一种网络空间位势隐喻地图表达方法

本发明涉及网络空间可视化，尤其涉及一种网络空间位势隐喻地图表达方法。

背景技术：

1、在当今信息爆炸的时代，网络空间已经成为人类社会中不可或缺的一部分。网络空间地图从网络空间发展初期就已经成为了解和认识网络空间的重要工具。通过对网络空间的建模、分析与表达，利用网络空间地图，可以更清晰地了解网络空间中的网络结构、数据流动和信息传播等的复杂关系。对网络空间地图的研究，已经得到了测绘领域、信息领域的关注和重视，取得了一系列研究成果。网络空间虚拟化、无边界等特点，难以通过传统的地图投影、符号设计、地图可视化等方式制成网络空间地图，通常采用隐喻的方法，将抽象的网络空间要素、现象转化为更直观、更易于理解的形式，进而能够更好地辅助人们对网络空间的理解。

2、利用隐喻地图的方法来描述网络空间要素、信息的流动等，已有相应的研究。例如chen等通过隐喻地图方式提出d-map可视化方法，模拟社交网络空间信息的传播过程；wisej a使用等高线来隐喻新闻地图，通过线条的变化来表示新闻事件的重要性或热度；信睿等基于gosper曲线和隐喻地图思想研究非空间数据的空间隐喻表达与分析；刘龙辉等提出了网络空间隐喻gosper地图和地形图构建方法；齐凯等将网络空间中资源节点视为本体，传统地理空间中山峰和等高线作为喻体进行可视化表达等。

3、网络空间位势主要用来描述在全球网络空间中，一个国家或地区相对于其他国家或地区在网络技术、信息控制、数据流动、网络安全等方面的潜在影响力和作用能力，其反映了一个国家在全球网络空间中的竞争力、影响力以及在国际网络事务中的主导性和话语权。网络空间位势主要用来刻画不同国家或地区的网络实力、网络影响力，当前对网络空间位势的刻画和描述，通常采用指标模型构建、专题图可视化的方式呈现。评价国家网络综合实力方法主要有贝尔弗国家网络实力指数(ncpi)、全球网络安全指数(gci)、网络准备指数2.0(cri 2.0)以及“网络力量指数”(cpi)。通过综合考量网络空间相关的软硬实力，对各个国家的网络实力进行综合评价。

4、针对网络空间势力范围进行表达，可以揭示和分析不同国家在网络空间中的影响力、控制能力、扩张趋势和与其他国家的合作关系，以及其对网络空间安全、稳定和发展的影响。例如，leetaru等人利用twitter数据，基于地理信息系统(gis)，对全球范围内的twitter活动进行了可视分析，揭示了twitter在不同地区的使用模式和活跃度，从而反映了网络空间中不同地区的影响力和势力范围。

5、综上，利用隐喻方法实现网络空间环境的建模与表达已经成为当前网络空间地图可视化的重要途径，对网络空间位势的描述是对网络空间基础环境的刻画与表达，可在基础“底图”上叠加网络空间相关的其他专题信息。但当前对网络空间位势的建模与表达研究存在以下不足：(1)通过指标、图表等形式展示网络空间实力范围，难以直观表达网络空间实力，准确描述虚拟空间的国家相邻关系；(2)利用层次关系方法难以充分体现网络逻辑关系“连接”的特点；(3)仅通过网络连接的数量和紧密度表示网络势力，忽略了网络基础设施、经济实力、军事实力等国家硬实力。

技术实现思路

1、本发明针对上述问题，提出一种网络空间位势隐喻地图表达方法，借助隐喻地图基本理论与方法，根据网络空间基本特点，基于网络空间链接等基本数据，构建网络空间位势与行政区划地图之间的隐喻映射模型，利用图嵌入、图聚类、空间布局、地图着色等过程生成网络空间位势隐喻地图，并以此图为“底图”实现各类网络空间专题要素的叠加显示。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种网络空间位势隐喻地图表达方法，包括：

4、步骤1：基于网络基础资源数据构建“节点-链接”关联图谱，生成网络链接图；所述网络基础资源数据包括ip、as自治域、dns服务器及漏洞；

5、步骤2：利用图嵌入算法将网络链接图映射为二维平面上的节点；

6、步骤3：将离散的二维网络节点利用k-means算法按照国家进行聚类，并结合模块度对聚类结果进行优化；

7、步骤4：计算各国家的网络综合实力指数，基于步骤3的聚类结果，依据各个国家as的直联情况以及得到的各国家的网络综合实力指数，通过力引导布局算法对网络空间各个国家板块布局进行优化，并对网络空间各个国家板块进行着色渲染，最终形成网络空间位势隐喻地图。

8、进一步地，所述步骤2中，利用deepwalk算法将网络链接图映射为二维平面上的节点。

9、进一步地，所述步骤3中，按照以下方式对离散的二维网络节点进行聚类：

10、随机选择k个分别属于不同国家的数据点作为初始的聚类中心；包括：首先随机选择一个as号作为第一个初始国家聚类中心，然后对于每个未被选择的其余国家的as号，计算其与已有聚类中心之间的最小距离，并根据该距离的概率分布选择下一个聚类中心；

11、对于每个离散的二维网络节点，计算其与每个聚类中心的欧氏距离，并将其分配给距离最近的聚类中心；

12、对每个聚类，重新计算其聚类中心，新的聚类中心是该聚类内所有二维网络节点的平均值；

13、迭代执行节点分配和聚类中心更新步骤，直到满足同一国家的as号均属于同一个聚类，不同国家的as号不在同一个聚类中，聚类终止。

14、进一步地，所述步骤3中，结合模块度对聚类结果进行优化包括：

15、根据聚类后的连接关系构建一个二分图，在二分图中每个节点对应两个顶点，分别表示在当前聚类中和不在当前聚类中；

16、对于每一个节点i，用变量ci来存贮其所在的聚类编号，然后遍历其余每一个节点j，计算i与j之间的边权重ωij，以及他们所在的聚类编号ci和cj；

17、如果ci＝cj，则将ωij加入到模块度计算中，否则不做任何修改，最后计算出总的模块度；

18、最终从所有的节点对中选择具有最大模块度增益的一对节点，将他们合并到同一个聚类中，同时更新二分图和模块度，使最终聚类结果达到最优。

19、进一步地，所述步骤4中，按照以下方式计算各国家的网络综合实力指数：

20、

21、其中，aj是各种指标的权重赋值，mj表示由网络实力和整体实力分别形成的指标。

22、进一步地，所述指标包括ip数量、as自治域数量、dns服务器数量、漏洞数量、gdp及国土面积，其中ip数量、as自治域数量、dns服务器数量及漏洞数量属于网络实力指标，gdp及国土面积属于整体实力指标。

23、进一步地，所述步骤4中，基于步骤3的聚类结果，依据各个国家as的直联情况以及得到的各国家的网络综合实力指数，通过力引导布局算法对网络空间各个国家板块布局进行优化包括：

24、首先，根据聚类结果将相同聚类的国家节点放在同一块区域，随机初始化每个节点的位置；

25、其次，计算节点之间的斥力、引力和连通力，然后根据计算得到的力，更新每个节点的位置；然后重复进行力的计算和位置更新，直到达到收敛条件；

26、最后，进行连接处理，根据国家之间的连接关系，绘制连接线或曲线以表示国家之间的联系，并根据计算得到的网络综合实力指数对每个国家的面积进行分配，根据更新之后的坐标重新绘制地图。

27、进一步地，所述步骤4中，为了在图形布局改变的情况下，保证各国面积大小不发生改变，进行如下操作：

28、定义一个衡量多边形聚集程度和空地大小的目标函数，空地是地图中国家之间不相邻的部分：

29、f＝ω1f1+ω2f2，

30、

31、sij＝|xi-xj||yi-yj|，

32、其中，f为总的目标函数，f1为衡量多边形聚集程度的目标函数，f2为衡量空地大小的目标函数，ω1、ω2分别是f1、f2对应的权重系数，n是多边形的数量，ωij是第i和第j个多边形之间的权重系数，dij是第i和第j个多边形之间的距离，(xi,yi)、(xj,yj)分别是第i和第j个多边形的中心点坐标，sij是第i和第j个多边形外接矩形之间的面积，ai和aj分别是第i和第j个多边形的面积；

33、定义以下约束条件：多边形之间的最小距离不小于一个预设值dmin；空地的最大面积不超过一个预设值smax；更新坐标后的每个多边形的面积与原来面积相等；

34、将目标函数和约束条件组合成一个优化问题，采用非线性规划，进而求解该优化问题并得到最优解；最后通过计算好的最优解点更新相关点和线的坐标。

35、与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

36、本发明提出一种网络空间位势隐喻地图表达方法，借助隐喻地图基本理论与方法，根据网络空间基本特点，基于网络空间链接等基本数据，构建网络空间位势与行政区划地图之间的隐喻映射模型，利用图嵌入、图聚类、空间布局、地图着色等过程生成网络空间位势隐喻地图，并以此图为“底图”实现各类网络空间专题要素的叠加显示，本发明将“虚拟的、无边界的”网络空间链接转换为“实体的、有边界的”网络空间位势地图，可以更直观和准确的表达网络空间实力。