2021-Wanderlust: 3D Impressionism in Human Journeys


如果把城市之间的来往画成山,我们看到的是什么?

论文名片|Guangyu Du、Lei Dong、Fábio Duarte、Carlo Ratti,Wanderlust: 3D Impressionism in Human Journeys,2021 IEEE VIS Arts Program(VISAP),45—58页,图像论文(Pictorial)。DOI。

早上去熟悉的办公室,周末去郊外公园,一年中偶尔拜访远处的朋友:这些来往都可以在地图上画成线。但当两百万人留下的联系挤在一起,地图往往只剩下看不清的线团。

Wanderlust 尝试让这些线形成一片山景。山顶不是地表高程,而是地点的吸引力;山坡不是道路,而是来自不同地方的访问联系。它希望保留距离、人数和访问频率,同时让读者感到一座城市由多种强弱不同的往来共同塑造。

这篇论文的贡献是可视化设计与数据艺术探索,主要通过示意图、设计迭代和交互作品展示。它所依据的访问规律来自另一项已发表研究,不能把两者合并成这篇图像论文独立完成的统计发现。

先说结论

  • 把目的地抬升到由吸引力决定的高度,可以把流向和地点差别放在同一个空间里,颜色则留给访问频率。
  • 一条联系的粗细表示独立访客人数,线内不同色段的长度比例表示不同频率访客的组成;色段不是一段路上先后经过的交通状态。
  • 分层与阈值让高频核心、低频远距离联系分别显现,但筛选和高度变换也会主动改变观众对城市重要性的感受。
  • 这是一种帮助探索和表达的方案,论文没有通过受控读图实验、误差或效率评估证明它优于二维地图,也没有把动画当作完整真实轨迹。

先把真实城市与视觉山景分开

基础研究涉及五组手机数据:美国大波士顿、新加坡、葡萄牙的里斯本—波尔图—布拉加、塞内加尔达喀尔、科特迪瓦阿比让。这里五组数据对应的城市名称不只五个,不能把葡萄牙三座城市当成三次同质实验。

波士顿原始数据约含200万名匿名用户在2009年7—10月的十亿条位置记录。作品为简化展示,选用其中8月;原文没有说200万人都在这个展示月满足同样记录密度。区域被划为1公里×1公里网格,以兼顾城市与乡村中不同的基站定位尺度。网格足够展示区域联系,却不足以把某条线认作一名行人走过的街道。

作品依据的访问规律把空间距离与重复访问频率放在一起:距离更远、又要求更频繁到访的访客组合,一般更少见;不同目的地还有各自的吸引力参数 μ。μ 是模型中的地点参数,不是直接问卷测出的喜欢程度,也不等于地点的总访客数。本文不把这项基础研究的拟合结果改写成作品新做的因果验证。

波士顿吸引力分布

图1|没有三维山峰之前,吸引力在地图上怎样分布?

按1公里网格显示大波士顿,蓝到粉的色标表示较低到较高的地点吸引力。它是模型参数的空间表示,不是地形、房价或人口普查密度。来源:原论文第46页地图。

为什么普通三维弧线仍不能解决所有问题?

传统流图直接连接起点与终点。流量一多,线之间容易遮挡;边捆绑能整理线束,却可能引入原始数据没有的树状结构;密度表面能显示总体集中区,又会弱化每条联系的差别。论文讨论这些取舍,而不是用统一基准测试给这些方法排名。

把线弯到空中,也不一定使用了一个真正独立的信息维度。如果弧线的高度只是由两点距离决定,第三维主要是在重复已知距离;如果高度只是单一数值的地形化表达,也可能改用二维颜色。Wanderlust 要做的是,让目的地高度、水平位置和联系属性相互配合。

三维弧线与地形表达的对照

图2|图像看起来立体,就意味着多表达了独立信息吗?

从上到下,图板给出空中弧线、密集点状表面、距离决定的弧线示意,以及用高度表达数值的地形示意。后两幅分别强调弧高与距离的依赖、地形高度可以换成其他视觉编码。这是设计论证,不能读成三维一定不必要或一定更准确的实验结论。来源:原论文第47页图板。

一条线怎样同时说明去哪里、多少人和多久去一次?

作品让每条流从起点地面的z=0出发,连接到由目的地吸引力决定的高处。A到B和B到A分别升向不同的山顶,因此在三维空间中不再只是相反方向的同一条地面线。这是视觉上的方向提示,不是人真的向上旅行。

线宽表示这一联系的独立访客人数。某个人一个月去了同一地点很多次,并不因此变成很多名访客;总访问次数与独立访客数必须分开。频率用颜色编码:1—7次/月为深蓝,8—14次/月为浅蓝,15—21次/月为珊瑚色,22—30次/月为深粉。不同频率组的边界是作品的分类选择,而不是已经证明存在四种固定行为类型。

方向人数频率的编码方案

图3|三维目的地抬升怎样分离来回两个方向?

上部中间比较频率与人数可用的线宽、点密度、透明度和色相等通道;右上保留1公里网格示意。中部与下部展示流从地面汇向高处A,以及A、B分别按自身高度接收来流;左下是相应三维视觉效果。全部示意共同说明编码选择,没有将它们拆成独立结果。来源:原论文第48页完整图板。

最初设计对同一OD联系最多画四条不同颜色的线,各自粗细与对应访客数有关。但透明线重叠会增加绘制排序问题,也会把同一对地点的联系重复画多次。修改后的方案只画一条总宽度代表总访客数的流,再沿线分成色段,长度比例对应不同频率组的访客占比。

读这条线需要特别小心:蓝色出现在靠近起点的一段,并不表示人在那里低频活动,粉色靠近山顶也不表示最后一段路更繁忙。颜色沿线的位置是为了分配组成比例,不是真实地理位置上的属性变化。

从多条线到色段组成

图4|同一条联系,应该叠四条线还是分成四个色段?

左侧保留不同视角的初始效果,左下agglomeration与subdivision示意对照叠加和分段;中间上方与右下为不同视觉效果。色标完整列出四个频率组。粗细传达总人数,色段占比传达群体组成,这不能替代对每个人出行顺序的观察。来源:原论文第49页完整图板。

为什么山峰看起来像由许多笔触组成?

作品借鉴印象派的整体色彩感受:为流线设置带空隙的小液滴纹理,允许观众看见下面的颜色,而不是把上层画成不透明的实心表面。实现依赖WebGL等图形绘制;这说明作者选择了适合大量像素与纹理处理的工具,并不构成SVG永远不能处理大数据的性能定理。

同一幅景观可以按频率组筛选,分别观察高频、低频来往。低频组中联系和跨度看起来更多,与基础访问规律的方向相容;但静态图的透视、阈值和颜色也影响可见线的多少,不能靠画面面积重新估计幂律指数。

频率组的四幅山景

图5|不同访问频率会形成怎样的视觉层次?

按原文说明,从左上、左下、右上到右下,访问频率逐步降低;四幅画面展示包含相应频率访客的流。左侧较暖色强调较频繁访问,右侧较冷色联系更广。它们是同一编码体系的定性对照,不是四座真实山,也不是交通负荷的独立测量。来源:原论文第50页完整四联图。

一座山的轮廓,有多少来自数据,有多少来自设计?

为了让宏观结构可读,作品会筛选目的地与流。某些画面只保留单月独立访客至少5,000人,或 log₁₀μ≥1.65的目的地,再按每条流的访客人数设置门槛。门槛提高后,细弱联系消失,城市和城镇核心更突出;门槛降低后,外围与低频来往更容易出现。

这是一项可解释的视觉取舍。被隐藏不等于没有联系,保留下来的高峰也不自动代表所有居民最需要的服务。对医疗、照护或弱势群体而言,少量来往可能比总体大流量更值得看。

访客门槛改变后的图层

图6|删去较弱的流,城市的中心感会怎样改变?

原图由上到下分别标出每条流至少10、20、100名访客,保留同一纵向图组。随着门槛升高,外围细弱联系减少,核心较强联系更突出。旁边文字还讨论过50人的中间层,但第三幅图内明确标的是100人,不能把它误记为50人。来源:原论文第51页完整三联图。

另有三种设计共同形成层次:小液滴纹理让下层透出,三次曲线把不同来向组织到山体附近,非线性的高度变换让较高吸引力地点更突出。原文说明后者针对非负log₁₀μ情形,画面高度经过加工,不能拿屏幕上山高的倍数直接当作吸引力参数的倍数。曲线只是连接表示,既不是实测道路,也不是每个人的飞行轨迹。

分层机制与目的地筛选

图7|纹理、曲线和高度如何共同形成层次?

左上、左下比较每条流至少50与200名访客时的效果;右侧主图展示较完整的层次,两个放大插图对照至少5,000与10,000名访客的目的地筛选。原图还保留频率、访客与三次曲线的标注;较小山峰被较大山体遮蔽,是这套设计的一部分,并非数据真的不存在。来源:原论文第52页完整图板。

最终波士顿山景

图8|完成设计后,整片波士顿联系呈现什么样子?

整幅画面保留原始视角:目的地满足每月至少5,000名独立访客或log₁₀μ≥1.65,流中包含22—30次/月的高频访客;颜色、线宽、山高分别对应频率、独立人数和吸引力编码。这是有明确筛选条件的区域印象,不能当作未筛选的完整交通网络。来源:原论文第53页。

动画中的点,真是在那个时刻经过那里的人吗?

为了让人感到线条由个体活动累积而成,作者从总计约34万名访客中,选约1万人用于个体移动模拟。每一步按照此前到访频率决定下一个目的地,更常去的地方更容易被再次选中。这个偏好回访的模拟可以呈现总体来往的动态感,却不是把1万人每个时刻的实测运动原样播放。

若误把模拟当作实时交通,就会给画面赋予没有的数据精度。论文也承认当前数据适合群体流,学习个人真实的串联行程仍较粗;基础表示带有访问后返回家的简化,而现实中人可能一天连续经过多个地方。

点与线的动态表达

图9|为什么单有移动的点还不足以说明联系?

左上展示点与线结合的局部,右侧展示区域联系。原图正文与图像共同解释,细的深粉线可以保留人数少但访问频繁的连接;单靠许多点的颜色混合,未必容易看见这种联系。移动点的过程来自频率驱动模拟,不能当作逐秒观测。来源:原论文第54页完整图板。

交互界面让观众选择目的地,再查看具体位置、访客人数、访问次数和log₁₀μ,也可以改变视角和显隐。论文报告将138个吸引力目的地反向地理编码,并给出38个城镇、93个社区的汇总描述;这些不是一组必须相加等于138的互斥人口统计。

交互界面的完整画面

图10|整体印象如何连接到某个具体地点?

左侧是可拖动、切换显示的三维流与选择标记,右上为当前网格的地图和指标,右下是以该目的地为中心的访客图。原文提供交互作品供探索;本图是论文界面截图,图中状态不代表实时城市情况。来源:原论文第55页。

吸引力接近的地点,为什么看起来仍很不同?

把一个目的地单独拿出来,可以画一张以它为中心的圆盘:点表示访客,颜色对应访问频率,离圆心的距离对应到目的地的距离。这样,宏观山景里被叠加的差别重新显现。

原图中Beacon Hill有29,706名访客、82,539次访问,log₁₀μ为2.717;Wright’s Park有1,951名访客、2,150次访问,log₁₀μ为1.919。后者人数少,却仍有不可忽略的吸引力参数。Fenway-Kenmore有11,851名访客、34,594次访问,log₁₀μ为1.637,正好说明总人数多不必然意味着参数更高。μ综合的是基础模型中的距离—频率关系,不能直接用来排名地点对每个个体的主观价值。

五个地点的访客圆盘

图11|同样一座城市,各目的地的访客组成如何不同?

左上Beacon Hill、右上小圆Wright’s Park、左下Cambridgeport、右下小圆Fenway-Kenmore,以及右侧大圆Smith Mills,均保留原始排布与数值。点是访客,颜色是频率;左侧四圆半径50公里,右侧大圆半径100公里,不能按相同像素距离直接比较远近。Cambridgeport为9,339人、20,624次、log₁₀μ=1.705;Smith Mills为6,180人、19,062次、0.919。来源:原论文第56页完整图板。

换到另一座城市,这种图还表达同一件事吗?

论文把方案应用到多个地区。波士顿、达喀尔、新加坡、葡萄牙三城与阿比让出现不同形状,展示了方法可用于多种城市结构。但数据采集、位置误差、时间窗口、人口覆盖与绘制视角都可能不同,图像差异不能直接变成哪座城市更有活力或更包容的定量排名。

多个地区的应用

图12|相同编码在不同城市如何形成不同景观?

上排为波士顿四种频率表现,中间为达喀尔与新加坡,下部保留波尔图—布拉加—里斯本以及阿比让的原始布局。它们展示视觉方案的适用范围,没有提供跨城市统一采样与定量误差比较。来源:原论文第57页完整图板。

个体OD联系示意

图13|如果追踪到个人行程,还有哪些信息尚未表达?

线表示个体的起讫点联系,而不是已还原的逐路段轨迹。论文据此提出更细时间频率、社区级聚合和个人轨迹等未来方向。不能将这张图理解成作品已经完成对全天多目的地活动链的识别。来源:原论文第58页。

作品没有报告受控用户研究,也没有读图正确率、任务时间或与二维方案的系统性能比较。因此,它能证明一种编码可以被构建并产生有层次的表现,尚不能证明一般观众能可靠读取精确数值。遮挡在三维空间被缓解,也可能在某些相机视角的屏幕投影中重新出现。模型参数、视觉变换与筛选条件,始终需要和画面一起解释。

一句话总结

Wanderlust把城市的访问联系变成可探索的三维山景,价值在于同时组织地点、人数与频率的整体印象,而它的山高、颜色和动画都需要按编码解释,不能当作真实地形、道路或实时个人轨迹。

核心来源

作者介绍

Guangyu Du 在本文署名为麻省理工学院 Senseable City Laboratory 作者。Lei Dong 同时署名该实验室与中国北京大学;以上采用原文英文署名,避免把未核对的人名译法当作作者本人用名。

Fábio Duarte 与 Carlo Ratti 均署名为麻省理工学院 Senseable City Laboratory 作者。四人合作完成本文呈现的可视化与设计讨论;这里不据作品风格推断未经原文说明的个人贡献分工。

延伸思考

以下是 AI 基于论文结果所作的延伸,不属于原论文结论。

越像自然景观的图,越容易让人忘记它是设计的结果。可以让交互界面同步显示一张朴素的二维统计图:选中山峰时,看见独立人数、访问次数、距离分布与显示阈值;改变高度变换时,保留原始参数刻度。这样的双视图能让感性的整体印象与可核查的数值相互校正。

若要评估它是否帮助城市理解,可设计两类任务。第一类要求准确判断哪条联系人数更多、哪个地点低频远距离访客更多;第二类要求提出有证据的新问题。艺术表达可能在激发问题上有优势,却未必在精确排序上有优势,两类任务应分别评估。

最后,不妨加入专门显示低流量但高必要性联系的模式。总体访问量形成的山景会突出多数人的共同去处,而少数人的医疗、照护与无障碍需求可能藏在细线里。把这些需求补进叙事,需要额外数据与明确目的,不能只靠把山峰画得更高。


本文不允许转载。
  目录