Analysing landmarks in nature and elements of geospatial images to support wayfinding

Abstract

This dissertation applies the research and methods of spatial cognition in order to contribute to the development of wayfinding support in geospatial applications. The design and development of geospatial applications, such as interactive maps and mobile navigation applications, has been typically founded on the expertise of surveying, cartography and geoinformatics. This has often led to relatively complex expert tools that many users find difficult to use. The research of spatial cognition can provide elementary understanding about human thinking in the use situations of these applications and supplement the knowledge gained using the usability research. Perception of landmarks along routes in nature was studied in season and time-of-day studies with participants who walked nature trails in summer, winter, day and night while thinking aloud about the surroundings. The recall of the route was measured afterwards using sketch-map drawing and photo recognition tasks. The think-aloud protocols were analysed using classification of propositions and natural language processing. The importance of landmarks for the human route perception in nature was confirmed. "Structures", "Passages" and "Waters" were the most perceived landmark groups. Season and time-of-day significantly affected landmark perception and, based on the results, the adaptivity of geospatial applications in the studied conditions can be improved. The transfer of the empirically acquired knowledge of the landmark perception to geoinformatics was illustrated with a formal landmark ontology for hiking in nature. The measures of landmark recall were found unexpectedly similar in all the studied conditions. The similarity was explained by the salience of landmarks in nature and the structure of route-like sketch maps but also by the participants' conceptions on what should be drawn on maps. "Passages" and "Structures" were the most-often drawn landmark groups on the sketch maps. Support of geospatial images for wayfinding was evaluated using a literature-based evaluation framework. Visualisation of elevation was experimented with by rendering a 3D map, a derivative of which was compared to 2D elevation visualisations in an eye-tracking study. Vertical elements and elevation were found to be central wayfinding elements in geo-images and the aerial oblique vantage point the most effective image parameter for transferring spatial knowledge. The rendered 3D map was evaluated as cognitively demanding to look at but, however, showed potential in representing the terrain relief. The dissertation also considers challenges in the application of the methods of spatial cognition research and identifies directions for future studies.

Tämä väitöskirja hyödyntää spatiaalisen kognition tutkimusta ja menetelmiä tavoitteena vaikuttaa geospatiaalisten sovellusten kehittämiseen reitinkulun tukemisen osalta. Geospatiaalisten sovellusten, kuten vuorovaikutteisten karttojen ja mobiilien navigointisovellusten, suunnittelu ja kehittäminen on tyypillisesti pohjautunut syvälliseen maanmittauksen, kartografian ja geoinformatiikan asiantuntijuuteen. Tämä on usein johtanut monimutkaisiin sovelluksiin, jotka monet kokevat vaikeiksi käyttää. Spatiaalisen kognition tutkimus voi tarjota tietoa ihmisen spatiaalisesta ajattelusta sovellusten käyttötilanteissa ja täydentää käytettävyystutkimuksilla saavutettua tietämystä. Maamerkkien havaitsemista luonnossa tutkittiin eri vuoden- ja vuorokaudenaikoina. Koehenkilöt kävelivät luontoreitit kesällä, talvella, päivällä ja yöllä ajatellen ääneen ympäristön maamerkeistä. Maamerkkien muistamista tutkittiin karttaluonnoksin ja valokuvantunnistuksella. Ääneenajattelu analysoitiin ilmaisujen luokittelulla ja luonnollisen kielen käsittelyllä. Maamerkit todettiin tärkeiksi reitin hahmottamiselle luonnossa. "Rakennukset", "kulkuväylät" ja "opasteet" olivat eniten havaitut maamerkkiryhmät. Vuodenajan ja vuorokaudenajan todettiin vaikuttavan maamerkkien hahmottamiseen. Tulosten perusteella voidaan parantaa geospatiaalisten sovellusten mukautuvuutta tutkituissa olosuhteissa. Saavutettua kokeellista tutkimustietoa voidaan hyödyntää geoinformatiikan sovelluksissa käyttäen luotua formaalia maamerkkiontologiaa. Maamerkkien muistaminen oli vastoin odotuksia hyvin samankaltaista tutkittujen olosuhteiden kesken. Samankaltaisuus selittyi maamerkkien havaittavuudella luonnossa ja karttaluonnosten reittikeskeisyydellä, mutta myös koehenkilöiden käsityksellä kohteista, jotka on tarpeen piirtää kartalle. "Kulkuväylät" ja "rakennukset" olivat karttaluonnosten piirretyimmät maamerkkiryhmät. Geospatiaalisten kuvien tukea reitinkululle tutkittiin käyttäen kirjallisuuteen perustuvaa arviointikehystä. Korkeuden esittämistä tutkittiin koostamalla kokeellinen 3D-kartta, josta johdettua karttaa verrattiin silmänliiketutkimuksessa kaksiulotteisiin korkeudenesitystapoihin. Tutkimukset vahvistivat geokuvien korkeusesityksen ja pystysuorien kohteiden tärkeyden reitinkulun tukemisessa. Yläviisto katselukulma havaittiin yhdeksi tehokkaimmista kuvaparametreista spatiaalisen tiedon välittämisessä. Koostettu 3D-kartta osoittautui kognitiivisesti kuormittavaksi lukea, mutta ilmensi kehitysmahdollisuuksia maaston korkeuserojen esittämisessä. Väitöskirja käsittelee myös haasteita spatiaalisen kognition tutkimusmenetelmien soveltamisessa ja esittää tulevaisuuden tutkimusaiheita.