虚拟地球仪上的定量数据可视化(Qantitative Data Visualisation on Virtual Globes)

虚拟地球三维空间中的地理数据可视化直观且应用广泛,但是存在三维空间的遮挡和投影变形等问题,目前没有给出相应的三维地球中定量数据的可视化设计准则。该工作[1]探索了虚拟地球上定量数据可视化的两个主要设计因素:i) 常用元素(2D 条形、3D 条形、圆形)和 ii) 这些元素的方向(切线、法线、广告牌)。用户研究实验表明,虚拟地球上的 3D 法向量条形和 2D 广告牌条行都是准确的,切向量的条形和圆形都增加了用户的认知负担。在这些结果的指导下,作者提出了一个新颖的可视化 Geoburst,它结合了虚拟地球和径向条形图,通过对齐加强了数据的比较,减少了数据的遮挡和投影变形的问题。


图1: 三维地球上定量数据可视化元素的三种方向

虚拟三维地球上定量数据可视化的两个主要设计因素包括:i) 常用元素(2D 条形、3D 条形、圆形)和 ii) 这些元素的方向(切线、法线、广告牌),如图1所示。其中,广告牌方向(billboard)始终朝向用户的视线。

图2,三维地球上的五种定量数据可视化组合

三种元素和三种元素的朝向产生了九种定量数据可视化组合,其中法向量方向的2D条形和圆形是是不合理的,因为当他们位于地球中心位置的时候是看不见的。对于3D条形的切线方向和广告牌方向的两种组合不是独一无二的,他们看上去和2D条形没有区别。最终作者选择了剩下的五种组合进行用户实验。

用户实验采用图形认知实验中[2]的相对大小比较的任务,用户估计两个数值的大小,并且比较数值小的占大数值的百分比。相对于之前的实验,该工作比较了弧线和球面的大小,并且是在三维球体上而不是二维的空间中。用户实验涉及如图3所示的四种因素。其中距离是两个比较数值在三维地球上的角距离。相对大小的设计包括五组数值,从10%到90%。数据中最大的数值大小有大数值和小数值两种。

图3:用户实验四种设计因素

用户实验召集了52名参与者,其中25名来自众包平台,17名来自人群采样。作者首先用五分钟简要的描述用户实验的任务和过程。在测试阶段,每个用户首先进行20次的训练测试,然后进行150次的实际测试。每次测试的时间不超过5秒。测试完成后用户需要完成问卷,用户需要对每个组合的使用信心、审美和心里感知负荷进行评分。这样在用户测试中作者手机了三种数据,一是任务相关的包括相对大小的估计和反应时间;二是用户的交互数据,包括对球体的旋转角度和鼠标的位置;三是用户的主观评价(问卷)。

图4:用户测试结果

用户测试结果如图5所示:在估算错误中,圆形相对于条形更加不准确,切向量的圆形比广告牌方向的圆形更加不准确,三种条形的准确率没有明显差距。在用户的反应时间中,广告牌方向的圆形是最快的,所有的圆形比条形更快;法向量的条形图是所有组合中最慢的。在用户交互中,广告牌圆形是最小旋转的组合,总共的旋转量对反应时间有影响。

结合用户实验的结果,为了方便比较,减少遮挡和变形,以及显示更多的数据,作者提出了一种结合地球仪和环形条形图的新设计Geoburst,如图5所示。首先采用聚类算法根据空间位置对地球上的数据点进行分组,然后是环形条的放置,作者采用最小化每个分组中心位置到环形条位置距离的原则,这样每次旋转后要重新排放环形条的位置。Geoburst更加适用于寻找极值和比较数值。

参考文献:

[1] Kadek Ananta Satriadi, Barrett Ens, Tobias Czauderna, Maxime Cordeil, and Bernhard Jenny. Quantitative Data Visualisation on Virtual Globes. In Proceedings of ACM Conference on Human Factors in Computing Systems (CHI 2021). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, Article 460, 1–14, 2021.

[2] William S Cleveland and Robert McGill. 1984. Graphical perception: Theory, experimentation, and application to the development of graphical methods. J. Amer. Statist. Assoc. 79, 387 (1984), 531–554. 

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