Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/95269
Title: Thematic Cartography for Adaptive Visualization Systems
Authors: Evgheni Polisciuc
Orientador: Machado, Fernando Jorge Penousal Martins
Keywords: Information visualization; Adaptive Visualization; Thematic Cartography; Urban Mobility; Business Intelligence; Visualização de Informação; Mapas Temáticos; Visualização Adaptativa; Mobilidade Urbana
Issue Date: 19-Apr-2021
Project: This research was supported by Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT), under the grant SFRH/BD/109745/2015 
Abstract: Maps play an essential role for everyday life, assisting diverse interests of modern society, such as intelligent navigation in space or communication of complex information. Focussing on the latter, the fields of visual communication and information visualization provide exceptional methods and techniques for efficient conveyance of complex information. Furthermore, the field of geographic visualization expands these methods to heterogeneous geographic data, enabling the exploration and analysis of information related to geographic space. With the appearance of thematic maps, which add a statistical layer to maps, the communication of geographic information becomes even more effective. The well established techniques for thematic mapping enable representation of known spatial phenomena and information, enabling efficient exploration, analysis, and presentation of data. Moreover, the technological advances in computational power and storage, have enabled new possibilities for information acquisition and processing. As such, the constantly growing amounts of data and the easy of access to information, along with novel methods for graphical representation, increased the demand for geographic visualizations, opening a niche for new challenges and possibilities. Recent research in adaptive visualization shows promising ways of making the process of data visualization transparent, enabling a more human-centered representation. The methods for adaptive visualization, in the first place, aim at creating an efficient data exploration and analysis experience for a broader range of end users. Although these methods present promising results, some important aspects are under-explored and under-evaluated. The adaptive visualizations are commonly developed for application on a broad range of data disregarding domain specific characteristics, which limits the potential spectrum of domain specific designs. Furthermore, in most cases adaptive visualizations implement established visualization methods, visual layouts, or graphical elements, neglecting novel methods for graphical representation. Another important observation indicates that in general the adaptation mechanisms used in such systems are based on formal semantic description of the member models, while other adaptation methods found in nature or inspired on other scientific fields can be conceived. Last, but not least, in most adaptive visualization approaches, the transformation of data to visual representation fails to fully consider the studies on human perception, specially recent ones, and the effects of visual methods on human perception. In this thesis we explore the possibilities of thematic maps in dynamic context applied on large and complex geographic data. In particular, thematic maps are investigated in terms of adaptable objects, and different techniques that adapt visual variables or its layout in response to influencing factors are developed. Our work includes: development of novel visualization techniques; application of principles of dynamic visualization, particularly in what concerns dynamic queries and real-time representation of data; development of visualizations capable to adapt graphical representation to a given context using methods of adaptive visualization and geovisualization; exploration of different from semantic adaptation methods inspired on nature and those based on computational geometry approaches. The work presented herein results in several novel contributions, in addition to the extensive literature review, namely: a method for adaptation of hexagonal maps; a method for adaptation of transit maps; a method for adaptive edge bundling applied to flow maps; and, a method for automatic search of parameters for edge bundling algorithms. In what regards the method for adaptation of hexagonal maps, this is based on the idea of spacial subpartition similar to Quadtrees, resulting in dynamic hexagonal binning. We propose an algorithm that builds hierarchical structure and computes the polygonal forms bins at each level of the tree. The algorithm is tightly integrated to dynamic zooming, adapting the granularity and visual variables according to the level of zoom and the chosen dataset. This method is implemented in an analytic application, which also integrates our model for adaptive Voronoi diagrams and Choropleth maps. Concerning the method for transit maps adaptation, we proposed an algorithm that transforms schematic maps into geographic maps in continuous and animated fashion in response to zoom level. This method combines our approach for point representation that is capable of rendering high amounts of point-based data in real-time. Additionally, we propose a method for reactive scaling of graphical elements in response to visualization context. Regarding the method for swarm-based edge bundling, this is based on self-organizing processes found in nature, more specifically swarm behavior and stigmergy. Our model goes beyond traditional methods based on computation geometry, and considers the properties of data, graph topology, and the context of visualization. Last, but not least, we developed a method based on genetic algorithms, which searches for parameters of a bundling algorithm according to graph quality metrics and user preferences.
Os mapas têm um papel essencial para o dia a dia, apoiando diversos interesses da sociedade moderna, como a navegação inteligente no espaço ou a comunicação de informação complexa. Focando no último, as áreas de comunicação visual e visualização de informação fornecem métodos e técnicas para a apresentação de informação. Além disso, a área de visualização geográfica expande esses métodos aos dados espaciais, permitindo a exploração e análise de informação relacionada com espaço geográfico. Como surgimento dos mapas temáticos, que adicionam uma camada estatística aos mapas, a comunicação da informação geográfica tornou-se ainda mais efectiva. As técnicas de mapeamento temático permitem a representação de informação e fenómenos espaciais conhecidos, possibilitando a exploração, análise e apresentação eficiente de dados. Adicionalmente, o avanço tecnológico em poder computacional e armazenamento, tem permitido novas possibilidades de aquisição e processamento de informação. Assim, a quantidade crescente de dados e a facilidade de acesso à informação, junto com os novos métodos de representação gráfica, aumentaram a procura por visualização geográfica, abrindo um nicho para novos desafios e possibilidades. Investigação recente em visualização adaptativa mostrou maneiras promissoras de tornar o processo de visualização de dados transparente, permitindo uma representação mais centrada no humano. Os métodos de visualização adaptativa, visam, em primeiro lugar, criar uma experiência de exploração e análise de dados eficiente para uma gama de utilizadores finais mais ampla. Embora esses métodos apresentem resultados promissores, há alguns aspectos importantes que foram subvalorizados ou que ainda não foram devidamente explorados. As visualizações adaptativas são geralmente desenvolvidas para aplicação numa ampla gama de dados, independente- mente das características específicas do domínio, o que limita o espectro potencial de designs específicos do domínio. Além disso, na maioria dos casos, as visualizações adaptativas implementam métodos de visualização, layouts visuais ou elementos gráficos conhecidos, ignorando novos métodos de representação gráfica. Outra observação importante indica que em geral os mecanismos de adaptação são baseados na descrição semântica formal dos modelos, enquanto outros métodos de adaptação, por exemplo, encontrados na natureza ou inspirados em outros campos científicos, podem ser concebidos. Por último, mas não menos importante, na maioria das abordagens de visualização adaptativa, a transformação de dados em representação visual falha em considerar os estudos sobre a percepção humana, especialmente os mais recentes, e os efeitos dos métodos visuais na percepção visual humana. Nesta tese exploramos as possibilidades de mapas temáticos em contexto dinâmico aplicados sobre dados geográficos complexos e de grande volume, e o nosso trabalho fornece uma investigação inicial. Em particular, os mapas temáticos são investigados em termos de objetos adaptáveis, e são propostas diferentes técnicas que adaptam as variáveis visuais ou o seu layout. O nosso trabalho inclui: desenvolvimento de novas técnicas de visualização; aplicação de princípios de visualização dinâmica, nomeadamente no que diz respeito a consultas dinâmicas e representação de dados em tempo real; desenvolvimento de visualizações capazes de adaptar a representação gráfica a um determinado contexto usando métodos de visualização adaptativa; exploração de diferentes métodos de adaptação semântica, métodos inspirados na natureza e aqueles baseados em abordagens de geometria computacional. O trabalho aqui apresentado resulta em várias contribuições inovadoras importantes; para além de uma extensa revisão da literatura, destacamos os métodos para: adaptação de mapas hexagonais; adaptação de mapas de trânsito; agrupamento de arestas aplicado a mapas de fluxo; procura automática de parâmetros para algoritmos de agrupamento de arestas. No que diz respeito ao método de adaptação de mapas hexagonais, este é baseado na ideia de subpartição espacial semelhante a Quadtrees, resultando em um binning hexagonal dinâmico. Propomos um algoritmo que constrói uma estrutura hierárquica e calcula os bins das formas poligonais em cada nível da árvore. O algoritmo é totalmente integrado ao zoom dinâmico, adaptando a granularidade e as variáveis visuais de acordo com o nível de zoom e o conjunto de dados escolhido. Este método foi implementado numa aplicação analítica, que também integra o nosso modelo para diagramas de Voronoi e mapas coroplético adaptativos. No que diz respeito ao método de adaptação de mapas de trânsito, propomos um algoritmo que transforma mapas esquemático em mapas geográficos de forma contínua e animada em resposta ao nível de zoom. Este método combina a nossa abordagem para representação de pontos que tem capacidade de renderizar grandes quantidades de dados baseados em tempo real. Adicionalmente, propomos um método para escalonamento reactivo de elementos gráficos em resposta ao contexto de visualização. No que diz respeito ao método de empacotamento de arestas, este é baseado em processos de auto-organização encontrados na natureza, mais especificamente comportamento de enxame e estigmergia. O nosso modelo vai além dos métodos tradicionais baseados na geometria computacional e considera as propriedades dos dados, a topologia do grafo e o contexto de visualização. Por último, mas não menos importante, desenvolvemos um método baseado em algoritmos genéticos, que procura parâmetros de um algoritmo de agrupamento de arestas de acordo com as métricas de qualidade do gráfico predefinidas e as preferências do utilizador.
Description: Doctoral thesis submitted in partial fulfllment of the Doctoral Program in Information Science and Technology and presented to the Department of Informatics Engineering of the Faculty of Sciences and Technology of the University of Coimbra.
URI: http://hdl.handle.net/10316/95269
Rights: openAccess
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UC - Teses de Doutoramento

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