User Interaction with Online Geospatial Systems

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1 User Interaction with Online Geospatial Systems THÈSE N O 4618 (2010) PRÉSENTÉE LE 12 MARS 2010 À LA FACULTÉ ENVIRONNEMENT NATUREL, ARCHITECTURAL ET CONSTRUIT LABORATOIRE DE SYSTÈMES D'INFORMATION GÉOGRAPHIQUE PROGRAMME DOCTORAL EN ENVIRONNEMENT ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES PAR Jens INGENSAND acceptée sur proposition du jury: Prof. J.-L. Scartezzini, président du jury Prof. F. Golay, directeur de thèse Prof. S. Björk, rapporteur Prof. M. Brovelli, rapporteur Prof. P. Dillenbourg, rapporteur Suisse 2010

2 Abstract User interaction with online geospatial systems is an inter-disciplinary research field that combines the two disciplines Human Computer Interaction (HCI) and geographic information sciences. In recent years online geospatial systems have been created for different purposes such as way-finding systems, online atlases and collaborative systems. In order to accommodate the fact that an increasing number of people have access to geospatial data and technology, research has begun to focus on the impact and the utilization of such systems. However few studies regarding the usability of online geospatial systems have been conducted and most of these studies were set up in artificial lab-environments with few mostly poorly described test-users. Furthermore to the best of our knowledge no formal research framework currently exists that allows for analyzing the interaction of real-world users with such systems and that takes into account the spatial nature of these systems. The goal of this thesis is to show that users, depending on their demographics, experience, skills and context show significant differences in their interaction strategies and performance. Another important factor that has been neglected in many recent laboratory-based usability studies is the user s computer. In this work, we want to show that users, depending on their computer s properties show significant differences regarding their interaction strategies, their performance and satisfaction. The work in this thesis consists of three parts: 1. the establishment of an evaluation framework that categorizes and defines the interaction of real-world users with geospatial systems. The four main entities of this framework are the user (in terms of demographics, skills, knowledge and context), the system (defined by the interface design, spatial data, spatial functions, technologies and architectures), the user interaction (interaction strategies, performance and perception of spatial data), and the satisfaction of using the system. 2. the development of methods and software tools for gathering experimental data based on the four entities of the evaluation framework 3. the validation of the evaluation framework with case studies involving systems that have been developed for specific groups of end-users. We have conducted three case studies where real-world users interact with three online geospatial systems. The important findings of those studies were that there are noticeable gender differences regarding spatial navigation, that user satisfaction appears to be biased by the user s previous experience with geographic information technologies and that the type of the input device used (e.g. mouse or touchpad) has a considerable influence on task-completion time and user satisfaction. The above results indicate that the user s demographic parameters and background have a significant effect on the user s spatial interaction strategies, performance and satisfaction. Furthermore we have found evidence that suggests that the user s perception of spatial data strongly depends on the scale. We conclude that the design and development of spatial interaction functions (spatial navigation, digitization, selection of objects and locations) in online geospatial systems should highly depend on the type of users that the systems are developed for. To further fuel research on usability aspects of online geospatial systems, we provide the necessary tools and methods for conducting remote- and laboratory based testing of such systems. Keywords: Human Computer Interaction (HCI), Geographical information systems (GIS), online geospatial systems (web mapping, web GIS), usability, user evaluation i

3 Résumé L interaction de l utilisateur avec les systèmes géospatiaux en ligne est un domaine de recherche qui combine deux disciplines: l Interaction Homme-Machine (IHM) et les sciences de l information géographique. Durant ces dernières années, leur mise en place a du répondre à différentes finalités, comme par exemple le calcul d itinéraires, la mise en ligne d atlas ou encore le soutien aux démarches collaboratives. Un nombre croissant de personnes ont accès à des données géospatiales et à la technologie y relative. L utilisation de ces systèmes commence donc à intéresser la recherche. Cependant, peu d études sur l utilisabilité des systèmes géospatiaux en ligne ont été réalisées. La plupart de celles-ci ont été mises en place dans des laboratoires avec des utilisateurs mal décrits. En outre, à notre connaissance, aucun cadre formel de recherche n existe actuellement. Ce dernier devrait faciliter l analyse systémique de l interaction des utilisateurs du monde réel avec de tels systèmes et prendre en compte leur caractère spatial. L objectif de cette thèse est de montrer que les utilisateurs, en fonction de paramètres démographiques, de leur expérience et de leurs compétences, ainsi que du contexte d étude, révèlent des différences significatives dans leurs choix stratégiques et dans leur performance. Un autre facteur important, négligé dans de nombreuses études et se focalisant sur l utilisabilité, est l ordinateur de l utilisateur. Dans ce travail, nous voulons montrer que les utilisateurs, en fonction des spécificités de leur ordinateur, font des choix de mode d interaction qui influencent profondément leur performance et leur statisfaction. Cette thèse se compose de trois parties distinctes : 1. L établissement d un cadre d évaluation qui catégorise et définit l interaction des utilisateurs du monde réel avec les systèmes géospatiaux. Les quatre principales entités de ce cadre sont l utilisateur (en termes de démographie, compétences, connaissances et contexte), le système (défini par la conception de l interface, par les données et fonctions spatiales, par la technologie et les architectures), l interaction de l utilisateur (modes d interaction, de performance et de perception des données spatiales), et la satisfaction de l utilisateur. 2. Le développement de méthodes et d outils permettant de collecter des données expérimentales basées sur les quatre pôles du cadre d évaluation. 3. La validation du cadre d évaluation par des études de cas portant sur des systèmes qui ont été développés pour des groupes spécifiques d utilisateurs finaux. Nous avons mené trois études de cas dans lesquelles des utilisateurs du monde réel ont interagi avec trois systèmes géospatiaux en ligne. Les principaux résultats montrent qu il existe des différences notables entre les hommes et les femmes en ce qui concerne la navigation spatiale, que la satisfaction des utilisateurs semble avoir été biaisée par leurs expériences précédentes se fondant sur les technologies et l information spatiale, et que le type de périphérique d entrée utilisé (par exemple la souris ou touchpad) a une influence considérable sur le temps nécessaire à l achèvement de l exercice et sur la satisfaction des utilisateurs. Les résultats ci-dessus indiquent que les paramètres démographiques de l utilisateur, ainsi que le contexte d étude, ont un effet significatif sur les modes d interaction spatiale de l utilisateur avec le système, sur les performances et sur la satisfaction. En outre nous avons découvert que la perception de l information géospatiale dépend de l échelle. Nous concluons que la conception et le développement de fonctions d interaction spatiale (navigation spatiale, numérisation, sélection d objets et de lieux) dans les systèmes géospatiaux en ligne devraient fortement dépendre de l utilisateur pour qui ceux-ci sont développés. Pour alimenter la recherche sur les aspects de l utilisabilité des systèmes géospatiaux en ligne, nous fournissons des outils et les méthodes nécessaires à leur mise en place. Mots-clés: Interaction homme machine (IHM), systèmes d information géographique (SIG), systèmes géospatiaux en ligne, utilisabilité, évaluation avec des utilisateurs iii

4 Zusammenfassung Die Interaktion von Benutzern mit Internet-basierten rumlichen System ist eine interdisziplinre Forschungsrichtung, welche Mensch-Maschine Interaktion (MMI) und raumbezogene Wissenschaften kombiniert. In den letzten Jahren sind Internet-basierte räumliche System für verschiedene Anwendungsbereiche entwickelt worden. Beispiele sind Systeme, die Routen berechnen können, Internetatlanten, und Systeme welche die Zusammenarbeit mehrerer Personen ermöglichen. Durch die Tatsache, dass eine wachsende Zahl Benutzer Zugang zu räumlichen Daten und Technologien hat, fokussiert sich auch die Forschung, die Nutzung solcher Daten und Technologien und deren Folgen zu ergründen. Hingegen existiert bis zum heutigen Tage kein formales Forschungskonzept, dass die Analyse der Interaktion von realen Benutzern mit dieser Art von Systemen ermöglicht und dass die räumliche Art dieser Systeme berücksichtigt. Darüberhinaus gibt es wenige Studien, die die Benutzerfreundlichkeit dieser System analysiert haben. Die meisten dieser Studien sind ausserdem in einer künstlichen Umgebung, mit wenigen schlecht beschriebenen Benutzern durchgeführt worden Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es zu belegen, dass Interaktionsstrategieen und die Interaktionsleistung (z.b. die Geschwindigkeit eine Aufgabe zu lösen) signifikant von demographischen Variablen, von der Erfahrung und dem Kontext der Benutzers abhängig sind. Desweiteren haben viele Studien, welche die Benutzerfreundlichkeit dieser Systeme in einer künstlichen Umgebung analysiert haben, den Einfluss des Benutzercomputers vernachlässigt. In dieser Arbeit soll bewiesen werden, dass der Computer des Benutzers sowohl einen statistisch signifikanten Einfluss auf Interaktionsstrategien und Interaktionsleistung hat, aber auch fr der Zufriedenheit des Benutzers solcher Systeme berücksichtigt werden muss. Die vorliegende Dissertation besteht aus drei Teilen: 1. Die Erarbeitung eines Forschungskonzepts, dass die Interaktion mit wirklichen Benutzern und räumlichen Systemen definiert. Dieses Konzept besteht hauptsächlich aus vier Einheiten: Dem Benutzer (Demographische Parameter, Erfahrung, Fertigkeiten und Kontext), dem System (definiert durch Interface-design, räumliche Daten, räumliche Funktionen, Technologien und Architekturen), der Interaktion (Strategien, Leistung und die Wahrnehmung räumlicher Daten) und der Zufriedenheit des Benutzers. 2. Die Entwicklung von Methoden und Softwareprogrammen, die es ermöglichen, experimentelle Daten (die durch die vier Einheiten des Konzepts definiert sind) zu erfassen. 3. Die überprüfung des Forschungskonzepts mit Fallstudien, welche für spezifische Benutzergruppen entwickelte Systeme beinhalten. In drei Fallstudien wird die Interaktion von Benutzern mit Internet-basierten räumlichen Systemen untersucht. Wichtige Resultate dieser Studien sind dass es geschlechtsspezifische Unterschiede bezüglich räumlicher Navigation gibt, dass die Zufriedenheit eines Benutzer von durch die Erfahrung mit räumlichen Systemen abhängig ist und dass das Eingabegerät (z.b. eine Maus oder ein Touchpad) einen signifikanten Einfluss auf die Geschwindigkeit mit der Benutzer Aufgaben löst hat, aber auch auf die Zufriedenheit des Benutzers. Unsere Schlussfolgerung ist dass das Design und die Entwicklung von räumlichen Interaktionsfunktionen (z.b. räumliche Navigation, Digitalisierung, das Auswählen von Objekten und Orten) in Internet-basierten, räumlichen Systemen von den Benutzern abhängig sein sollten für welche sie entwickelt worden sind. Für zukünftige Forschungstudien, welche die Benutzerfrendlichkeit solcher Systeme analysieren, stellt diese Dissertation die notwendigen Werkzeuge und Methoden zu Verfügung; sowohl für Studien, welche in Laboratorien als auch in der Distanz durchgeführt werden Schlüsselwörter: Mensch-Maschine Interaktion MMI, (Human-Computer Interaction, HCI), Geographische Informationssysteme (GIS), Internet-basierte räumliche Systeme (web mapping, web GIS), Benutzerfreundlichkeit, Benutzerstudien v

5 Contents List of Figures 8 List of Tables 13 1 Introduction Motivation Focus of research Research goals Outline HCI for spatial systems Introduction Cognitive science and the cognition of space Definition Cognitive Load Theory Activity theory Distributed cognition Mental models Spatial cognition Cognitive maps Spatial reasoning System design and the design of geospatial information and systems Introduction Design in HCI Design of geospatial systems Digital map design and geovisualization Usability Definition Addressing and improving usability The usability of geospatial systems Summary Online geospatial systems Introduction and definition The history of online geospatial systems Characteristics of online geospatial systems Contexts of use Functionality Technologies and architectures Commercial concepts Towards 3D systems and real-time information Summary The interaction with online geospatial systems Introduction Conceptual framework The user The system

6 CONTENTS The interaction Satisfaction The framework of parameters Summary Hypotheses Introduction Hypotheses and research questions The interaction The user and the interaction The system and the interaction The user and satisfaction The system and satisfaction Summary Analytical methods Introduction Means to characterize the user Means to analyze the system Means to analyze the interaction Capturing the interaction Task analysis Spatial interaction strategies Perception of spatial features Means to measure satisfaction Experiment design Summary Case Studies Introduction RIV - a system for wine-cultivation Context The first prototype, Viti-Vaud The evolution of RIV The test-users Evaluation setting Analytical methods Parameters collected Results Summary of results Conclusions Spatial data ordering system Context System characteristics The test-users Evaluation setting and analytical methods Parameters collected Results Summary of results Conclusions

7 CONTENTS 7.4 Spatial interface for EPFL s online survey system Context System characteristics The test-users Evaluation setting Analytical methods Parameters collected Results Summary of results Conclusions Summary Discussion Introduction The hypotheses The interaction The user and the interaction The system and the interaction The user and satisfaction The system and satisfaction Connections between parameters Tools for analyzing user interaction with online geospatial systems Recommendations Conclusions and future work User interaction with online geospatial systems Limits of this study Future work Bibliography 225 A Diagrams and figures - case study three 241 B Statistical data - case study three 247 Curriculum Vitae 287 3