「数据可视化 D3系列」入门第十一章：力导向图深度剖析与实现 ...

郭卫东 · 2025-4-19 11:50:05

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D3.js 力导向图深度剖析与实现

力导向图焦点概念

力导向图是一种通过物理模拟来展示复杂关系网络的图表类型，特别得当表现交际网络、知识图谱、系统拓扑等关系型数据。其焦点原理是通过模拟粒子间的物理作用力（电荷斥力、弹簧引力等）主动计算节点的最优布局。
焦点API详解

1. 力模拟系统

const simulation = d3.forceSimulation(nodes)
.force("charge", d3.forceManyBody().strength(-100)) // 节点间作用力
.force("link", d3.forceLink(links).id(d => d.id)) // 连接线作用力
.force("center", d3.forceCenter(width/2, height/2)) // 向心力
.force("collision", d3.forceCollide().radius(20)); // 碰撞检测

复制代码

2. 关键作用力类型

力类型作用形貌常用配置方法forceManyBody节点间电荷力（正为引力，负为斥力）.strength()forceLink连接线弹簧力.distance().id().strength()forceCenter向中心点的引力.x().y()forceCollide防止节点重叠的碰撞力.radius().strength()forceX/Y沿X/Y轴方向的定位力.strength().x()/.y() 3. 动态控制方法

simulation
.alpha(0.3) // 设置当前alpha值(0-1)
.alphaTarget(0.1) // 设置目标alpha值
.alphaDecay(0.02) // 设置衰减率(默认0.0228)
.velocityDecay(0.4)// 设置速度衰减(0-1)
.restart() // 重启模拟
.stop() // 停止模拟
.tick() // 手动推进模拟一步

复制代码

增强版力导向图实现

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>高级力导向图</title>
<script src="https://d3js.org/d3.v5.min.js"></script>
<style>
.node {
stroke: #fff;
stroke-width: 1.5px;
}
.link {
stroke: #999;
stroke-opacity: 0.6;
}
.link-text {
font-size: 10px;
fill: #333;
pointer-events: none;
}
.node-text {
font-size: 12px;
font-weight: bold;
pointer-events: none;
}
.tooltip {
position: absolute;
padding: 8px;
background: rgba(0,0,0,0.8);
color: white;
border-radius: 4px;
pointer-events: none;
font-size: 12px;
}
</style>
</head>
<body>
<div class="controls">
<button id="reset">重置布局</button>
<button id="addNode">添加节点</button>
<span>斥力强度: <input type="range" id="charge" min="-200" max="0" value="-100"></span>
</div>
<svg width="800" height="600"></svg>
<div class="tooltip"></div>
<script>
// 配置参数
const config = {
margin: {top: 20, right: 20, bottom: 20, left: 20},
nodeRadius: 12,
linkDistance: 150,
chargeStrength: -100,
collisionRadius: 20
};
// 数据准备
const nodes = [
{id: 0, name: "湖南邵阳", type: "location"},
{id: 1, name: "山东莱州", type: "location"},
{id: 2, name: "广东阳江", type: "location"},
{id: 3, name: "山东枣庄", type: "location"},
{id: 4, name: "赵丽泽", type: "person"},
{id: 5, name: "王恒", type: "person"},
{id: 6, name: "张欣鑫", type: "person"},
{id: 7, name: "赵明山", type: "person"},
{id: 8, name: "班长", type: "role"}
];
const links = [
{source: 0, target: 4, relation: "籍贯", value: 1.3},
{source: 4, target: 5, relation: "舍友", value: 1},
{source: 4, target: 6, relation: "舍友", value: 1},
{source: 4, target: 7, relation: "舍友", value: 1},
{source: 1, target: 6, relation: "籍贯", value: 2},
{source: 2, target: 5, relation: "籍贯", value: 0.9},
{source: 3, target: 7, relation: "籍贯", value: 1},
{source: 5, target: 6, relation: "同学", value: 1.6},
{source: 6, target: 7, relation: "朋友", value: 0.7},
{source: 6, target: 8, relation: "职责", value: 2}
];
// 初始化SVG
const svg = d3.select('svg');
const width = +svg.attr('width');
const height = +svg.attr('height');
const tooltip = d3.select('.tooltip');
// 创建画布
const g = svg.append('g')
.attr('transform', `translate(${config.margin.left}, ${config.margin.top})`);
// 颜色比例尺
const colorScale = d3.scaleOrdinal()
.domain(['location', 'person', 'role'])
.range(['#66c2a5', '#fc8d62', '#8da0cb']);
// 创建力导向图模拟
const simulation = d3.forceSimulation(nodes)
.force("link", d3.forceLink(links).id(d => d.id)
.force("charge", d3.forceManyBody().strength(config.chargeStrength))
.force("center", d3.forceCenter(width/2, height/2))
.force("collision", d3.forceCollide(config.collisionRadius))
.force("x", d3.forceX(width/2).strength(0.05))
.force("y", d3.forceY(height/2).strength(0.05));
// 创建连接线
const link = g.append('g')
.selectAll('.link')
.data(links)
.enter().append('line')
.attr('class', 'link')
.attr('stroke-width', d => Math.sqrt(d.value));
// 创建连接线文字
const linkText = g.append('g')
.selectAll('.link-text')
.data(links)
.enter().append('text')
.attr('class', 'link-text')
.text(d => d.relation);
// 创建节点组
const node = g.append('g')
.selectAll('.node')
.data(nodes)
.enter().append('g')
.attr('class', 'node')
.call(d3.drag()
.on('start', dragStarted)
.on('drag', dragged)
.on('end', dragEnded)
)
.on('mouseover', showTooltip)
.on('mouseout', hideTooltip);
// 添加节点圆形
node.append('circle')
.attr('r', config.nodeRadius)
.attr('fill', d => colorScale(d.type))
.attr('stroke-width', 2);
// 添加节点文字
node.append('text')
.attr('class', 'node-text')
.attr('dy', 4)
.text(d => d.name);
// 模拟tick事件处理
simulation.on('tick', () => {
link
.attr('x1', d => d.source.x)
.attr('y1', d => d.source.y)
.attr('x2', d => d.target.x)
.attr('y2', d => d.target.y);
linkText
.attr('x', d => (d.source.x + d.target.x)/2)
.attr('y', d => (d.source.y + d.target.y)/2);
node
.attr('transform', d => `translate(${d.x},${d.y})`);
});
// 拖拽事件处理
function dragStarted(d) {
if (!d3.event.active) simulation.alphaTarget(0.3).restart();
d.fx = d.x;
d.fy = d.y;
}
function dragged(d) {
d.fx = d3.event.x;
d.fy = d3.event.y;
}
function dragEnded(d) {
if (!d3.event.active) simulation.alphaTarget(0);
d.fx = null;
d.fy = null;
}
// 工具提示
function showTooltip(d) {
tooltip.transition()
.duration(200)
.style('opacity', 0.9);
tooltip.html(`<strong>${d.name}</strong><br/>类型: ${d.type}`)
.style('left', (d3.event.pageX + 10) + 'px')
.style('top', (d3.event.pageY - 28) + 'px');
// 高亮相关节点和连接线
node.select('circle').attr('opacity', 0.2);
d3.select(this).select('circle').attr('opacity', 1);
link.attr('stroke-opacity', 0.1);
link.filter(l => l.source === d || l.target === d)
.attr('stroke-opacity', 0.8)
.attr('stroke', '#ff0000');
}
function hideTooltip() {
tooltip.transition()
.duration(500)
.style('opacity', 0);
// 恢复所有元素样式
node.select('circle').attr('opacity', 1);
link.attr('stroke-opacity', 0.6)
.attr('stroke', '#999');
}
// 交互控制
d3.select('#reset').on('click', () => {
simulation.alpha(1).restart();
nodes.forEach(d => {
d.fx = null;
d.fy = null;
});
});
d3.select('#addNode').on('click', () => {
const newNode = {
id: nodes.length,
name: `新节点${nodes.length}`,
type: ['location', 'person', 'role'][Math.floor(Math.random()*3)]
};
nodes.push(newNode);
// 随机连接到现有节点
if (nodes.length > 1) {
const randomTarget = Math.floor(Math.random() * (nodes.length - 1));
links.push({
source: newNode.id,
target: randomTarget,
relation: ['连接', '关系', '关联'][Math.floor(Math.random()*3)],
value: Math.random() * 2 + 0.5
});
}
// 更新模拟
simulation.nodes(nodes);
simulation.force('link').links(links);
// 重新绘制元素
updateGraph();
});
d3.select('#charge').on('input', function() {
simulation.force('charge').strength(+this.value);
simulation.alpha(0.3).restart();
});
// 更新图形函数
function updateGraph() {
// 更新连接线
const newLinks = link.data(links).enter()
.append('line')
.attr('class', 'link')
.attr('stroke-width', d => Math.sqrt(d.value));
link.merge(newLinks);
// 更新连接线文字
const newLinkText = linkText.data(links).enter()
.append('text')
.attr('class', 'link-text')
.text(d => d.relation);
linkText.merge(newLinkText);
// 更新节点
const newNode = node.data(nodes).enter()
.append('g')
.attr('class', 'node')
.call(d3.drag()
.on('start', dragStarted)
.on('drag', dragged)
.on('end', dragEnded)
)
.on('mouseover', showTooltip)
.on('mouseout', hideTooltip);
newNode.append('circle')
.attr('r', config.nodeRadius)
.attr('fill', d => colorScale(d.type))
.attr('stroke-width', 2);
newNode.append('text')
.attr('class', 'node-text')
.attr('dy', 4)
.text(d => d.name);
node.merge(newNode);
simulation.alpha(1).restart();
}
</script>
</body>
</html>

复制代码

本章小结

焦点实现要点

力模拟系统构建：
- 多力组合实现复杂布局（电荷力+弹簧力+向心力+碰撞力）
- 参数调优实现不同视觉效果
动态交互体系：
- 拖拽行为与物理模拟的协调
- 动态alpha值控制模拟过程
- 实时tick更新机制
可视化增强：
- 基于类型的颜色编码
- 交互式高亮关联元素
- 动态工具提示显示

高级特性实现

动态数据更新：
- 节点/连接的实时添加
- 模拟系统的热更新
交互控制面板：
- 力参数实时调节
- 布局重置功能
视觉优化：
- 智能碰撞检测
- 连接线权重可视化
- 焦点元素高亮

下章预告：地图可视化

在下一章中，我们将探索：

地理数据基础：
- GeoJSON/TopoJSON格式剖析
- 地理投影原理与应用
焦点API：
- d3.geoPath() 地理路径天生器
- d3.geoProjection() 投影系统
- d3.zoom() 地图缩放行为
高级技术：
- 分级统计图(Choropleth)实现
- 气泡地图叠加
- 地图交互与钻取
性能优化：
- 大数据量地图渲染
- 拓扑简化技术
- 动态加载战略

通过地图可视化的学习，您将掌握D3.js处理地理空间数据的能力，能够创建交互式的地图数据可视化应用。

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