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全球地鐵路線可視化，長什么樣？

2023-10-23 11:59

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創可視分析可視分析

本作品為2023年第十四期北京大學可視化發展前沿研究生暑期學校系列作品之01 - 全球地鐵可視化。

引言

也許你經常乘坐城市地下飛馳的地鐵，然而或許你并沒有意識到，地鐵線路圖正是我們日常生活中最常見的可視化之一。

曾經的地鐵線路圖非常復雜，難以讀懂。1933年倫敦地鐵圖的設計者Harry Beck開始采用八度線性（octolinearity）來抽象每條線路。這個方式刪繁就簡，大膽地刪去地圖上人們不太關注的冗余信息，只保留最受關注的線路與站點，這樣經典的制圖方法一直到今天，哪怕在最繁華的大都市依然運行良好。

今天的北京地鐵圖依然沿襲了1933年風格的倫敦地鐵圖

在前期調研中，可以發現最有趣的是各個城市在地鐵線路拓撲結構上的差異。一條條地鐵宛如城市跳動的脈搏，不同的城市根據其自身的空間特點，采用不同的線路設計，將客流輸送到城市各個角落。地鐵線路也記錄著城市的發展與變遷，城市內的時空距離被一條條線路迅速拉近，隨著時間的推移，地鐵線路不斷增加，一些從前沒有地鐵的城市也開始興建地鐵系統。

本項目的設計目標是用具有視覺沖擊力的簡潔藝術性表達方式，概括各個城市地鐵線路拓撲結構的特點，并呈現隨時間變化，不同城市地鐵線路的發展與變遷。

數據收集與整理

總體而言，全球地鐵是一個層次結構的數據，從國家地鐵到城市地鐵再到具體的每條地鐵線路。這些數據還包含一些時間和空間屬性。通過一些附加信息，可以進一步計算城市地鐵的覆蓋率等指標。

全球地鐵數據

本項目對維基百科中全球地鐵的數據列表進行爬取，獲得了66個國家/地區的206個城市的地鐵數據，其中包括地鐵的位置信息及每條線路的具體信息，給出了各城市現有地鐵的情況。經過數據清洗，每條線路數據都包括8個字段：線路名稱、首發時間、延長線時間、起點站、終點站、車站數、長度、車型編組。每個城市數據都包括了城市面積、人均GDP、城中心經緯度。

具體的數據處理步驟如下：

修改時間格式、刪除注釋。這一步中，定義了一個名為 clean_json 的函數，它接受一個參數 json_data，并對其進行清洗。首先，遍歷 json_data 中的每個城市和每條線路，然后將時間格式轉換為 yyyy-mm-dd 的形式，并刪除注釋。最后，返回清洗后的數據。

調用API獲取首發站和終點站的經緯度。這一步中，定義了一個名為 get_location 的函數，它接受兩個參數：地址和密鑰。該函數使用高德地圖API來獲取地址的經緯度，并返回經度和緯度。

計算每條線路的覆蓋率=線路長度*1/城市面積。這一步中，首先讀取表格數據并轉換為字典，然后讀取JSON數據。接著，遍歷每個城市和每條線路，計算線路長度除以城市面積得到覆蓋率，并將其存儲在字典中。最后，找到所有覆蓋率中的最大值和最小值，并對所有覆蓋率進行歸一化處理。最后，將結果寫回JSON文件。

方案迭代

最初，同學們想到的是用動態柱狀圖來表示地鐵國家不斷涌現的現象。每一條柱體（地鐵列車）代表一個國家，柱體的長度代表出現的時間；網頁前進速度為地鐵速度，隨頁面向左移動，地鐵城市和站點逐一出現，用地鐵列車出不斷前進的視覺隱喻來體現全球地鐵的發展。列車每個車廂代表城市，當有新的城市出現，車廂增加，車廂里的氣泡代表不斷增加新的地鐵線路，氣泡大小代表線路里程。

方案一：動態列車

在和指導老師的討論中，小組同學意識到最開始的思路在希望表達過于復雜全面的信息。這樣的方案反而難以實現有效和新穎的表達。例如在上面的例子中，如果該城市所代表的車廂已經移動出畫面，類似倫敦這種很早就有地鐵的城市，那后來增加的線路氣泡就無法顯示在畫面中。最后設計的方案中，采用更為簡潔的設計，把每個城市抽象成小正方形排布在頁面上，每個城市只用簡單的線條或者形狀示意性地展示地鐵建設情況：

方案二：城市方格

“城市方格”設計迭代

圖形規則：

在具體設計中全球地鐵項目采用以下圖形（glyph）編碼規則。首先，一個城市用一個方格表示，線路主要有三種抽象形式，分別是普通線路、環形線路、三折線路。我們使用首末站兩點確定一條線，用這兩點和城市中心的相對位置確定線在方格中的位置。為了美觀將每一條線延長到方格盡頭。為了更真實有效地展示地鐵線路覆蓋到城市的范圍，每條線的寬度表示覆蓋率。即該條線路的長度除以所在城市的面積，并對所有線路進行了歸一化。

圖形設計規則

布局規則：

當把城市方格拿出來平鋪在頁面上：一個國家編碼為一個九宮格，城市為其中一格，線路為方格內的線條；每當新線路出現，相應城市方格內加一根線，東西走向為橫線、南北走向為豎線；線的粗細標識地鐵覆蓋率；特殊線路標識為彩色，加入點擊效果可查看具體信息。解決了線路出現時間與時間不對應、無法看到線路增加的問題。

系統設計第一版

但是把國家編碼為九宮格的方案也存在局限，一方面，這會使得線路難以看清，另一方面，有的國家有超過九個城市擁有地鐵。在此基礎上，我們決定舍棄國家九宮格的方案，但保留城市方格，方格中的線條定位成真實的地鐵線路位置。根據“視覺沖擊”、“城市線路發展”兩個需求，確立兩個目標：

1.得出全球城市抽象線路的靜態展示

2.在系統可對中國城市地鐵發展進行動態展示

系統設計第二版：反白與格式塔

色彩規則：

后續我們又對地鐵線路的顏色、位置排列、計算方式、交互做了一系列調整。

系統設計第二版：反白與格式塔

在最終的設計中，全球地鐵收錄了全球206個已經修建地鐵的城市，它們之間的相對位置是根據真實經緯度排列的，從左到右依次是美洲、歐洲、亞洲。每個城市的地鐵線路都有自己的顏色，所以我們最色彩設計規則選用了每條線路各自的真實顏色。整個頁面上方有一條時間軸標注當前的時間。

系統設計第三版：真實線路顏色

交互設計：

如果想看其中一個城市的發展該怎么辦？我們進一步設計了單個城市的信息詳情，點擊某條線路，該線路會被高亮出來，線路上會顯示該線路的名稱等具體信息。

系統設計第四版-詳情頁

系統實現與案例分析

如果將時間軸移動到2010年。我們會發現亞洲地區有大量空白，這直觀地展示了中國及印度等國家在那個時候尚未修建地鐵。將時間軸滑動到2023年，觀察者將會目睹中國城市地鐵的極速發展。這個對比清晰地展示了全球城市地鐵線路在時間上的發展變化。在圖表中，用戶不僅可以通過線條的疏密與粗細看出城市規劃的空間形態，還能透過不同時間點的對比，觀察全球城市地鐵線路的演變。

2010年與2023年線路對比

更有趣的是，可以發現通過這些抽象線路的組合形態以及基于本身線路圖的配色，能夠展現城市的特點。例如，北京的地鐵線路更多地采用橫縱垂直布局，而馬尼拉的配色則體現了東南亞的風格。莫斯科的地鐵網絡則呈現出經典的環狀和放射狀布局。這個可視化圖表不僅提供了地鐵線路的信息，也可以通過對比分析的方式深入了解全球城市的規劃和發展。

各城市面貌

為了更好體現全球地鐵線路的發展歷史，可以用信息交互的手法來體現數據的演變。在這里有一個時間軸，用戶可以通過滑動滑塊觀察到從第一條線路出現至今地鐵線路的發展趨勢、速度、位置等信息。以中國為例：

1978年改革開放時中國僅有香港和北京兩座城市擁有地鐵。

僅有香港和北京兩座城市擁有地鐵

到了2002年，上海獲得了2010年世博會的主辦權。上海當時僅有不到100公里長的地鐵，完全無法應付世博會將會帶來的巨大客流。上海提出“要舉全市之力，加快地鐵建設”，全市上下“緊急動員”，大干快上了一批地鐵項目。在最高峰時，上海同時有116個地鐵車站在建設，近百臺盾構機全面推進，可以說是代表了中國新時代地鐵建設的最高潮。2010年世博會開幕時，上海市完成了一個幾乎不可能完成的目標：全市地鐵里程達到428公里，共11條線路和280座車站，完美地為世博會保駕護航。

2002年的上海地鐵

2010年的上海地鐵

2008年7月19日，北京地鐵8號線首通段（奧運支線）、10號線一期、首都機場線這三條線路在同一天開通，服務于將于不久后盛大召開的2008年北京奧運會及殘奧會。地鐵8號線在后來的2022年冬奧會上也發揮了新的作用。

2008年的北京地鐵

結語

1933年，Harry Beck將倫敦地鐵圖，由復雜的地圖抽象成具體的線路，在極小的空間里為乘客提供了最大的便利。在紛繁復雜的信息流中，人們不斷尋求新的可視化方法，將最準確、最重要的信息在最合適的場景傳達出來。本項目也是一次這樣的嘗試，通過將城市抽象為地鐵線路的集合，以期探索城市地鐵的拓撲結構，以及背后的城市發展與變化。