于少波, 吳玲達(dá), 張喜濤,李 超,馬海嬌

(1.航天工程大學(xué)復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室，北京 101416； 2. 61618部隊(duì)，北京 100094；3.重慶第二師范學(xué)院，重慶 400000)

0 引 言

近年來(lái)，隨著衛(wèi)星研制水平、火箭發(fā)射技術(shù)、星間通訊等技術(shù)的快速發(fā)展，空間信息網(wǎng)絡(luò)——這個(gè)服務(wù)于國(guó)防、民生多領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這項(xiàng)集多種功能于一身的基礎(chǔ)設(shè)施所處的地位和所發(fā)揮的作用越來(lái)越重要，大到拓展國(guó)家戰(zhàn)略利益，小到航天測(cè)控、航空運(yùn)輸都對(duì)其產(chǎn)生著巨大的依賴[1]。空間信息網(wǎng)絡(luò)作為國(guó)家天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的空間部分[2]，極大地拓展了科學(xué)研究的空間和時(shí)間尺度，世界各國(guó)充分認(rèn)識(shí)到空間信息網(wǎng)絡(luò)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要作用，都在積極開展相關(guān)方面的研究，特別是以美國(guó)、俄羅斯、日本等國(guó)最為典型[3]。

網(wǎng)絡(luò)可視化能夠充分利用人類視覺感知系統(tǒng)，將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以圖形化方式展示出來(lái)，一方面輔助用于認(rèn)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，另一方面有助于挖掘網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的有用價(jià)值[4]，其實(shí)質(zhì)是信息可視化的子類。當(dāng)前，普遍有一種觀點(diǎn)認(rèn)為數(shù)據(jù)可視化是科學(xué)計(jì)算可視化、信息可視化和可視分析的統(tǒng)稱[5]，筆者也贊同這種觀點(diǎn)。數(shù)據(jù)可視化技術(shù)已經(jīng)覆蓋到人們生活、工作、學(xué)習(xí)和生活的方方面面，特別是互聯(lián)網(wǎng)的廣泛普及、移動(dòng)終端的廣泛使用，人們?cè)谙硎芸萍及l(fā)展紅利的同時(shí)，也基于可視化技術(shù)真正地實(shí)現(xiàn)了“一圖勝千言”。

探究空間信息網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)，可以發(fā)現(xiàn)其在特征、功能和性能等方面同現(xiàn)代社會(huì)人們構(gòu)建的諸如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)、電力網(wǎng)絡(luò)、商業(yè)和金融網(wǎng)絡(luò)以及社會(huì)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)等有極相似的基本特征，當(dāng)然，空間信息網(wǎng)絡(luò)也有其特有的顯著特征，這些特征為研究空間信息網(wǎng)絡(luò)可視化帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。為此，基于這些問(wèn)題和挑戰(zhàn)，本文從不同角度系統(tǒng)分析了空間信息網(wǎng)絡(luò)的特征，重點(diǎn)針對(duì)層次性、動(dòng)態(tài)性兩個(gè)方面就其網(wǎng)絡(luò)可視化的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述和分析，闡述了空間信息網(wǎng)絡(luò)可視化當(dāng)前存在的問(wèn)題及挑戰(zhàn)，行文最后，進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼疤卣鞣治?/h2>

空間信息網(wǎng)絡(luò)是從多衛(wèi)星系統(tǒng)、空間信息系統(tǒng)和天基綜合信息網(wǎng)等概念的基礎(chǔ)上結(jié)合發(fā)展需求和趨勢(shì)而逐漸演變出的一個(gè)新概念, 是指以空間平臺(tái)為載體，實(shí)時(shí)獲取、傳輸和處理空間信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng), 是為陸基、?；?、空基和天基的各類用戶活動(dòng)提供信息保障的基礎(chǔ)設(shè)施[6]，如圖1所示，為空間信息網(wǎng)絡(luò)概念演示。

圖1 空間信息網(wǎng)絡(luò)概念演示

如上圖1所示，空間信息網(wǎng)絡(luò)是空間信息系統(tǒng)、天基綜合信息網(wǎng)的發(fā)展形態(tài)。多衛(wèi)星系統(tǒng)是針對(duì)特定應(yīng)用對(duì)象和特定航天任務(wù)而發(fā)揮作用，所以是空間信息網(wǎng)絡(luò)、天基綜合信息網(wǎng)和空間信息系統(tǒng)的子系統(tǒng)，航天裝備體系是空間信息網(wǎng)絡(luò)、空間信息系統(tǒng)、天基綜合信息網(wǎng)的重要組成部分，發(fā)揮物質(zhì)基礎(chǔ)的作用。

空間信息網(wǎng)絡(luò)橫跨同步軌道、中低軌道、臨近空間三個(gè)空中平臺(tái)，同時(shí)還需同地面進(jìn)行交互，所以在空間信息網(wǎng)絡(luò)概念的基礎(chǔ)上，本文繪制了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[6]，如圖2所示。

如圖2所示，從靜止軌道、中低軌道、臨近空間和地面4個(gè)域構(gòu)建了其總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)直線(—)表示在同一平臺(tái)內(nèi)部的連接關(guān)系，虛曲線(---)表示跨平臺(tái)之間的連接關(guān)系。其中，節(jié)點(diǎn)度D(Degree，對(duì)角)表示相應(yīng)節(jié)點(diǎn)所連接的有效邊數(shù)，連接的有效邊數(shù)不同，則對(duì)應(yīng)的D值不同。

前文已有闡述，空間信息網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)復(fù)雜巨型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，作為信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、天基綜合信息網(wǎng)發(fā)展的新形態(tài)，與其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比較而言，既有相似的基本特征，也有一些顯著特征，這些特征也是研究空間信息網(wǎng)絡(luò)的重點(diǎn)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如表1所示，為部分空間信息網(wǎng)絡(luò)典型特征劃分及歸類。

表1 部分空間信息網(wǎng)絡(luò)特征劃分及歸類

本文著重選擇了6種空間信息網(wǎng)絡(luò)的特征進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明，諸如高維、多元等特征本文不做深入探討。

圖2 空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

從規(guī)模結(jié)構(gòu)上看，具有復(fù)雜特征。空間信息網(wǎng)絡(luò)橫跨同步軌道、中低軌道、臨近空間三個(gè)空中平臺(tái)，同時(shí)還需同地面進(jìn)行交互，而且每個(gè)平臺(tái)具有數(shù)量不等、功能異同的多顆衛(wèi)星/飛機(jī)/熱氣球等裝備，且不同裝備之間還需進(jìn)行互聯(lián)互通，覆蓋區(qū)域廣泛，成員節(jié)點(diǎn)種類和數(shù)量眾多，功能迥異，繁簡(jiǎn)不一，所以其規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

從組網(wǎng)結(jié)構(gòu)上看，具有異構(gòu)特征?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)由于不同平臺(tái)所服務(wù)的裝備種類和功能不同，所以其裝備之間的組網(wǎng)拓?fù)湟膊槐M相同，如目前已存在的同步軌道是星形拓?fù)?，中低軌道是環(huán)形拓?fù)?，而臨近空間和地面是線性拓?fù)渚佣?，所以其組網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有異構(gòu)特征。

從業(yè)務(wù)范圍上看，具有異質(zhì)特征?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)不僅要從事遙感、測(cè)控、空管的任務(wù)，還要完成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部跨層次的通信、信息傳遞等，同時(shí)，在服務(wù)過(guò)程中要求其帶寬、時(shí)延、誤碼等也不盡相同，所以其異質(zhì)特征明顯。

從資源分布上看，具有受限特征。不同于普通地面網(wǎng)絡(luò)，空間信息網(wǎng)絡(luò)主體以空天為主，所以這為空間資源的分布帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，要充分考慮多種因素才能進(jìn)行合理的資源分布，同時(shí)，空間信息網(wǎng)絡(luò)中大量的通信鏈路暴露在空間，除了受到信號(hào)衰落、碰撞、阻塞、噪聲干擾等因素影響，還受到空間環(huán)境和其他人為因素的影響，使目標(biāo)對(duì)比度下降，信息傳輸質(zhì)量變差，難以獲得高分辨率、高對(duì)比度的信息，所以其資源受限現(xiàn)象明顯。

從空間分布上看，具有多層(跨域)特征?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)橫跨同步軌道、中低軌道、臨近空間、陸地多個(gè)平臺(tái)，且不同平臺(tái)內(nèi)部有著不同的運(yùn)行機(jī)制，雖然不同平臺(tái)之間都有相互之間的通信和交互，但是以空間分布作為劃分依據(jù)的話，其層次特征明顯。不僅如此，如果從功能角度分析組成空間信息網(wǎng)絡(luò)的子系統(tǒng)的特性來(lái)看，因各個(gè)子系統(tǒng)相互較為獨(dú)立，所以也具有較為明顯的層次特征。

從時(shí)空行為上看，具有動(dòng)態(tài)特征?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星、飛機(jī)等裝備的增加、失效、更新，不同裝備之間信息傳輸?shù)倪B接、斷開等；不同裝備圍繞著各自軌道上隨時(shí)間有規(guī)律的運(yùn)行，都致使其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)處在實(shí)時(shí)的變化中，既有時(shí)間上的更迭，也有空間上的移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高度動(dòng)態(tài)，造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)時(shí)改變，而航空和航天飛行器等節(jié)點(diǎn)都具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，大大增加了網(wǎng)絡(luò)的不規(guī)則性，所以其具有較為顯著的動(dòng)態(tài)特征。

上述特征的出現(xiàn)，致使研究空間信息網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的困難屢屢不斷，如規(guī)模結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜異構(gòu)特征使空間信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度增加；資源和空間分布的受限多層特征使信息獲取難度增加，使星上處理、星上路由難度增加；而時(shí)空行為的動(dòng)態(tài)特征致使網(wǎng)絡(luò)管理難度增加，等等。

基于上述現(xiàn)實(shí)因素，其具有較為明顯的多層性、動(dòng)態(tài)性、異質(zhì)異構(gòu)性、高維多元等特征，而這些特征一方面成為空間信息網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的依據(jù)，另一方面，這些特征為空間信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和發(fā)展提出了更大的挑戰(zhàn)。這些困難是當(dāng)下和今后研究空間信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和發(fā)展所必須克服也是需要集中力量所要解決的。

圍繞網(wǎng)絡(luò)的層次性和動(dòng)態(tài)性開展的研究，目前在其它領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已有初步展開。而空間信息網(wǎng)絡(luò)的上述兩種特征相比較于其它信息系統(tǒng)而言更為典型，所以研究其多層性和動(dòng)態(tài)性對(duì)于研究空間信息網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)具有重要的意義。在本文的接下來(lái)部分，將重點(diǎn)從空間信息網(wǎng)絡(luò)多層特征和動(dòng)態(tài)特征方面展開其網(wǎng)絡(luò)可視化內(nèi)容的進(jìn)一步論述，以期為研究空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供多方面的可視化指導(dǎo)。

2 基于多特征的網(wǎng)絡(luò)可視化

網(wǎng)絡(luò)可視化能夠通過(guò)形式化的方式將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，并實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的可視分析，面對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)的多維特征，可視化技術(shù)為分析其特征提供了一種新的思路和方法。與其它可視化一樣，面向空間信息網(wǎng)絡(luò)的多特征可視化也存在一些基本的功能和性能要求。如要在整個(gè)可視化過(guò)程中滿足基本美學(xué)準(zhǔn)則(Aesthetics criterion)[7]，始終能夠保持用戶的意向圖(Mental map)[8]等,其基本美學(xué)準(zhǔn)則主要用于指導(dǎo)清除網(wǎng)絡(luò)中的視覺混亂現(xiàn)象，包括邊交叉數(shù)量最小、鄰接點(diǎn)要相互靠近、直線邊、邊布局要保持整體平衡、節(jié)點(diǎn)布局要形成層次、布局準(zhǔn)則一致性和網(wǎng)絡(luò)邊可追溯性等準(zhǔn)則；意向圖主要是指無(wú)論是對(duì)其進(jìn)行多層可視化，還是進(jìn)行動(dòng)態(tài)可視化，用戶不需要反復(fù)調(diào)整其對(duì)可視化后網(wǎng)絡(luò)的新認(rèn)識(shí)和新感知[9]，滿足于這些功能和性能的需求才能達(dá)到理想的可視化效果。下面著重從多層特征和動(dòng)態(tài)特征兩個(gè)角度進(jìn)行多特征可視化的綜述。

2.1 基于多層特征的空間信息網(wǎng)絡(luò)可視化

空間信息網(wǎng)絡(luò)的多層特征為我們提供了一種以層次思想分析空間信息網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的思路。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，層次網(wǎng)絡(luò)可視化最早是針對(duì)單層網(wǎng)絡(luò)展開的系列研究，隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜，單層網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不足以描述網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜特性，人們逐漸引入多層網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題[10]。

目前，在多層網(wǎng)絡(luò)可視化方面，仍然是利用較為傳統(tǒng)的模式來(lái)解決新的問(wèn)題，針對(duì)多層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可視化研究的文獻(xiàn)還相對(duì)較少，然而，基于多層網(wǎng)絡(luò)的高度靈活性，研究其可視化具有很大前景。

早在2015年，Luca Rossi 等人[11]最早討論了多層網(wǎng)絡(luò)的可視化策略，他們認(rèn)為雖然有部分學(xué)者將研究興趣逐漸集中到多層網(wǎng)絡(luò)的分析上來(lái)，但目前還沒(méi)有針對(duì)這一內(nèi)容提出專業(yè)的可視化方法，而解決當(dāng)前問(wèn)題的方案只能依靠傳統(tǒng)的方法。De Domennico M等人[12]基于自主研發(fā)的可視化工具M(jìn)uxViz完成了項(xiàng)目MULTIPLEX，然而，該平臺(tái)目前只能實(shí)現(xiàn)概念演示，尚不支持交互式可視分析，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)用于多層網(wǎng)絡(luò)可視化的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的平臺(tái)。在社會(huì)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，將傳統(tǒng)網(wǎng)圖的思想應(yīng)用到多層網(wǎng)絡(luò)布局中是一種展示網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)特征的有效途徑，M. Magnani等人[13]采用社會(huì)關(guān)系網(wǎng)圖實(shí)現(xiàn)了對(duì)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可視化，如圖3所示。

圖3 多層網(wǎng)絡(luò)的社會(huì)關(guān)系網(wǎng)圖

如圖3所示，為包含5層連接關(guān)系的多層網(wǎng)絡(luò)社會(huì)關(guān)系網(wǎng)圖。左圖中在顯示單一連接關(guān)系時(shí)，社會(huì)關(guān)系網(wǎng)圖能夠清晰展示節(jié)點(diǎn)聚類關(guān)系，但是在考慮多類型連接關(guān)系時(shí)，右圖中，連接關(guān)系的多樣性和復(fù)雜性造成了聚類不明顯、連邊重疊和關(guān)系錯(cuò)亂以及密度位置信息丟失等問(wèn)題。出現(xiàn)上述問(wèn)題是該思路的一個(gè)弊端，也即會(huì)使有關(guān)層之間的結(jié)構(gòu)信息會(huì)完全丟失。

為了解決多層網(wǎng)絡(luò)層次信息丟失問(wèn)題，一種名為增廣節(jié)點(diǎn)屬性的方法被提出。該方法為分屬不同層的連邊和節(jié)點(diǎn)著色，通過(guò)不同的顏色來(lái)區(qū)分層次信息，生成增廣信息的社會(huì)關(guān)系網(wǎng)圖，雖然這種方法獲得的可視化結(jié)果更漂亮，但是事實(shí)上增加的信息量相對(duì)較少，雖然某些密集區(qū)域能夠被觀察到，但是幾乎不可能理解它們與多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有什么關(guān)聯(lián)。后續(xù)的，又有人提出采用典型的層疊切片模型能夠解決連邊混亂重疊和聚類不明顯的問(wèn)題[14]。W. Longabaugh等人[15]提出基于某個(gè)特定的矩陣確定節(jié)點(diǎn)和連邊的位置順序建立序列社會(huì)關(guān)系網(wǎng)圖，該方法通過(guò)序列社會(huì)關(guān)系網(wǎng)圖不僅可以得到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)度分布的概覽信息，還能考察鄰居節(jié)點(diǎn)、距離、連邊類型和同配性(或異配)等信息，然而，這種方法基本不能直觀展示網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在國(guó)內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)的多層特性逐漸被更多的研究者所關(guān)注。張喜濤等人[16]在其文獻(xiàn)中,在總結(jié)網(wǎng)絡(luò)可視化標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，分析多層網(wǎng)絡(luò)可視化的挑戰(zhàn)，綜述了多層網(wǎng)絡(luò)可視化模型、研究現(xiàn)狀與動(dòng)態(tài)，指出當(dāng)前研究中存在的不足和后期的重點(diǎn)研究方向。然而，在國(guó)內(nèi)研究多層網(wǎng)絡(luò)可視化并公開發(fā)表的文獻(xiàn)還相對(duì)較少。

綜上所述，結(jié)合多層網(wǎng)絡(luò)和可視化開展的研究還較少，且當(dāng)前可用于多層網(wǎng)絡(luò)的可視化模型較少，并且不能很好地處理節(jié)點(diǎn)異質(zhì)性、多類型的連邊關(guān)系和大的數(shù)據(jù)規(guī)模問(wèn)題，需要不斷發(fā)展新的技術(shù)和方案來(lái)改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)可視化的模型，從而實(shí)現(xiàn)有效的多層空間信息網(wǎng)絡(luò)可視化。

2.2 基于動(dòng)態(tài)特征的空間信息網(wǎng)絡(luò)可視化

前文在分析空間信息網(wǎng)絡(luò)特征時(shí)曾提到，從時(shí)空行為角度分析，空間信息網(wǎng)絡(luò)具有顯著的動(dòng)態(tài)特征。結(jié)合空間信息網(wǎng)絡(luò)在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位和作用的重要性可知，穩(wěn)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是其發(fā)揮其功能作用的前提和基礎(chǔ)，而空間信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性會(huì)使其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的現(xiàn)象。

研究空間信息網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)可視化，基于網(wǎng)絡(luò)理論和可視化技術(shù)來(lái)開展，映射到具體的空間實(shí)體可以抽象為節(jié)點(diǎn)，而空間實(shí)體之間的交互(數(shù)據(jù)、信息傳輸)可以抽象為連邊，因而，空間信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特征就映射為節(jié)點(diǎn)的增加或刪除、連邊的連接或斷開等。空間信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性既包括時(shí)間維的動(dòng)態(tài)，也包括空間維的動(dòng)態(tài)，而且其時(shí)間維和空間維的動(dòng)態(tài)是同時(shí)存在的，從時(shí)間維來(lái)看，是指隨著時(shí)間變更引起的空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生的變化；從空間維來(lái)看，是指隨著空間位移所引起的空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生的變化。這些現(xiàn)象都會(huì)使可視化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮幱谝粋€(gè)實(shí)時(shí)的更替中，特別是節(jié)點(diǎn)和邊的布局等，如果不加以重視則會(huì)出現(xiàn)大范圍的節(jié)點(diǎn)重合、連邊交叉等視覺混亂的現(xiàn)象，特別是對(duì)于大部分用戶來(lái)說(shuō)需要反復(fù)調(diào)整其對(duì)可視化后網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識(shí)和感知，這都違背了進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)可視化的初衷。所以，研究空間信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

通過(guò)查閱文獻(xiàn)可知，早期人們開展的相關(guān)研究主要以靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇檠芯繉?duì)象，而大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)其本質(zhì)上也都具有動(dòng)態(tài)特性，同空間信息網(wǎng)絡(luò)一樣，即節(jié)點(diǎn)和連邊的數(shù)量和屬性等信息隨著時(shí)間而發(fā)生改變，然而，由于時(shí)間維度的增加導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)規(guī)模迅速的增加，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和屬性的不斷變化，這都給網(wǎng)絡(luò)可視化提出了更多的挑戰(zhàn)，所以在該方面開展的研究和取得的研究成果還相對(duì)較少。

時(shí)變復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)通常采用時(shí)間片序列來(lái)描述，根據(jù)時(shí)間的先后順序，從時(shí)變復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中提取一系列瞬時(shí)的網(wǎng)絡(luò)快照，構(gòu)成時(shí)間片序列?；跁r(shí)間片序列的網(wǎng)絡(luò)可視化技術(shù)在社會(huì)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、軟件工程、生物學(xué)、社會(huì)媒體分析等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

臺(tái)灣國(guó)立成功大學(xué)的馮坤晨等人[17]為了實(shí)現(xiàn)在單層框架中的時(shí)空一致性和多焦點(diǎn)+上下文的可視化，提出了一種時(shí)變圖繪制方法，該方法利用已有算法實(shí)現(xiàn)初步布局，然后基于F+C構(gòu)造和形成連續(xù)的時(shí)變圖，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)時(shí)變圖可視化的目的，其方法如圖4所示。

羅格斯大學(xué)的James Abello等人[18]針對(duì)在大規(guī)模動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中追蹤時(shí)間的改變會(huì)使一些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息的丟失等問(wèn)題，提出了一種基于模塊化興趣度描述的可視分析方法，該方法基于相鄰結(jié)構(gòu)信息、大量節(jié)點(diǎn)/連邊屬性和演化信息，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的可視化。德國(guó)斯加特大學(xué)F. Beck等人[19-20]認(rèn)為動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)可視化的主要挑戰(zhàn)在于如何易讀、易測(cè)量和設(shè)計(jì)有效算法去呈現(xiàn)不同實(shí)體的演化關(guān)系，他們通過(guò)系統(tǒng)地歸類和標(biāo)記已公開發(fā)表的方法，系統(tǒng)闡述了動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)可視化的發(fā)展現(xiàn)狀，如圖5所示。

埃因霍芬理工大學(xué)的S. van den Elzen等人[21]針對(duì)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)可視分析已有方法的不完善，提出一種將時(shí)間快照縮小為點(diǎn)方法，從而實(shí)現(xiàn)將網(wǎng)絡(luò)從高維降低到二維進(jìn)行可視化和交互，該方法主要包括離散化、向量化、標(biāo)準(zhǔn)化、降維和交互5部分，該方法針對(duì)部分人造和真實(shí)網(wǎng)絡(luò)起到了有效的展示，其流程步驟如圖6所示。

圖4 焦點(diǎn)+文本時(shí)變可視化繪制方法

圖5 動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)可視化方法歸類

圖6 “快照-點(diǎn)”動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)可視化技術(shù)

Chenhui Li等人[22]研究了基于模塊的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可視化，通過(guò)設(shè)計(jì)和開發(fā)ModuleGraph系統(tǒng)，基于該系統(tǒng)開展了社交網(wǎng)絡(luò)和空間網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)展示。近些年對(duì)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)可視化的研究重點(diǎn)集中在模型[23-24]的研究和系統(tǒng)[25-26]的研發(fā)上，在理論和算法方面已經(jīng)相對(duì)成熟，并沒(méi)有太多的文獻(xiàn)可供參考。

在國(guó)內(nèi)，杭州電子科技大學(xué)的劉真等人[27]從動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型和可視化標(biāo)準(zhǔn)、基本動(dòng)態(tài)圖可視化方法和面向多任務(wù)的可視分析幾個(gè)方面較為系統(tǒng)的綜述了當(dāng)前動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)可視化和可視分析的發(fā)展現(xiàn)狀，是國(guó)內(nèi)較為少數(shù)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)可視化方面的研究文獻(xiàn)。筆者[28]在前期的研究中，重點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)布局、屬性可視化和用戶交互三個(gè)角度綜述了動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)可視化的典型技術(shù)和方法。

關(guān)于動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)可視化技術(shù)的研究和發(fā)展還在不斷的進(jìn)行著，然而面向任務(wù)進(jìn)行可視化和可視分析應(yīng)該是今后發(fā)展的主流，特別是結(jié)合特點(diǎn)鮮明的研究對(duì)象開展相關(guān)方面的研究更應(yīng)該是值得提倡和鼓勵(lì)的。由于空間信息網(wǎng)絡(luò)的概念提出的相對(duì)較晚，目前主要集中研究的核心問(wèn)題還停留在較為初級(jí)的、也是較為的核心的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Ｉ?，關(guān)于其動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)可視化和可視分析還沒(méi)有相關(guān)公開發(fā)表的文獻(xiàn)進(jìn)行過(guò)論述。

本文在前面部分結(jié)合時(shí)間脈絡(luò)重點(diǎn)論述了近些年具有代表性的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)可視化和可視分析方法,并通過(guò)圖示的辦法簡(jiǎn)要展示了相關(guān)方法的核心思想和實(shí)施步驟。關(guān)于上述可視化和可視分析的方法是否能夠原原本本地移植到空間信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)可視化和可視分析中，還有待在今后的研究中進(jìn)一步加以驗(yàn)證。

3 問(wèn)題與挑戰(zhàn)

近年來(lái)，圍繞網(wǎng)絡(luò)可視化的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但圍繞空間信息網(wǎng)絡(luò)可視化方面還存在著一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)：

(1)目前保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的可視化模型還處于初級(jí)研究和開發(fā)階段，保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的方式較少，如何能夠更好的保持用戶對(duì)可視化序列的認(rèn)知和心理感知，是提高可視化有效性的有效途徑，還需要深入研究。

(2)結(jié)合空間信息網(wǎng)絡(luò)理論和可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)交叉領(lǐng)域?qū)W科的前沿創(chuàng)新?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)具有多層特征和時(shí)變特征的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，目前還處于理論探索階段。傳統(tǒng)的可視化研究關(guān)注點(diǎn)大多集中于單層的、靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，而空間信息網(wǎng)絡(luò)可視化技術(shù)不僅關(guān)注復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的發(fā)展，而且關(guān)注可視化技術(shù)的發(fā)展，處于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和可視化領(lǐng)域的交叉研究前沿。

(3)融合多層動(dòng)態(tài)特征的空間信息網(wǎng)絡(luò)可視化和可視分析平臺(tái)的開發(fā)?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)作為未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行信息支援的核心要素，基于多特征融合的可視化平臺(tái)展示和分析空間信息網(wǎng)絡(luò)的宏觀結(jié)構(gòu)，基于查詢呈現(xiàn)整體或局部的網(wǎng)絡(luò)功能和性能，有助于空間信息網(wǎng)絡(luò)的管理者從中獲得信息啟示，從而整體把握空間信息網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，從而確?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮其作用。

(4)提高空間信息網(wǎng)絡(luò)可視化與可視分析平臺(tái)的易用性。由于普通用戶通常不具有相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)，導(dǎo)致其難以熟悉、理解和應(yīng)用可視化和可視分析平臺(tái)，對(duì)于從事空間信息網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃者、設(shè)計(jì)者、建設(shè)者的人員來(lái)說(shuō)一定的基礎(chǔ)知識(shí)是必須具備的，這限制了可視化平臺(tái)的推廣和廣泛使用，所以要提高可視化平臺(tái)的易用性。

4 結(jié) 語(yǔ)

空間信息網(wǎng)絡(luò)可視化是空間信息網(wǎng)絡(luò)與可視化交叉形成的新方向，基于多層和動(dòng)態(tài)特征研究空間信息網(wǎng)絡(luò)可視化有助于通過(guò)圖形化的交互手段進(jìn)一步深入分析空間信息網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。本文總結(jié)梳理了基于多特征的空間信息網(wǎng)絡(luò)可視化技術(shù)，討論了空間信息網(wǎng)絡(luò)可視化面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

本文的下一步研究將結(jié)合空間信息網(wǎng)絡(luò)的不同需求，研究面向多維認(rèn)知的可視分析模型，改進(jìn)基于多層和時(shí)變特征的空間信息網(wǎng)絡(luò)可視化方法，同時(shí)，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)融合多層時(shí)變復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可視分析原型系統(tǒng)，為規(guī)劃者、建設(shè)者、設(shè)計(jì)者等各類人員提供一個(gè)觀察、分析和理解空間信息網(wǎng)絡(luò)的圖形化通道，為深層次認(rèn)知空間信息網(wǎng)絡(luò)和深入挖掘各要素的交聯(lián)關(guān)系與作用方式提供技術(shù)支撐。

：

[1] 國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì), 空間信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究計(jì)劃2016年度項(xiàng)目指南[EB/OL]. http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab38/info51946. htm. 2016-03-25.

[2] 黃惠明, 常呈武. 天地一體化天基骨干網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)研究[J]. 中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào), 2015, 10(5): 460-467+491.

[3] 董飛鴻. 空間信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究[D]. 南京: 解放軍理工大學(xué). 2016.

[4] Ahmed A, Dywer T, Hong Seok-Hee, et, al. Visualization and analysis of large and complex scale-free networks[C] //Processding of Eurographics. 2005: 1-8.

[5] 陳為, 沈則潛, 陶煜波. 數(shù)據(jù)可視化[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2013.

[6] 于少波, 吳玲達(dá), 張喜濤. DaaC：空間信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)建模方法[J]. 通信學(xué)報(bào), 2017, 38(Z1): 165-170.

[7] A Aris. Network Visualization by Semantic Substrates [J]. IEEE Transactions and Computer Graphics.2006, 12(5): 1-8.

[8] Helen C Purchase, Eve Hoggan, Carsten Gorg. How Important is the “Mental Map”?-an Empirical Investigation of a Dynamic Graph Layout Algorithm [C]//GD’06 Proceeding of the 14th international conference on graph drawing. Heidelberg: Springer-Verlag Berlin, 2007, 184-195.

[9] 胡華全, 吳玲達(dá), 楊超, 等. 時(shí)變網(wǎng)絡(luò)可視化研究綜述[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2013, 25(9): 1975-1980+1989.

[10] 周建國(guó). 基于DTN的空間綜合信息網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 武漢, 武漢大學(xué), 2013.

[11] 張欣. 多層網(wǎng)絡(luò)理論研究進(jìn)展：概念、理論和數(shù)據(jù)[J]. 復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜性科學(xué), 2015, 12 (2) : 103-107.

[12] Luca Rossi, Matteo Magnani. Towards effective visual analytics on multiplex and multilayer [J]. Chaos, Solitons & Fractals, 2015, 72: 68-76.

[13] De Domenico M, Porter MA, Arenas A. Multilayer analysis and visualization of networks, arXiv preprint 1405.0843.

[14] M. Magnani, L. Rossi. The ML-Model for Multi-layer Social Networks, in: ASONAM, IEEE Computer Society, 2011, 5-12.

[15] M. Magnani, A. Monreale, G. Rossetti, F. Giannotti, On multidimensional network measures [C] //Proceedings of Italian Conference on Sistemi Evoluti per le Basi di Dati (SEBD), 2013.

[16] Zhang X T, Wu L D, Yu S B, et al. Survey on Multilayer Networks Visualization [C]//Proceedings of 2017 IEEE 8th International conference on software engineering and service science, IEEE press, 2017, 621-625.

[17] W. Longabaugh. Combing the hairball with BioFabric: a new approach for visualization of large networks, BMC Bioinformatics 13 (1) (2012) 275+.

[18] KunChuan Feng, Chaoli Wang, Han Wei Shen, el. Coherent Time-varying graph drawing with multi-focus + context interaction [J]. IEEE transactions on visualization and computer graphics, 2012, 18(8): 1330-1341.

[19] J. Abello, S. hadlak, H. cchumann, el. A modular degree-of-interest specification for the visual analysis of large dynamic networks [J]. IEEE transactions on visualization and computer graphics, 20(3): 337-350, 2014.

[20] F. Beck, M. Burch, S. Diehl, el. The state of the art in visualizing dynamic graphs [C]//Proceedings of Eurographics Conference on Visualization, 2014.

[21] F. Beck, M. Burch, S. Diehl, et al. A taxonomy and survey of dynamic graph visualization [J]. Computer graphics forum, 2016, 36(1): 133-159.

[22] S. Elzen, D. Holten, J. Blaas, el. Reducingsnapshots to points: a visual analytics approach to dynamic network exploration [J]. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 2015.

[23] C H. Li, G. Baciu, Y Z. Wang. Module-based visualization of large-scale graph network data [J]. Journal of Visualization, 2017, 20(2): 205-215.

[24] C. Stadtfeld, J. Hollway, P. Block. Dynamic Network Actor Models: Investigating Coordination Ties through Time [J]. Sociological Methodology, 2017.

[25] A G. Forbes, A Burks, K Lee, et al. Dynamic Inuence Networks for Rule-based Models [J]. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 2017.

[26] A Srinivasan, H Park, A Endert, et al. Graphiti: Interactive Specification of Attribute-based Edges for Network Modeling and Visualization [J]. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 2017.

[27] 劉真, 吳向陽(yáng), 鄭秋華. 動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)可視化與可視分析綜述[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 26(8): 693-711.

[28] Yu S B, Wu L D. A Key Technology Survey and Summary of Dynamic Network Visualization [C]// Proceedings of 2017 IEEE 8th International conference on software engineering and service science, IEEE press, 2017, 474-478.