3D visualization of cadastre : assessing the suitability of visual variables and enhancement techniques in the 3D model of condominium property units

Abstract

La visualisation 3D de données cadastrales a été exploitée dans de nombreuses études, car elle offre de nouvelles possibilités d’examiner des situations de supervision verticale des propriétés. Les chercheurs actifs dans ce domaine estiment que la visualisation 3D pourrait fournir aux utilisateurs une compréhension plus intuitive d’une situation où des propriétés se superposent, ainsi qu’une plus grande capacité et avec moins d’ambiguïté de montrer des problèmes potentiels de chevauchement des unités de propriété. Cependant, la visualisation 3D est une approche qui apporte de nombreux défis par rapport à la visualisation 2D. Les précédentes recherches effectuées en cadastre 3D, et qui utilisent la visualisation 3D, ont très peu enquêté l’impact du choix des variables visuelles (ex. couleur, style) sur la prise de décision. Dans l’optique d'améliorer la visualisation 3D de données cadastres, cette thèse de doctorat examine l’adéquation du choix des variables visuelles et des techniques de rehaussement associées afin de produire un modèle de condominium 3D optimal, et ce, en fonction de certaines tâches spécifiques de visualisation. Les tâches visées sont celles dédiées à la compréhension dans l’espace 3D des limites de propriété du condominium. En ce sens, ce sont principalement des tâches notariales qui ont été ciblées. De plus, cette thèse va mettre en lumière les différences de l’impact des variables visuelles entre une visualisation 2D et 3D. Cette thèse identifie dans un premier temps un cadre théorique pour l'interprétation des variables visuelles dans le contexte d’une visualisation 3D et de données cadastrales au regard d’une revue de littéraire. Dans un deuxième temps, des expérimentations ont été réalisées afin de mettre à l’épreuve la performance des variables visuelles (ex. couleur, valeur, texture) et des techniques de rehaussement (transparence, annotation, déplacement). Trois approches distinctes ont été utilisées : 1) discussion directe avec des personnes œuvrant en géomatique, 2) entrevue face à face avec des notaires et 3) questionnaire en ligne avec des groupes ciblés. L’utilisabilité mesurée en termes d’efficacité, d’efficience et de degré de satisfaction a servi aux comparaisons des expérimentations. Les principaux résultats de cette recherche sont : 1) Une liste de tâches visuelles notariales utiles à la délimitation des unités de propriété dans le contexte de la visualisation 3D de condominium ; 2) Des recommandations quant à l'adéquation de huit variables visuelles et de trois techniques de rehaussement afin d’optimiser la réalisation d’un certain nombre de tâches notariales ; 3) Une analyse comparative de la performance de ces variables entre une visualisation 2D et 3D.

3D visualization is being widely used in GIS (geographic information system) and CAD (computer-aided design) applications. It has also been introduced in cadastre studies to better communicate overlaps to the viewer, where the property units vertically stretch over or cover one part of the land parcel. Researchers believe that 3D visualization could provide viewers with a more intuitive perception, and it has the capability to demonstrate overlapping property units in condominiums unambiguously. However, 3D visualization has many challenges compared with 2D visualization. Many cadastre researchers adopted 3D visualization without thoroughly investigating the potential users, the visual tasks for decision-making, and the appropriateness of their representation design. Neither designers nor users may be aware of the risk of producing an inadequate 3D visualization, especially in an era when 3D visualization is relatively novel in the cadastre domain. With a general aim to improve the 3D visualization of cadastre data, this dissertation addresses the design of the 3D cadastre model from a graphics semiotics viewpoint including visual variables and enhancement techniques. The research questions are, firstly, what is the suitability of the visual variables and enhancement techniques in the 3D cadastre model to support the intended users' decision-making goal of delimitating condominium property units, and secondly, what are the perceptual properties of visual variables in 3D visualization compared with 2D visualization? This dissertation firstly identifies the theoretical framework for the interpretation of visual variables in 3D visualization as well as cadastre-related knowledge with literature review. Then, we carry out a preliminary evaluation of the feasibility of visual variables and enhancement techniques in a form of an expert-group review. With the result of the preliminary evaluation, this research then performs the hypothetico-deductive scientific approach to establishing a list of hypotheses to be validated by empirical tests regarding the suitability of visual variables and enhancement techniques in a cartographic representation of property units in condominiums for 3D visualization. The evaluation is based on the usability specification, which contains three measurements: effectiveness, efficiency, and preference. Several empirical tests are conducted with cadastral users in the forms of face-to-face interviews and online questionnaires, followed by statistical analysis. Size, shape, brightness, saturation, hue, orientation, texture, and transparency are the most discussed and used visual variables in existing cartographic research and implementations; thus, these eight visual variables have been involved in the tests. Their perceptual properties exhibited in the empirical test with concrete 3D models in this work are compared with those in a 2D visualization, which is derived from a literature-based synthesis. Three enhancement techniques, including labeling, 3D explosion, and highlighting, are tested as well. There are three main outcomes of this work. First, we established a list of visual tasks adapted to notaries for delimiting property units in the context of 3D visualization of condominium cadastres. Second, we describe the suitability of eight visual variables (Size, Shape, Brightness, Saturation, Hue, Orientation, Texture, and Transparency) of the property units and three enhancement techniques (labeling, 3D explosion and highlighting) in the context of 3D visualisation of condominium property units, based on the usability specification for delimitating visual tasks. For example, brightness only shows good performance in helping users distinguish private and common parts in the context of 3D visualization of property units in condominiums. As well, color hue and saturation are effective and preferable. The third outcome is a statement of the perceptual properties’ differences of visual variables between 3D visualization and 2D visualization. For example, according to Bertin (1983)’s definition, orientation is associative and selective in 2D, yet it does not perform in a 3D visualization. In addition, 3D visualization affects the performance of brightness, making it marginally dissociative and selective.