Visualização de padrões temporais cíclicos em estudos de fenologia

Orientadores: Ricardo da Silva Torres, Leonor Patrícia Cerdeira MorellatoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Em diversas aplicações, grandes volumes de dados multidimensionais têm sido gerados continuamente ao longo do tempo. Uma abordagem adequada para lidar com estas coleções consiste no uso de métodos de visualização de informação, a partir dos quais padrões de interesse podem ser identificados, possibilitando o entendimento de fenômenos temporais complexos. De fato, em diversos domínios, o desenvolvimento de ferramentas adequadas para apoiar análises complexas, por exemplo, aquelas baseadas na identificação de padrões de mudanças ou correlações existentes entre múltiplas variáveis ao longo do tempo é de suma importância. Em estudos de fenologia, por exemplo, especialistas observam as mudanças que ocorrem ao longo da vida de plantas e animais e investigam qual é a relação entre essas mudanças com variáveis ambientais. Neste cenário, especialistas em fenologia cada vez mais precisam de ferramentas para, adequadamente, visualizar séries temporais longas, com muitas variáveis e de diferentes tipos (por exemplo, texto e imagem), assim como identificar padrões temporais cíclicos. Embora diversas abordagens tenham sido propostas para visualizar dados que variam ao longo do tempo, muitas não são apropriadas ou aplicáveis para dados de fenologia, porque não são capazes de: (i) lidar com séries temporais longas, com muitas variáveis de diferentes tipos de dados e de uma ou mais dimensões; e (ii) permitir a identificação de padrões temporais cíclicos e drivers ambientais associados. Este trabalho aborda essas questões a partir da proposta de duas novas abordagens para apoiar a análise e visualização de dados temporais multidimensionais. Nossa primeira proposta combina estruturas visuais radiais com ritmos visuais. As estruturas radiais são usadas para fornecer informação contextual sobre fenômenos cíclicos, enquanto que o ritmo visual é usado para sumarizar séries temporais longas em representações compactas. Nós desenvolvemos, avaliamos e validamos nossa proposta com especialistas em fenologia em tarefas relacionadas à visualização de dados de observação direta da fenologia de plantas em nível tanto de indivíduos quanto de espécies. Nós também validamos a proposta usando dados temporais relacionados a imagens obtidas de sistemas de monitoramento de vegetação próxima à superfície. Nossa segunda abordagem é uma nova representação baseada em imagem, chamada Change Frequency Heatmap (CFH), usada para codificar mudanças temporais de dados numéricos multivariados. O método calcula histogramas de padrões de mudanças observados em sucessivos instantes de tempo. Nós validamos o uso do CFH a partir da criação de uma ferramenta de caracterização de mudanças no ciclo de vida de plantas de múltiplos indivíduos e espécies ao longo do tempo. Nós demonstramos o potencial do CFH para ajudar na identificação visual de padrões de mudanças temporais complexas, especialmente na identificação de variações entre indivíduos em estudos relacionados à fenologia de plantasAbstract: In several applications, large volumes of multidimensional data have been generated continuously over time. One suitable approach for handling those collections in a meaningful way consists in the use of information visualization methods, based on which patterns of interest can be identified, triggering the understanding of complex temporal phenomena. In fact, in several domains, the development of appropriate tools for supporting complex analysis based, for example, on the identification of change patterns in temporal data or existing correlations, over time, among multiple variables, is of paramount importance. In phenology studies, for instance, phenologists observe changes in the development of plants and animals throughout their lives and investigate what is the relationship between these changes with environmental changes. Therefore, phenologists increasingly need tools for visualizing appropriately long-term series with many variables of different data types, as well as for identifying cyclical temporal patterns. Although several approaches have been proposed to visualize data varying over time, most of them are not appropriate or applicable to phenology data, because they are not able: (i) to handle long-term series with many variables of different data types and one or more dimensions and (ii) to support the identification of cyclical temporal patterns and associated environmental drivers. This work addresses these shortcomings by presenting two new approaches to support the analysis and visualization of multidimensional temporal data. Our first proposal to visualize phenological data combines radial visual structures along with visual rhythms. Radial visual structures are used to provide contextual insights regarding cyclical phenomena, while the visual rhythm encoding is used to summarize long-term time series into compact representations. We developed, evaluated, and validated our proposal with phenology experts using plant phenology direct observational data both at individuals and species levels. Also we validated the proposal using image-related temporal data obtained from near-surface vegetation monitoring systems. Our second approach is a novel image-based representation, named Change Frequency Heatmap (CFH), used to encode temporal changes of multivariate numerical data. The method computes histograms of change patterns observed at successive timestamps. We validated the use of CFHs through the creation of a temporal change characterization tool to support complex plant phenology analysis, concerning the characterization of plant life cycle changes of multiple individuals and species over time. We demonstrated the potential of CFH to support visual identification of complex temporal change patterns, especially to decipher interindividual variations in plant phenologyDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutora em Ciência da Computação162312/2015-62013/501550-0CNPQCAPESFAPES