# De la carte au ciel: une approche empirique pour l'étude des stratégies visuelles de pilotes experts

Raffaella Balzarini, Francis Jambon

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Raffaella Balzarini, Francis Jambon. De la carte au ciel: une approche empirique pour l'étude des stratégies visuelles de pilotes experts. Spatial Analysis and GEOmatics (SAGEO 2018), Nov 2018, Montpelier, France. pp.140-142. hal-01988274

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# De la carte au ciel : une approche empirique pour l'étude des stratégies visuelles de pilotes experts

Raffaella Balzarini¹, Francis Jambon²

1. Univ. Grenoble Alpes, Inria, CNRS, Grenoble INP, LIG, 38000 Grenoble, France raffaella.balzarini@inria.fr

2. Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Inria, Grenoble INP, LIG, 38000 Grenoble, France francis.jambon@imag.fr

RESUME. Notre étude s'inscrit dans le domaine de la géo-visualisation, appliquée à l'apprentissage du pilotage des avions. L'étude présentée ici fait partie d'un projet de recherche dans le domaine des Environnements Informatisés pour l'Apprentissage Humain (EIAH). Ce projet a pour objectif le développement de dispositifs d'assistance au formateur, capables d'aider celui-ci dans le suivi de l'activité de l'élève pilote. L'un des verrous de ce projet est le diagnostic de connaissances expertes, et notamment celles mises en jeu lors de la lecture de cartes aéronautiques.

L'attention d'un pilote d'avion est constituée de multiples dimensions, mais son principal composant est l'attention visuelle. Celle-ci peut être étudiée grâce aux techniques d'oculométrie qui permettent d'enregistrer les mouvements oculaires d'une personne (Ware 2008). Les techniques et méthodes d'oculométrie appliquées à la cartographie ont vu leur apparition dès les années 70. Des travaux les plus récents se sont focalisés sur des aspects d'usage des cartes interactives, tels que l'efficience et l'efficacité de la conception cartographique (Coltekin et al. 2010) ou la prise de décision spatiale, mesurés avec des critères d'intensité du regard et/ou de trajectoire oculaire. L'analyse de l'attention visuelle permet également aux chercheurs d'enrichir les modèles cognitifs qui décrivent et prédisent comme l'humain se comporte et raisonne dans l'espace (Keifer et al. 2017). Dans ce contexte, notre étude s'inscrit dans les cadres théoriques et méthodologiques de la recherche en géo-visualisation et facteurs humains (Montello 2002) et s'appuie sur les paradigmes de la recherche en expertise (Ericsson et al. 2006).

L'objectif principal de notre étude est d'identifier et modéliser les connaissances « expertes » mobilisées lors d'un vol en condition de « vol à vue » (VFR), c'est-à-dire lorsque le pilote est capable de piloter son avion en gardant une référence visuelle à l'extérieur de l'avion. Plus précisément, notre étude se focalise sur la première tâche essentielle à la conduite d'un vol : le choix des points de repères au sol sur la route prévue. Un repère de navigation (Waypoint) est un repère géographique qui permet notamment au pilote de valider sa direction de navigation. Ces points de repère sont traditionnellement marqués au crayon par le pilote sur une carte aéronautique pendant la préparation de la navigation, afin de pouvoir les reconnaitre une fois en vol. Le choix des repères de navigation est une tâche difficile pour un élève-pilote. En effet, lors de la préparation de la navigation, il est courant de choisir de « mauvais » points de repère sur la carte, c'est-à-dire des points de repère qui
semblent faciles à identifier sur la carte, mais dont les concrétisations géographiques au sol se révèleront difficilement identifiable une fois en vol. En conséquence, l'absence d'indentification d'un ou plusieurs points de repère au cours d'un vol pourront amener l'élève-pilote à s'égarer. D'un point de vue cognitif, le choix d'un point de repère implique l'établissement d'une correspondance entre l'objet géographique représenté sur la carte aéronautique et l'objet géographique réel dans l'environnement (i.e. : un pont, une rivière...). Afin de mieux cerner le processus de correspondance opéré par les pilotes experts sur les repères de navigation, deux questions de recherche ont été explorées : (1) Quels sont les types d'objets cartographiques choisis (et considérés) par les pilotes comme étant des « bons repères » dans le monde réel ? et (2) Quelles sont les caractéristiques de saillance de ces objets cartographiques ?

Notre contribution porte sur la méthodologie exploratoire mise en œuvre pour modéliser
le choix des « bons repères », ainsi que sur le protocole expérimental, basé sur des méthodes
d'oculométrie combinées à d'autres techniques expérimentales, permettant de valider (en
partie) le modèle conceptuel.

Afin de répondre à ces questions de recherche, une approche expérimentale, constituée de
trois étapes, a été définie :

(1) Le recueil a priori des connaissances « expertes ». Il s'agit d'une approche qualitative, basée sur l'analyse d'entretiens de pilotes experts et appuyée par les résultats d'un état de l'art approfondi qui ont permis de dresser une liste des repères a priori pertinents (i.e. villes, lacs, rivières, autoroute, voies ferrées...).

(2) La définition d'un modèle théorique. Celui-ci permet de décrire chaque point de repère selon des caractéristiques de saillance contextuelle qui découlent de la combinaison d'une saillance perceptuelle (i.e. forme, couleur, dimensions...), d'une saillance sémantique (i.e. type, rôle...) et d'une saillance structurelle (i.e. règles topologiques et position relative), ainsi que d'une saillance cognitive (i.e. représentations mentales). Ce modèle s'inspire du « Saliency Vector Model » de Caduff et Timps (2008), du « LPNDM » de Fang (2012) et est basé sur les règles de relations spatiales couramment appliquées en géomatique.

(3) L'évaluation du modèle. Les principales caractéristiques des repères, décrites par le modèle, ont été évaluées avec un protocole expérimental triangulaire, combinant l'analyse de données visuelles, verbales et de traces d'activités (HolmQvist et al. 2011). Dans un processus cognitif, ceci correspond respectivement (a) à l'acquisition de l'information géographique par l'attention visuelle, analysée avec des méthodes d'oculométrie, (b) à la conceptualisation de l'information traitée avec des techniques d'analyse de données verbales et (c) à l'opérationnalisation de l'information à travers la prise de décision et le marquage sur la carte, analysé à travers la description des traces.

Le protocole a comporté l'observation, en conditions réelles de préparation d'une navigation, de 7 pilotes instructeurs (assimilés de fait à des pilotes experts) de l'Aéro-Club du Dauphiné (1 femme et 6 hommes) pendant la préparation de 2 routes imposées sur une carte aéronautique standard. Le protocole a été restreint à une hypothèse expérimentale globale<fnref n="1" /> : « les repères sont choisis s'ils ne sont pas ambigus et s'ils se différencient de leurs voisins par les règles topologiques de proximité, d'intersection et d'adjacence ».

Les résultats préliminaires de cette étude montrent que les pilotes experts choisissent
globalement les mêmes objets géographiques et que ces objets peuvent être décrits selon les
règles explicitées dans notre modèle. Ceci parait particulièrement évident pour les
paramètres de la saillance structurelle, où les règles topologiques d'intersection et proximité
semblent gouverner le choix des pilotes. L'oculométrie a fourni une compréhension profonde
de toutes les zones explorées par les participants. En effet, les pilotes observent beaucoup

<footnote n="1">1 Cette hypothèse globale a été déclinée en quatre sous-hypothèses dans l'article dont est extrait ce résumé (Balzarini et Jambon, 2018)</footnote>
d'objets géographiques potentiellement aptes à être des repères, mais ils ne les choisissent pas, car ils ne correspondent pas aux « meilleurs » repères de navigation. L'analyse des zones d'intérêt (AOIs) avec la mesure du nombre et de la séquence de visite dans chaque zone, illustre aussi que le premier objet regardé et sélectionné par le pilote sur un tronçon de route est le plus souvent le « bon » repère.

Cette étude a permis d'identifier, essentiellement de manière qualitative, les stratégies de choix de pilotes experts des « bons » repères de navigation. Les approches via l'oculométrie ont été déterminantes pour comprendre finement l'exploration visuelle des experts en fonction de leur prise de décisions. Néanmoins, d'autres approches, incluant notamment des observations en condition de vol réel, ainsi que des analyses comparatives sur les stratégies expertes vs novices, sont à mettre en perspective afin de compléter le design du modèle théorique.

Ce projet a été financé par l'équipex Amial84Home (ANR-11-EQPX-0002) et le projet LIG Emergence 2017 AIRBORNE. L'article original dont est extrait ce résumé est « Balzarini R et Jambon F (2018) From Map to Sky: an Empirical Study on Visual Strategies of Expert Pilots, Kiefer, P., Giannopoulos, I., Göbel, F., Raubal, M., and Duchowski, A. T., eds. ET4S Eye Tracking for Spatial Research, (doi:10.3929/ethz-b-000222256) p. 64-69, Zurich, Switzerland ». Il est téléchargeable en accès libre à l'adresse : https://www.research-collection.ethz.ch/handle/20.500.11850/222485

MOTS-CLES : Représentations cartographiques et mentales, cartes aéronautiques, repères, stratégies visuelles, oculométrie.

Références bibliographiques

Caduff D and Timpf S (2005) The Landmark Spider: Representing Landmark Knowledge for Wayfinding Tasks. In: T. Barkowsky, C. Freksa, M. Hegarty and R. Lowe (Editors), Reasoning with Mental and External Diagrams: Computational Modeling and Spatial Assistance. AAAI Press, Stanford, CA, USA, pp. 30-35

Çöltekin A, Fabrikant, SI and Lacayo M (2010) Exploring the efficiency of users' visual analytics strategies based on sequence analysis of eye movement recordings. International Journal of Geographical Information Systems, 24(10), 1559-1575

Ericsson KA (2006) Protocol analysis and expert thought: concurrent verbalizations of thinking during experts’ performance on representative tasks. The Cambridge Hand-book of Expertise and Expert Performance, pp. 223-241, Cambridge University Press, NY

Fang Z, Li Q, Zhang X and Shaw S (2012) A GIS data model for landmark based pedestrian navigation. International Journal of Geographical Information Science, 26(5), 817-838

Holmqvist K, Nyström M, Andersson R, Dewhurst R, Jarodzka H, Van de Weijer J (2011). Eye tracking: A comprehensive guide to methods and measures: OUP Oxford

Keifer P, Giannopoulos I, Raubal M and Duchowski AT (2017) Eye Tracking for Spatial Research: Cognition, Computation, Challenges. Spatial Cognition & Computation, 17(1-2)

Montello DR (2002) Cognitive map-design research in the twentieth century: theoretical and empirical approaches. Cartography and Geographic Information Science, 29 (3), pp. 283–304