Map charts: wizualizacja danych statystycznych na podkładzie mapowym

Karol Król

Król, K. (2019). Map charts: visualisation of statistical data on a background map — case study. Geomatics, Landmanagement and Landscape (GLL), 4, 171-181. DOI: 10.15576/GLL/2019.4.171

Wizualizacje danych przyjmują różną postać, od klasycznych wykresów słupkowych, po trójwymiarowe prezentacje na mapach globu. Testom eksploracyjnym poddano możliwości projektowe trzech narzędzi: 1) Visualization: GeoChart, 2) GIS and JavaScript oraz 3) 3D Maps (MS Office). Ponadto dokonano pomiaru wybranych atrybutów technicznych aplikacji. Wykazano, że testowane narzędzia są predysponowane do tworzenia wizualizacji danych na mapach administracyjnych, mają różne możliwości projektowe i różnią się stopniem zaawansowania obsługi, a także mogą być przydatne przy tworzeniu niedużych wizualizacji, tzw. „map ad-hoc”.

Zasoby informacji rosną w zawrotnym tempie. Nie jest to przy tym informacja niejako zestalona czy zastygła w ogromach bibliotek, instytutów uniwersyteckiego pokroju, sztabach militarnych czy giełdach i bankach, lecz raczej informacja w nieustającym ruchu [Lem 1999]. W natłoku informacji odbiorcy oczekują nowych, atrakcyjnych form prezentacji danych, które ułatwią interpretację i przyswojenie komunikatu. Graficzna prezentacja danych przemawia do wyobraźni i jest uniwersalna. Wywołuje emocje i zapada w pamięć. Dlatego też na znaczeniu zyskują różne techniki wizualizacji danych, które w efektywny i efektowny sposób oddziałują na odbiorców [Król 2017].

Aplikacje internetowe są najczęściej tworzone przy pomocy języków programowania (PHP, JavaScript, Java), bibliotek (OpenLayers, jQuery) lub złożonych komponentów open source (GeoServer, PostgreSQL, PostGIS) [Delipetrev i in. 2014]. Rozwój graficznych interfejsów obsługi oraz dostępność oprogramowania w oknie przeglądarki internetowej sprawiły, że interaktywne wizualizacje danych stały się dostępne dla użytkowników bez wiedzy specjalistycznej. Do ich dyspozycji oddawanych jest coraz więcej narzędzi umożliwiających samodzielne tworzenie i publikowanie atrakcyjnych wizualizacji danych. Przyjmują one różne formy, począwszy od tradycyjnych wykresów słupkowych, skończywszy na wykresach mapowych i kokpitach menadżerskich. Techniki i narzędzia te znajdują szerokie zastosowanie w wizualizacji różnych danych, w tym statystycznych.

Analizie porównawczej poddano możliwości projektowe wybranych technik i narzędzi oraz funkcjonalność i użyteczność wizualizacji utworzonych za ich pomocą: 1) Visualization: GeoChart Region GeoCharts, 2) GIS and JavaScript, ImageMapster, Maplight oraz 3) 3D Maps. Podstawą analizy były testy eksploracyjne typu ad-hoc. Techniki i narzędzia projektowe dobrano tak, aby uzyskać przegląd alternatyw projektowych. Testy ad-hoc przeprowadzono w trakcie tworzenia i użytkowania aplikacji utworzonej według przyjętych założeń projektowych.

Wizualizacja danych statystycznych

Głównym założeniem projektowym było utworzenie wykresu mapowego, tj. interaktywnej wizualizacji danych statystycznych w formie kartogramu. Kartogram to mapa tematyczna przedstawiająca wartości wybranego atrybutu obiektów powierzchniowych, które powstały przez podział danego obszaru. Granice obiektów są z góry określone, np. przez podział administracyjny, a odpowiadające obiektom wartości atrybutu prezentowane są graficznie, np. barwą, zazwyczaj z uwzględnieniem przedziałów zmienności danego atrybutu.

W projekcie przyjęto założenie, że kartogram przedstawiał będzie liczbę ludności poszczególnych województw w Polsce. Za dane wejściowe przyjęto dane statystyczne udostępniane przez Główny Urząd Statystyczny. Ponadto przyjęto założenie, że wizualizacja ma stanowić komponent witryny internetowej. Jednocześnie podjęto próbę uzyskania zbliżonej formy publikacji przy pomocy każdego z testowanych narzędzi. W dalszej kolejności dokonano pomiaru (w trybie desktop) wybranych atrybutów aplikacji, w tym: rozmiaru i liczby plików składowych, czasu wczytywania w oknie przeglądarki internetowej, a także wydajności. W ocenie wydajności wzięto pod uwagę wartości wskaźników YSlow, Page Speed Score (Pingdom Tools) oraz Speed Index.

Charakterystyka analizowanych technik projektowych

Google Visualization API (Google Visualization Application Programming Interface) to jedno z najbardziej popularnych narzędzi, które pozwala prezentować dane w formie interaktywnych wykresów mapowych. Visualization API stanowi zbiór klas JavaScript, wywoływanych i prezentowanych w strukturze dokumentu hipertekstowego. Wykresy Google Charts są narzędziem prezentacji danych w oknie przeglądarki, podczas gdy Visualization API jest techniką ich generowania [Google Charts 2019]. Alternatywą do prezentacji danych przy pomocy Visualization API jest prezentacja utworzona z wykorzystaniem HTML Image Map Plugin (rozszerzenie programu QGIS). Narzędzie to przekształca obiekty wektorowe w grafikę rastrową, której towarzyszy dokument hipertekstowy. W dokumencie tym znajdują się koordynaty wierzchołków odnoszące się do konkretnych pikseli. Zastosowanie skryptów jQuery pozwala „ożywić” te obiekty. Trzecią wizualizację przygotowano za pomocą Microsoft 3D Maps for Excel [Winston 2016].

Wyniki testów eksploracyjnych

Efektem końcowym zastosowania Visualization: GeoChart jest interaktywny wykres mapowy prezentowany w oknie przeglądarki internetowej (ryc. 1).

Rycina 1. Visualization: Region GeoCharts – przykład interaktywnej mapy tematycznej – liczba ludności ogółem, w podziale na województwa (Polska); zrzut ekranu. Źródło: opracowanie własne z wykorzystaniem Visualization: GeoChart

Po najechaniu kursorem myszy na obiekty umiejscowione na mapie prezentowane są informacje umieszczone w oknie typu „pop-up”. Podkład mapowy jest w tym przypadku generowany dynamicznie (SVG or VML). Nieco inaczej jest w przypadku kartogramu utworzonego przy pomocy narzędzi GIS i JavaScript (ryc. 2). Zasadniczą częścią wizualizacji jest tu plik rastrowy, który jest „obsługiwany” przez skrypty. Również w tym przypadku informacje są prezentowane w osobnym oknie, które jest stałym elementem wizualizacji.

Rycina 2. Przykład mapy tematycznej – liczba ludności ogółem, w podziale na województwa (Polska); zrzut ekranu. Źródło: opracowanie własne z wykorzystaniem QGIS Image HTML Map Plugin oraz JavaScript

Ograniczeniem narzędzia 3D Maps jest brak możliwości zapisania mapy w formie dokumentu hipertekstowego. Wizualizacje utworzone w 3D Maps można zapisać w formie rastrowej (ryc. 3), tj. plików graficznych, lub w formie animacji tj. klipów wideo, tzw. wizualnego przewodnika (pliki MP4). Informacja przypisana do obiektów umiejscowionych na mapie jest wyświetlana w oknie popup jedynie na etapie projektowym.

Rycina 3. 3D Maps – przykład mapy tematycznej – liczba ludności ogółem, w podziale na województwa (Polska); plik rastrowy. Źródło: opracowanie własne z wykorzystaniem 3D Maps

Aplikacja 3D Maps wymaga dostępu do Internetu ponieważ wykorzystuje Bing Maps. Dynamiczna zmiana rozmiaru mapy w aplikacji 3D Maps jest możliwa jedynie na etapie projektowym. Żadne z narzędzi nie obsługuje cyfrowego przybliżenia widoku mapy i nie umożliwia chwytania i przeciągania obszaru mapy. Tak uzyskane prezentacje mają charakter „zamknięty” i ograniczony do wybranego fragmentu mapy.

Wydajność utworzonych aplikacji jest zbliżona, chociaż trudno traktować bezwzględnie pomiary wydajności samych tylko komponentów. Są to bowiem pewnego rodzaju „prezentacje cząstkowe”. Tego typu aplikacje, przyjmujące postać niedużych komponentów, są najczęściej prezentowane na stronach internetowych jako ich fragmenty, części składowe, uzupełnienie treści, wizualizacja danych. Tak małe komponenty nie będą znacząco wpływały na wydajność serwisów, w których zostały umieszczone. Niemniej istotne w tym przypadku mogą być atrybuty „requests” oraz „page size”, które wymiernie określają swoisty „ciężar” komponentu czy też obciążenie, jakie może on wygenerować dla serwisu macierzystego.

Duża liczba odwołań do zasobów zewnętrznych jest niekorzystna, podobnie jak duża objętość plików składowych.

Badania wykonane w 1997 roku pokazały, że główną przyczyną wolnego wczytywania ówczesnych witryn internetowych były duże pliki graficzne. Obecnie, powolne wczytywanie się witryn internetowych jest przeważnie spowodowane opóźnieniami serwera, zbyt dużą liczbą zastosowanych komponentów, w tym pochodzących ze źródeł zewnętrznych, oraz nadmiernie „fantazyjnymi” widżetami [Nielsen 2010].

Ograniczenia testowanych narzędzi i implikacje praktyczne

Żadna z aplikacji nie jest dostosowana do urządzeń przenośnych. Owszem jest możliwe przeglądanie tak utworzonych wizualizacji na ekranie np. urządzenia typu smartfon, jednak może to być utrudnione. Witryna, której oprawa graficzna dostosowuje się samoistnie do rozmiaru (rozdzielczości) wyświetlacza (resolution dependent layout) została zaprezentowana po raz pierwszy w 2004 r. Responsive web design (RWD) stawia w centrum potrzeby użytkownika oraz komfort przeglądania witryny. Technologia RWD zakłada płynne skalowanie zawartości serwisu z zachowaniem jakości obrazu oraz prostoty nawigacji.

Nie można wskazać, które z narzędzi jest najlepsze spośród testowanych. Można natomiast wskazać, które narzędzie jest najlepsze do konkretnych zastosowań. Gdy oczekiwana jest jedynie statyczna prezentacja mapy, np. w formie grafiki, najprostszym rozwiązaniem jest 3D Maps. Gdy w projekcie przewidziano interaktywność mapy warto sięgnąć po Visualization: GeoChart, natomiast gdy do dyspozycji użytkownika pozostaje baza danych GIS można zastosować HTML Image Map Plugin do przekształcenia jej w komponent mapowy.

Testowane narzędzia różnią się stopniem zaawansowania obsługi. Warto zatem zwrócić uwagę na czas przygotowania kartogramu oraz stopień trudności jego przygotowania. 3D Maps to narzędzie obsługiwane przy pomocy interfejsu graficznego znanego z programów MS Office. Użytkownik za pomocą przycisków uzyskuje oczekiwany efekt. W pierwszej fazie pracy projektowej duże wrażenie robi dynamika i interaktywność mapy Bing, jednak efektem końcowym jest plik rastrowy lub wideo. Mogą być one niewystarczające do realizacji przyjętych założeń projektowych.

3D Maps pozwala na zaawansowaną analizę danych, jednak podstawową formą publikowania wyników jest plik graficzny.

Visualization: GeoChart to interfejs programistyczny (API). Zmiana atrybutów mapy, np. kolorów lub zakresu przestrzennego wymaga przynajmniej podstawowych umiejętności programistycznych, a także znajomości podstaw HTML i CSS. Zastosowanie Visualization: GeoChart wymaga pracy z kodem. Podobnie jest w przypadku map utworzonych przy pomocy narzędzi GIS. Zaprogramowanie interaktywności tak wygenerowanych map wymaga implementacji JavaScript. Pewnym ograniczeniem może być także dostępność narzędzi. O ile Visualization: GeoChart oraz aplikacja QGIS są udostępniane bezpłatnie, o tyle 3D Maps jest narzędziem płatnym, choć program dostępny jest także w wersji testowej.
Testowane narzędzia są predysponowane do tworzenia wizualizacji danych na mapach administracyjnych: państw, województw, powiatów etc. Różna jest jednak jakość i dostępność podziału administracyjnego. Przy pomocy testowanych narzędzi możliwe jest wykonanie map tematycznych np. zaawansowanych wizualizacji wyników analiz lub zjawisk przestrzennych. Narzędzia te mogą być jednak najbardziej pomocne przy tworzeniu niedużych wizualizacji, tzw. „map ad-hoc”.

Mapy czy też wizualizacje typu „ad-hoc” są wykonywane doraźnie, „na już” (na teraz), kiedy nie ma potrzeby tworzenia zaawansowanych serwisów mapowych, gdy brak jest środków finansowych na specjalistyczny serwis mapowy lub kiedy potrzebna jest szybka prezentacja zjawiska na mapie. Wtedy najefektywniejsze może okazać się narzędzie 3D Maps, zwłaszcza jeśli mapa ma być uzupełnieniem raportu tekstowego – drukowanego.

Konkluzja

Zasadnicza różnica między testowanymi narzędziami występuje na etapie prac projektowych, tj. opracowywania „produktu końcowego” czyli kartogramu. Różny jest także efekt końcowy. Aplikacja 3D Maps jest narzędziem analizy danych. Pozwala wizualizować różne partie danych na jednej mapie. Podobne możliwości daje aplikacja QGIS użyta do wygenerowania mapy w technologii „GIS and JavaScript”. Natomiast Visualization: GeoChart jest narzędziem wizualizacji danych, które zostały już wcześniej przygotowane.

Efekt końcowy w postaci kartogramu uzyskany przy pomocy każdego z narzędzi jest z pozoru podobny, jednak znacząco inny pod względem implementacji. Diametralnie inny jest także sposób tworzenia mapy. Użytkownik zauważy przede wszystkim różnice w interaktywności i sposobie prezentacji kartogramu, w tym legendy i okna pop-up. Mapa utworzona przy pomocy Visualization: GeoChart to komponent dokumentu hipertekstowego. Jej implementacja wymaga znajomości HTML i CSS, a samo utworzenie mapy wymaga znajomości Google Visualization API. Podobnych umiejętności wymaga utworzenie mapy przy pomocy QGIS Image HTML Map Plugin oraz JavaScript, choć w tym przypadku wymagana jest także znajomości obsługi aplikacji typu desktop GIS. Najprostszy w implementacji jest raster będący wynikiem przekształcenia mapy utworzonej w programie 3D Maps.

Źródła

Delipetreva B., Jonoskia A., Solomatineb D.P. 2014. Development of a web application for water resources based on open source software. Computers & Geosciences, 62, 35-42.
Google Charts 2019. Visualization: GeoChart. Interactive charts for browsers and mobile devices, https://developers.google.com/chart/
Król K. 2017. Analiza porównawcza wybranych technik interaktywnej prezentacji danych. Studia Ekonomiczne. Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Ekonomicznego w Katowicach. Informatyka i Ekonometria, 342, 86-98.
Lem S. 1999. Bomba megabitowa. Wydawnictwo Literackie, Kraków.
Nielsen J. 2010. Website Response Times. Nielsen Norman Group, https://goo.gl/MymMco
Winston W. 2016. Microsoft Excel data analysis and business modeling. Microsoft Press, Redmond, Washington, USA.