Patrick Job Ogao

Exploratory Visualisation of Temporal Geospatial Data Using Animation

Summary

Cartographic animation has become one of the prominent tools for use in the exploration of raw geospatial data. However, the necessary theory and functionality to apply it in exploratory environments in geoscience application has been lacking or not yet fully developed. Much of what we have in cartographic animation today is narrowed towards uses for presenting geospatial data. Thus, by their current status users are able to see patterns, trends and the relationships therein data sets, an aspect that could otherwise have been difficult to attain. For exploratory purposes, cartographic animation manipulation capabilities are inhibited by the lack of tools that can dynamically sift through the data sets to compose animations by selecting features of interest, perform query operations and a diverse range of qualitative geospatial data analysis. Developing these functionalities should be done within the acceptable visual and cognitive limits for effective exploration. Thus, the influences of working under an abundance and dynamic graphic mix should not overstrain the human perceptual and brain mechanism.

In order to define this new nature for cartographic animation, and one that will qualify them as effective tools within exploratory environments, this research study sets out to define the necessary functionalities of temporal cartographic animations.

The study realizes these objectives by reviewing the types and uses of animation within the presentational realms of cartographic visualization and hence formulating their probable exploratory uses by proposing a framework on which animation functionalities can be defined and used. The framework encompasses inputs of understanding of temporal geospatial data typologies, exploratory cognitive structures and processes, and the extents to which interactivity can be used to implement a geoscientist's visualization intentions.

The resulting functionalities from the study are finally studied under three generic types of animation namely, passive, interactive and inference-based. They differ from each other on the basis of the level of interactivity that they employ. Thus, a map user research is undertaken to observe test subjects as they undertake an exploratory task on typical geo-phenomena using a specific type of the animation. In order to trace the test subject's underlying cognitive structures and processes during the exploratory process, the thinking-aloud protocol is employed. In order to analyze the test subject's performance in each of the exploratory cases, the outcomes or visual attainments are assessed based on the chosen exploratory indicators of originality, sensibility and practicality.

The results show that all the generic types of cartographic animation as earlier on defined, play a crucial role in facilitating the visualization of geospatial data. They each are used at specific levels of the exploratory process, with the passive animation being useful at the earlier observatory process of exploration and inference-based animation playing a crucial role in interpretation and explanation of the geo-phenomena at hand. The results also hint to the fact that animation are useful not only in helping users see patterns and trends, but also in identifying anomalies in data sets.

From the look of things, inference-based animation confirm the fact that animation can be created and their contents defined based on the user's exploratory needs. This is a diversion from the previous status of animation that can only play along specific predefined linear playback paths. In order to effectively achieve this, a link between the data sets and the animation must be maintained during playback to enable a rich and effective exploratory environment. Thus such implementations do not have to compromise on the animation's dynamism.

At a glimpse, the thesis's chapters are structured as below.

Chapter 1 gives an overview of the entire thesis structure, with highlights on the motivation, problem definition, methodology and how the thesis results seek to contribute to cartographic theory.

Chapter 2 outlines various definitions of terms and phrases as used in the thesis. It gives an overview of the types and functionalities in the commonly used cartographic animation and outlines a generic outline of the influencing factors in animation design and uses.

Chapter 3 explores the distinguishing aspects in the design of cartographic animation encompassing the geoscientist, user tasks, geospatial data characteristics and interactive interface options. It discusses each of these aspects and the way they can be influenced and improved in order to enrich geospatial data manipulation capabilities within an animation use environment. The chapter also introduces the need to imbue intelligence in animation as a means of enhancing feature-to-feature interaction.

Chapter 4 introduces a rounding up component and strategy for sound animation design for exploratory uses by geoscientists. It stands out from the earlier chapters in that whereas the previous concepts do apply to cartographic animation in general, here the focus narrows down to their uses in exploratory environments. It reiterates the fact that users in such set-ups are dealing with unknown data types and seeking unknown outcomes. The only way to help design functionality is by utilizing knowledge gained from studies in experimental cognition that define the specific cognitive structures and process that lead to knowledge construction, thereby giving insight into the data.

Chapter 5 gives the basis of the choice of a functional evaluation methodology that is used to evaluate the success of the functionalities as tools for exploration. Chapter 6 outlines a prototype environment where the previously derived concepts in chapters 4 and 5 are developed. An animation user test environment is defined based on typical geoscience applications in urban growth, demography and epidemiological studies. Results are analysed and discussed based on exploratory indicators of originality, sensibility and practicality.

Lastly, Chapter 7 outlines the main contributions and conclusions of the research. Recommendations for improving the attained results and for pursuing further work in this and similar research fields are presented.

Nederlandse samenvatting

Kartografische animatie is één van de belangrijkste hulpmiddelen geworden voor gebruik tijdens de verkenning van onbewerkte (temporele) ruimtelijke gegevens. Echter, de noodzakelijke theorie en functionaliteit om de animatie in een onderzoeksomgeving van een bepaalde toepassing daadwerkelijk te gebruiken, mist nog of is nog niet geheel ontwikkeld. Veel van de huidige kartografische animaties worden momenteel slechts gebruikt voor presentatie van ruimtelijke gegevens. Daardoor kunnen gebruikers patronen, trends en relaties waarnemen die anders vermoedelijk onopgemerkt zouden blijven. In een onderzoeksomgeving zijn de manipulatie mogelijkheden nog beperkt door het ontbreken van interactief dynamische manipulatie mogelijkheden die een onderzoeker behulpzaam kunnen zijn bij de exploratie van de gegevens. Voorbeelden zijn een gebrek aan selectiemogelijkheden op basis van bepaalde attribuutkenmerken, het niet kunnen opstellen van vragenoperaties en het uitvoeren van kwalitatieve ruimtelijke gegevensanalyse. De ontwikkeling van een dergelijke functionaliteit kan niet los gezien worden van de menselijke waarnemingscapaciteit.

Dit onderzoek richt zich op het ontwikkelen van de noodzakelijke functionaliteit van temporele kartografische animaties in een geowetenschappelijke omgeving, rekening houdend met de menselijke beperkingen zodat deze effectief als een gereedschap in een exploratieve omgeving kunnen functioneren.

Het onderzoek realiseert deze doelstellingen door een analyse van typen en gebruik van animatie binnen de (traditionele) kartografie, en trekt de bevindingen door naar een exploratieve gebruiksomgeving, waarvoor functionaliteit wordt gedefinieerd. Hierin spelen temporele ruimtelijke data typologieën, exploratieve cognitieve structuren en processen een rol om het beoogde gebruik van de animatie door geowetenschappers te ondersteunen..

De voorgestelde functionaliteit voortkomend uit dit onderzoek wordt uiteindelijk getoetst aan de hand van drie soorten van animaties, namelijk een passieve, een interactieve en één die gebaseerd is op interferentie. Zij verschillen van elkaar door de mate van interactiviteit die ze de gebruiker bieden. Om nut en bruikbaarheid binnen een exploratieve omgeving te toetsen werd een kaartgebruiksonderzoek opgezet waarin testpersonen werden geobserveerd bij het uitvoeren van bepaalde taken. Om de onderliggende cognitieve structuren en processen tijdens de activiteiten van de testpersonen te achterhalen en mogelijk te gebruiken voor het verbeteren van de voorgestelde functionaliteit wordt het hardop-denk protocol toegepast. Om de prestatie van het testpersonen en hun activiteiten met de verschillende animaties te beoordelen is gekeken naar indicatoren als originaliteit, gevoeligheid en bruikbaarheid.

De resultaten van het gebruikersonderzoek laten zien dat alle kartografische animatie typen zoals hierboven omschreven een belangrijke rol spelen in de visualisatie van temporele ruimtelijke gegevens. Elk speelt zijn eigen rol in de exploratie van de gegevens. De passieve animatie functioneert zinvol tijdens de aanvang van de exploratie en de animatie gebaseerd op interferentie speelt een cruciale rol bij de interpretatie en uitleg van ruimtelijke patronen en relaties. De resultaten geven bovendien aan dat animatie ook uitermate geschikt is voor het herkennen van afwijkingen en bijzonderheden in gegevenssets.

De bevindingen van het onderzoek tonen ook aan dat een op interferentie gebaseerde animatie gemaakt kan worden op basis van de behoeften van de gebruiker, iets dat voorheen niet helder was. Dit vereist overigens wel een directe link tussen de gegevensset en de animatie om de gewenste functionaliteit te kunnen realiseren, waarbij van belang is dat de relatie niet belemmerend werkt op de dynamiek van de animatie.

Hieronder worden in vogelvlucht de hoofdstukken van het proefschrift gerangschikt.

Hoofdstuk 1 geeft een overzicht van de structuur van het gehele proefschrift, waarbij de nadruk ligt op motivatie, probleemstelling, methodiek en hoe de resultaten van het proefschrift kunnen bijdragen aan de kartografische theorie.

Hoofdstuk 2 schetst de verschillende definities van termen en uitdrukkingen zoals deze worden gebruikt in het proefschrift. Het geeft een overzicht van de types en functionaliteiten van de gangbaar kartografische animatie en het schetst een algemeen ontwerp van de factoren die op animatieontwerp en -gebruik van invloed zijn.

Hoofdstuk 3 behandelt de verschillende aspecten in het ontwerp van kartografische animatie rekening houdend met de geowetenschapper (de gebruiker) en zijn/haar taken, het karakter van de ruimtelijke gegevens en interactieve interface opties. Ieder van deze factoren wordt nader besproken waarbij wordt ingegaan op de manier waarop ze kunnen worden beïnvloed en verbeterd om de ruimtelijke gegevensmanipulatie in een animatie te verbeteren. Het hoofdstuk signaleert ook de noodzaak om animaties te voorzien van enige intelligentie ter verbetering van de interactie.

Hoofdstuk 4 introduceert een totale strategie voor animatieontwerp in een exploratieve omgeving waarbij de animatie voor onderzoeksdoeleinden door geowetenschappers wordt gebruikt. De eigenschappen van een exploratieve omgeving worden nader toegelicht, waarbij de nadruk ligt op het feit dat gebruikers in zo'n omgeving omgaan met onbekende gegevenstypes en onbekende uitkomsten zoeken. Om de juiste functionaliteit te kunnen toevoegen aan een dergelijke animatie omgeving moet met de kennis te gebruiken ontleent aan studies in experimentele testen die de specifieke cognitieve structuren en processen beschrijven die leiden tot kennisconstructie, waarbij inzicht in de data wordt gegeven.

Hoofdstuk 5 laat de keuze zien van een functionele evaluatiemethode die wordt gebruikt om het succes van de voorgestelde functionaliteit te evalueren.

Hoofdstuk 6 schetst een prototype omgeving waar de concepten voortkomend uit hoofdstukken 4 en 5 verder worden ontwikkeld. Een testomgeving voor animaties wordt gebaseerd op typisch geowetenschappelijke toepassingsgebieden als stadsgeografie, demografie en epidemiologie. De resultaten worden geanalyseerd en besproken, gebaseerd op eerder genoemde onderzoeksindicatoren van originaliteit, gevoeligheid en bruikbaarheid.

Tenslotte beschrijft hoofdstuk 7 de belangrijkste bijdragen en conclusies van het onderzoek. Aanbevelingen ter verbetering van de bereikte resultaten en voor het voortzetten van dit en gelijksoortige onderzoeksvelden worden gepresenteerd.

Laatste keer gewijzigd: door Peter van der Krogt.