可视化在校园一卡通建设中的应用

来源：华中农业大学现代教育技术中心 作者：王卫 杨岿 马力 发表于：2017.06.30  3760浏览

随着互联网、云计算、物联网等技术的迅速发展，科学技术与人们的生活、科研、工作等方面不断地交叉融合，导致数以亿计的数据产生。数据、网络架构、生活信息等类型繁多、数量巨大，给人们在认识和理解上带来了机遇与挑战。

高校一卡通在运行过程中会产生大量的消费流水、门禁进出信息、圈存情况等数据，这些数据对于分析学生行为以及日后的一卡通建设改造有很好的借鉴意义。但是复杂的数据呈现给老师和学生会导致提取重要信息慢，理解不完全，特别是对于一些不从事计算机专业或数据分析专业的人员来说，庞杂的数据会带来更大的认知困难。

一幅图胜过千言万语。研究表明，人们从外界获取信息，百分之八十来自视觉。当复杂的信息以直观可视化的方式展现在用户面前时，用户就可以直接观察出隐藏在数据背后的信息，并提出相应的预测和整改措施。目前，在商业智能领域、科学研究领域等，可视化一直都是十分重要的方式和手段。因此，高校在一卡通建设中要与可视化充分结合，加强信息的展示效果，提高老师和学生获取信息的速度，让数据可视化流行起来。

一、可视化现状及基本概念

可视化是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据以图形或者图像的形式展示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。可视化也可分为信息可视化、人机交互、可视分析等方面。特别是，在大数据分析领域，可视化的结果展示给人们的分析和预测带来了极大的便利。可视分析的一些基础理论包括意义构建理论模型、任务建模理论、交互模型等。大数据可视化包括文本可视化、网络可视化、时空数据可视化、多维数据可视化等。

可视分析目前十分热门，受到了各个领域的追捧，各种可视分析方法层出不穷。但是可视分析在给人们带来便利的同时也有很多需要解决的问题和面临的挑战。针对多源、异构、非一致、不标准的数据的集成等问题都是在大数据可视分析中面临的巨大挑战。

二、可视化在校园一卡通中的应用

校园卡在校园生活中扮演的角色类似于身份证，学生每天的消费、门禁等都离不开校园卡。我们甚至可以通过分析用户在使用校园卡过程中产生的数据来得到用户的行为习惯。人们在获取数据过程中的“所见、所思、所得”都是数据，并且在这个数据的海洋中，如何快速地将所见变为所得也是关键。

传统的大篇幅文字、复杂的表格等形式在传达信息方面不够直观，在进行业务总结时会花费大量的时间。在高校的校园卡建设和改造中，从其运行过程中获得的数据庞大而复杂，那么可视化结果的呈现对于构建安全、可持续发展、服务多样化的新一代校园卡是十分有帮助的。

1、地理信息可视化

近几年，计算机技术的发展也带动了遥感技术、测绘技术的发展。为了直观地展示地理属性，地理信息的可视化也蓬勃发展起来。GIS可以实现大量地理数据的组织，对于人们获取地理信息十分有利。地理信息系统在城市建设、环境、地质、气象等方面得到了广泛的应用。主流的处理软件包括OpenGL、VRML、Unity3D等，对地图上隐含的地理信息进行有组织的、直观的展现是地理信息可视化的最终目标。

校园一卡通的圈存转账机、POS机遍布全校，新生、新教职工以及外来人员能快速掌握各个机器所在的位置是十分困难的。如果可以将机器位置直观地展示在校园的地图上，将会给师生带来极大的便利。

以华中农业大学的基于校园GIS的可视化管理与控制平台为例，系统既可通过电脑端web访问，也能在移动端通过掌上华农APP访问。下图１展示的是校园一卡通圈存机的位置，在地图上可以直观地看到圈存机的位置，而且师生可以缩放地图，点击地理位置，精准定位，了解相关机器运行状态。人类是视觉动物，这种信息与地理位置结合的可视化展示，比文字和描述等方式能更方便有效地让师生获取信息。

图１　一卡通圈存机地理信息可视化图

2、数据文本可视化

在大数据时代的非结构化数据类型中，文本信息是十分典型的代表。文本信息成为了互联网中最主要的信息类型。人们在日常工作和生活中会经常接触各种以文本形式存在的电子文档。通过文本可视化可以将文本中蕴含的语义特征、逻辑结构、动态演化规律以及重要度等直接展现出来。典型的文本可视化技术是标签云，其将关键词根据规则排序，按照一定规律进行布局排列，根据大小、颜色、字体等图形属性对关键词进行可视化。目前，大多用字体大小代表该关键词的重要性，在互联网应用中，多用于快速识别网络媒体的主题热度。

校园一卡通建设中的各个食堂销售情况、圈存数量等信息都可以通过文本可视化的形式简单直观地展现出来，方便对食堂以及各个圈存机位置等的调整和布局。本文基于词频的可视化对学校的圈存笔数进行了可视分析。利用标签云技术首先提取出我们需要的文本信息，然后利用特征构建向量空间模型，并按照一定的频度递减规律以文字大小，颜色不一的方式进行展示。

图２是根据表１中华中农业大学各个圈存机以及现金充值、支付宝充值的日平均充值次数得到的可视化图（由于支付宝和现金充值量比较大，因此可视化的过程中对权重做了适当调整）。从图２中可以清晰地看出支付宝充值占的比重远远大于其它充值情况。我们不难得出图片方式的表达比通过文字来表述各个圈存机和支付宝等充值次数更直观，更容易获取信息。

在下面文本可视化图中，通过对各种充值方式圈存数目的直接展示，我们可以判别有些地方的圈存机可以去掉。例如从图中可以看到梦泽园、橘园食堂占的比重非常小，也就代表它们的圈存笔数少，那么在后期改造建设中我们可以考虑将其去掉，这样会节约金钱和人力的维护成本。

图２　支付宝、现金充值和各个圈存机充值次数可视化图

3、网络可视化

基于网络节点和连接的拓扑关系，通过可视化的方式直接展示网络中潜在的模式关系是网络可视化的主要方面。Herman等人将网络可视化的基本方法和技术做了综述。目前，最经典的图可视化形式是基于节点和边的可视化，例如圆锥树、气球图、放射图、Ｈ状树等是网络可视化技术中比较典型的表现形式。

随着高校中校园卡的应用越来越广泛，食堂、图书馆、体育馆等场所都离不开校园卡，复杂的网络拓扑在呈现给其他部门的时候会给理解上带来困难，而且也不便于主管人员对整个拓扑的把控。因此构建一个网络可视化图能更直观展示网络拓扑结构，方便管理。

以华中农业大学校园卡建设为例，下图３是基于节点和边的可视化得到的核心交换机与其他各院系、食堂、体育馆等交换机的网络拓扑图。从图中我们可以看到核心交换机、二层交换机和三层交换机之间的联系。当图中出现散乱的未被连接的孤立点，我们可以直接判断为该交换机掉线，没有连接到上一级交换机，需要及时进行维修处理。

图３　网络拓扑图

三、校园卡信息可视化展望

“互联网＋”给智慧校园建设增加了新的动力和内涵。在高校的信息化建设中，不仅是校园卡数据，其他运行系统也产生了各种结构化和非结构化的数据，例如教学管理数据，学生日常门禁信息等等。校园卡的信息可视化应该与学工处信息、教学信息、门禁管理等相结合，对学生日常活动和教师教学的行为进行更深层次的分析和预测，为构建智慧校园提供帮助。

信息可视化领域发展了几十年，积累了各具特色的可视化表达形式，但是大多数都是在技术上不断创新发展，科研结果只能被少部分研究人员接收，忽视了大多数人的认知规律和心理映像的诉求。高校的领导和老师中大多数不是从事计算机专业的研究人员，那么在校园卡信息方面的可视化建设中，就要尽量平民化，更丰富美观而又灵活地让分析者一眼看穿大数据。

四、结语

智慧校园是近年来多数高校的建设目标，在整个建设过程中，便捷快速地发现问题、寻找规律、总结结论是加快发展的必然要求。从上面的校园卡相关的信息可视化举例中，可以看出，校园卡在地理信息、大数据以及网络拓扑方面的可视化应用对于制定校园卡的改进方案、后期维护等都是十分有帮助的。

鉴于校园卡信息对于智慧校园建设方面起着十分重要的作用以及图片对视觉和思维的影响，将大数据分析和可视化结合将是必然的趋势。我们将继续在可视化的算法上做研究，在展示上增加逻辑性、易用性和可扩展性。（《华中师范大学学报（自然科学版）》）