实验二：D3数据可视化基础
实验目的：
熟悉 D3 数据可视化的使用方法。
实验原理：
D3 的全称是（Data-Driven Documents），是一个被数据驱动的文档，其实就是 一个 JavaScript 的函数库，使用它主要是用来做数据可视化的。本次实践主要介绍D3一些最基本的使用方法，以及生成一些比较简单的图表。
D3 是一个 JavaScript 函数库。它只有一个文件，在 HTML 中引用即可。有两种方法：（1）下载 D3.js 的文件，解压后，在 HTML 文件中包含相关的 js 文件即可。（2）还可以直接包含网络的链接，这种方法较简单：<script src="http://d3js.org/d3.v3.min.js"charset="utf-8"></script> 但使用的时候要保持网络连接有效，不能再断网的情况下使用。D3 可以接受几乎任何数字数组，字符串，或对象（本身包含其他数组或键/值 对），可以处理 JSON 和 GeoJSON。
实验环境：
IE9 以上或 Firefox 或 Chrome（推荐）等浏览器、Notepad++等编辑工具。D3.js库。
实验步骤：
题目一：制作一个简单的柱形图。
1、打开Notepad++，新建文件，并编辑好html框架。
<html> <head> <meta charset="utf-8"> <title>完整的柱形图</title> <style> /* 设置柱形图的颜色 */ .MyRect { fill: green; /* 修改颜色为绿色 */ } /* 设置文字的样式 */ .MyText { font-size: 12px; text-anchor: middle; fill: blue; /* 文字颜色为蓝色 */ } /* 设置坐标轴的样式 */ .axis path, .axis line { fill: none; stroke: black; shape-rendering: crispEdges; } .axis text { font-family: sans-serif; font-size: 11px; } </style> </head>
2、添加 SVG 画布。
要绘图，首要需要的是一块绘图的“画布”。HTML5 提供两种强有力的“画布”：SVG 和 Canvas。
SVG，指可缩放矢量图形（Scalable Vector Graphics），是用于描述二维矢量图 形的一种图形格式，是由万维网联盟制定的开放标准。SVG 使用 XML 格式来定义 图形，除了 IE8 之前的版本外，绝大部分浏览器都支持 SVG，可将 SVG 文本直接嵌 入 HTML 中显示。Canvas 是通过 JavaScript 来绘制 2D 图形，是 HTML 5 中新增的元素。
D3 虽然没有明文规定一定要在 SVG 中绘图，但是 D3 提供了众多的 SVG 图形 的生成器，它们都是只支持 SVG 的。因此，建议使用 SVG 画布。在 body 标签中加 入代码。
<body> <script src="http://d3js.org/d3.v3.min.js" charset="utf-8"></script> <script> // 画布大小 var width = 400; var height = 400; // 在 body 里添加一个 SVG 画布 var svg = d3.select("body") .append("svg") .attr("width", width) .attr("height", height); // 画布周边的空白 var padding = {left: 30, right: 30, top: 20, bottom: 20};
3、定义数据和比例尺
在添加画布的代码后面加入以下代码。
// 定义一个数组
var dataset = [16, 23, 54, 46, 33, 24, 19, 37, 9];
// x 轴的比例尺
var xScale = d3.scale.ordinal()
.domain(d3.range(dataset.length))
.rangeRoundBands([0, width - padding.left - padding.right], 0.1);
// y 轴的比例尺
var yScale = d3.scale.linear()
.domain([0, d3.max(dataset)])
.range([height - padding.top - padding.bottom, 0]);
4、定义坐标轴
// 定义 x 轴
var xAxis = d3.svg.axis()
.scale(xScale)
.orient("bottom");
// 定义 y 轴
var yAxis = d3.svg.axis()
.scale(yScale)
.orient("left");
5、添加矩形和文字元素
// 添加矩形元素
var rects = svg.selectAll(".MyRect")
.data(dataset)
.enter()
.append("rect")
.attr("class", "MyRect")
.attr("transform", "translate(" + padding.left + "," + padding.top + ")")
.attr("x", function(d, i) {
return xScale(i) + rectPadding / 2;
})
.attr("y", function(d) {
return yScale(d);
})
.attr("width", xScale.rangeBand() - rectPadding)
.attr("height", function(d) {
return height - padding.top - padding.bottom - yScale(d);
});
// 添加文字元素
var texts = svg.selectAll(".MyText")
.data(dataset)
.enter()
.append("text")
.attr("class", "MyText")
.attr("transform", "translate(" + padding.left + "," + padding.top + ")")
.attr("x", function(d, i) {
return xScale(i) + rectPadding / 2;
})
.attr("y", function(d) {
return yScale(d);
})
.attr("dx", function() {
return (xScale.rangeBand() - rectPadding) / 2;
})
.attr("dy", function(d) {
return 20;
})
.text(function(d) {
return d;
});
6.添加坐标轴的元素
// 添加 x 轴 svg.append("g") .attr("class", "axis") .attr("transform", "translate(" + padding.left + "," + (height - padding.bottom) + ")") .call(xAxis); // 添加 y 轴 svg.append("g") .attr("class", "axis") .attr("transform", "translate(" + padding.left + "," + padding.top + ")") .call(yAxis); </script> </body> </html>
最后运行结果如下图所示：
题目二：制作动态的柱形图
D3 提供了 4 个方法用于实现图形的过渡：
1) transition()启动过渡效果。其前后是图形变化前后的状态（形状、位置、颜 色等等）。D3 会自动对两种颜色（红色和铁蓝色）之间的颜色值（RGB值）进行插值计算，得到过渡用的颜色值。
2) duration()指定过渡的持续时间，单位为毫秒。如 duration(3000)，指持续 3秒。
3) ease()指定过渡的方式，常用的有：linear：普通的线性变化；circle：慢慢地 到达变换的最终状态；elastic：带有弹跳的到达最终状态；bounce：在最终 状态处弹跳几次。
4) delay()指定延迟的时间，表示一定时间后才开始转变，单位同样为毫秒。此 函数可以对整体指定延迟，也可以对个别指定延迟。
下面我们将在题目一完成的柱形图的基础上稍作修改，做成一个带动态效果的 柱形图。把题目一中添加矩形元素和添加文字元素的代码换成如下代码，就可以启 动过渡效果，让各柱形和文字缓慢升至目标高度，并且在目标处跳动几次。
// 添加矩形元素
var rects = svg.selectAll(".MyRect")
.data(dataset)
.enter()
.append("rect")
.attr("class", "MyRect")
.attr("transform", "translate(" + padding.left + "," + padding.top + ")")
.attr("x", function(d, i) {
return xScale(i) + rectPadding / 2;
})
.attr("width",xScale.rangeBand() - rectPadding)
.attr("y", function(d) {
var min = yScale.domain()[0];
return yScale(min);
})
.attr("height", function(d) {
return 0;
});
.transition()
.delay(function(d,i){
return i * 200;
})
.duration(2000)
.ease("bounce")
.attr("y",function(d){
return yScale(d);
})
.attr("height",function(d){
return height - padding.top - padding.bottom - yScale(d);
});
// 添加文字元素
var texts = svg.selectAll(".MyText")
.data(dataset)
.enter()
.append("text")
.attr("class", "MyText")
.attr("transform", "translate(" + padding.left + "," + padding.top + ")")
.attr("x", function(d, i) {
return xScale(i) + rectPadding / 2;
})
.attr("dx", function() {
return (xScale.rangeBand() - rectPadding) / 2;
})
.attr("dy", function(d) {
return 20;
})
.text(function(d) {
return d;
});
.attr("y", function(d) {
var min = yScale.domain()[0];
return yScale(min);
})
.transition()
.delay(function(d,i){
return i * 200;
})
.duration(2000)
.ease("bounce")
.attr("y",function(d){
return yScale(d);
})
可运行程序，结果如下所示：
题目三：制作饼形图。
布局是 D3 中一个十分重要的概念。布局的作用是：将不适合用于绘图的数据转 换成了适合用于绘图的数据。
D3 总共 提供 了 12 个布 局：饼状图（Pie）、力导向图（Force）、弦图（Chord）、树状图（Tree）、集群图（Cluster）、捆图（Bundle）、打包图（Pack）、直方图（Histogram）、分区图（Partition）、堆栈图（Stack）、矩阵树图 （Treemap）、层级图（Hierarchy）。12 个布局中，层级图（Hierarchy）不能直接使用。集群图、打包图、分区图、树状图、矩阵树图是由层级图扩展来的。这些布局的作用都是将某种数据转换成有利于可视化的另一种数据。在布局的应用中，最简单的就是饼状图。
1、定义一个饼状图布局
定义布局的代码为：var pie = d3.layout.pie()；此时 pie 可以当做函数使用。然后将数组 dataset（里面是要可视化的数据）作为 pie()的参数，返回值 piedata 就是转换后的数据。var piedata = pie(dataset)。
<html> <head> <meta charset="utf-8"> <title>饼状图</title> </head>
</style>
</style> <body> <script src="http://d3js.org/d3.v3.min.js" charset="utf-8"></script> <script> // 画布大小 var width = 400; var height = 400; // 数据集 var dataset = [11, 6, 34, 27, 13, 9]; // 创建 SVG 画布 var svg = d3.select("body") .append("svg") .attr("width", width) .attr("height", height); // 定义一个布局 var pie = d3.layout.pie(); var piedata = pie(dataset);
首先定义一个布局，返回值赋給变量 pie，此时 pie 可以当做函数使用，接着将数组 dataset 作为 pie()的参数，返回值给 piedata。
2、绘制图形
SVG 有一个叫做路径的元素，它可以结合使用直线，曲线等来制作各种 不规则的复杂的图形。 通过布局转换后的数据 piedata 很难计算得到路径值。 为此，我们需要用到生成器。 这里要用到的叫做弧生成器，能够生成弧的路径，因为饼图的每一部分都是一 段弧。
// 定义弧生成器
var outerRadius = 150; // 外半径
var innerRadius = 0; // 内半径，为 0 则中间没有空白
var arc = d3.svg.arc()
.innerRadius(innerRadius)
.outerRadius(outerRadius);
弧生成器返回的结果赋值给 arc。 arc 可以当做一个函数使用，把 piedata 作为参数传入，即可得到路径值。 接下来，在<svg>里添加分组元素（g），每一个分组用于存放一段弧的相关元 素。 再对每个<g>元素，添加<path>。
// 添加分组元素，每个分组对应一段弧
var arcs = svg.selectAll("g")
.data(piedata)
.enter()
.append("g")
.attr("transform", "translate(" + (width / 2) + "," + (height / 2) + ")");
// 添加路径元素，绘制弧
arcs.append("path")
.attr("fill", function(d, i) {
return color(i); // 根据索引设置颜色
})
.attr("d", function(d) {
return arc(d); // 使用弧生成器生成路径
})
定义颜色比例尺。 color 是一个颜色比例尺，它能根据传入的索引号获取相应的颜色值。
.outerRadius(outerRadius);
// 定义颜色比例尺
var color = d3.scale.category10();
var arcs = svg.selectAll("g")
然后在每一个弧线中心添加文本。运行结果如下：
// 添加文本元素，显示数据值 arcs.append("text") .attr("transform", function(d) { return "translate(" + arc.centroid(d) + ")"; // 将文本定位到弧的中心 }) .attr("text-anchor", "middle") .text(function(d) { return d.data; // 显示数据值 }); // 打印数据集和转换后的数据到控制台 console.log("原始数据集:", dataset); console.log("转换后的数据:", piedata); </script> </body> </html>
题目四：制作交互式的饼形图。
交互是指用户输入了某种指令后程序就可做出某种响应。 对可视化图表来说，交互能使图表更加生动，能表现更多内容。 例如，拖动图表中某些图形、鼠标滑到 图形上出现提示框、用触屏放大或缩小图形等等。 用户用于交互的工具一般有三 种：鼠标、键盘、触屏。 在 D3 中，每一个选择集都有 on()函数，用于添加事件监听器。 on()的第一个参 数是监听的事件，第二个参数是监听到事件后响应的内容，第二个参数是一个函 数。 鼠标常用的事件有：
click - 鼠标单击某元素时，相当于 mousedown 和 mouseup 组合在一起。
mouseover - 光标放在某元素上。
mouseout - 光标从某元素上移出来时。
mousemove - 鼠标被移动的时候。
mousedown - 鼠标按钮被按下。
mouseup - 鼠标按钮被松开。
下面开始进行简单的交互式饼形图制作，目标是在上面的饼形图的基础上加入mouseover 和 mouseout 事件，mouseover 某部分时变换成黄色，mouseout 时恢复原色。 在代码中加入如下代码。
运行结果为：
// 添加路径元素，绘制弧
arcs.append("path")
.attr("fill", function(d, i) {
return color(i); // 根据索引设置颜色
})
.attr("d", function(d) {
return arc(d); // 使用弧生成器生成路径
})
.on("mouseover", function(d, i) {
d3.select(this)
.attr("fill", "yellow"); // 鼠标悬停时变为黄色
})
.on("mouseout", function(d, i) {
d3.select(this)
.transition()
.duration(500)
.attr("fill", color(i)); // 鼠标移出时恢复原色
});
实验心得：
通过本次实验，熟练的掌握了D3数据可视化的使用方法，通过在使用Notepad++软件，来编写和运行代码。在使用Notepad++软件的途中，学习到了在运行代码之时，要将文件先保存为.html文件形式，这样才可以使用浏览器来得出相关数据图。通过实验，我熟练掌握了D3的基本使用方法。 从创建SVG画布，到定义数据和比例尺，再到添加各种图形元素和坐标轴，每一个步骤都让我对D3的工作原理有了更清晰的认识。 在制作柱形图时，我学会了利用比例尺将数据映射到合适的图形尺寸，通过调整坐标轴样式和图形颜色，使图表更加美观和易读。 这让我意识到，数据可视化不仅仅是将数据呈现出来，更重要的是如何以一种直观、有效的方式展示数据，帮助用户更好地理解数据背后的信息。 制作动态柱形图的过程让我对D3的过渡效果有了深刻的理解。 通过transition()、duration()、ease()和delay()等方法，能够实现图形的动态变化，使图表更加生动有趣，这种动态效果增加了图表的观赏性，突出了数据的变化趋势。饼形图的制作让我接触到了D3中的布局概念。布局的作用是将原始数据转换为适合绘图的数据格式，这使得复杂图形的绘制变得更加容易。在制作饼形图时，通过d3.layout.pie()定义布局，利用弧生成器绘制饼图的每一部分，并学会了添加文本标签和颜色比例尺，使饼图更加完整和直观。这让我认识到，合理运用布局和生成器可以大大简化复杂图形的绘制过程，提高开发效率。交互式饼形图的制作则让我体验到了D3的交互功能的强大。通过on()函数添加事件监听器，我能够实现鼠标悬停和移出时图形颜色的变化，增强了用户与图表的交互性。这种交互性可以让用户更加深入地探索数据，发现数据中的隐藏信息。在实际项目中，交互功能可以提升用户体验，使数据可视化更加实用和高效。然而，在实验过程中我也遇到了一些问题。例如，在调整图形样式和位置时，由于对D3的属性和方法理解不够深入，导致出现了一些布局错乱的情况。在处理复杂数据和图形时，性能问题也逐渐显现出来。通过查阅资料和不断调试，我逐渐解决了这些问题，这也让我明白在学习和实践过程中，遇到问题并不可怕，关键是要学会如何分析和解决问题。 总的来说，这次实验让我对D3数据可视化有了全面的认识和掌握。
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