EYE-TRACKING ANALÝZA STATICKÝCH INTERAKTIVNÍCH MAP S VYUŽITÍM NÁSTROJE ET2SPATIAL

Cíle práce

Cílem diplomové práce je hodnocení statických interaktivních map pomocí metody eye-tracking s využitím nástroje ET2Spatial. Jednotlivé cíle budou rozděleny do teoretické a praktické části. Teoretická část práce bude věnována dělení webových map, eye-tracking hodnocení interaktivní mapy, alternativní řešení nástroje ET2Spatial a vizualizace eye-tracking dat v geografických informačních systémech (GIS). V praktické části budou vytvořeny stimuly (mapy v Google Maps API) a k nim odpovídající úkoly, které budou použity při sběru vzorových dat. Z nasbíraných dat se v GIS prostředí otestují různé metody prostorových analýz a vyberou se ty nejvhodnější.

Ze zvolených vizualizací vznikne Toolbox ET2GIS a Project Template. Následně bude proveden nový ET experiment, který zajistí ověření funkčnosti Toolboxu včetně kompatibility s jiným počítačem a jeho nezávislost na jiných vstupních datech.

Ze získané zpětné vazby ověřovacího ET experimentu vznikne finální podoba Toolboxu ET2GIS. Toolbox ET2GIS bude napomáhat snadnému importu výstupních dat nástroje ET2Spatial do programu ArcGIS Pro a jejich jednoduché analýze či vizualizaci. Dalším výstupem práce bude anglický manuál, který bude obsahovat podrobný popis modelů i s postupy, jak tyto analýzy provést.

Použité metody

Pro nasbírání dat k této diplomové práci byla použita metoda eye-tracking (ET). Tato metoda má na katedře geoinformatiky (KGI) již víc jak desetiletou historii. Většinou se používá u statických stimulů, kde je po celou dobu experimentu zaznamenáván pohyb očí respondentů na obrazovce. Jelikož bylo potřeba získat speciální vzorová data, a to nad interaktivním stimulem, bylo nutné provést experiment vlastní. V experimentu byly využity nejpoužívanější druhy otázek, které lze uplatnit u statického interaktivního stimulu (např. interaktivní mapy). Mezi tyto otázky patří například lokace místa, rozlišení dvou prvků od sebe (např. podle barvy), kategorizace atd. (Wehrend a Lewis, 1990).

Dále byly použity různé metody pro vizualizaci prostorových dat, které jsou zmíněny v podkapitole 2.4. Mezi ty časté patří jednoznačně kartodiagramy s velikostí podle doby fixace, buffer jako zájmová zóna, hustota fixací v hexagonech, metoda heatmap, scanpaths ale také například Space Time Cube, který zobrazí data v 3D prostoru, kde čas je znázorněn na ose Z.

Použitá data:

Data, použitá u tvorby Toolboxu ET2GIS, byla nasbírána vlastním experimentem pomocí metody ET. Experiment proběhl v ET laboratoři na katedře geoinformatiky, kde se jej celkem zúčastnilo šest studentů napříč ročníky. Každý respondent provedl šest úkolů nad staticky interaktivními mapami vytvořenými pomocí Google Maps API. Za účelem pokrýt všechny funkce nástrojů MapTrack (Růžička, 2012) a ET2Spatial (Sultan, 2021), byly vytvořeny mapy s podkladovými vrstvami Roadmap a Satellite. Zároveň k nim byly přidány vrstvy rastrové a vektorové. Rastrová vrstva byla mapa dojezdových zón jednotek zdravotnické záchranné služby v části Estonska, která vznikla jako vlastní tvorba autora diplomové práce v předmětu Geoinformatika v krizovém managementu (GIKRI). Vektorová vrstva byla jednoduchá červená kružnice kolem města, ve které se měli respondenti držet při řešení úkolů. Pro ověření funkčnosti a nezávislosti Toolboxu ET2GIS bylo provedeno nové testování pěti respondentů z katedry nad třemi interaktivními stimuly.

Použité programy:

Před samotným ET experimentem bylo potřeba si připravit podkladové vrstvy. Aby se rastrová vrstva (mapa Estonska) mohla použít na webové stránce, musela být nařezána na dlaždice. Nařezání se provedlo v programu od firmy MapTiler. Experiment byl navržen z již existujícího testování nástroje ET2Spatial (Sultan, 2021), pouze došlo k upravení vstupních vrstev v programu Notepad++ (8.1.2). Po připravených webových stránkách byly v programu SMI Experiment Center (3.7) vytvořeny otázky pro testování.

Během ET experimentu byl použit program MapTrack (Růžička, 2012), který umožnil zaznamenávat pohyb respondenta ve webové mapě. Pohyb očí byl snímán přístrojem SMI RED 250 s frekvencí 250 Hz. Po provedení experimentu byla data exportována v programu SMI BeGaze SW (3.7) a společně s MapTrack soubory byla konvertována pomocí nástroje ET2Spatial (Sultan, 2021). Vniklé shapefile soubory byly vloženy do ArcGIS Pro (3.1.0) od společnosti ESRI, ve kterém byl vytvářen Toolbox ET2GIS pomocí prostředí ModelBuilder.

Postup zpracování:

Prvním důležitým krokem pro zpracování diplomové práce bylo nastudování řešené problematiky, a to zejména dělení webových map, eye-tracking hodnocení interaktivní mapy, alternativní řešení nástroje ET2Spatial (Sultan, 2021) a vizualizace eye-tracking dat v GIS.

Pro nasbírání cvičných dat bylo potřeba vytvořit a provést vlastní ET experiment. Experiment byl navržen tak, aby pokryl nejčastější výzkumné otázky (Wehrend a Lewis, 1990) proveditelné nad staticky interaktivní mapou. Jelikož hlavním cílem bylo pouze vytvořit cvičná data pro tvorbu nástroje v programu GIS, bylo napříč ročníky osloveno šest studentů katedry geoinformatiky. Celý experiment byl proveden v ET laboratoři KGI během jednoho odpoledne.

Po nasbírání dat byla provedena jejich konverze pomocí nástroje ET2Spatial (Sultan, 2021), následně byly nově vzniklé shapefile soubory vloženy do programu ArcGIS Pro. Zde bylo pomocí prostředí ModelBuilder navrženo několik vizualizací a analýz. Po konzultacích s vedoucím práce se vybraly ty nejvhodnější a vznikl Toolbox ET2GIS, který napomáhá jednoduššímu importu, vizualizacím i analýzám nasbíraných dat. Pro ještě jednodušší použití v praxi byl vytvořen Project Template, díky kterému lze pokaždé otevřít nový projekt s potřebným nastavením, Toolboxem či podkladovými mapami od Google Maps. Pro ověření funkčnosti a nezávislosti Toolboxu ET2GIS i Project Template bylo provedeno nové testování pěti respondentů z katedry Geoinformatiky.

Zároveň byl vytvořen anglický manuál, který obsahuje podrobný popis modelů i s postupy, jak tyto analýzy provést. V poslední fázi byl sepsán finální text práce, vytvořeny webové stránky a poster.

Postup zpracování

Výsledky práce

Hlavním výsledkem práce je Toolbox ET2GIS, který byl vytvořen z důvodu zjednodušení importu a vizualizace ET dat konvertovaných programem ET2Spatial (Sultan, 2021) v programu ArcGIS Pro. Za účelem získat vlastní testovací data, na základě kterých by mohl vzniknout Toolbox ET2GIS, bylo potřeba vytvořit prvotní experiment a ověřovací experiment. Další výsledek práce je Project Template a anglický manuál, který nejen popisuje práci s nástroji Toolboxu ET2GIS, ale obsahuje i vytvoření nového experimentu, import dat do ArcGIS Pro a tipy nebo upozornění na možné komplikace při nesprávném použití (Příloha 2 ET2GIS Manuál).

Toolbox ET2GIS:

Toolbox ET2GIS umožňuje jednoduchý import výstupních dat nástroje ET2Spatial (Sultan, 2021) do programu ArcGIS Pro. Zároveň slouží jako inspirace při grafické vizualizaci nasbíraných dat. Toolbox byl vytvořen v prostředí ModelBuilder v programu ArcGIS Pro ve verzi 3.1.0.

Celkem se v Toolboxu nachází 13 nástrojů – jeden nástroj na import dat a dvanáct nástrojů pro jejich vizualizaci. Většina nástrojů byla inspirovaná z typických vizualizací ET programů (např. metoda Heatmap, Scanpaths, Zájmové oblasti atd.). Zároveň zde byly vytvořeny vizualizace, které se v ET programech nevyskytují (např. Space Time Cube, Zoom Level Clustering apod.). Podrobný popis každého nástroje je možné nalézt v podkapitole 4.3 nebo přímo v Příloze 2 ET2GIS Manuál.

Seznam nástrojů Toolboxu ET2GIS:

Import Data
AOI Intersect (Area of Interest)
Attribute Visualization Duration
Buffer Zone
Heatmap
Hexagons
Kernel Density
Nearest Neighbours
Scanpaths
Space Time Cube
Space Time Cube Lines
Time Visualization
Zoom Level Clustering

Ukázka grafických vizualizací

Kartografická jednotnost nástrojů byla zajištěna pomocí souborů Symbology Layers (.lyrx), která umí přenášet nastavení barev, velikostí i hodnoty dalších parametrů. Tyto soubory jsou součástí složky ET2GIS_Layers, kterou je nutné vložit do adresáře s ArcGIS Pro (více Příloze 2 ET2GIS Manuál).

Pro opakovanou práci s Toolboxem ET2GIS byl navržen Project Template. Ten obsahuje čtyři základní Google Maps podkladové mapy (Roadmap, Satellite, Terrain a Hybrid), samotný ET2GIS Toolbox, dvě předpřipravené 2D Mapy (Locked Scale a Normal Scale) a dvě 3D Mapy (Local a Global). Díky tomu lze pokaždé jednoduchým způsobem otevřít nový projekt a není potřeba vše znovu nastavovat a importovat.

Toolbox ET2GIS i jeho Project Template (ET2GIS_PT) byl kvůli kompatibilitě relativních cest otestován na více zařízeních a na základě zpětných vazeb byl poupraven, aby nejen správně fungoval, ale splňoval většinu uživatelských požadavků. Z tohoto důvodu byl vytvořen anglický manuál, který má uživateli pomoct se v nástrojích orientovat, jak je má správně používat nebo co od nich může čekat za výstupy.

Manuál:

Dalším důležitým výsledkem je anglický manuál. Tento manuál slouží především jako doprovodný dokument Toolboxu ET2GIS, ale zároveň uživateli popisuje tvorbu ET experimentu se statickými interaktivními mapami. Tvorba ET experimentu je v manuálu sepsána od prvotního návrhu map až po finální import do programu GIS.

Hlavní kapitoly manuálu ET2GIS:

Úvod o Toolboxu ET2GIS
Tvorba nového eye-tracking experimentu
Zpracování eye-tracking výstupů
Instrukce pro použití nástrojů ET2GIS
Instrukce pro manuální zpracování

Důležitou částí jsou instrukce pro použití Toolboxu ET2GIS a jeho nástrojů. Tato část obsahuje popis, co daný nástroj dělá, jak by mělo vypadat správně vyplněné Geoprocessing okno, a co za výstupy by měly vzniknout. Kromě toho se zde nachází tipy, varování nebo zdůrazněné informace o nástroji, které by bez návodu nemusely být jasné. Celý manuál je k dispozici ke stažení na webových stránkách diplomové práce v podobě PDF (Příloha 2 ET2GIS Manuál). Manuál má 47 stran a 64 obrázků.

Závěr

Jedním z hlavních cílů bylo navázat na diplomovou práci zahraniční studentky Minhy Noor Sultan (2021) a její nástroj ET2Spatial. Nástroj ET2Spatial slouží ke konverzi ET dat nasbíraných nad statickými interaktivními mapami. Díky této konverzi lze ET data nahrát do programu ArcGIS Pro a dále je analyzovat či vizualizovat.

Jelikož je nástroj ET2Spatial poměrně nový, nebyl naplno použit v praxi, a tudíž není možné použít již nasbíraná data z dřívějších experimentů jakožto data vzorová. Kvůli absenci vzorových dat bylo zapotřebí nasbírat data vlastní. Proto vznikl prvotní experiment, kterého se účastnilo šest studentů napříč ročníky. Každý respondent provedl celkem šest úkolů nad statickými interaktivními mapami vytvořenými pomocí Google Maps API. Součástí experimentu byly mapy s vektorovou vrstvou, rastrovou vrstvou nebo obsahovaly pouze základní podkladovou vrstvu Google Maps.

Po nasbíraní vlastních ET dat následovala tvorba Toolboxu ET2GIS pomocí prostředí ModelBuilder v programu ArcGIS Pro ve verzi 3.1.0. Toolbox obsahuje celkem 13 nástrojů – jeden nástroj na import dat a dvanáct nástrojů pro jejich vizualizaci. Většina nástrojů byla inspirovaná z typických vizualizací ET programů (např. metoda Heatmap, Scanpaths, Zájmové oblasti atd.). Zároveň zde byly vytvořeny vizualizace, které se v ET programech nevyskytují (např. Space Time Cube, Zoom Level Clustering apod.).

Vytvořený Toolbox ET2GIS i jeho Project Template (ET2GIS_PT) byl kvůli kompatibilitě relativních cest a nezávislosti na vstupních datech otestován na nově nasbíraných datech (ověřující experiment) a spuštěn na více zařízeních. Ověřující experiment byl proveden za přítomnosti vedoucího, který jakožto jeden z budoucích uživatelů Toolboxu ET2GIS poskytoval zpětnou vazbu pro finální úpravy. Experimentu se účastnil jeden student a čtyři pracovníci katedry. Každý respondent provedl celkem tři krátké úkoly nad podkladovou mapou Roadmap od společnosti Google. Všechny úkoly měly stejnou podkladovou mapu.

Jako poslední byl vytvořen anglický manuál, kde je popsáno vytváření nového experimentu (od vytvoření statických interaktivních map, přes experiment v ET programu, po konverzi dat programem ET2Spatial), import dat do ArcGIS Pro, návod k použití Toolboxu ET2GIS nebo také návod manuálního nastavení, když uživatel nepoužije Project Template.

Veškeré dílčí cíle byly naplněny a v průběhu celé práce konzultovány. Nejdůležitějšími výsledky práce je Toolbox ET2GIS, Project Template, Symbology Layers a anglický manuál. K diplomové práci byla v souladu se zadáním práce vytvořena webová stránka a grafický poster ve formátu A2.

Summary

One of the main goals was to continue the thesis of the foreign student Minha Noor Sultan and her tool ET2Spatial. The ET2Spatial tool is used to convert ET data collected on static interactive maps. Thanks to this conversion, ET data can be uploaded to ArcGIS Pro and further analyzed or visualized.

Since the ET2Spatial tool is relatively new, it has not been fully used in practice and therefore it is not possible to use collected data from earlier experiments as sample data. Due to this lack of sample data, it was necessary to collect own data. Therefore, a primary experiment was created, in which six students across classes participated. Each respondent performed a total of six tasks over static interactive maps created by the Google Maps API. The experiment included maps with a vector layer, a raster layer, or contained only a basic Google Maps base layer.

After collecting the actual ET data, the ET2GIS Toolbox was created using the ModelBuilder environment in ArcGIS Pro version 3.1.0. Toolbox contains a total of 13 tools - one tool for data import and twelve tools for data visualization. Most of the tools were inspired from standard ET program visualizations (e.g. Heatmap method, Scanpaths, Areas of Interest, etc.). At the same time, visualizations were created that are not available in ET programs (e.g. Space Time Cube, Zoom Level Clustering, etc.).

The Project Template has been designed for repeated work with the ET2GIS Toolbox. It contains four basic Google Maps base maps (Roadmap, Satellite, Terrain and Hybrid), the ET2GIS Toolbox itself, two pre-made 2D Maps (Locked Scale and Normal Scale) and two 3D Maps (Local and Global). This makes it easy to open a new project every time and eliminates the need to set up and import everything again.

The developed ET2GIS Toolbox and its Project Template (ET2GIS_PT) were tested on newly collected data (verification experiment) and run on multiple devices for relative path compatibility and input data independence. The verification experiment was conducted in the presence of a supervisor who, as one of the future users of the ET2GIS Toolbox, provided feedback for the final adjustments. One student and four staff members of the department participated in the experiment. Each respondent performed a total of three short tasks over the basemap Roadmap from Google. All tasks had the same basemap.

Finally, an English manual has been created, which describes how to create a new experiment (from creating static interactive maps, through the experiment in the ET program, to data conversion with ET2Spatial), import data into ArcGIS Pro, how to use the ET2GIS Toolbox, and how to manually set up the experiment when the user does not use the Project Template.

All sub-objectives were met and consulted throughout the work. The most important results of the work are the ET2GIS Toolbox, the Project Template, Symbology Layers and the English manual. A website and a graphic poster in A2 format were created in accordance with the thesis assignment.