面向空間資訊網路的多特徵視覺化方法綜述
今日薦文的作者為航天工程大學複雜電子系統模擬實驗室專家於少波, 吳玲達, 張喜濤， 61618部隊專家李超，重慶第二師範學院專家馬海嬌。本篇節選自論文《面向空間資訊網路的多特徵視覺化方法綜述》，發表於《中國電子科學研究院學報》第13卷第2期。
摘 要： 作為打贏未來高科技戰爭、奪取制天權的關鍵所在，空間資訊網路具有重要的軍事價值和使命地位。結合空間資訊網路的概念和拓撲結構，提出並闡述了空間資訊網路的複雜性、異構性、受限性、層次性、動態性和異質性6個特徵，在此基礎上，分析了研究基於多層、動態特徵的空間資訊網路視覺化的必要性。以時間為牽引，闡述了多層網路視覺化和動態網路視覺化的特點、發展現狀和主要技術，並分析了當前存在的主要問題。最後，結合空間資訊網路的特點，分析了面向空間資訊網路的多特徵視覺化當前存在的問題及挑戰，並對其未來發展進行了展望。 本文的內容旨在為空間資訊網路的動態拓撲演化和視覺化方法的研究提供一些技術和方法上的支撐。
關鍵詞: 空間資訊網路；網路視覺化；層次性；動態性
引言
近年來，隨著衛星研製水平、火箭發射技術、星間通訊等技術的快速發展，空間資訊網路——這個服務於國防、民生多領域的網路系統，這項集多種功能於一身的基礎設施所處的地位和所發揮的作用越來越重要，大到拓展國家戰略利益，小到航天測控、航空運輸都對其產生著巨大的依賴。空間資訊網路作為國家天地一體化資訊網路的空間部分，極大地拓展了科學研究的空間和時間尺度，世界各國充分認識到空間資訊網路在國際競爭和國民經濟發展中的重要作用，都在積極開展相關方面的研究，特別是以美國、俄羅斯、日本等國最為典型。
網路視覺化能夠充分利用人類視覺感知系統，將網路資料以圖形化方式展示出來，一方面輔助用於認識網路的內部結構，另一方面有助於挖掘網路內部的有用價值，其實質是資訊視覺化的子類。當前，普遍有一種觀點認為資料視覺化是科學計算視覺化、資訊視覺化和可視分析的統稱，筆者也贊同這種觀點。 資料視覺化技術 已經覆蓋到人們生活、工作、學習和生活的方方面面，特別是網際網路的廣泛普及、移動終端的廣泛使用，人們在享受科技發展紅利的同時，也基於視覺化技術真正地實現了“一圖勝千言”。
探究空間資訊網路的本質，可以發現其在特徵、功能和效能等方面同現代社會人們構建的諸如計算機網路、物聯網、通訊網路、交通網路、電力網路、商業和金融網路以及社會關係網路等有極相似的基本特徵，當然，空間資訊網路也有其特有的顯著特徵，這些特徵為研究空間資訊網路視覺化帶來了極大的挑戰。為此，基於這些問題和挑戰，本文從不同角度系統分析了空間資訊網路的特徵，重點針對層次性、動態性兩個方面就其網路視覺化的研究現狀進行了綜述和分析，闡述了空間資訊網路視覺化當前存在的問題及挑戰，行文最後，進行了總結和展望。
1 空間資訊網路拓撲及特徵分析
空間資訊網路是從多衛星系統、空間資訊系統和天基綜合資訊網等概念的基礎上結合發展需求和趨勢而逐漸演變出的一個新概念, 是指以空間平臺為載體，實時獲取、傳輸和處理空間資訊的網路系統, 是為陸基、海基、空基和天基的各類使用者活動提供資訊保障的基礎設施，如下圖1所示，為空間資訊網路概念演示。
圖1 空間資訊網路概念演示
如上圖1所示，空間資訊網路是空間資訊系統、天基綜合資訊網的發展形態。多衛星系統是針對特定應用物件和特定航天任務而發揮作用，所以是空間資訊網路、天基綜合資訊網和空間資訊系統的子系統，航天裝備體系是空間資訊網路、空間資訊系統、天基綜合資訊網的重要組成部分，發揮物質基礎的作用。
空間資訊網路橫跨同步軌道、中低軌道、臨近空間三個空中平臺，同時還需同地面進行互動，所以在空間資訊網路概念的基礎上，本文繪製了其拓撲結構簡圖，如下圖2所示。
圖2 空間資訊網路拓撲結構
如圖2所示，從靜止軌道、中低軌道、臨近空間和地面4個域構建了其總體拓撲結構，實直線（—）表示在同一平臺內部的連線關係，虛曲線（---）表示跨平臺之間的連線關係。其中，節點度D（Degree，對角）表示相應節點所連線的有效邊數，連線的有效邊數不同，則對應的D值不同。
前文已有闡述，空間資訊網路作為一個複雜巨型網路系統，作為資訊網路系統、天基綜合資訊網發展的新形態，與其他網路系統相比較而言，既有相似的基本特徵，也有一些顯著特徵，這些特徵也是研究空間資訊網路的重點和關鍵環節，如表1所示，為部分空間資訊網路典型特徵劃分及歸類。
表1 部分空間資訊網路特徵劃分及歸類
本文著重選擇了6種空間資訊網路的特徵進行詳細的說明，諸如高維、多元等特徵本文不做深入探討。
從規模結構上看，具有複雜特徵。空間資訊網路橫跨同步軌道、中低軌道、臨近空間三個空中平臺，同時還需同地面進行互動，而且每個平臺具有數量不等、功能異同的多顆衛星/飛機/熱氣球等裝備，且不同裝備之間還需進行互聯互通，覆蓋區域廣泛，成員節點種類和數量眾多，功能迥異，繁簡不一，所以其規模龐大、結構複雜。
從組網結構上看，具有異構特徵。空間資訊網路由於不同平臺所服務的裝備種類和功能不同，所以其裝備之間的組網拓撲也不盡相同，如目前已存在的同步軌道是星形拓撲，中低軌道是環形拓撲，而臨近空間和地面是線性拓撲居多，所以其組網結構具有異構特徵。
從業務範圍上看，具有異質特徵。空間資訊網路不僅要從事遙感、測控、空管的任務，還要完成網路內部跨層次的通訊、資訊傳遞等，同時，在服務過程中要求其頻寬、時延、誤碼等也不盡相同，所以其異質特徵明顯。
從資源分佈上看，具有受限特徵。不同於普通地面網路，空間資訊網路主體以空天為主，所以這為空間資源的分佈帶來了極大的挑戰，要充分考慮多種因素才能進行合理的資源分佈，同時，空間資訊網路中大量的通訊鏈路暴露在空間，除了受到訊號衰落、碰撞、阻塞、噪聲干擾等因素影響，還受到空間環境和其他人為因素的影響，使目標對比度下降，資訊傳輸質量變差，難以獲得高解析度、高對比度的資訊，所以其資源受限現象明顯。
從空間分佈上看，具有多層（跨域）特徵。空間資訊網路橫跨同步軌道、中低軌道、臨近空間、陸地多個平臺，且不同平臺內部有著不同的執行機制，雖然不同平臺之間都有相互之間的通訊和互動，但是以空間分佈作為劃分依據的話，其層次特徵明顯。不僅如此，如果從功能角度分析組成空間資訊網路的子系統的特性來看，因各個子系統相互較為獨立，所以也具有較為明顯的層次特徵。
從時空行為上看，具有動態特徵。空間資訊網路中衛星、飛機等裝備的增加、失效、更新，不同裝備之間資訊傳輸的連線、斷開等；不同裝備圍繞著各自軌道上隨時間有規律的執行，都致使其拓撲結構處在實時的變化中，既有時間上的更迭，也有空間上的移動，網路拓撲結構高度動態，造成網路拓撲實時改變，而航空和航天飛行器等節點都具有較強的機動性，大大增加了網路的不規則性，所以其具有較為顯著的動態特徵。
上述特徵的出現，致使研究空間資訊網路出現的困難屢屢不斷，如規模結構和組網結構的複雜異構特徵使空間資訊網路體系結構設計難度增加；資源和空間分佈的受限多層特徵使資訊獲取難度增加，使星上處理、星上路由難度增加；而時空行為的動態特徵致使網路管理難度增加，等等。
基於上述現實因素，其具有較為明顯的多層性、動態性、異質異構性、高維多元等特徵，而這些特徵一方面成為空間資訊網路區別於其他網路系統的依據，另一方面，這些特徵為空間資訊網路的建設和發展提出了更大的挑戰。這些困難是當下和今後研究空間資訊網路建設和發展所必須克服也是需要集中力量所要解決的。
圍繞網路的層次性和動態性開展的研究，目前在其它領域的網路系統已有初步展開。而空間資訊網路的上述兩種特徵相比較於其它資訊系統而言更為典型，所以研究其多層性和動態性對於研究空間資訊網路來說具有重要的意義。 在本文的接下來部分，將重點從空間資訊網路多層特徵和動態特徵方面展開其網路視覺化內容的進一步論述，以期為研究空間資訊網路拓撲結構提供多方面的視覺化指導。
2 基於多特徵的網路視覺化
網路視覺化能夠通過形式化的方式將網路資料進行展示，並實現進一步的可視分析，面對空間資訊網路的多維特徵，視覺化技術為分析其特徵提供了一種新的思路和方法。與其它視覺化一樣，面向空間資訊網路的多特徵視覺化也存在一些基本的功能和效能要求。如要在整個視覺化過程中滿足基本美學準則（Aesthetics criterion），始終能夠保持使用者的意向圖（Mental map）等,其基本美學準則主要用於指導清除網路中的視覺混亂現象，包括邊交叉數量最小、鄰接點要相互靠近、直線邊、邊佈局要保持整體平衡、節點佈局要形成層次、佈局準則一致性和網路邊可追溯性等準則；意向圖主要是指無論是對其進行多層視覺化，還是進行動態視覺化，使用者不需要反覆調整其對視覺化後網路的新認識和新感知，滿足於這些功能和效能的需求才能達到理想的視覺化效果。下面著重從多層特徵和動態特徵兩個角度進行多特徵視覺化的綜述。
2.1基於多層特徵的空間資訊網路視覺化
空間資訊網路的多層特徵為我們提供了一種以層次思想分析空間資訊網路的拓撲結構的思路。通過查閱相關文獻可知，層次網路視覺化最早是針對單層網路展開的系列研究，隨著網路結構的高度複雜，單層網路已經不足以描述網路的複雜特性，人們逐漸引入多層網路來解決這個問題。
目前，在多層網路視覺化方面，仍然是利用較為傳統的模式來解決新的問題，針對多層網路進行視覺化研究的文獻還相對較少，然而，基於多層網路的高度靈活性，研究其視覺化具有很大前景。
早在2015年，Luca Rossi 等人最早討論了多層網路的視覺化策略，他們認為雖然有部分學者將研究興趣逐漸集中到多層網路的分析上來，但目前還沒有針對這一內容提出專業的視覺化方法，而解決當前問題的方案只能依靠傳統的方法。De Domennico M等人基於自主研發的視覺化工具MuxViz完成了專案MULTIPLEX，然而，該平臺目前只能實現概念演示，尚不支援互動式可視分析，其實質是一個用於多層網路視覺化的實驗性質的平臺。在社會網路領域，將傳統網圖的思想應用到多層網路佈局中是一種展示網路層次結構特徵的有效途徑，M. Magnani等人採用社會關係網圖實現了對社會網路層次拓撲結構的視覺化，如下圖3所示。
圖3 多層網路的社會關係網圖
如上圖3所示，為包含5層連線關係的多層網路社會關係網圖。左圖中在顯示單一連線關係時，社會關係網圖能夠清晰展示節點聚類關係，但是在考慮多型別連線關係時，右圖中，連線關係的多樣性和複雜性造成了聚類不明顯、連邊重疊和關係錯亂以及密度位置資訊丟失等問題。出現上述問題是該思路的一個弊端，也即會使有關層之間的結構資訊會完全丟失。
為了解決多層網路層次資訊丟失問題，一種名為增廣節點屬性的方法被提出。該方法為分屬不同層的連邊和節點著色，通過不同的顏色來區分層次資訊，生成增廣資訊的社會關係網圖，雖然這種方法獲得的視覺化結果更漂亮，但是事實上增加的資訊量相對較少，雖然某些密集區域能夠被觀察到，但是幾乎不可能理解它們與多層網路結構有什麼關聯。後續的，又有人提出採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題。W. Longabaugh等人提出基於某個特定的矩陣確定節點和連邊的位置順序建立序列社會關係網圖，該方法通過序列社會關係網圖不僅可以得到網路節點度分佈的概覽資訊，還能考察鄰居節點、距離、連邊型別和同配性（或異配）等資訊，然而，這種方法基本不能直觀展示網路的拓撲結構。
在國內，網路的多層特性逐漸被更多的研究者所關注。張喜濤等人在其文獻中,在總結網路視覺化標準的基礎上，分析多層網路視覺化的挑戰，綜述了多層網路視覺化模型、研究現狀與動態，指出當前研究中存在的不足和後期的重點研究方向。然而，在國內研究多層網路視覺化並公開發表的文獻還相對較少。
綜上所述，結合多層網路和視覺化開展的研究還較少，且當前可用於多層網路的視覺化模型較少，並且不能很好地處理節點異質性、多型別的連邊關係和大的資料規模問題，需要不斷髮展新的技術和方案來改進網路視覺化的模型，從而實現有效的多層空間資訊網路視覺化。
2.2基於動態特徵的空間資訊網路視覺化
前文在分析空間資訊網路特徵時曾提到，從時空行為角度分析，空間資訊網路具有顯著的動態特徵。結合空間資訊網路在未來戰爭中的地位和作用的重要性可知，穩定的拓撲結構是其發揮其功能作用的前提和基礎，而空間資訊網路的動態性會使其拓撲結構發生“牽一髮而動全身”的現象。
研究空間資訊網路動態視覺化，基於網路理論和視覺化技術來開展，對映到具體的空間實體可以抽象為節點，而空間實體之間的互動（資料、資訊傳輸）可以抽象為連邊，因而，空間資訊網路的動態特徵就對映為節點的增加或刪除、連邊的連線或斷開等。空間資訊網路的動態性既包括時間維的動態，也包括空間維的動態，而且其時間維和空間維的動態是同時存在的，從時間維來看，是指隨著時間變更引起的空間資訊網路拓撲結構發生的變化；從空間維來看，是指隨著空間位移所引起的空間資訊網路拓撲結構發生的變化。這些現象都會使視覺化的網路拓撲處於一個實時的更替中，特別是節點和邊的佈局等，如果不加以重視則會出現大範圍的節點重合、連邊交叉等視覺混亂的現象，特別是對於大部分使用者來說需要反覆調整其對視覺化後網路的認識和感知，這都違背了進行網路視覺化的初衷。所以，研究空間資訊網路的動態拓撲結構具有重要的理論意義和現實價值。
通過查閱文獻可知，早期人們開展的相關研究主要以靜態網路拓撲為研究物件，而大多數網路資料其本質上也都具有動態特性，同空間資訊網路一樣，即節點和連邊的數量和屬性等資訊隨著時間而發生改變，然而，由於時間維度的增加導致網路資料規模迅速的增加，網路結構和屬性的不斷變化，這都給網路視覺化提出了更多的挑戰，所以在該方面開展的研究和取得的研究成果還相對較少。
時變複雜網路通常採用時間片序列來描述，根據時間的先後順序，從時變複雜網路中提取一系列瞬時的網路快照，構成時間片序列。基於時間片序列的網路視覺化技術在社會網路、計算機網路、軟體工程、生物學、社會媒體分析等領域得到了廣泛的應用。
臺灣國立成功大學的馮坤晨等人為了實現在單層框架中的時空一致性和多焦點+上下文的視覺化，提出了一種時變圖繪製方法，該方法利用已有演算法實現初步佈局，然後基於F+C構造和形成連續的時變圖，從而達到實現時變圖視覺化的目的，其方法如圖4所示。
圖4 焦點+文字時變視覺化繪製方法
羅格斯大學的James Abello等人針對在大規模動態網路中追蹤時間的改變會使一些網路節點資訊的丟失等問題，提出了一種基於模組化興趣度描述的可視分析方法，該方法基於相鄰結構資訊、大量節點/連邊屬性和演化資訊，從而實現相應的視覺化。德國斯加特大學F. Beck等人認為動態網路視覺化的主要挑戰在於如何易讀、易測量和設計有效演算法去呈現不同實體的演化關係，他們通過系統地歸類和標記已公開發表的方法，系統闡述了分析動態網路視覺化的發展現狀，如圖5所示。
圖5 分層分類動態網路視覺化方法
埃因霍芬理工大學的S. van den Elzen等人針對動態網路可視分析已有方法的不完善，提出一種將時間快照縮小為點方法，從而實現將網路從高維降低到二維進行視覺化和互動，該方法主要包括離散化、向量化、標準化、降維和互動5部分，該方法針對部分人造和真實網路起到了有效的展示，其流程步驟如下圖6所示。
Chenhui Li等人研究了基於模組的大規模網路資料視覺化，通過設計和開發ModuleGraph系統，基於該系統開展了社交網路和空間網路的動態結構展示。近些年對動態網路視覺化的研究重點集中在模型的研究和系統的研發上，在理論和演算法方面已經相對成熟，並沒有太多的文獻可供參考。
在國內，杭州電子科技大學的劉真等人從動態網路資料模型和視覺化標準、基本動態圖視覺化方法和麵向多工的可視分析幾個方面較為系統的綜述了當前動態網路視覺化和可視分析的發展現狀，是國內較為少數的動態網路視覺化方面的研究文獻。筆者在前期的研究中，重點從網路佈局、屬性視覺化和使用者互動三個角度綜述了動態網路視覺化的典型技術和方法。
關於動態網路視覺化技術的研究和發展還在不斷的進行著，然而面向任務進行視覺化和可視分析應該是今後發展的主流，特別是結合特點鮮明的研究物件開展相關方面的研究更應該是值得提倡和鼓勵的。由於空間資訊網路的概念提出的相對較晚，目前主要集中研究的核心問題還停留在較為初級的、也是較為的核心的動態網路拓撲建模上，關於其動態網路視覺化和可視分析還沒有相關公開發表的文獻進行過論述。
圖6 “快照-點”動態網路視覺化技術
本文在前面部分結合時間脈絡重點論述了近些年具有代表性的動態網路視覺化和可視分析方法,並通過圖示的辦法簡要展示了相關方法的核心思想和實施步驟。關於上述視覺化和可視分析的方法是否能夠原原本本地移植到空間資訊網路的動態網路視覺化和可視分析中，還有待在今後的研究中進一步加以驗證。
3 問題與挑戰
近年來，圍繞網路視覺化的研究已經取得了一些進展，但圍繞空間資訊網路視覺化方面還存在著一些問題和挑戰：
1）目前保持動態穩定性的視覺化模型還處於初級研究和開發階段，保持動態穩定性的方式較少，如何能夠更好的保持使用者對視覺化序列的認知和心理感知，是提高視覺化有效性的有效途徑，還需要深入研究。
2）結合空間資訊網路理論和視覺化技術，實現交叉領域學科的前沿創新。空間資訊網路是一個具有多層特徵和時變特徵的複雜網路，目前還處於理論探索階段。傳統的視覺化研究關注點大多集中於單層的、靜態的網路，而空間資訊網路視覺化技術不僅關注複雜網路理論的發展，而且關注視覺化技術的發展，處於複雜網路和視覺化領域的交叉研究前沿。
3）融合多層動態特徵的空間資訊網路視覺化和可視分析平臺的開發。空間資訊網路作為未來戰場進行資訊支援的核心要素，基於多特徵融合的視覺化平臺展示和分析空間資訊網路的巨集觀結構，基於查詢呈現整體或區域性的網路功能和效能，有助於空間資訊網路的管理者從中獲得資訊啟示，從而整體把握空間資訊網路的執行情況，從而確保空間資訊網路發揮其作用。
4）提高空間資訊網路視覺化與可視分析平臺的易用性。由於普通使用者通常不具有相關專業領域的知識，導致其難以熟悉、理解和應用視覺化和可視分析平臺，對於從事空間資訊網路的規劃者、設計者、建設者的人員來說一定的基礎知識是必須具備的，這限制了視覺化平臺的推廣和廣泛使用，所以要提高視覺化平臺的易用性。
結 語
空間資訊網路視覺化是空間資訊網路與視覺化交叉形成的新方向，基於多層和動態特徵研究空間資訊網路視覺化有助於通過圖形化的互動手段進一步深入分析空間資訊網路的體系結構。本文總結梳理了基於多特徵的空間資訊網路視覺化技術，討論了空間資訊網路視覺化面臨的問題和挑戰。
本文的下一步研究將結合空間資訊網路的不同需求，研究面向多維認知的可視分析模型，改進基於多層和時變特徵的空間資訊網路視覺化方法，同時，通過構建一個融合多層時變複雜網路可視分析原型系統，為規劃者、建設者、設計者等各類人員提供一個觀察、分析和理解空間資訊網路的圖形化通道，為深層次認知空間資訊網路和深入挖掘各要素的交聯關係與作用方式提供技術支撐。
（參考文獻略）
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