Reasoning in Spatio-Temporal Analysis - Theory, Provenance, and Applications

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2016-11-11
Date
2016
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
107 + app. 84
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 200/2016
Abstract
The aim of this dissertation is to increase our understanding of human reasoning by means of maps and other visualizations in spatio-temporal (S-T) analysis. The theoretical approach is that an improved understanding can be achieved by applying theories from cognitive science and psychology, by studying human reasoning in S-T analysis tasks, and by putting special focus on the role of spatial and temporal relations. This improved understanding will enable us to derive guidelines for the creation of representations, tools, and ways of working that better support human reasoning in various aspects of S-T analysis. Specifically, this dissertation is motivated by the need to document and communicate the reasoning processes behind analysis decisions, a need related to that of provenance in visual analytics. The contribution is threefold. First, this dissertation presents a human reasoning framework for S-T analysis. This framework emphasizes the role of bottom-up and top-down processes, the use of knowledge in the form of mental models, the qualitative nature of human reasoning, and the spatial, temporal, and thematic aspects of S-T data. Second, based on this framework and relating to provenance, four guidelines for the creation of visualizations that communicate the reasoning of S-T analysis are derived. These guidelines acknowledge that it is not enough to cover the outcomes of the reasoning, but that the whole process that led to these outcomes needs to be considered. Two visualizations created according to the guidelines are presented. Third, this dissertation also includes three more application-oriented studies. The two first are regarding map animation and consider how to improve its effectiveness as a tool for S-T analysis. The findings suggest that sonification can be beneficial for this purpose and that classification of events based on their temporal intensity facilitates reasoning and leads to more insightful animations. The third study regards domain knowledge acquisition in agent-based modeling, and presents a visualization approach to be used for this purpose that facilitates communication between modeling and domain experts. The framework provides a means for understanding human reasoning in S-T analysis and constitutes a solid base from which to start the development of new representations, tools, and ways of working. The guidelines provided represent a new approach, not only in S-T analysis but also to provenance research in general. The reliability of the findings is largely dependent on the reliability of theories of cognitive science, such as the mental model theory of reasoning. The role of intuitive reasoning in S-T analysis is a topic for further research.

Tämän väitöskirjan tavoitteena on lisätä ymmärrystä siitä, miten ihminen päättelee spatio-temporaalisessa (S-T) analyysissä karttojen ja muiden visualisointien avulla. Tutkimuksen lähestymistapana oli kognitiotieteen ja psykologian teorioiden soveltaminen, päättelyn tutkiminen S-T-analyysin tehtävissä ja keskittyminen spatiaalisten ja temporaalisten relaatioiden rooliin. Paremman ymmärryksen avulla voidaan johtaa suuntaviivoja, joiden avulla on mahdollista luoda esitystapoja, työvälineitä ja -menetelmiä, jotka tukevat päättelyä S-T-analyysin eri vaiheissa. Erityisesti tämä väitöskirja motivoitui tarpeesta dokumentoida ja kommunikoida analyysin tulokseen johtanutta päättelyä; tämä tarve liittyy alkuperään eli provenienssiin visuaalisen analytiikan tutkimusalueella. Työn tieteellinen panos on kolmiosainen. Ensiksi väitöskirja esittää ihmisen päättelyä S-T analyysissä kuvaavan viitekehyksen. Tämä viitekehys painottaa sekä alhaalta ylös että ylhäältä alas tapahtuvaa tiedon prosessointia, mentaalimalleina esiintyvän tietämyksen käyttämistä, ihmisen päättelyn kvalitatiivista luonnetta ja S-T-datan spatiaalista, temporaalista ja temaattista aspektia. Toiseksi työssä esitetään neljä suuntaviivaa päättelyä kommunikoivien visualisointien luomiseksi perustuen viitekehykseen ja liittyen provenienssiin. Suuntaviivojen lähtökohtana on, että päättelyn tulosten kommunikointi ei riitä vaan koko ajatteluprosessi näiden tulosten takana täytyy kommunikoida. Kaksi suuntaviivojen mukaisesti luotua visualisointia esitellään. Kolmanneksi tämä väitöskirja sisältää kolme soveltavaa tutkimusta, joista kaksi koskee keinoja parantaa kartta-animaation tehokkuutta S-T-analyysin työkaluna ja yksi sovellusalan tietämyksen kommunikointia agenttipohjaisessa mallintamisessa. Tulokset viittaavat siihen, että sonifikaatio voi olla hyödyllinen lisä animaation käytössä ja tapahtumien visuaalinen luokittelu perustuen niiden temporaaliseen intensiteettiin edesauttaa päättelyä animaatioissa. Agenttimallin tietämyksen visualisointi puolestaan edesauttaa mallintamisen ja sovellusalan asiantuntijoiden kommunikaatiossa. Viitekehys antaa keinon ymmärtää ihmisten päättelyä S-T-analyysissä ja muodostaa vankan pohjan, jolle voidaan perustaa uusien esitystapojen, työvälineiden ja menetelmien kehittäminen. Annetut suuntaviivat ovat uusi lähestymistapa, ei pelkästään S-T-analyysissä vaan myös provenienssin tutkimuksessa yleensä. Tulosten luotattavuus riippuu pääasiassa kognitiotieteen teorioiden luotettavuudesta, kuten päättelyn mentaalimalli-teoriasta. Intuitiivisen päättelyn merkitys S-T-analyysissä tunnistettiin jatkotutkimustarpeeksi.
Description
Supervising professor
Virrantaus, Kirsi, Prof., Aalto University, Department of Built Environment, Finland
Thesis advisor
Ahonen-Rainio, Paula, Dr., Aalto University, Department of Built Environment, Finland
Keywords
spatio-temporal analysis, reasoning, spatial and temporal relations, provenance, visualization, map animation, spatio-temporaalinen analyysi, päättely, spatiaaliset ja temporaaliset relaatiot, provenienssi, visualisointi, kartta-animaatio
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Hall, Andreas; Ahonen-Rainio, Paula; Virrantaus, Kirsi. 2014. Knowledge and Reasoning in Spatial Analysis. John Wiley and Sons Ltd. Transactions in GIS, volume 18, issue 3, pages 464-476. ISSN 1467-9671. Post-print version in Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201509034219. DOI 10.1111/tgis.12049
  • [Publication 2]: Hall, Andreas; Ahonen-Rainio, Paula. 2015. Analysis of Basic Relations within Insights of Spatio-Temporal Analysis. In: Brus, Jan; Vondrakova, Alena; Vozenilek, Vit. Modern Trends in Cartography: Selected Papers of CARTOCON 2014, Olomouc, Czech Republic, February 25-28, 2014. Springer. Lecture Notes in Geoinformation and Cartography. Pages 409-423. ISBN 978-3-319-07925-7 (print), 978-3-319-07926-4 (online).
  • [Publication 3]: Hall, Andreas; Multimäki, Salla; Ahonen-Rainio, Paula. 2015. Audio Enhanced Map Animation – Testing Perception of Spatial and Temporal Relations. In: Sluter, Claudia Robbi et al. Proceedings of the 27th International Cartographic Conference, Rio de Janeiro, Brazil, August 23-28, 2015. ISBN 978-85-88783-11-9. Full text in Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201610215159.
  • [Publication 4]: Multimäki, Salla; Hall, Andreas; Ahonen-Rainio, Paula. Comparison of Temporally Classified and Unclassified Map Animations. Accepted for publication in the journal Cartographic Perspectives in the year 2016. ISSN 1048-9053.
  • [Publication 5]: Hall, Andreas; Virrantaus, Kirsi. 2016. Visualizing the workings of agentbased models: Diagrams as a tool for communication and knowledge acquisition. Elsevier. Computers, Environment and Urban Systems, volume 58, pages 1-11. ISSN 0198-9715.
    DOI: 10.1016/j.compenvurbsys.2016.03.002 View at publisher
Citation