測量法后，繪圖變得更加精確，形成更加精準的視覺呈現(xiàn)方式。由于宗教等因素，人類對天文學的研究開始較早。一位不知名的天文學家于l0世紀創(chuàng)作了描繪7個主要天體時空變化的多重時間序列圖，圖中已經存在很多現(xiàn)代統(tǒng)計圖形的元素坐標軸，網格圖系統(tǒng)，平行坐標和時間序列。

2.1600—1699： 測量與理論

? ? ? 更為準確的測量方式在17世紀得到了更為廣泛的使用，大航海時代，歐洲的船隊出現(xiàn)在世界各處的海洋上，發(fā)展歐洲新生的資本主義，這對于地圖制作、距離和空間的測量都產生了極大的促進作用。同時，伴隨著科技的進步以及經濟的發(fā)展，數(shù)據(jù)的獲取方式主要集中于時間，空間，距離的測量上，對數(shù)據(jù)的應用集中于制作地圖，天文分析(開普勒的行星運動定律1609)上。
此時， 笛卡爾發(fā)展出了解析幾何和坐標系，在兩個或者三個維度上進行數(shù)據(jù)分析，成為了數(shù)據(jù)可視化歷史中重要的一步。同時，早期概率論(Pierre de Fermat與Pierre Laplace)和人口統(tǒng)計學(JohnGraunt)研究開始出現(xiàn)。這些早期的探索，開啟了數(shù)據(jù)可視化的大門，數(shù)據(jù)的收集、整理和繪制開始了系統(tǒng)性的發(fā)展。在此時期， 由于科學研究領域的增多，數(shù)據(jù)總量大大增加，出現(xiàn)了很多新的可視化形式。人們在完善地圖精度的同時，不斷在新的領域使用可視化方法處理數(shù)據(jù)。本世紀末，啟動“視覺思維”的必要元素已經準備就緒。

(建立坐標，用刻度表示距離，計算托萊多到羅馬的距離)

3.1700-1799：新的圖形形式

? ? ?18世紀可以說是科學史上乘上啟下的年代，英國工業(yè)革命以及牛頓對天體的研究，以及后來微積分方程等的建立，都推動著對數(shù)據(jù)向精準化以及量化的階段發(fā)展，統(tǒng)計學研究的需求也愈發(fā)顯著，用抽象圖形的方式來表示數(shù)據(jù)的想法也不斷成熟。此時，經濟學中出現(xiàn)了類似當今柱狀圖的線圖表述方式，英國神學家Joseph Priestley也嘗試在歷史教育上使用圖的形式介紹不同國家在各個歷史時期的關系。法國人Marcellin DuCarla繪制了等高線圖，用一條曲線表示相同的高程，對于測繪、工程和軍事有著重大的意義，成為了地圖的標準形式之一。
? ? 數(shù)據(jù)可視化發(fā)展中的重要人物，Wiliam Playfair在1765年創(chuàng)造了第一個時間線圖，其中單個線，用于表示人的生命周期，整體可以用于比較多人的生命跨度。這些時間線直接啟發(fā)了他發(fā)明的條形圖以及其他一些我們至今仍常用的圖形，包括餅圖、時序圖等。他的這一思想可以說是數(shù)據(jù)可視化發(fā)展史上一次新的嘗試，用新的形式表達了盡可能多且直觀的數(shù)據(jù)。
? ? 隨著對數(shù)據(jù)系統(tǒng)性的收集以及科學的分析處理，18世紀數(shù)據(jù)可視化的形式已經接近當代科學使用的形式，條形圖和時序圖的等可視化形式的出現(xiàn)體現(xiàn)了人類數(shù)據(jù)運用能力的進步。隨著數(shù)據(jù)在經濟，地理，數(shù)學等領域不同應用場景的應用，數(shù)據(jù)可視化的形式變得更加豐富，也預示著現(xiàn)代化的信息圖形時代的到來。

? ? ? ?　　　　　　　　　（William Playfair創(chuàng)造的第一張柱狀圖）

? ? ?4.1800—1849：現(xiàn)代信息圖形設計的開端
? ? ?十九世紀上半葉，受到上世紀的視覺表達方法創(chuàng)新的影響，統(tǒng)計圖形和專題繪圖領域出現(xiàn)爆炸式的發(fā)展，目前己知的幾乎所有形式的統(tǒng)計圖形都是在此時被發(fā)明的。在此期間，數(shù)據(jù)的收集整理范圍明顯擴大，由于政府加強對人口，教育犯罪，疾病等領域的關注，大量社會管理方面的數(shù)據(jù)被收集用于分析。1801年英國地質學家william Smith繪制了第一幅地質圖，引領了一場在地圖上表現(xiàn)量化信息的潮流，也被稱為“改變世界的地圖”。
這一時期，數(shù)據(jù)的收集整理從科學技術和經濟領域擴展到社會管理領域，對社會公共領域數(shù)據(jù)的收集標志著人們開始以科學手段進行社會研究。與此同時科學研究對數(shù)據(jù)的需求也變得更加精確，研究數(shù)據(jù)的范圍也有明顯擴大，人們開始有意識地使用可視化的方式嘗試研究、解決更廣泛領域的問題。

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? ? ?5.1850-1899：數(shù)據(jù)制圖的黃金時期
? ? ?在十九世紀上半葉末，數(shù)據(jù)可視化領域開始了快速的發(fā)展，隨著數(shù)字信息對社會，工業(yè)，商業(yè)和交通規(guī)劃的影響不斷增大，歐洲開始著力發(fā)展數(shù)據(jù)分析技術。高斯和拉普拉斯發(fā)起的統(tǒng)計理論給出了更多種數(shù)據(jù)的意義，數(shù)據(jù)可視化迎來了它歷史上的第一個黃金時代。
統(tǒng)計學理論的建立是拘束可視化發(fā)展的重要一步，此時數(shù)據(jù)的來源也變得更加規(guī)范化，由政府機構進行采集。隨著社會統(tǒng)計學的影響力越來越大，在1857年維也納的統(tǒng)計學國際會議上，學者就已經開始對可視化圖形的分類和標準化進行討論。不同數(shù)據(jù)圖形開始出現(xiàn)在書籍、報刊、研究報告和政府報告等正式場合之中。這一時期法國工程師Charles Joseph Minard繪制了多幅有意義的可視化作品，被稱為“法國的Playfair”，他最著名的作品是用二維的表達方式，展現(xiàn)六種類型的數(shù)據(jù)，用于描述拿破侖戰(zhàn)爭時期軍隊損失的統(tǒng)計圖，具體見下圖。

? ? ?1879年，Luigi Perozzo繪制了一張1750-1875年瑞典人口普查數(shù)據(jù)圖，以金字塔形式表現(xiàn)了人口變化的三維立體圖，此圖與之前所看到的可視化形式有一個明顯的區(qū)別：開始使用三維的形式，并使用彩色表示了數(shù)據(jù)值之間的區(qū)別，提高了視覺感知。
? ? ?在對這一時期可視化歷史的探究中發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)來源的官方化，以及對數(shù)據(jù)價值的認同，成為了可視化快速發(fā)展的決定性因素，如今幾乎所有的常見可視化元素都已經出現(xiàn)。并且這一時期出現(xiàn)了三維的數(shù)據(jù)表達方式，這種創(chuàng)造性的成果對后來的研究有十分突出的作用。

?6.1900—1 949：現(xiàn)代休眠期
? ? ?20世紀的上半葉，隨著數(shù)理統(tǒng)計這一新數(shù)學分支的誕生，追求數(shù)理統(tǒng)計嚴格的數(shù)學基礎并擴展統(tǒng)計的疆域成為這個時期統(tǒng)計學家們的核心任務。數(shù)據(jù)可視化成果在這一時期得到了推廣和普及，并開始被用于嘗試著解決天文學、物理學、生物學的理論新成果，Hertzsprung—Russell繪制的溫度與恒星亮度圖成為了近代天體物理學的奠基之一；倫敦地鐵線路圖的繪制形式如今依舊在沿用：E.W.Maunder的“蝴蝶圖”用于研究太陽黑子隨時間的變化。
? ? ?然而，這一時期人類收集、展現(xiàn)數(shù)據(jù)的方式并沒有得到根本上的創(chuàng)新，統(tǒng)計學在這一時期也沒有大的發(fā)展，所以整個上半葉都是休眠期。但這一時期的蟄伏與統(tǒng)計學者潛心的研究才讓數(shù)據(jù)可視化在本世紀后期迎來了復蘇與更快速的發(fā)展，可視化黃金時代的結束，并非是可視化的終點。

? ? ?7.1950-1974：復蘇期
? ? 從2O世紀上半葉末到1974年這一時期被稱為數(shù)據(jù)可視化領域的復蘇期，在這一時期引起變革的最重要的因素就是計算機的發(fā)明，計算機的出現(xiàn)讓人類處理數(shù)據(jù)的能力有了跨越式的提升。在現(xiàn)代統(tǒng)計學與計算機計算能力的共同推動下，數(shù)據(jù)可視化開始復蘇，統(tǒng)計學家JohnW.Tukey和制圖師Jacques Bertin成為可視化復蘇期的領軍人物。
? ? ?JohnW.Tukey在二戰(zhàn)期間對火力控制進行的長期研究中意識到了統(tǒng)計學在實際研究中的價值，從而發(fā)表了有劃時代意義的論文“The Future of Data Analysis”，成功的讓科學界將探索性數(shù)據(jù)分析(EDA)視為不同于數(shù)學統(tǒng)計的另一獨立學科，并在本世紀后期首次采用了莖葉圖、盒形圖等新的可視化圖形形式，成為可視化新時代的開啟性人物。Jacques Bertin發(fā)表了他里程碑式的著作Semiologie Graphique。這部書根據(jù)數(shù)據(jù)的聯(lián)系和特征，來組織圖形的視覺元素，為信息的可視化提供了一個堅實的理論基礎。
? ? ?隨著計算機的普及，上世紀六十年代末，各研究機構就逐漸開始使用計算機程序取代手繪的圖形。由于計算機的數(shù)據(jù)處理精度和速度具有強大的優(yōu)勢，高精度分析圖形就已不能用手繪制。在這一時期，數(shù)據(jù)縮減圖、多維標度法MDS、聚類圖、樹形圖等更為新穎復雜的數(shù)據(jù)可視化形式開始出現(xiàn)。人們開始嘗試著在一張圖上表達多種類型數(shù)據(jù)，或用新的形式表現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的復雜關聯(lián)，這也成為現(xiàn)今數(shù)據(jù)處理應用的主流方向。數(shù)據(jù)和計算機的結合讓數(shù)據(jù)可視化迎來了新的發(fā)展階段。

? ? ?8.1975至2011年 動態(tài)交互式數(shù)據(jù)可視化
? ? ?在這一階段計算機成為數(shù)據(jù)處理必要的成分，數(shù)據(jù)可視化進入了新的黃金時代，隨著應用領域的增加和數(shù)據(jù)規(guī)模的擴大，更多新的數(shù)據(jù)可視化需求逐漸出現(xiàn)。二十世紀七十年代到八十年代，人們主要嘗試使用多維定量數(shù)據(jù)的靜態(tài)圖來表現(xiàn)靜態(tài)數(shù)據(jù)，八十年代中期動態(tài)統(tǒng)計圖開始出現(xiàn)，最終在上世紀末兩種方式開始合并，試圖實現(xiàn)動態(tài)、可交互的數(shù)據(jù)可視化，于是動態(tài)交互式的數(shù)據(jù)可視化方式成為新的發(fā)展主題。
? ? ?數(shù)據(jù)可視化的這一時期的最大潛力來自動態(tài)圖形方法的發(fā)展，允許對圖形對象和相關統(tǒng)計特性的即時和直接的操縱。早期就已經出現(xiàn)為了實時的與概率圖(Fowlkes，1969)進行交互的系統(tǒng)，通過調整控制來選擇參考分布的形狀參數(shù)和功率變換。這可以看作動態(tài)交互式可視化發(fā)展的起源，推動了這一時期數(shù)據(jù)可視化的發(fā)展。

? ? 9.2012至今：大數(shù)據(jù)時代
? ? ?在2003年全世界創(chuàng)造了5EB的數(shù)據(jù)量時，人們就逐漸開始對大數(shù)據(jù)的處理進行重點關注。發(fā)展到2011年，全球每天的新增數(shù)據(jù)量就已經開始以指數(shù)倍猛增，用戶對于數(shù)據(jù)的使用效率也在不斷提升，數(shù)據(jù)的服務商也就開始需要從多個維度向用戶提供服務，大數(shù)據(jù)時代就此正式開啟。
? ? ?2012年，我們進入數(shù)據(jù)驅動的時代。掌握數(shù)據(jù)就能掌握發(fā)展方向，因此人們對數(shù)據(jù)可視化技術的依賴程度也不斷加深。大數(shù)據(jù)時代的到來對數(shù)據(jù)可視化的發(fā)展有著沖擊性的影響，試圖繼續(xù)以傳統(tǒng)展現(xiàn)形式來表達龐大的數(shù)據(jù)量中的信息是不可能的，大規(guī)模的動態(tài)化數(shù)據(jù)要依靠更有效的處理算法和表達形式才能夠傳達出有價值的信息，因此大數(shù)據(jù)可視化的研究成為新的時代命題。
? ? ?我們在應對大數(shù)據(jù)時，不但要考慮快速增加的數(shù)據(jù)量，還需要考慮到數(shù)據(jù)類型的變化，這種數(shù)據(jù)擴展性的問題需要更深入的研究才能解決；互聯(lián)網的加入增加了數(shù)據(jù)更新的頻率和獲取的渠道，并且實時數(shù)據(jù)的巨大價值只有通過有效的可視化處理才可以體現(xiàn)，于是在上一歷史時期就受到關注的動態(tài)交互的技術已經向交互式實時數(shù)據(jù)可視化發(fā)展，是如今大數(shù)據(jù)可視化的研究重點之一。綜上，如何建立一種有效的、可交互式的大數(shù)據(jù)可視化方案來表達大規(guī)模、不同類型的實時數(shù)據(jù)，成為了數(shù)據(jù)可視化這一學科的主要的研究方向。

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參看文獻：

雷婉婧. 數(shù)據(jù)可視化發(fā)展歷程研究[J]. 電子技術與軟件工程, 2017(12):195-196.

Friendly M . A Brief History of Data Visualization[M]// Handbook of Data Visualization. Springer Berlin Heidelberg, 2008.

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總結

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