„ATKIS: Modell- und kartographische Generalisierung“

Maptech AG Schweiz
Ebenaustr. 10,
6048 Horw-Luzern
Schweiz
Machbarkeitsstudie zum
AdV-Forschungsund
Entwicklungsvorhaben
„ATKIS:
Modell- und kartographische
Generalisierung“
Technische Universität Dresden
Institut für Planetare Geodäsie
Universität Hannover
Institut für Kartographie
Telefon : 0041 41-349 23 23
Fax : 0041 41-349 23 24
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www.maptech.ch
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Inhaltsverzeichnis
2
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ........................................................................................................... 5
2 Anforderungen der AdV.................................................................................... 7
2.1 Datenkonzept für die Zusammenfassung von ALB, ALK und ATKIS .... 7
2.2 Machbarkeitsstudie der AdV ................................................................... 11
3 Stand der Wissenschaft.................................................................................. 12
3.1 Begriffsbildung......................................................................................... 12
3.1.1 Modellgeneralisierung.....................................................................................12
3.1.2 Kartographische Generalisierung....................................................................12
3.1.3 Alternative Begriffsbildung aus der Sicht von Maptech AG..............................13
3.1.3.1 Semantische Generalisierung............................................................................. 13
3.1.3.2 Kartographische Generalisierung ....................................................................... 13
3.2 Aktuelle Projekte ...................................................................................... 16
3.2.1 Modellgeneralisierung (Universität Bonn)........................................................16
3.2.1.1 Semantische Generalisierung............................................................................. 16
3.2.1.2 Geometrische Generalisierung ........................................................................... 18
3.2.1.3 Zusammenfassung ............................................................................................. 19
3.2.2 AGENT-Projekt (Automated GEneralization New Technology) .......................20
3.2.2.1 Generalisierung im AGENT-Konzept.................................................................. 20
3.2.2.2 Beispiel – Gebäudegeneralisierung.................................................................... 22
3.2.2.3 Zusammenfassung: ............................................................................................ 23
3.2.3 Gebäudegeneralisierung mit CHANGE (Universität Hannover).......................24
3.2.3.1 Programmsystem CHANGE ............................................................................... 24
3.2.3.2 Zusammenfassung ............................................................................................. 24
3.2.4 Automatisierte Verdrängung mittels Energieminimierung (TU Dresden)..........25
3.2.4.1 Linienverdrängung mitles Energieminimierung................................................... 25
3.2.4.2 Zusammenfassung ............................................................................................. 26
3.2.5 Grobkonzept eines ATKIS-Generalisierungssystems (Vickus 1994) ...............27
3.2.5.1 Entwicklungsstufen eines ATKIS-Generalisierungssystems .............................. 28
3.2.5.2 Zusammenfassung: ............................................................................................ 29
3.3 Eigene Erfahrungen in der automatisierten Generalisierung............... 30
3.3.1 Zusammenwirken von Forschung und Anwendung.........................................30
3.3.2 Automatische Verdrängung im maptech-System.............................................31
3.3.3 Automatische Randbearbeitung im maptech-System ......................................40
3.3.3.1 Textplazierung in Abhängigkeit vom Objekttyp................................................... 40
3.3.3.2 Konflikterkennung ............................................................................................... 40
3.3.3.3 Plazierung unter Berücksichtigung der Nachbarschaft....................................... 42
3.3.3.4 Steuerung und Parameter................................................................................... 43
3.3.3.5 Beispiele.............................................................................................................. 44
3.4 Stand in der Praxis bei der Kartenherstellung....................................... 47
3.4.1 Kartenherstellung im LVA Sachsen.................................................................47
3.4.1.1 Bisherige Entwicklung - Ausbaustufen der Digitalkartographie .......................... 47
3.4.1.2 Ableitung topographischer Karten im LVA Sachsen........................................... 48
3.4.1.3 Aufwandsschätzung............................................................................................ 52
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3.4.2 Thüringen .......................................................................................................53
3.4.2.1 Ziele .................................................................................................................... 53
3.4.2.2 Lösung ................................................................................................................ 53
3.4.2.3 Erfahrung ............................................................................................................ 55
3.4.2.4 Ausblick............................................................................................................... 55
4 Entwicklungsstrategie .................................................................................... 57
4.1 Ist-Analyse ................................................................................................ 57
4.1.1 Arbeitsvorgang................................................................................................57
4.1.2 Momentane automatisierte Generalisierung....................................................60
4.1.3 Zusammenfassung .........................................................................................60
4.2 Realisierungskonzept .............................................................................. 61
4.3 Entwicklungsstufe 1................................................................................. 62
4.3.1 Automatisierte Generalisierung nach Stufe 1 ..................................................62
4.3.1.1 Funktionen .......................................................................................................... 62
4.3.1.2 Parameter der Funktionen .................................................................................. 62
4.3.1.3 Dynamische Funktionsauswahl .......................................................................... 63
4.3.1.4 Geometrie-Übergang .......................................................................................... 64
4.3.2 Arbeitsvorgang................................................................................................64
4.3.3 Zusammenfassung .........................................................................................65
4.4 Entwicklungsstufe 2................................................................................. 66
4.4.1 Arbeitsvorgang................................................................................................66
4.4.2 Automatisierte Generalisierung nach Entwicklungsstufe 2 ..............................66
4.4.2.1 Funktionen .......................................................................................................... 66
4.4.2.2 Geometrie-Übergang .......................................................................................... 66
4.4.3 Zusammenfassung .........................................................................................66
4.5 Entwicklungsstufe 3................................................................................. 67
4.5.1 Einführung von Umgebungsobjekten ..............................................................67
4.5.2 Verwaltung abgeleiteter Objekte .....................................................................69
4.5.3 Erweiterung der Generalisierungs-Sets...........................................................70
4.5.4 Anwendung der Generalisierungsfunktionen...................................................71
4.5.4.1 Definieren der Generalisierungsfunktionen ........................................................ 71
4.5.4.2 Einsatz pro Karte und pro Umgebungsobjekt ..................................................... 72
4.5.4.3 Operationsbedingter Einsatz............................................................................... 72
4.5.4.4 Zusammenfassung ............................................................................................. 72
4.5.5 Abläufe ...........................................................................................................73
4.5.5.1 Erstellen von Ableitungen ................................................................................... 73
4.5.5.2 Fortführen der Basisdaten .................................................................................. 74
4.5.6 Was ist noch zu realisieren ? ..........................................................................74
4.5.7 Zusammenfassung .........................................................................................75
5 Aufwand des Forschungs- und Entwicklungsprojektes .............................. 77
5.1 Prototyp und Spezifikation...................................................................... 77
5.2 Entwicklungsstufe 1................................................................................. 77
5.3 Entwicklungsstufe 2................................................................................. 78
5.4 Entwicklungsstufe 3................................................................................. 78
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4
6 Voraussetzungen die seitens der AdV zu gewährleisten sind .................... 79
7 Abschätzung des zu erreichenden Automatisierungsgrades ..................... 80
8 Herstellerneutralität......................................................................................... 81
8.1 Fremdfunktionen im maptech Mapping System.................................... 81
8.2 Eingliederung von Fremdfunktionen im Allgemeinen .......................... 82
9 Hinweise zur Kartengraphik DTK50............................................................... 83
10 Zusammenfassung.......................................................................................... 84
11 Anhang ............................................................................................................. 88
11.1 Programm CHANGE des IfK Hannover................................................... 89
11.1.1 Verfahrensablauf zur Erstellung topographischer Karten bei der
Landesvermessung + Geobasisinformation Niedersachsen (LGN) .................89
11.1.1.1 Allgemeines......................................................................................................... 89
11.1.1.2 Produkte.............................................................................................................. 89
11.1.1.3 Topographische Karte 1:10000/1:25000 ............................................................ 91
11.1.1.4 Topographische Karte 1:50 000/1:100 000 ........................................................ 94
11.1.1.5 Beispiele.............................................................................................................. 95
11.1.2 Programmsystem CHANGE............................................................................95
11.1.2.1 Allgemeines......................................................................................................... 95
11.1.2.2 Globales Konzept................................................................................................ 95
11.1.2.3 CHANGE_Buildings ............................................................................................ 96
11.1.2.4 CHANGE_Roads ................................................................................................ 97
11.1.2.5 Einsatz von 'CHANGE' → Beispiele; .................................................................. 99
11.1.2.6 Erfahrungen ........................................................................................................ 99
11.1.2.7 Implementierungsmöglichkeiten ....................................................................... 100
11.1.3 Software-Komponenten von CHANGE – Anlage 1........................................101
11.1.4 Gebäudegeneralisierung im innerstädtischen Bereich – Anlage 2.................102
11.1.5 Generalisierung der ALK-Gebäude – Anlage 3 .............................................103
11.1.6 Generalisierung nach 1:10 000 und 1:25 000 – Anlage 4..............................104
11.1.7 Papierkarte TK25 Blatt Bohmte – Anlage 5...................................................105
11.2 Digitale Kartographie beim Thüringer LVA - Artikel von F.J. Gros ... 106
11.3 Ergänzung zur Verdrängung mittels Energieminimierung ................. 114
11.3.1 Energieintegral..............................................................................................114
11.3.2 Innere Energie ..............................................................................................114
11.3.3 Äußere Energie.............................................................................................115
11.3.4 Variationsverfahren und Eulergleichungen....................................................116
11.4 Kartenbeispiele....................................................................................... 118
11.4.1 Topographische Karte 1:10000.....................................................................118
11.4.2 Topographische Karte 1:50000.....................................................................118
12 Literatur.......................................................................................................... 119
13 Abbildungsverzeichnis ................................................................................. 121
Machbarkeitsstudie zum AdV-Forschungs- und Entwicklungsvorhaben „ATKIS: Modell- und kartographische Generalisierung“
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1 Einleitung
Im August 1999 hat die Arbeitsgemeinschaft der Deutschen Vermessungsämter (AdV) eine
Machbarkeitsstudie zur Modell- und kartographischen Generalisierung ausgeschrieben.
Die Firma Maptech AG hat sich für diese Studie beworben und präsentiert mit dem vorliegenden
Dokument die Resultate.
Die Gliederung erfolgte weitgehend nach dem Anforderungskatalog der AdV.
• Kapitel 2 faßt die Anforderungen an eine automatische Generalisierung gemäß der Ausschreibung
zusammen.
• In Kapitel 3 wird der Stand der Wissenschaft beschrieben, wie ihn Maptech AG recherchiert
und studiert hat. Ergänzt wird das Kapitel durch die Erfahrungen mit dem eigenen
System, in welchem bereits einige automatische Generalisierungsfunktionen realisiert
wurden und sich in der Testphase befinden. Zudem wird als Vergleich der momentane
Generalisierungsvorgang in der Praxis anhand der Beispiele LVA Sachsen bzw. Thüringer
Landesvermessungsamt aufgezeigt.
• In Kapitel 4 wird eine Entwicklungsstrategie aufgezeigt, mit der wir einen möglichst hohen
Automatisierungsgrad in der Generalisierung von ATKIS-Daten erreichen wollen. Basis
hierfür ist die Mapping-Software von Maptech AG.
• Kapitel 5 stellt den Entwicklungsaufwand dar, der notwendig ist, um das Konzept aus Kapitel
4 zu realisieren.
• Kapitel 6 diskutiert die Voraussetzungen, welche die AdV schaffen muß, damit eine automatische
Generalisierung entwickelt und eingesetzt werden kann.
• Kapitel 7 versucht, eine Abschätzung des erreichbaren Automatisierungsgrades bei Umsetzung
der in Kapitel 4 vorgeschlagenen Entwicklungsstrategie.
• Kapitel 8 beschreibt, inwieweit Herstellerneutralität bei der Entwicklung einer automatischen
Generalisierung zu erreichen ist.
• Kapitel 9 macht Aussagen zur Entwicklung eines ATKIS-SK50 unter dem Gesichtspunkt
einer Beschleunigung der automatischen Generalisierung.
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Inhaltsverzeichnis
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• Der Anhang beinhaltet einen Beitrag des IfK Hannover zum Programmsystem CHANGE
und dessen Einsatz am Landesvermessungsamt Niedersachsen. Des weiteren ist der Artikel
„Digitale Kartographie beim Thüringer Landesvermessungsamt“ von F.J. Gros
(1999b) beigefügt. Außerdem erfolgt eine detaillierte Beschreibung des Energieminimierungsansatzes
der Universität Dresden. Abschließend wird das beigelegte Kartenmaterial
schriftlich aufgeführt.
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Anforderungen der AdV
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2 Anforderungen der AdV
2.1 Datenkonzept für die Zusammenfassung von ALB, ALK und ATKIS
Die AdV hat 1995/96 zwei Expertengruppen eingerichtet, die unter dem Namen „ATKIS-Entwicklung“
und „Integrierte Modellierung des Liegenschaftskatasters“ (IML) den Auftrag hatten,
ein gemeinsames Datenmodell und eine gemeinsame Datenaustauschschnittstelle für
ALB, ALK und ATKIS zu entwickeln. Ein System, welches zur automatischen Generalisierung
von ALB, ALK und ATKIS verwendet werden soll, muß in der Lage sein, diese Daten
verlustfrei zu übernehmen, weiterzuführen und wieder auszugeben. Aus diesem Grund wird
zuerst die Datenstruktur vorgestellt, wie sie die AdV einsetzen will, bevor die Anforderungen
aufgezeigt werden.
Regelungsebene
ALKIS ® -OK /
ATKIS ® -OK mit OK Zusatzdaten
regelt
beschreibt
Landschaft erfassen für Digitale Analoge
ALKIS ® - ALKIS ® - ALKIS ® -
Orthophotos erfassen für Bestandsdaten wird aufbereitet als Auszüge wird gedruckt als Auszüge
Karten und ATKIS ® - ATKIS ® - Topogr.
andere erfassen für DLM Zusatzdaten
DTK Karte
Unterlagen
Produktionsebene
wird abgebildet in
wird abgebildet in
EDBS/2 TIFF, DXF, ...
wird abgegeben an wird abgegeben an wird abgegeben an
Kommunikationsebene
Nutzer objektstrukturierter
Daten
Nutzer aufbereiteter
Informationen
Nutzer
analoger Auszüge
Abbildung 1: ALKIS/ATKIS-Referenzmodell (AdV-Konzept 1999)
Ziel der AdV ist die Beschreibung eines gemeinsamen Datenmodells für ALKIS (Amtliches
Liegenschaftskataster-Informationssystem) und ATKIS (Amtliches Topographisch-Kartographisches
Informationssystem). Dieses Vorhaben wird durch die Bildung eines gemeinsamen
ALKIS/ATKIS-Referenzmodells gemäß Abbildung 1 realisiert (AdV-Konzept 1999).
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Anforderungen der AdV
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ATKIS-DLM und Zusatzdaten werden als „erweitertes DLM“ bezeichnet, deren Inhalt, Strukturen
und Herstellungsvorschriften durch den Objektartenkatalog (ATKIS-OK mit OK Zusatzdaten)
festgelegt sind. Die Zusatzdaten beinhalten die bisher im ATKIS-Signaturenkatalog
zusammengefaßten Vorschriften zur kartographischen Gestaltung der DLM-Informationen.
Im einzelnen umfaßt der ATKIS-OK mit OK-Zusatzdaten:
- Vorschriften zur Abbildung der topographischen Informationen (Teil I),
- Vorschriften zur Bildung von Präsentationsobjekten (Teil II) und
- Vorschriften zur kartographischen Gestaltung der DLM-Objekte (Teil III).
Zitat aus Ausschreibung zur Machbarkeitsstudie: „... Von den als ATKIS-Komponenten definierten
'Digitalen Landschaftsmodellen' (DLM) liegen das 'Digitale Basis-Landschaftsmodell'
(Basis-DLM), das 'Digitale Landschaftsmodell 250' (DLM250) und das 'Digitale Landschaftsmodell
1000' (DLM1000) vor oder befinden sich in der Produktion. Die abschließende Konzeption
des 'Digitalen Landschaftsmodells 50' (DLM50) steht noch aus. Die weitere ATKIS-Konzeption
sieht vor, aus dem Basis-DLM die 'Digitale Topographische Karte 1:10000' (DTK10)
und die 'Digitale Topographische Karte 1:25000' (DTK25) weitestgehend automatisiert zu
erzeugen. Aus dem Basis-DLM soll ferner das DLM50 und aus diesem die 'Digitale Topographische
Karte 1:50000' (DTK50) weitestgehend automatisch abgeleitet werden. ...“
ATKIS
Basis-DLM
Modell
Generalisierung
Kartographische
Generalisierung
DLM-1000
DLM-250
DLM-50
DTK10 DTK25 DTK50
Abbildung 2: Ableitung des DLM50 aus dem Basis-DLM und Ableitung der DTK10/25 aus dem
Basis-DLM bzw. der DTK50 aus dem DLM50
Eine Alternative zur Ableitung der DTK50 aus dem DLM50 stellt die direkte Ableitung aus
dem Basis-DLM dar. Der Vorteil liegt in einer klaren Trennung von Kartenableitungen auf der
einen Seite und Datenmodifikationen zur Verringerung der Modellauflösung auf der anderen
Seite. Die Abhängigkeit von der Erzeugung eines DLM50 entfällt, wobei bestimmte Ab-
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Anforderungen der AdV
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leitungsvorgänge zur Herstellung der DTK50 mit der Generierung des DLM50 identisch sind.
Das DLM50 entsteht quasi als Zusatzprodukt bei der Ableitung topographischer Karten aus
dem Basis-DLM.
Abbildung 3: Konzept zur Ableitung sämtlicher topographischer Karten aus dem Basis-DLM
Die ATKIS-DLM unterscheiden sich durch den Abstraktionsgrad, mit dem die Erdoberfläche
modelliert wird. Die Daten des erweiterten DLM mit höherem Abstraktionsgrad sind im Vergleich
zu den Daten des erweiterten Basis-DLM
- zunehmend semantisch generalisiert und
- zunehmend geometrisch ausgedünnt.
Forderung (aus Ausschreibung zur Machbarkeitsstudie):
- DLM50 soll geometrisch lagerichtig und kartographisch nicht generalisiert sein
- das Datenvolumen soll gegenüber dem Basis-DLM mindestens um den Faktor 5-10
geringer sein
Die OK-Zusatzdaten beinhalten die bisher im ATKIS-Signaturenkatalog zusammengefaßten
Vorschriften zur kartographischen Gestaltung der DLM-Information. Damit werden maßstabsabhängig
die Ableitungsregeln und der Zeichenschlüssel festgelegt. Deren Anwendung
setzt eine kartographische Generalisierung voraus, wodurch aus den ungeneralisierten DLM-
Geometrien sog. Kartengeometrien erzeugt werden. Vervollständigt wird der Datenbestand
durch Kartenschrift, Schriftzusätze und Signaturen, die als Präsentationsobjekte bezeichnet
werden.
Die Geometrie nicht zu generalisierender Basis-DLM-Objekte, Kartengeometrien und Präsentationsobjekte
bilden zusammen die Präsentationsdaten. Kartengeometrien und Präsen-
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Anforderungen der AdV
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tationsobjekte werden gespeichert, um im Falle einer Fortführung den erneuten Ableitungsaufwand
zu minimieren (aus Allgemeine Erläuterungen zum ATKIS-SK10).
Zusammenfassung:
- Die AdV-Konzeption sieht vor, das DLM50 weitestgehend automatisch aus dem Basis-DLM
abzuleiten (wodurch eine gesonderte Laufendhaltung des DLM50 entfällt)
→ erfordert automatisierte Modellgeneralisierung
- DTK10 und DTK25 sollen weitestgehend automatisch aus dem Basis-DLM abgeleitet
werden
- DTK50 soll automatisch aus dem DLM50 abgeleitet werden
→ erfordert automatisierte kartographische Generalisierung, in deren Folge Kartengeometrien
und Präsentationsobjekte entstehen
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Anforderungen der AdV
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2.2 Machbarkeitsstudie der AdV
Unter Berücksichtigung obiger Punkte, werden in der vorliegenden Machbarkeitsstudie vor
allem folgende Aspekte untersucht:
• Stand der Wissenschaft und Technik der Modellgeneralisierung und der kartographischen
Generalisierung aus Sicht eines Herstellers kartographischer Systeme.
• Vorschläge zur Entwicklungsstrategie für die automatische Generalisierung von ATKIS-
Daten. Gliederung der Themen nach Wichtigkeit und Schwierigkeitsgrad der Realisierung.
• Hinweise zu Kosten für die Realisierung des Forschungs- und Entwicklungsprojektes,
soweit sie aus heutigen Erfahrungen ableitbar sind.
• Definition der Rahmenbedingungen seitens der AdV.
• Erfahrungen der Firma Maptech AG hinsichtlich des Automatisierungsgrades bei
Modell- und kartographischer Generalisierung von ATKIS-Daten, insbesondere bei:
- Geometrie-Vereinfachungen
- kartographischen Verdrängungsproblemen
- automatischer Randbearbeitung
• Integrationskonzept am Beispiel der maptech-Lösung. Schnittstellen zu den verschiedenen
GIS-Umgebungen.
• Hinweise zur Kartendarstellung DTK50 mit dem Ziel der Verringerung der Herstellungskosten.
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Stand der Wissenschaft
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3 Stand der Wissenschaft
3.1 Begriffsbildung
In den von uns untersuchten Arbeiten tauchen immer wieder die Bezeichnungen „Modellgeneralisierung“
und „kartographische Generalisierung“ auf. Deshalb soll im folgenden zunächst
eine theoretische Abgrenzung der beiden Begriffe vorgenommen werden.
3.1.1 Modellgeneralisierung
Von der Abbildung der realen Welt in einem Modell bis hin zur graphischen Darstellung werden
unterschiedliche Abstraktionsstufen durchlaufen. Je nach Anwendungsbereich kann eine
Unterteilung in verschiedene Generalisierungsarten erfolgen. Begonnen wird mit der Erfassung
der realen Welt in einem ersten Modell (z.B. digitales Landschaftsmodell - DLM). Die
dafür notwendigen Beschränkungen, sowohl in der Zahl der registrierten Objekte, als auch
deren Detailtreue, charakterisieren die Erfassungsgeneralisierung.
Da der Umfang eines DLM's wesentlich durch seinen Maßstab festgelegt ist, sind für kleinere
Maßstäbe Folgemodelle abzuleiten. Die Vereinfachung des Datenmodells, auch als Modellgeneralisierung
bezeichnet, kann dabei in einen semantischen und einen geometrischen
Teil unterschieden werden (Schürer 1999). Im semantischen Teil erfolgt neben Klassifikation,
Auswahl und Zusammenfassung von Objekten oder Objektteilen, eine Generalisierung des
Sachbezuges (Attribute). Ziel ist, eine weniger detaillierte Beschreibung zu erhalten. Der
geometrische Teil bezieht sich auf Änderungen in der Objektgestalt (Vereinfachung, Glättung
etc.) zwecks Anpassung an die Modellauflösung. Erfassungs- und Modellgeneralisierung
werden auch unter dem Begriff der Objektgeneralisierung zusammengefaßt.
3.1.2 Kartographische Generalisierung
Um aus dem digitalen Landschaftsmodell eine graphische Darstellung zu erhalten, bedarf es
der Signaturierung. Zwecks besserer Lesbarkeit werden die Signaturen teilweise größer gewählt,
als es der wahren Ausdehnung der Objekte entsprechen würde. Mit der Forderung
nach Mindestabständen zwischen Signaturen führt das zu einem erhöhten Platzbedarf. Die
Folge ist, daß Objekte geringerer Priorität nicht mehr dargestellt werden oder eine Verdrängung
in Bereiche geringerer Kartenbelastung erfolgt. Damit sind die Lagekoordinaten von
DLM-Objekt und zugehörigem signaturierten Objekt nicht in jedem Fall identisch.
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Stand der Wissenschaft
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Die Gesamtheit der Elementarvorgänge, welche bei der graphischen Darstellung von DLM-
Objekten anzuwenden sind, werden unter dem Begriff der kartographischen Generalisierung
zusammengefaßt.
3.1.3 Alternative Begriffsbildung aus der Sicht von Maptech AG
Aus Herstellersicht ist vor allem eine Unterscheidung zwischen geometrischen Operationen
einerseits und inhaltlichen, semantischen Entscheidungen andererseits wesentlich. Deshalb
werden im folgenden die Begriffe „Semantische Generalisierung“ und „Kartographische Generalisierung“
verwendet.
3.1.3.1 Semantische Generalisierung
Semantische Generalisierung bezeichnet primär die Zuordnung von Daten und Attributen.
Semantische Operationen sind sowohl bei der Ableitung eines Digitalen Landschaftsmodells
(DLM) geringerer Auflösung aus einem DLM höherer Auflösung vorzunehmen, als auch bei
der Ableitung einer Digitalen Topographischen Karte (DTK) aus einem DLM. So muß z.B. als
erstes bei der Ableitung der DTK10 oder DTK25 anhand des ATKIS-SK entschieden werden,
welche Objektklassen, in Abhängigkeit von Sachattributen des Basis-DLM, zu berücksichtigen
sind. Ähnlich ist das Vorgehen bei der Ableitung des DLM50 aus dem Basis-DLM,
wofür zunächst eine Zuordnung der Objektarten anhand ihrer Definition in Verbindung mit
der attributiven Beschreibung stattfindet (diese würde im wesentlichen durch den OK50 bestimmt).
Die wichtigsten Elementaroperationen der semantischen Generalisierung sind somit
Auswahl, Zusammenfassen und Typisieren neben der Berücksichtigung struktureller Änderungen,
z.B. Übergang von Flächen- zu Linienobjekten.
Der Unterschied zur Modellgeneralisierung besteht in einer Verlagerung sämtlicher Operationen,
die Geometrieänderungen zur Folge haben, in den Bereich der kartographischen Generalisierung,
welche nachfolgend beschrieben wird.
3.1.3.2 Kartographische Generalisierung
Kartographische Generalisierung äußert sich in Änderungen der Objektgeometrie. Geometrieänderungen
treten ebenfalls bei der Ableitung von DLM geringerer Auflösung aus DLM
höherer Auflösung auf und auch bei der Ableitung von Digitalen Topographischen Karten.
Sie sind im allgemeinen jedoch wesentlich schwieriger zu automatisieren, da man berücksichtigen
muß, daß Änderungen in der Geometrie auch inhaltliche Aspekte beeinflussen.
Sowohl bei der DLM-Ableitung, als auch bei der DTK-Ableitung können die gleichen geo-
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Stand der Wissenschaft
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metrischen Algorithmen angewendet werden z.B. Vereinfachungsalgorithmen für Linienglättung
etc.
Vorteil dieser unkonventionellen Betrachtungsweise ist eine klare Trennung hinsichtlich
der durchzuführenden Operationen. Zunächst wird festgelegt, welche Objekte und Attribute
abgebildet werden (Abbildung von DLM→DLM und DLM→DTK), wobei ATKIS-OK und
die Ableitungsregeln des ATKIS-SK maßgebend sind. Unter Abbildung wird hier auch die
Übernahme eines Objektes in ein abgeleitetes DLM verstanden und die Zusammenfassung
verschiedener Attribute in einer übergeordneten Kategorie.
Basis-DLM DLM250 DLM1000
1701 Hauptwirtschaftsweg 1701 Hauptwirtschaftsweg -
1702 Wirtschaftsweg 1702 Wirtschaftsweg -
1703 Fußweg 1703 Fußweg -
1704 Park-, Friedhofsweg - -
1705 Karren- und Ziehweg 1705 Karren- und Ziehweg -
1706 Radweg 1706 Radweg -
1707 Reitweg - -
1708 Wattenweg 1708 Wattenweg -
1709 (Kletter-) Steig im Gebirge 1709 (Kletter-) Steig im Gebirge 1709 (Kletter-) Steig im Gebirge
1710 Rad- und Fußweg - -
9999 sonstige 9999 sonstige 9999 sonstige
Tabelle 1:
Überführung der Attribute am Beispiel der Objektart „3102 Weg“ mit dem Attribut
„FKT= Funktion“
Nach den semantischen Zuordnungen erfolgen im wesentlichen geometrische Operationen,
die bei der DLM-Ableitung der Anpassung an die Auflösung des Zielmaßstabes dienen und
bei der DTK-Ableitung der graphischen Darstellung geschuldet sind. Der Hauptunterschied
bei der Anwendung der Geometrieoperationen in der DTK-Ableitung besteht darin, daß Objekte
nicht mehr lagerichtig dargestellt werden müssen.
Zum Zweiten wird zwischen kontextabhängigen und kontextunabhängigen Generalisierungsfunktionen
unterschieden. Letztere umfassen Änderungen am einzelnen Objekt,
ohne Objekte der Nachbarschaft einzubeziehen. Typische Vertreter sind Koordinatenreduktionen
bzw. Vereinfachungsalgorithmen. Nach Anwendung kontextunabhängiger Generalisierungsfunktionen
ist die Beziehung zwischen Ursprungs- und abgeleitetem Objekt in
jedem Fall vorhanden.
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Stand der Wissenschaft
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Einen größeren Verwaltungsaufwand verlangen die kontextabhängigen Operationen. Sie
beziehen sich immer auf eine Gruppe von Objekten, und in der Regel werden mit einem
Schritt auch mehrere Objekte gleichzeitig verändert, da jede Veränderung des Einzelobjektes
einen Einfluß auf die Veränderung der Nachbarobjekte hat. Beispiele für die kontextabhängigen
Generalisierungsfunktionen sind etwa die Verdrängung, Zusammenfassung und
Objektauswahl.
Zentral für das Erarbeiten einer effizienten Nachführungsstrategie scheint die Lösung der
Umgebungsverwaltung zu sein. Das Datenmodell sollte so konzipiert sein, daß Umgebungen
mitverwaltet werden und den kontextabhängigen Generalisierungsfunktionen zur Verfügung
stehen. Im Projekt AGENT (siehe Abschnitt 3.2.2) übernehmen diese Aufgabe sog. Meso-
Agenten, die dritte Stufe der Entwicklungsstrategie von Maptech AG führt dynamische Umgebungsobjekte
ein (siehe Abschnitt 4.5.1).
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3.2 Aktuelle Projekte
3.2.1 Modellgeneralisierung (Universität Bonn)
Am Institut für Kartographie und Geoinformation der Universität Bonn unter Leitung von
Prof. Morgenstern existiert eine Arbeitsgruppe „Generalisierung“, die sich im wesentlichen
mit Fragen der Modellgeneralisierung beschäftigt.
Aktuelles Projekt (unter Mitwirkung von J. Schoppmeyer, M. Bobzien, D. Schürer):
Entwicklung eines Programmsystems zur Ableitung von topographischen Grunddaten
mittlerer Auflösung aus topographischen Grunddaten hoher Auflösung mit den Mitteln
einer weitestgehend automatisiert ablaufenden Generalisierung.
Die bisherigen Arbeiten konzentrieren sich auf Fragestellungen der automatischen Ableitung
Digitaler Landschaftsmodelle (DLM). Ein DLM kann über die Methode der Ersterfassung aus
der Landschaft oder über die direkte Ableitung aus einem DLM höherer Auflösung (Modellgeneralisierung)
gewonnen werden. Gelingt es, die Ableitung weitestgehend automatisch
durchzuführen, ergibt sich erhebliches Einsparpotential bzgl. Erzeugung und Fortführung von
DLM niedriger Auflösung. Die Modellgeneralisierung zielt dabei auf eine vereinfachte inhaltliche
und geometrische Landschaftsbeschreibung. Dazu kann zwischen semantischer und
geometrischer Generalisierung unterschieden werden.
3.2.1.1 Semantische Generalisierung
Die semantische Generalisierung bezieht sich auf eine Generalisierung des Sachbezuges
von Objekten durch Veränderung der inhaltlichen Beschreibung. Hauptsächliche Vorgänge
sind „Klassifizieren bzw. Typisieren“ sowie „Auswählen bzw. Fortlassen“ ganzer Objektarten
oder einzelner Objektmerkmale.
Beispiele zur semantischen Generalisierung:
1. „Klassifizieren bzw. Typisieren“ und „Auswählen bzw. Fortlassen“ von Objektarten nach
den Vorgaben der OK250
- Zuordnung der Objektarten des Basis-DLM und DLM250 anhand ihrer Definition in
Verbindung mit der attributiven Beschreibung (wird im wesentlichen durch den OK250
bestimmt)
- Verknüpfung erfolgt durch Verknüpfungsrelationen, wobei entweder eine oder mehrere
Objektarten des Basis-DLM einer Objektart des DLM250 zugeordnet werden können
(1:1, n:1). Nach der derzeitigen Festlegung des OK250 wird die Vielzahl der Objektarten
des Basis DLM kaum reduziert.
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2. „Auswahl der Objekte über die Erfassungskriterien“
- Reduktion der semantischen Information des DLM höherer Auflösung beschränkt sich
nicht nur auf das Weglassen ganzer Objektarten, sondern kann sich auch nur auf Objekte
beziehen, die ein bestimmtes Objektmerkmal (Erfassungskriterium) nicht erfüllen :
- Semantische Kriterien (z.B. qualitative Attribute)
- Geometrische Kriterien (z.B. Objektlänge, Objektbreite, Objektfläche, ...)
3. „Überführung der Objektinformation in den Attributen“
- Qualitative und quantitative Objektinformationen, die in den Attributen gespeichert sind,
werden an den Informationsgehalt des DLM250 angepaßt
- Ist eine eindeutige Zuordnung nicht möglich, so ist die Objektinformation entweder vollständig
wegzulassen oder durch Zusammenfassung von Attributwerten unter einem
allgemeinen Oberbegriff zu typisieren.
4a) 4b)
4c) 4d)
Abbildung 4: Erzeugung eines semantisch generalisierten Digitalen Zwischenmodells beim Übergang
zum DLM250
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Bei Abbildung 4a) handelt es sich um die Darstellung des Testdatenbestandes. In Abbildung
4b) ist der Zustand nach der Generalisierung linienhafter Objekte zu sehen. Es sind nur noch
Bundesstraßen, Landesstraßen und Kreisstraßen im Datenbestand vorhanden. Die Generalisierung
der flächenhaften Objekte erfolgt in Generalisierungsblöcken (Abbildung 4c). Diese
Blöcke werden durch das generalisierte Liniennetz sowie durch Grenzen von markanten
Landschaftsobjekten (Ortslage, Wald, ...) gebildet (siehe auch 4.5.1). Abbildung 4d) zeigt als
Ergebnis ein semantisch generalisiertes Digitales Zwischenmodell (DZM).
3.2.1.2 Geometrische Generalisierung
Die geometrische Generalisierung zielt auf die Anpassung des Raumbezuges der Objekte an
die Genauigkeitsanforderungen des Modells. Darunter ist der Übergang zu einer anderen
geometrischen Modellierung (Geometrietypenwechsel) und die Anpassung der Geometrie an
die Modellauflösung zu verstehen.
Beispiele zur Geometrischen Generalisierung:
1. Übergang von Objekten zu einer anderen geometrischen Modellierung
- Objektartenkataloge sehen für jedes Objekt einen speziellen Geometrietyp vor (flächenhaft,
linienhaft, punkthaft)
- im Rahmen der Ableitung eines Digitalen Landschaftsmodells geringerer Auflösung
sind die Geometrietypen für verknüpfte Objektarten zu vergleichen
- stimmen die geforderten Geometrietypen nicht überein, so wird die Geometrie für das
Objekt im DLM geringerer Auflösung angepaßt
- Geometrietypwechsel sind in Schoppmeyer und Heisser (1995) ausführlich beschrieben
2. Anpassung der Geometrie an die Modellauflösung
- unter Modellauflösung wird in Anlehnung an die Minimaldimensionen der Abstand zwischen
zwei Geometriepunkten verstanden, so daß beide Punkte noch sinnvoll getrennt
erfaßt und gespeichert werden können
- Anpassung an die Modellauflösung verlangt eine Vereinfachung der Objektgeometrie,
die im Rahmen der Lagegenauigkeit sowohl durch eine Punktreduktion als auch eine
Linienvereinfachung durchgeführt werden kann
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3.2.1.3 Zusammenfassung
Abbildung 5: Ablauf der Modellgeneralisierung (Schürer 1999)
Die Untersuchungen zur Modellgeneralisierung beziehen sich im wesentlichen auf ATKIS, so
daß die Erfahrungen in vollem Umfang für praktische Realisierungen verwendet werden
können. Fazit der Bonner Arbeiten ist, daß die „... Modellgeneralisierung für den Übergang
vom DLM25 zum DLM200 weitgehend automatisch durchgeführt werden kann“ (Schürer
1999). Damit sollte eine Ableitung des DLM50 aus dem Basis-DLM ebenfalls möglich sein.
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3.2.2 AGENT-Projekt (Automated GEneralization New Technology)
Das AGENT-Projekt wird gefördert durch European Commision, Esprit Programme, Long-
Term Research (LTR) für die Zeit vom 1.12.1997 bis 30.11.2000. Folgende Einrichtungen
sind daran beteiligt:
- Institut Geographique National (IGN, France), Laboratoire COGIT (Projektleitung)
- Institut National Polytechnique de Grenoble (France), MAGMA Group
- Laser-Scan Ltd., Cambridge (UK)
- University of Edinburgh, Department of Geography
- University of Zurich, Department of Geography
3.2.2.1 Generalisierung im AGENT-Konzept
Das AGENT-Projekt beschäftigt sich mit der Entwicklung von Methoden und Techniken für
eine automatische kartographische Generalisierung. Der Schwerpunkt liegt dabei u.a. auf
einer Selbstbewertung von automatisch durchgeführten Generalisierungsteilvorgängen.
- beinhaltet Neuimplementierungen von Generalisierungsalgorithmen die u.a. am IGN entwickelt
wurden
- verwendet das AGENTEN-Konzept :
berücksichtigt Zwangsbedingungen auf unterschiedlichen Beschreibungsstufen
(micro-, meso-, macro- constraints)
Micro-Zwänge : beziehen sich auf das Objekt an sich (z.B. Größe, Detailgrad, Gestalt)
Meso-Zwänge : berücksichtigen den Kontext, sowohl auf geometrischer wie semantischer
Ebene (siehe Abbildung 6)
Macro-Zwänge : berücksichtigen übergeordnete Kriterien wie thematisch quantitative
Zwänge, hierarchische Zwänge,
- Die Umsetzung erfolgt mittels objektorientierter Programmierung.
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Abbildung 6: Verwendung des Straßennetzes zur Einführung von „Meso-Agenten“, repräsentiert
durch einen „smiley“ (Lamy et al. 1999).
Ablaufplan für Generalisierung mittels „Agenten“:
Zu Beginn der Generalisierung muß eine Analyse und Bewertung vorhandener Zwänge erfolgen,
diese sind durch geeignete Attribute zu erfassen (initial and on-going values – siehe
Abbildung 7)
Abbildung 7: Zustandsbeschreibung im AGENT-Konzept (Lamy et al. 1999)
• threshold values - Schwellwerte zur Festlegung von Konflikten
• severity (Strenge) - Konfliktmaß für Bewertung
• priority - Prioritätenliste für auftretende Konflikte (z.B. Dichte 9, Nähe 6, Größe 2)
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Außerdem existiert eine Liste von Lösungsverfahren mit festgelegter Priorität bzgl. eines
Konflikts (z.B. Größenkonflikt → Verkleinerung 0.6, Zusammenfassung 0.3, Auswahl 0.1)
und eine Ausnahmeliste für Generalisierungsroutinen, die in bestimmten Situationen nicht
angewendet werden sollten.
3.2.2.2 Beispiel – Gebäudegeneralisierung
- jeder Micro-Agent entspricht einem Gebäude
- Analyse: Messung verschiedener Gebäudeparameter z.B. Größe, Minimalweite, Orientierung,
Position, ...
- bestimmte Dinge sollen erhalten bleiben (Gesamterscheinung, Größe im Vgl. zu anderen
Gebäuden, ..), andere können sich ändern
- bestimmte Aufgaben sind nur auf meso-level zu erfüllen, d.h. Kontextinformation wird benötigt
(z.B. wenn relative Lage der Objekte erhalten bleiben soll)
- es wird also ein Kompromiß gesucht bzgl. der vorhanden Zwänge auf micro-, meso-,
macro-level
Abbildung 8: Beispiel 1 zur Gebäudegeneralisierung (Ruas 1998)
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Im Beispiel aus Abbildung 8 beträgt die Minimaldistanz zwischen Gebäuden 5m, die minimale
Gebäudegröße ist 260m 2 und die Straßenbreite ist 20m. Die obere Tabelle charakterisiert
die gegebene Situation. Da der Dichtewert wesentlich zu hoch ist, erfolgt zunächst eine Objektauswahl
nach Gebäudegröße und –abstand mit Hilfe einer lokalen Delaunay Triangulation.
Eine anschließende Neubewertung (untere Tabelle in Abbildung 8) hat verschieden starke
Verdrängungsoperationen zur Folge. In Abbildung 9 wird die Einhaltung vorher festgelegter
Zwangsbedingungen anhand ausgewählter Attribute bewertet.
Abbildung 9: Bewertung für die Einhaltung von Zwangsbedingungen
Abbildung 10: Beispiel 2 zur Gebäudegeneralisierung (Ruas 1998)
3.2.2.3 Zusammenfassung:
Mit dem AGENT-Konzept wurde versucht eine Selbstevaluierung von Generalisierungsroutinen
zu implementieren. Eine Veröffentlichung von Ergebnissen dieser Arbeiten sind für
Ende 2000 zu erwarten, da zu diesem Zeitpunkt eine Förderung des Projektes ausläuft.
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3.2.3 Gebäudegeneralisierung mit CHANGE (Universität Hannover)
Am Institut für Kartographie (IfK) der Universität Hannover existieren langjährige Erfahrungen
auf dem Gebiet der kartographischen Generalisierung (Grünreich 1997). Bisher unter der
Leitung von Prof. Grünreich, konnte u.a. das Programmsystem CHANGE entwickelt werden.
Aktuell wird der Bereich der kartographischen Generalisierung durch Dr.-Ing. J. Bobrich vertreten
(Bobrich 1996).
3.2.3.1 Programmsystem CHANGE
Das Programmsystem CHANGE des IfK generalisiert Gebäude (CHANGE_Buildings) und
Straßen (CHANGE_Roads) im Batch-Betrieb. Die Objekte werden nach Objektarten getrennt
mit der Generalisierungs-Software vektororientiert verarbeitet. Die Steuerung der Generalisierung
erfolgt durch Direktiven in einer editierbaren Direktiven-Datei. Neben dem Eingangsund
Folgemaßstab können weitere Parameter festgelegt werden, wie z.B. graphische Mindestgrößen,
die den Grad der Generalisierung bestimmen. Die standardmäßig vorgegebenen
graphischen Mindestgrößen entsprechen den in den Zeichenvorschriften und der Literatur
beschriebenen Größen. Anpassungen an benutzerspezifische Anforderungen können
vom Anwender unmittelbar in der editierbaren Direktiven-Datei vorgenommen werden. Während
der Batch-Generalisierung werden Fehler- und Systemmeldungen auf eine Protokoll-Datei
geleitet, die bei jedem Programmlauf angelegt wird und die dem Benutzer eine
erste Beurteilung des Generalisierungsprozesses erlaubt.
Eine ausführliche Beschreibung mit Beispielen für die automatische Bearbeitung von Straßen
und Gebäudegeometrien (1: 1000) für den Maßstab 1:10000 und 1:25000 ist als Anlage
beigefügt.
3.2.3.2 Zusammenfassung
Für die Generalisierung von Straßen und Gebäuden bestehen bereits lauffähige Programme,
die im Batch-Betrieb eingesetzt werden. Eine Integration dieser Programme in ein bestehendes
System sind grundsätzlich möglich:
Die Direktiven- und Vektordateien werden temporär erzeugt, und das entsprechende Programm
wird als Unterprozeß aufgerufen; nach Beenden werden die Resultate aus den erzeugten
Dateien eingelesen und integriert (siehe auch 8.1).
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3.2.4 Automatisierte Verdrängung mittels Energieminimierung (Universität Dresden)
Unter Leitung von Prof. Meier wird am Lehrstuhl für Mathematische Methoden in Geodäsie
und Kartographie der Universität Dresden an Methoden zur Automatisierung der kartographischen
Generalisierung geforscht. Der Schwerpunkt lag bisher auf Entwicklungen zur automatisierten
Verdrängung (Burghardt und Meier 1997b). Um die Praxisrelevanz der Ergebnisse
unter Beweis zu stellen, wurde die Zusammenarbeit mit der Firma Maptech AG gesucht,
deren Software in mehreren Landesvermessungsämtern zur Produktion topographischer
Karten verwendet wird.
3.2.4.1 Linienverdrängung mitles Energieminimierung
Bei der Suche nach Modellen für die Deformierung von Linien bieten sich neben geometrischen
Verfahren auch alternative Methoden an, die sich aus Anwendungen anderer Wissenschaftsbereiche
ergeben, z.B. die Bewegung stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld, der
Einsatz finiter Elemente in der Werkstoffphysik oder die Verwendung von Snakes aus der
Bildverarbeitung und Mustererkennung. Die Analogie zwischen letzterem und den Anforderungen
der Linienverdrängung veranschaulicht die Abbildung 11.
Abbildung 11: Analogie zwischen Konturerkennung (Anlagerung eines Splines an eine unscharfe
Kontur; links) und einseitiger oder gegenseitiger Linienverdrängung (rechts) im Konzept
energieminimierender Splines (Snakes).
Bisherige Verdrängungsalgorithmen arbeiten mit elementar – geometrischen Hilfsmitteln und
sind noch sehr der an Sonderfällen und an speziellen Maßstabsübergängen orientierten kartographischen
Denkweise verhaftet. In einem gewissen Gegensatz dazu verfolgt der Ansatz
das Ziel, mögliche (mindestens alle wesentlichen) Sonderfälle von Konfliktsituationen in beliebigen
Maßstabsübergängen und Datenmodellen nach einem allgemein gültigen Prinzip
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und - daraus abgeleitet - mit einheitlich strukturierten Algorithmen zu lösen. Dafür hat sich
das fundamentale Prinzip der Energieminimierung als wirkungsvoll erwiesen.
Nach der Recherche der Konfliktsituation werden den zu verdrängenden Objekten Energieterme
zugeordnet. Die äußere Energie sorgt dafür, daß die Objekte auf Mindestabstand verschoben
werden, nebenbei die topologische Struktur des Bildinhaltes erhalten bleibt. Die
innere Energie bewirkt, daß geometrische Formen bzw. Eigenschaften sich nicht zu sehr
ändern. Die Gesamtenergie einer Konfliktsituation als Linearkombination aus äußerer und
innerer Energie wird minimiert, damit die Verschiebungsbeträge klein bleiben bei gleichzeitig
nur geringen Form- bzw. Strukturänderungen.
Abbildung 12: Konzept der Energieminimierung zur automatisierten Linienverdrängung
3.2.4.2 Zusammenfassung
Der im Anhang (siehe 11.3) ausführlich vorgestellte Algorithmus der Energieminimierung
liefert (karto-)graphisch zufriedenstellende Lösungen: geometrisch und semantische Steuerparameter
sorgen für optische Auflösung, Erhalt der topologischen Struktur, minimale Geometrieänderung
und berücksichtigen die Objektbedeutung. Auf praktische Anwendungen
wird im Abschnitt 3.3.2 näher eingegangen.
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3.2.5 Grobkonzept eines ATKIS-Generalisierungssystems (Vickus 1994)
Unter Berücksichtigung von Realisierungs- und Produktionsaspekten empfiehlt Vickus (1994)
die Entwicklung eines ATKIS-Generalisierungssystems in vier Stufen.
Abbildung 13: ATKIS-Generalisierungssystem unter Realisierungs- und Produktionsaspekten (Vickus
1994)
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3.2.5.1 Entwicklungsstufen eines ATKIS-Generalisierungssystems
1. Stufe:
• Ableitung eines Roh-DKM aus dem DLM, welches ausschließlich die Überführung der
DLM-Datenstruktur in die DKM-Datenstruktur beinhaltet.
• Entwicklung eines graphischen Editors, der ein komfortables interaktives Generalisieren
ermöglicht.
• Konzipierung von Generalisierungsfunktionen
Die Unterteilung in eine datenstrukturelle Abbildung eines Roh-DKM auf der einen Seite und
der kartographischen Generalisierung auf der anderen Seite hat den Grund, daß dadurch
das System schon in einer sehr frühen Phase für die Produktion topographischer Karten eingesetzt
werden kann.
2. Stufe:
• Entwicklung von Lösungskonzepten für die Generalisierungsfunktionen.
• Dies bedingt die Auflösung des komplexen Generalisierungsvorganges in Teilvorgänge,
die Untersuchung deren gegenseitiger Abhängigkeiten und Wechselwirkungen und
die Einführung einer Bearbeitungsreihenfolge.
• Die Realisierung von einzelnen Generalisierungsteilvorgängen ermöglicht eine erhebliche
Reduzierung des Umfanges der interaktiven Bearbeitung.
3. Stufe:
• Nach dieser Stufe der „teilautomatischen“ Generalisierung sollen die einzelnen Teilprozesse
modifiziert und zu einem Gesamtsystem zusammengefügt werden.
• Die Integration aller Teilprozesse führt zu einem komplexen Generalisierungssystem,
welches das Maß der Interaktion auf die Bearbeitung von Sonderfällen und die graphische
Überarbeitung reduziert.
4. Stufe:
• In der letzten Stufe sollen die Anforderungen der Fortführung der digitalen Modelle
analysiert und im Gesamtsystem berücksichtigt werden.
Das mehrstufige Modell bewirkt, daß ab der Realisierung der ersten Stufe das System ständig
zur Produktion verfügbar ist. Die weiteren Stufen sind zeitlich nicht scharf voneinander zu
trennen. So kann es sein, daß schon frühzeitig einzelne Teilprozesse geringeren Umfanges
zusammengefügt werden. Durch die ständige Integration neuer Teilprozesse wird gewährleistet,
daß der Bearbeiter auf einem immer höheren Generalisierungszustand aufsetzen
kann, so daß sich der Interaktionsaufwand stetig reduziert.
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3.2.5.2 Zusammenfassung:
Bemerkenswert ist die frühe Verfügbarkeit eines Systems im Konzept von Vickus (1994).
Dem Bearbeiter werden so schnell wie möglich einsatzfähige Tools zur Verfügung gestellt,
damit produziert werden kann. Durch die kontinuierliche Integration neuer Generalisierungsfunktionen
wird die Arbeit am Bildschirm systematisch reduziert, bis sie sich auf Kontrolle
und die Bearbeitung von Sonderfällen beschränkt.
Wie in Kapitel 4 noch ausführlich beschrieben wird, verfolgt Maptech AG den gleichen Weg.
Ein Editor mit umfangreichen Hilfsmitteln existiert bereits, und auch die Basis-Daten können
verlustfrei ins System übernommen werden, womit die erste Stufe fast abgeschlossen ist
(was fehlt ist eine Erweiterung des maptech-Datenmodells, um alle Sach-Informationen des
Basis-DLM's aufnehmen zu können; der Aufwand dafür ist allerdings gering). Maptech AG
beschäftigt sich aktuell mit Entwicklungen der Stufe 2, wobei bereits einige Generalisierungsfunktionen
implementiert sind.
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3.3 Eigene Erfahrungen in der automatisierten Generalisierung
Die Maptech AG arbeitet seit Juni 1998 intensiv an der Integration der Forschungsresultate
der TU Dresden (Dirk Burghardt) in die bestehende Mapping-Software. Seit Sommer 1999
liegt eine Betha-Version vor, die sich in der Testphase befindet. Dieser Zusatz ermöglichte
es Maptech AG, selber Erfahrungen im Bereich der automatischen Generalisierung zu sammeln,
vor allem mit realen ATKIS-Daten. Die gemachten Erfahrungen sollen an dieser Stelle
vorgestellt werden.
3.3.1 Zusammenwirken von Forschung und Anwendung
Bei der Umsetzung und Integration von Forschungsergebnissen in produktiv eingesetzte
Systeme müssen Richtlinien aufgestellt werden, wobei folgende Punkte zu beachten sind:
1. Grundlagenforschung liefert :
- Modelle zur Problembeschreibung,
- Algorithmen zur Problemlösung,
- Recherche bisheriger Arbeiten und Abgrenzung (Vorteile, Nachteile)
2. Test an realen Daten
- erfordert Partner in der Industrie, da Verwaltung realistischer Daten nur mit kommerziellem
System möglich ist,
- Datenaustausch erfolgt über Schnittstelle (dazu muß möglichst konkret beschrieben werden,
welche Informationen der Algorithmus benötigt; Implementierung erfordert sowohl
vom Praxispartner als auch vom Entwickler größere Anpassungsleistungen)
- Beseitigung und Lösung aufgetretener zusätzlicher Probleme
3. Integration im System
- Aufbereitung der Algorithmen (Integration in der Datenbank, Entwicklung eines User-
Interface zur Bedienung, Anpassung der Quelltexte unter Verwendung vorhandener
Funktionen und Makros)
- Zusammenwirken unterschiedlicher Generalisierungsoperationen ist zu entwickeln
Auf Grund gewonnener Erfahrungen und obiger Einteilung ist festzustellen, daß Forschungsund
Entwicklungsarbeiten, im Umfang von Punkt 1, herstellerneutral zu realisieren sind. Der
Aufwand an der Gesamtentwicklung beträgt etwa ein 30 - 50%. Sowohl für die Prototypenentwicklung
(Punkt 2) als auch die Integration im System ist eine enge Zusammenarbeit
mit dem Praxispartner unabdingbar. Das heißt spätestens nach der Hälfte des Entwicklungszeitraumes
erfolgt die Einschränkung auf ein konkretes System. Noch ungünstiger ist
das Verhältnis bei der Entwicklung von Steueralgorithmen zur Handhabung verschiedener
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Generalisierungsoperationen, die einander bedingen, da eine Simulation hier ohne realistische
Daten und relevante Teilergebnisse nicht möglich ist.
3.3.2 Automatische Verdrängung im maptech-System
Im folgenden soll die Anwendung eines Verdrängungsalgorithmus auf ATKIS-Daten erläutert
werden. Dazu wurde als Basisprogramm das Mapping System der Maptech AG gewählt,
welches zur Zeit die Standardsoftware auf dem Gebiet der Digitalkartographie darstellt. Zusammen
mit dem maptech Capturing und maptech Geodaten-Managment ermöglicht das
Programmpaket die komplette rechnergestützte Herstellung und Fortführung von traditionellen
Papierkarten (z.B. topographische Karten der Landesvermessungsämter), Straßenkarten
und Atlanten, als auch jede Art der modernen Bildschirmdarstellung.
Das Capturing-System beinhaltet die Erzeugung digitaler Geodaten auf der Grundlage einer
automatisierten Vektorisierung. Dazu arbeitet das Programm mit Vektordaten, wobei zusätzlich
Rasterbilder und Orthophotos hinterlegbar sind. Die Verwendung der raumbezogenen
Daten ist in den verschiedensten Koordinatensystemen möglich (metrische Koordinaten,
Gauss-Krüger-Koordinaten, Geographische Koordinaten, etc.).
Das Geodaten-Managment ermöglicht die Verwaltung blattschnittfreier Daten. Durch Integration
der CITRA- und INTERLIS-Schnittstelle werden verschiedene Datenformate unterstützt
(Intergraph, SICAD, DXF, EDBS, ...). Mittels Geodaten-Managment ist der parallele Zugriff
verschiedener Bearbeiter auf gleiche Kartenausschnitte gewährleistet (Multi-User-
Philosophie). Dabei sind die aktuell durch einen Benutzer bearbeiteten Elemente für alle anderen
gesperrt und nicht editierbar. Zusätzlich ist die Integration von Sachdaten möglich.
Hierfür hat Maptech AG einen eigenen Datenbankteil entwickelt: ASTIS [Administratives und
STatistisches InformationsSystem], in welchem sämtliche Zusatzdaten wie z.B. Gebäudefunktionen,
Verkehrsflüsse, etc. gespeichert werden können. ASTIS kann vom Benutzer individuell
und beliebig konfiguriert werden und ist jederzeit erweiterbar. Die Darstellung der Objekte
kann von ASTIS abhängig gemacht werden (Operation/Rules), und eine Einbindung
von Textinformationen ist über Links (Queries) möglich.
Bevor die Beschreibung des User-Interfaces zur Verwendung der Verdrängungsalgorithmen
erfolgt, ist zunächst eine kurze Erläuterung ausgewählter Bestandteile des Mapping Systems
notwendig. Hauptmodule sind der Mapimage-Editor, der Mappublisher, der Zeichenschlüssel-
bzw. Font-Editor und abschließend der Separations-Editor mit einer Ausgabesteuerung.
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Im Mappublisher erfolgt die Definition eines oder mehrerer Kartenbilder (Mapimages, Legende)
und deren Plazierung auf ein- oder innerhalb mehrseitiger Publikationen. Außerdem
wird hier der Darstellungsmaßstab und die Projektionsart der Daten festgelegt. Der Font-
Editor dient zur Konstruktion der Kartensymbolik, dabei können Linien-, Flächen-, Symbolund
Text-Fonts konstruiert werden. Die erstellten Basis-Fonts lassen sich im Zeichenschlüssel-Editor
beliebig attributieren und skalieren. Für die Bearbeitung und Fortführung
der Kartenbilder wird der Mapimage-Editor verwendet. Er umfaßt sämtliche Werkzeuge zur
Datenmanipulation und ist damit der Kern des Mapping Systems. Hier werden auch die Generalisierungsroutinen
eingebunden. Im Separations-Editor erfolgt abschließend die Farbseparation
für den Plot, die Festlegung der Rasterweite bei der Ausgabe, sowie die Auswahl
von Optionen für Freistellung, Übergriff und Überdruck.
User-Interface für Anwendung der Generalisierungsfunktionen
Die Integration verschiedener Generalisierungsfunktionen, speziell der Linien- und Flächenverdrängung,
erfolgte im Mapimage-Editor. In der praktischen Anwendung wird vom Nutzer
ein Menü geöffnet, welches die Auswahl verschiedener Elementarvorgänge ermöglicht und
die Steuerung über Parameter unterstützt (User-Interface, siehe Abbildung 14).
Abbildung 14: User-Interface für verschiedene Generalisierungsfunktionen
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Die angezeigten Parameter variieren in Abhängigkeit vom ausgewählten Elementarvorgang
im Menü „Funktion“. Um Richtwerte (Defaultparameter) für verschiedene Maßstäbe und verwendete
Zeichenschlüssel vorgeben zu können, besteht die Möglichkeit entsprechende Parameter-Sets
zu laden („Laden“) oder anzulegen („Sichern“).
Während die Parameter im oberen Bereich unabhängig von Objekt-bzw. Feature-Gruppen
sind, können im unteren Fenster objektspezifische Größen angegeben werden, z.B. welche
Objekte verdrängt werden sollen und welche Feature-Gruppen als Hintergrundobjekte zu
berücksichtigen sind. Unter Feature-Gruppen werden dabei Objekte nach inhaltlichen Gesichtspunkten
zusammengefaßt z.B. Verkehrswege, Gewässer, Waldflächen. So kann eine
Steuerung auf verschiedenen semantischen Ebenen (Feature-Gruppe/ Feature/ Objekt-
Display-Gruppe) erfolgen und je nach Anforderung und Kenntnis allgemeiner gehalten oder
speziell angepaßt werden. Jeder Objekt-Display-Grupppe kann zudem eine Text-Display-
Gruppe zugeordnet werden, was für Anwendungen in der Randbearbeitung oder Textplazierung
notwendig ist.
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Ergebnisse und Beispiele
a) Linienverdrängung
In Abbildung 15 wird die Linienverdrängung für einen Kartenausschnitt im Maßstab 1:25000
dargestellt. Die Rechenzeit beträgt auf einer IBM Workstation, RISC/6000, Modell 43P/140,
200 MHz, etwa 30 sec. Eine Bearbeitung erfolgt im Batch-Betrieb.
Abbildung 15: Beispiel zur Linienverdrängung (© Landesvermessungsamt Sachsen, 1999)
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Problematisch ist des weiteren die Abhängigkeit des Algorithmus vom Strukturierungsgrad
der Daten. So wird erwartet, daß Anfangs- bzw. Endpunkte von Linienobjekten an Kreuzungen
oder Einmündungen liegen, da bei Verwendung des Variationsverfahrens die Verschiebung
der Randwerte null ist. Erfolgte die Linienbildung nicht ausschließlich unter geometrisch
- topologischen Gesichtspunkten, sondern auch unter Berücksichtigung inhaltlicher Aspekte
(z.B. Änderung des Straßennamens), sollte zunächst eine Vorverarbeitung mit geeigneter
Objektbildung durchgeführt werden. Im Beispiel ist die Verdrängung ohne Vorverarbeitung
dargestellt.
Eine Verdrängung von sich kreuzenden Linien durch dritte Objekte wäre möglich, solange
die Kreuzung nicht gleichzeitig Randpunkt der Linien darstellt. Eine gegenseitige Verdrängung
von Linien im Kreuzungsbereich ist ausgeschlossen. Für Einmündungen ist eine Verdrängung
durch dritte Objekte nicht umsetzbar, da zumindest ein fester Anfangspunkt vorliegen
muß.
b) Flächenverdrängung
In der praktischen Anwendung sollte auch hier zunächst eine Datenanalyse bzw. -
aufbereitung durchgeführt werden. So ist z.B. für eine automatisierte Gebäudeverdrängung
zwischen einfachen Gebäudegrundrissen und Gebäuden, die ganze Straßenmaschen füllen
zu unterscheiden.
Im Vergleich zur Linienverdrängung ist die Flächenverdrängung zeitintensiver, z.B. für mittlere
Ortschaften (ca. 300 Gebäude) beträgt die Rechenzeit etwa 1:30 min. Hauptursache ist
der Unterschied in der Bestimmung der Konflikte. Während die Konfliktrecherche für Linienobjekt
auf Abstandsberechnungen basiert, sind für die Flächenobjekte zeitaufwendigere Flächenberechnungen
durchzuführen. In Abbildung 16 sind Screenshots des Mapimage-Editors
vor und nach der Verdrängung von Gebäudegrundrissen dargestellt.
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Abbildung 16:
Gebäudeverdrängung – Screenshots vor und nach der Verdrängung (© Landesvermessungsamt
Sachsen, 1999)
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c) Kombinierte Linien- und Flächenverdrängung
Für die Kombination von Generalisierungsfunktionen
steht im Mapimage-Editor ein Interface zur
Erzeugung und Verwaltung von sogenannten
Joblisten zur Verfügung (siehe Abbildung rechts).
Dort können verschiedene Generalisierungs-Sets
in Abhängigkeit von Maßstab und Kartentyp zu
Joblisten zusammengefaßt werden. Jedes Generalisierungs-Set
ist gekennzeichnet durch die Generalisierungsfunktion
bzw. den Elementarvorgang
und zugehörige Parameter.
Für die sequentielle Durchführung verschiedener
Generalisierungsfunktionen ist die Aufstellung Abbildung 17: Joblisten
bestimmter Hierarchien unerläßlich. Im Beispiel
der kombinierten Verdrängung (siehe Abbildung 18) erfolgte zunächst die Linien- und anschließend
die Flächenverdrängung. Bevor aussagekräftige Erfahrungen über die Kombination
von Generalisierungsfunktionen gesammelt werden können, sind weitere Generalisierungsalgorithmen
zu implementieren.
Wie sich zeigt, können nicht alle Überlagerungskonflikte beseitigt werden. Deshalb wird versucht,
durch Anwendung weiterer Elementarvorgänge die Konflikte zu lösen. Im Beispiel
(Abbildung 19) wurde nach der Flächenverdrängung eine Vereinfachung und anschließend
eine Verkleinerung der Gebäudegrundrisse durchgeführt.
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Abbildung 18:
Kombinierte Linien- und Flächenverdrängung
(© Landesvermessungsamt Sachsen, 1999)
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Abbildung 19:
Gebäudeverdrängung mit Beseitigung von Restkonflikten durch Vereinfachung und
Verkleinerung (© Landesvermessungsamt Sachsen, 1999)
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3.3.3 Automatische Randbearbeitung im maptech-System
Die automatisierte Randbearbeitung unterstützt die Ableitung beliebiger Kartenausschnitte
aus blattschnittfreien Daten. Dafür sind Texte und Symbole, welche durch den Kartenrand
abgeschnitten werden, geeignet zu modifizieren. Texte werden entsprechend der Bedeutung
und Lage des zu beschriftenden Objektes entweder im Kartenausschnitt plaziert oder ausgeblendet.
Die Plazierung erfolgt dabei unter Berücksichtigung der unmittelbaren Umgebung.
Symbole in Randlagen werden nicht verschoben, sondern in Abhängigkeit von ihrer Bedeutung
und der Anwenderkonfiguration ausgeblendet.
Bei hoher Kartenbelastung kann nicht immer eine Plazierung der Texte im Kartenausschnitt
generiert werden. In diesen Fällen wird die Identifikationsnummer des Textes in einer SFF-
Datei („Select-From-File“; in solchen Dateien sind u.a. problembehaftete Objekte geloggt, die
später am Bildschirm hervorgehoben dargestellt werden) gespeichert. Zur Unterstützung der
interaktiven Nachbearbeitung, werden diese Texte geeignet visualisiert und können anschließend
einfach manuell abgearbeitet werden.
3.3.3.1 Textplazierung in Abhängigkeit vom Objekttyp
• Flächenobjekt (Beschriftung innerhalb/überlagernd/außerhalb)
• Linienobjekt (Beschriftung innerhalb/außerhalb)
Punktobjekte (wie z.B. Hotpoints) werden
durch den Beschriftungstyp 'Flächenobjekt'
(Beschriftung - außerhalb) abgedeckt, da
jedes sichtbare Kartenobjekt eine nicht zu
vernachlässigende Ausdehnung besitzt.
3.3.3.2 Konflikterkennung
Für die Konflikterkennung wird mit den Koordinaten
des Kartenrandes ein Flächenobjekt
erzeugt, welches den im Mappublisher
festgelegten Kartenausschnitt in Bandform
begrenzt (siehe Abbildung 20). Mit
Hilfe der Parameter „Äußerer Rand“ / „Innerer
Rand“ kann der Bereich festgelegt
werden, in dem keine Texte liegen dürfen.
Abbildung 20:
Flächenrandobjekt für automatisierte
Randbearbeitung
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Für die Plazierung in der Karte ist u.a. zu entscheiden, ob das zu beschriftende Objekt im
Ausschnitt liegt. Befindet sich das Objekt im Randbereich oder außerhalb, wird der zugehörige
Text ausgeblendet. Der Randbereich kann für Objekte mit dem Parameter „Innerer
Rand (Objekt)“ abweichend vom Randbereich für Texte festgelegt werden. Wird der Parameter
„Innerer Rand (Objekt)“ kleiner als der Parameter „Innerer Rand“ gewählt oder null
gesetzt, kann z.B. eine Beschriftung von Ortschaften erfolgen, die zwar im Kartenausschnitt,
aber auch im Randbereich für Texte liegen. Eine andere Möglichkeit, wäre die Plazierung in
Abhängigkeit vom prozentualen Flächenanteil des Objektes im Kartenausschnitt festzulegen,
z.B. so, daß eine Beschriftung erfolgt, wenn mehr als 50% des Objektes im Ausschnitt liegt.
Die Konflikterkennung für Texte und Symbole basiert analog der Flächenverdrängung auf
der Berechnung von Überlagerungsflächen. Dazu erfolgt eine Verschneidung von Textbox
oder Boundingbox der Symbole mit dem Flächenrandobjekt. Im Falle einer Textplazierung
müssen zusätzlich die Texte, Symbole und Hintergrundobjekte der Nachbarschaft berücksichtigt
werden.
Unter Hintergrundobjekten werden dabei alle sonstigen sich im Kartenausschnitt befindenden
Signaturen zusammengefaßt, die bei einer Textplazierung nicht überdeckt werden dürfen.
Der entsprechende Parameter kann auf Feature-Gruppen-Ebene (FG - z.B. Verkehrswege,
Gewässer, ...) oder individuell für jede Objekt-Display-Gruppe (ODG) festgelegt werden.
Dazu wird mit dem „Neu“-Button ein Auswahl-Menü geöffnet, in welchem die entsprechenden
FG oder ODG markiert werden. Die gewählten FG/ODG erscheinen im Fenster
„Objekt-Display-Gruppen / Text-Display-Gruppen“. Nach dem Aktivieren des „Editieren ...“-
Buttons können deren objektspezifische Parameter verändert werden (siehe Abbildung 21).
Bei eingeschalteter „Verdrängungswirkung“ wird eine Überlagerung durch Texte verhindert.
Abbildung 21: Objektspezifische Parameter bei der Randbearbeitung
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3.3.3.3 Plazierung unter Berücksichtigung der Nachbarschaft
Die Modellierung der Texte erfolgt durch Zuordnung einer Standlinie, dem Bezugspunkt, sowie
der Angabe von Länge und Höhe der Textbox, d.h. eine Modellierung auf Buchstabenebene
findet nicht statt. Die Standlinie kann dabei explizit vorgegeben werden oder über das
zu beschriftende Objekt zugeordnet sein (z.B. Mittelachse einer Straße). Damit sind die Freiheitsgrade
für die Textplazierung festgelegt.
So kann eine Beschriftung von Linienobjekten nur erfolgen, wenn die Standlinie über das zu
beschriftende Objekt und nicht explizit vorgegeben wird. Bei der Linienbeschriftung muß des
weiteren zwischen innerem und äußerem Text unterschieden werden. Beispiele für inneren
Text liefern die Straßennamen, oder die Beschriftung breiter Gewässer, während äußerer
Text bei schmalen Flüssen eingesetzt wird. Der Hauptunterschied besteht darin, daß sich
innerer Text der Mittelachse vollständig anpaßt, während der äußere Text einer stärkeren
Glättung unterliegen kann. Implementiert wurde die Beschriftung mit innerem Text.
Für die Beschriftung von Flächenobjekten kann innerer, äußerer oder überlagernder Text
unterschieden werden, wobei letzterer das zu beschriftende Objekt berühren darf (z.B. Beschriftung
öffentlicher Gebäude). Innerer Text muß vollständig in der zu beschriftenden Fläche
liegen (z.B. Bezeichnung von Seen, Landschaften) und äußerer Text sollte einen gewissen
Mindestabstand einhalten (z.B. Beschriftung von Hotpoints bei Ortschaften, sonstige
punktförmige Objekte). Realisiert sind bis jetzt die Beschriftung mit äußerem und überlagerndem
Text.
Die Konfliktlösung erfolgt in zwei Schritten. Zunächst wird eine geeignete Grobplazierung
des Textes durchgeführt, anschließend erfolgt die Feinplazierung analog zur Verdrängung
von Flächen mit festem Rand. Die Art der Grobplazierung ist abhängig vom Typ des zu beschriftenden
Objektes.
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3.3.3.4 Steuerung und Parameter
In analoger Weise zur Verdrängung von Linien- und Flächenobjekten kann auch in der automatisierten
Randbearbeitung zwischen objektunabhängigen und objektspezifischen Parametern
unterschieden werden. Zu den objektunabhängigen Größen zählen die Parameter
„Äußerer Rand“, „Innerer Rand“ und „Innerer Rand (Objekt)“, welche den Randbereich für
Texte und Symbole einerseits bzw. zu beschriftende Objekte andererseits kennzeichnen.
Der Anwender kann weiterhin entscheiden, ob eine „Konfliktbeseitigung durch Verschieben“
der Texte vorgenommen werden soll oder ob lediglich alle Texte in Randlagen auszuschalten
sind. Mit dem Parameter „Erweiterte
Konfliktbeseitigung“ wird festgelegt, inwieweit
Texte, die nicht im Randbereich
liegen, trotzdem ausgeblendet werden,
falls sich die zugeordneten Objekte partiell
oder vollständig im Randbereich befinden.
Der „Mindestabstand zwischen
Texten“ bestimmt den Freistellungsraum
eines Textes. Der „Maximalabstand zwischen
Text und Objekt“ soll einen
Grenzwert für die gerade noch mögliche
Zuordnung von Text und Objekt durch
den Betrachter liefern.
Durch Verschieben von Texten in den
Kartenausschnitt kann bei Platzmangel
eine Überlagerung mit anderen Texten
oder Objekten auftreten. Geringfügige
Überdeckungen sind unter Umständen
zu tolerieren (Angabe in Prozent, 0.01 =
1%). Der Parameter „Tolerierte Restkonflikte“
bezieht sich aktuell nur auf
Überlagerungen zwischen Texten. Restkonflikte
mit Hintergrundobjekten werden
akzeptiert und Überschneidungen
mit dem Rand ausgeschlossen.
Abbildung 22:
User-Interface für die
automatisierte Randbearbeitung
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Objektspezifische Parameter betreffen im wesentlichen die Festlegung, inwieweit Symbole
oder sonstige Kartenobjekte bei der Textplazierung zu berücksichtigen sind oder durch Texte
überlagert werden dürfen. Standardmäßig wird für Symbole und Punktobjekte mit eingeschalteter
„Verdrängungswirkung“ gearbeitet, während für Linien- und Flächenobjekte eine
Überdeckung zulässig ist.
Der zweite objektspezifische Parameter betrifft die „Sichtbarkeit in Randlagen“. So dürfen
Punkte oder Symbole, die sich im Randbereich befinden, nicht verschoben werden. In der
Regel werden sie ausgeblendet, aber in Ausnahmen auch dargestellt (z.B. Ortschaften).
Texte im Randbereich werden in Abhängigkeit von der Objektlage in den Kartenausschnitt
verschoben. Hier kann für untergeordnete Texte explizit festgelegt werden, daß im Falle von
Randkonflikten der Text lediglich auszublenden ist, d.h. keine Plazierung im Kartenausschnitt
erfolgt.
3.3.3.5 Beispiele
• Stadtplan (Abbildung 23)
• Übersichtskarte 1:250000 (Abbildung 24)
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Die georeferenzierten Daten
werden blattschnittfrei verwaltet,
müssen daher für
kartographische Darstellungen
geeignet aufbereitet
werden, so daß keine Texte
oder Symbole durch den
Kartenrand abgeschnitten
werden. Die Abbildung
(links) zeigt den gewünschten
Kartenausschnitt und die
unbearbeiteten Daten.
Die Abbildung (rechts)
zeigt das Ergebnis der
automatischen Randbearbeitung.
Texte und
Symbole in Randlagen
werden erkannt und im
Kartenausschnitt platziert
oder ausgeblendet.
Die Abbildung (links) zeigt
das Endresultat der automatischen
Randbearbeitung
eines Stadtplanes
im Maßstab 1:15000.
Die Bearbeitung des Kartenausschnittes
erfordert
nach der Parametereinstellung
einen Zeitaufwand
von wenigen Sekunden.
Abbildung 23: Beispiel zur Randbearbeitung eines Stadtplanes, Maßstab 1:15000,
(© Vermessungsamt Sindelfingen, 1999)
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Abbildung 24: Beispiel zur automatisierten Randbearbeitung, Deutschland 1:250000,
(© Verlag Kümmerly+Frey, 1999)
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3.4 Stand in der Praxis bei der Kartenherstellung
Abschließend soll hier am Beispiel der Landesvermessungsämter Sachsen und Thüringen
aufgezeigt werden, wie zur Zeit die DTK10, 25 und 50 mit den heute zur Verfügung stehenden
Mitteln abgeleitet werden.
3.4.1 Kartenherstellung im LVA Sachsen
3.4.1.1 Bisherige Entwicklung - Ausbaustufen der Digitalkartographie
1. Stufe: Verwendung rasterbasierter Zeichenprogramme (Bearbeitung erfolgt auf Low-
Level- oder Pixelebene);
2. Stufe: Verwaltung von Kartenobjekten in Datenbanken (vektororientiert), Zuweisung von
Signaturen über einen Zeichenschlüssel, Abfrage von Attributen möglich, Generalisierung
erfolgt durch Kartographen am Bildschirm unter Verwendung von
Werkzeugen
3. Stufe: Kartenobjekte werden maßstabsunabhängig verwaltet (z.B. Basis-DLM), darstellungsunabhängige
Operationen erfolgen in diesem Datensatz (z.B. Abstandsberechnungen,
Topologieabfragen, etc.), für eine Darstellung erfolgt die notwendige
Generalisierung automatisch
Die aktuelle Software der Firma Maptech AG realisiert die Anforderungen der 2. Stufe. Für
die Durchführung einer automatisierten Generalisierung (3. Stufe) sind weitere Algorithmen
zu entwickeln, die zunächst als Generalisierungswerkzeuge im Rahmen der 2. Stufe verwendet
werden. Die weitere Automatisierung führt zur Unterstützung des Kartographen bei
der Situationsanalyse, Auswahl an Elementarvorgängen der Generalisierung und Beurteilung
der automatisch generierten Ergebnisse.
Mit der Entscheidung, schrittweise die digitale Kartographie im Landesvermessungsamt
Sachsen einzuführen, wurden umfangreiche Recherchen hinsichtlich Hard- und Softwareeinsatz
durchgeführt sowie technologische Lösungskonzepte erstellt. Die Ergebnisse wurden in
einem Bericht dokumentiert und in der Vermessungsverwaltung diskutiert.
Die Entscheidung fiel auf die Anwendersoftware:
• SICAD/open
• maptech Mapping, maptech Capturing, maptech Geodatenmanagment
Die Umstellung der topographischen Kartenwerke in digitale Form wird in den nächsten Jahren
eine Schwerpunktaufgabe des LV SN sein.
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Dazu sind folgende Teilaufgaben zu lösen:
- Herstellung und Nutzung von Rasterdaten der topographischen Kartenwerke
- Rechnergestützte Fortführung topographischer Karten auf der Grundlage hochauflösender
Rasterdaten beginnend mit der TK10
- Vektorielle Bearbeitung der TK50
- Übernahme von Vektordaten aus der TK10 für die Vervollständigung des Basis-DLM
(z.B. Relief, Gebäude, fehlende Einzelsignaturen)
- Verfahrensentwicklung zur Ableitung digitaler topographischer Karten (DTK) aus den
Datenbeständen des Basis-DLM und der ALK
- Entwicklung von Präsentationsgraphiken aus den DLM
Weltweit beschäftigen sich Forschungs- und Entwicklungsarbeiten mit der Automatisierung
der kartographischen Generalisierung. Erste Ergebnisse liegen zwar vor, doch nach wie vor
besteht auf diesem Gebiet Nachholbedarf. Praktikable und wirtschaftliche Lösungen sind zur
Zeit nicht verfügbar, so daß die interaktive Arbeit am Bildschirm weiterhin vorherrscht. Es
werden noch eine geraume Zeit zwei Datenbestände getrennt fortgeführt :
- Rasterförmige Digitale Topographische Karten (DTK)
- Vektorielle Digitale Landschaftsmodelle (DLM)
Als Ziel der weiteren Entwicklung wird in Sachsen jedoch daran festgehalten, daß das Vorhalten
zweier getrennter Datenbestände nur als Übergangslösung gilt.
3.4.1.2 Ableitung topographischer Karten im LVA Sachsen
I
II
III
Rechnergestützte Ableitung topographischer Karten
a) DTK10 - mit SICAD/open auf der Basis von Rasterdaten
b) DTK50 - mit maptech Mapping auf der Basis von Vektordaten
Konventionelle Fortführung der analogen topographischen Karten in den übrigen Maßstäben
(TK25, TK100, TK200)
Untersuchungen zur rechnergestützten Ableitung der DTK10 aus dem ATKIS Basis-
DLM mit maptech Mapping
zu I a) Arbeitsablauf zur Herstellung der DTK10
1. Scannen der Kartenoriginale der TK10
2. Rasterdatenvorverarbeitung (Entzerrung, Filtern der Daten zur Entfernung von Staub
und Einzelpixeln, Linienglättung. Retusche)
3. Interaktive Kartenfortführung (Bearbeiten der einzelnen Elemente im Rasterformat,
Digitalisierung der fortzuführenden Elemente im Vektorformat)
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4. Mehrfache Korrekturlesung
5. Nachbearbeitung (Erzeugen von Masken für Schriftfreistellung, Bereitstellung der
Kartennamen, Titelstreifen und Legende)
6. Druck und Archivierung
Für die vektorielle Bearbeitung der TK50 sind die Entwicklungsarbeiten abgeschlossen. Der
Zeichenschlüssel ist fertiggestellt. Die vektorielle Bearbeitung der TK50 ist bereits produktionswirksam.
Abbildung 25: Legende mit maptech-Software entworfen
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zu I b) Arbeitsablauf zur Herstellung der DTK50
1. Einmalige Vorarbeiten (Zeichenschlüssel erstellen, Farbpalette festlegen)
2. Scannen der Originalfolien der TK25 → Hinterlegen der Rasterbilder für den Maßstab
1:50000
3. Automatische Netzgenerierung, Festlegung des Kartenrahmens
4. Vektorisierung und Mustererkennung der Relief- und Gewässerfolie der TK25 → Datenübernahme
ins maptech Mapping
5. Erstellen einer redaktionellen Vorlage, welche z.B. die Darstellung ausgedehnter Objekte
festlegt
6. Digitalisierung der übrigen Elemente für die DTK50 bei gleichzeitiger Generalisierung
(setzt umfangreiche Erfahrung des Bearbeiters voraus)
7. Mehrfache Korrekturlesungen
8. Druck und Archivierung
Als ein Ziel soll im Landesvermessungsamt Sachsen die Ableitung digitaler Karten (speziell:
DTK10) aus dem angereicherten Basis-DLM erfolgen.
zu III) Ableitung einer der DTK10 aus dem ATKIS Basis-DLM
1. Bereitstellung der Basis-DLM-Objekte aus der ATKIS-Datenbank
2. Konvertierung über die neutrale CITRA-Schnittstelle ins maptech Mapping
3. Zuweisung der Signaturen mittels Zeichenschlüssels
4. Vervollständigung des Basis-DLM (ATKIS Basis-DLM wurde auf der Grundlage der
analogen TK10 erfaßt und entspricht inhaltlich der TK25; in der ersten und zweiten
Ausbaustufe sind z.B. keine Gebäude enthalten) → Vektorisierung und Mustererkennung
Relief und Grundriß (Gebäude) im maptech Capturing und Datenübernahme ins
maptech Mapping
5. Automatische Netzgenerierung, Festlegung des Kartenrahmens, Erstellung der Legende
6. Zusammenrechnen der Vektor- und Rasterdaten in eine PS-Datei
7. Farbseparation und Plot
Ergänzungen:
- Vektorisierung und Mustererkennung mit maptech Capturing
2315 Gebäude
Das Attribut GFK (Gebäudefunktion) ist nicht belegt, so daß die Gebäude nur einheitlich
in grau dargestellt werden. Eine farbliche Unterlegung von Industrie- und Gewerbefläche
wurde als ausreichend angesehen.
6102 Relief
Die Höhenlinienzahlen und die Böschungshöhen wurden interaktiv ergänzt.
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- Digitalisierung von ausgewählten Einzel- und Liniensignaturen im maptech Mapping
z.B. Trig. Punkt, Niv. Punkt, Höhenpunkt, Schornstein, Fabrik, Gefällepunkt, Brunnen,
Gasometer, Ruine, Turm, Denkmal, Schloß, Kirche, Kran, Hervorragender Baum, Böschung
an Straßen und Eisenbahnen, Mauern, LSG-Grenzen, Bahnkörper ohne Gleis
- Die Kartennamen wurden als Rasterbild aus der TK10 hinterlegt und entsprechend
ausgedünnt
- Folgende ATKIS-Objekte wurden interaktiv nachbearbeitet :
• Plazierung und Nummerierung der K- und S-Straßen
• Plazierung von Orts- und Gewässernamen
• Vervollständigung der Gemeindegrenzen
• Plazierung Leitungsmastsignaturen
• Umwandlung Kontur Flußfläche in Steilufer
• aus der Objektart 2113 Fläche gem. Nutzung wurde unter Verwendung der vorherrschenden
Vegetation aus der TK10 die Darstellung Hausgarten abgeleitet
Abbildung 26: Ableitung der DTK10 aus dem ATKIS Basis-DLM
(© Landesvermessungsamt Sachsen, 1999)
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3.4.1.3 Aufwandsschätzung
Zeiten von 3 Kartenblättern 1:50000, die lediglich als grober Anhaltspunkt dienen (Karten
sind als Anlage beigefügt, siehe ):
mit maptech
graviert
L 4550
für den südl. Teil
ca. 400 Std.
(alle Elemente)
für den gleichen Teil ca. 600 Std.
(geschätzt)
alle Elemente
(ohne Lesung und sämtl. Retuschen)
L 5154
für das linke nördl.
Viertel ca. 85 Std.
für den gleichen Teil ca. 185 Std.
(geschätzt)
L 4954
120,0 174,0
114,0
Polen
l.o. ca. 120 Std.
r.o. ca. 174 Std.
l.u. ca. 114 Std.
keine Vergleichszeit vorhanden
Tabelle 2: Zeitaufwand zur Kartenableitung mittels Software bzw. Konventionell
Die Ableitung einer DTK10 aus dem ATKIS-DLM sowie die Übernahme von Vektordaten
(Gebäude, Relief, ggf. Einzelsignaturen) aus der TK10 wird weiterhin Schwerpunktaufgabe
der digitalen Kartographie im LV SN sein.
Wegen umfangreicher Änderungen der Topographie und Verwaltungsstruktur müssen die
Kreiskarten des Freistaates Sachsen dringend aktualisiert werden. Diese Kreiskarten werden
von den kommunalen Behörden als Grundlage für ihre Planung dringend gefordert. Durch
Vorliegen aktueller Rasterdaten im Maßstab 1:50000 soll diese Kartenserie ab April 1999
digital bearbeitet werden.
Im LV SN ist die Ableitung einer DTK25 aus dem ATKIS-Basis-DLM unter Verwendung des
neuen Signaturenkataloges geplant. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine enge Zusammenarbeit
mit Universitäten und Hochschulen angestrebt.
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3.4.2 Thüringen
3.4.2.1 Ziele
Das Thüringer Landesvermessungsamt hat 1994 beschlossen, die Herstellung und Bearbeitung
der Landeskarten zu automatisieren. Die Ziele der Umstellung auf die digitale Kartographie
wurden in einem Konzept festgehalten:
• Effektivität und Rationalisierung der Verfahrensabläufe
• Qualitative Verbesserungen der Genauigkeit
• Abbau des Aktualitätsrückstandes
• Erreichen eines Fortführungszyklus von fünf Jahren
• Zeitliche Uebereinstimmung von Geobasisinformationen und den aktuellen Landkarten
• Aufbau einer digitalen kartographischen Datenbank mit einer blattschnittfreien Datenhaltung
• Nutzung und Integration der Geobasisinformation aus dem Amtlichen Topographisch-
Kartographischen Informationssystem ATKIS, der staatlichen Datenbank
• Einsparung von Ressourcen und Kosten
3.4.2.2 Lösung
Verschiedenste Testinstallationen wurden auf ihr Funktionalitäts- und Leistungsspektrum hin
geprüft. Schliesslich erhielt die Schweizer Firma Maptech AG aus Horw-Luzern den Zuschlag,
in Thüringen sieben digitale Arbeitsplätze einzurichten. Als Software wurde das
maptech Capturing System (MCS) und das maptech Mapping System (MMS) angeschafft.
Die relationale Datenbank (Ingres) erlaubt eine blattschnittfreie und indexierte Speicherung
von kartographischen Vektordaten in einer objektstrukturierten Form. Mit diesem System von
Maptech AG ist ein vollständiger Datenfluss von der Erfassung bis zur kartographischen
Ausgabe möglich.
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Digitale Kartographie beim
Thüringer Landesvermessungsamt
Scannen der
TK10-Aufbaufolien
Vektorisieren
Prüfen und korrigieren
der Vektorisierung
Objekte und Texte
erkennen
Objekterkennung
überprüfen & korrigieren
Scanner einrichten
Vektorisierungsparameter
einrichten
Mustererkennung
einrichten
Zeichenvorschrift,
Ziel Datenmodell
ATKIS Datenmodell
Thüringer LVA
Datenimport ATKIS/ALK
über EDBS -> CITRA
Datenbank
Homogenisierung
Randbereinigung
Attributierung
Georeferenzieren,
entzerren
CITRA Schnittstelle
konfigurieren
Homogenisierungsparameter
anpassen
Transformationsparameter
einrichten
Scannen des TLO
Fortführungsoriginal
Fortführungsoriginal
als Raster hinterlegen
Kartograph. Daten mit
ATKIS/ALK verschneiden
Korrekturlesung
Erstellen eines
Prüfplots
Digitale Top. Karte
bearbeiten, erstellen
Farbseparation,
Filmbelichtung
Auflagendruck
Digitale Topographische Karte 1:10’000 (© Thüringer Landesvermessungsamt, 1999) von l nach r:
Objektstrukturierter Datenbestand nach autom. Vektorisierung und Mustererkennung.
Daten mit Fortführungsoriginal als Raster hinterlegt.
Digitale Topographische Karte aktualisiert.
ATKIS-DLM 25/1 nach Datenimport.
Kartographische Daten mit ATKIS/ALK zusammengeführt, bearbeitet und
als digitale Topographische Karte ausgegeben.
Abbildung 27: Ableitung der DTK10 am Thüringer Landesvermessungsamt
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3.4.2.3 Erfahrung
Seit der Einrichtung der digitalen Arbeitsplätze sind in Thüringen folgende Karten mit dem
von Maptech AG eingerichteten System digitalisiert worden:
• Zehn Topographische Karten 1:10’000 des Freistaates Thüringen liegen bereits neu
gedruckt vor. Das Datenmaterial ist als blattschnittfreie Rasterdatei auf sieben CD-
ROM gespeichert.
• Die gesamten Topographischen Karten 1:25 000 sind in überarbeiteter Form in einer
Auflösung von 800 dpi digital verfügbar.
• Die gesamten Topographischen Karten 1:50 000 sind in einer Auflösung von 254 dpi
auf CD-ROM abrufbereit.
• Die Übersichtskarte Thüringen 1:250’000 liegt als aktualisierte Rasterdatei vor.
• Die Gemeindegrenzenkarte Thüringen 1:250 000 wurde als Vektorkarte erstellt.
Aus den ersten Erfahrungen mit der digitalen Kartographie lassen sich bereits jetzt folgende
Vorteile festhalten:
• Erhebliche Steigerung der Qualität der Karten und Grafiken. (Bei den analogen Vorlagen
verschlechterte sich die Qualität jeweils rasch durch Umkopieren und Lagerung).
• Materialeinsparung von 20%.
• Zeitersparnis in der Herstellung der Karten von 25%.
3.4.2.4 Ausblick
Es werden Konvertierungsprogramme getestet, um künftig die Daten des Amtlichen Topographisch-Kartographischen
Informationssystem ATKIS direkt in die Hard- und Software von
Maptech AG einfliessen zu lassen. Ebenso sollen die Informationen aus Liegenschaftskarten,
insbesondere die Gebäudeumrisse, in die topographische Karten automatisch mit einbezogen
werden. In einem Workshop im Dezember 1999 wurden beide Quellen mit diesem
Verfahren umgesetzt. Die ersten Ergebnisse liegen vor (siehe Abbildung 28). Wie sich zeigt
ist eine Gebäudegeneralisierung erforderlich. Vorgängig wurde beim Thüringer Landesvermessungsamt
der SK10 vollständig erfaßt (siehe Abbildung 29).
Rückblickend ist für die Verantwortlichen der Kataster- und Vermessungsverwaltung in Thüringen
klar:
Die Umstellung von der traditionellen auf eine digitale Kartenherstellung und -bearbeitung
erfordert anfänglich einen grösseren Zeitaufwand, der jedoch bereits in den ersten Anwendungsjahren
mit Material- und Zeiteinsparnissen mehr als wett gemacht ist. Daraus resultiert
ein vielfälltiger Gewinn für die gesamte kartographische Arbeit. Er manifestiert sich insbe-
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Stand der Wissenschaft
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sondere in den Bereichen: Rationalisierung, Resourcen- und Zeit-Ersparnis sowie durch e-
norme Steigerung von Qualität und Aktualität.
Abbildung 28:
Visualisierung von Daten des ATKIS-Basis-DLM mit ALK-Gebäuden (© Thüringer
Landesvermessungsamt, 1999)
Abbildung 29: Beispiel einer Signatur aus dem SK10
Weitere Ausführungen zur Digitalen Kartographie am Thüringer Landesvermessungsamt
sind als Anhang 11.2 im Artikel von Gros (1999b) zu finden.
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4 Entwicklungsstrategie
4.1 Ist-Analyse
Wie bereits in Kapitel 3.3 aufgezeigt können mit dem maptech Mapping System heute schon
drei Generalisierungsfunktionen eingesetzt werden: Die automatisierte Linienverdrängung,
die automatisierte Flächenverdrängung sowie die automatisierte Randbearbeitung. DLM-
Daten können übernommen und visualisiert werden.
Im folgenden wird gezeigt, wie die jetzt bereits vorhandenen Hilfsmittel für Ableitungen eingesetzt
werden können.
4.1.1 Arbeitsvorgang
Die DTK10 und DTK25 können zur Zeit interaktiv aus einem vorhandenen Basis-DLM abgeleitet
werden. Der Vorgang hierzu sieht wie folgt aus:
Datenübernahme
Zeichenschlüssel definieren
Karten definieren
Ausschnittweises
Ableiten der Daten
Ausgabe der Karten
Als erstes werden die Daten aus ATKIS und ALK vom EDBS-Format ins System übernommen.
Mit einem einmalig definierten Zeichenschlüssel (ZS) wird festgelegt, welche Daten auf
die abzuleitenden Karten kommen und wie sie dargestellt werden. Anschließend werden die
gewünschten Karten definiert: Lokaler Ausschnitt (z.B. in Gauss-Krüger-Koordinaten), Projektion,
Kartenrahmen, Kartennetze, freie Grafik.
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Nun kommt das eigentliche Generalisieren: Im Karten-Editor wird ein Ausschnitt nach dem
anderen geladen und bearbeitet. Dabei werden die zur Verfügung stehenden Generalisierungsfunktionen
angewendet. Die Parameter werden durch Versuche optimiert, die Ergebnisse
werden kontrolliert und gegebenenfalls korrigiert. Dabei wird die fehlende Funktionalität
durch Arbeit am Bildschirm ersetzt. Danach wird der Ausschnitt gespeichert und der nächste
geladen, bis die ganze Karte bearbeitet wurde.
Schließlich erfolgt die Ausgabe der Karten als separierter Plot oder als Datenexport (auch
EDBS).
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Abbildung 30: Ablaufschema zur Ableitung einer Digitalen Topographischen Karte
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4.1.2 Momentane automatisierte Generalisierung
Folgende Generalisierungsfunktionen stehen zur Zeit zur Verfügung:
- Automatische Linienverdrängung
- Automatische Flächenverdrängung (ohne Formänderung)
- Automatische Randbearbeitung
Geplant sind zusätzlich:
Kontextunabhängige Operationen
Kontextabhängige Operationen
Vereinfachung von
Flächen (insbesondere Gebäude)
Linien (sinusförmig / polygonal)
- Verdrängung von Flächen
(mit Formänderungen)
- Verkleinerung von Flächen
- Zusammenfassen von Flächen
unter Wahrnehmung von Mindestdimensionen
(beinhaltet auch Vergrößerung von Objektteilen)
- Auswahl von Flächen
- Typisieren (z.B. Gebäude → Gehöft)
Bei kontextunabhängige Operationen werden Nachbarobjekte nicht berücksichtigt, bei kontextabhängigen
Operationen spielen sie eine Rolle.
Die Funktionen können in Abhängigkeit von Objektklassen (Objekt-Display-Gruppen) attributiert
werden. Das bedeutet, daß z.B. eine Hauptstraße für denselben Algorithmus andere
Parameter bekommt wie eine Nebenstraße.
Mit Hilfe einer Jobliste können die Funktionen beliebig gestaffelt ausgeführt werden.
4.1.3 Zusammenfassung
Was ist mit dem jetzigen Zustand der Mapping-Software möglich ?
- DLM-Daten visualisieren
- Ableiten der DTK10 und DTK25 aus dem Basis-DLM mit Hilfe von 3 automatisierten
Generalisierungsfunktionen
- Die Parameter der Generalisierungsfunktionen können von den individuellen Objektklassen
abhängig gemacht werden
- Es können Generalisierungs-Sets gestaltet werden, die mit Hilfe einer Jobliste hintereinander
ablaufen
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4.2 Realisierungskonzept
Im folgenden möchte Maptech AG der AdV eine Entwicklungsstrategie vorschlagen, welche
eine etappenweise Realisierung der automatisierten Generalisierung vorsieht. Um das gegenseitige
Risiko minimal zu halten werden klar definierte Ziele vorgegeben. Für jede Etappe
ist eine Prüfung durch den Anwender vorgesehen, damit etwaige Korrekturen und Ergänzungen
im weiteren berücksichtigt werden können.
Abbildung 31: Anteil an den Gesamtkosten /-aufwand
Die Hauptziele des Entwicklungsvorhabens werden wie folgt beschrieben :
1. Ableitung der DTK10 aus dem Basis-DLM unter Berücksichtigung von Gebäuden aus
dem ALK
2. Ableitung der DTK25 aus dem Basis-DLM unter Berücksichtigung von Gebäuden aus
dem ALK
3. Ableitung des DLM50 aus dem Basis-DLM unter Berücksichtigung der Modellauflösung
4. Ableitung der DTK50 aus dem DLM50 bzw. aus dem Basis-DLM unter Berücksichtigung
von Gebäuden aus dem ALK
Aus Sicht der Entwickler schlagen wir folgende Schritte vor:
1. Erstellung von Spezifikation und Entwicklung von Prototypen der Generalisierungsfunktionen
Die Spezifikationen und die Prototypen werden durch den Entwickler erstellt und implementiert.
Die Ergebnisse sollten durch die AdV geprüft werden und notwendige Änderungen
bzw. Ergänzungen in die Spezifikation eingetragen werden. Die Spezifikationen
sind Grundlage der nachfolgenden Implementierung, welche einem abgestimmten
Zeitplan unterliegt.
Ziel des Prototyping ist die praktische Umsetzung der Elementarvorgänge der Generalisierung.
Vorteil ist, daß so die Möglichkeit besteht, frühzeitig Angaben zu Performance
und Qualität der Ergebnisse zu erhalten.
2. Ableitung der DTK10 bzw. DTK25 aus dem Basis-DLM (Produktionslinie – siehe
Entwicklungsstufe 1)
3. Ableitung des DLM50 aus dem Basis-DLM und Herstellung der DTK50 (Produktionslinie
– siehe Entwicklungsstufe 2)
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4.3 Entwicklungsstufe 1
Die Ziele der Entwicklungsstufe 1 sind:
- Entwicklung einer Produktionslinie für die Herstellung von DTK10 und DTK25
- Verfeinerung der Generalisierungsfunktionen
- Gewährleistung einer größeren Flexibilität in der Parameterfestlegung
Nach einer Umsetzung der Entwicklungsstufe 1 kann die DTK10 und DTK25 aus dem Basis-
DLM automatisiert abgeleitet werden. Die Tests werden durch die AdV-Projektgruppe durchgeführt.
Eine Ergänzung bzw. Änderung der Spezifikationen ist nach Entwicklungsstufe 1
möglich.
4.3.1 Automatisierte Generalisierung nach Stufe 1
4.3.1.1 Funktionen
Folgende Generalisierungsfunktionen werden mit der Entwicklungsstufe 1 zusätzlich zur Verfügung
gestellt:
- Vereinfachung von Linien und Flächen
- Verdrängung von Flächen mit Formänderung
- Verkleinern von Flächen
- Zusammenfassung von Flächen
- Auswahl von Flächen
- Typisieren
Somit bestehen alle Hilfsmittel, um ein manuelles Generalisieren der DTK10 und DTK25 am
Bildschirm zu ersetzen.
4.3.1.2 Parameter der Funktionen
Die Funktionen werden nach der Entwicklungsstufe 1 nicht nur in Abhängigkeit von Objektklassen
attributiert, sondern auch in Abhängigkeit von geometrischen Eigenschaften oder
Sachdaten. Zum Auswerten der geometrischen Eigenschaften und Sachdaten existiert in der
maptech Software bereits das Werkzeug Operationen. Eine Operation arbeitet wie ein Programm.
Sie holt zum aktuellen Objekt Daten aus der Datenbank und wendet arithmetische
oder logische Funktionen an.
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Für die Generalisierungsfunktionen werden die Operationen erweitert, so daß auch alle wichtigen
geometrischen Eigenschaften eines Objekt mit einbezogen werden können. Zum Beispiel
kann für Flächenobjekte berechnet werden, ob eine Verdrängung des gesamten Objektes
erfolgen muß oder eine Verdrängung von Objektteilen mit der resultierenden Objektverformung
zulässig ist. Dazu wird der Flächeninhalt des Objektes berechnet und mit einer Referenzgröße
verglichen.
Die Operation könnte nun wie folgt aussehen:
0: AREA [Größe der Fläche]
1: REFERENZ
2: ≥ [Vergleich]
(Anm.: Die Operation arbeitet mit umgekehrt polnischer Notation, d.h. es werden Werte auf einen
Stack gelegt, bevor sie miteinander verknüpft werden.)
Damit kann festgelegt werden, mit welchen Parametern eine Flächenverdrängung durchgeführt
wird. Jeder Parameter der Generalisierungsfunktionen kann dann entweder wie bisher
fix eingestellt werden (allerdings immer noch abhängig von der Objekt-Klasse), oder er wird
durch eine Operation ausgewertet.
4.3.1.3 Dynamische Funktionsauswahl
Durch geeignete Wahl und Reihenfolge der Funktionen werden die verschiedenen Objekte in
die Lage versetzt, in unterschiedlicher Weise ihre Darstellungskonflikte zu lösen, vergleichbar
mit den Methoden der Objekte im AGENT-Projekt.
Beispiel für Flächen:
Erste Funktion:
Flächenverkleinerung, abhängig von einer ersten Operation
Zweite Funktion: Flächenvereinfachung, abhängig von einer zweiten Operation
Dritte Funktion:
Wieder Flächenverkleinerung, abhängig von einer dritten Operation
Jedes Objekt entscheidet durch individuelle geometrische und statistische Informationen,
welche Funktionen in welcher Reihenfolge ausgeführt werden. In diesem Beispiel können
alle Kombinationen von Verkleinerung und Vereinfachung angewendet werden.
Bei bestimmten Generalisierungsfunktionen (wie z.B. die Flächen- oder Linienvereinfachung)
wird immer nur ein Objekt bearbeitet, ohne Nachbarobjekte. Bei diesen Funktionen kann der
Algorithmus von einer Operation abhängig gemacht werden. Die Fourier-Koeffizienten einer
Linie sagen z.B. etwas über die Form bzw. den Grad der „Welligkeit“ aus. Damit kann festge-
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legt werden, welcher Algorithmus zur Linienvereinfachung angewendet wird (Tiefpaßfilterung,
Cosinus-Glättung oder Douglas-Peuker-Reduktion). Mit anderen Worten: Ein Objekt
entscheidet selber aufgrund seiner geometrischen und informativen Eigenschaften, welcher
konkrete Generalisierungsalgorithmus angewendet wird.
4.3.1.4 Geometrie-Übergang
Der Geometrie-Übergang wird in dieser Stufe noch nicht implementiert; er wird erst beim
Ableiten des DLM50 benötigt.
4.3.2 Arbeitsvorgang
Nach Abschluß der Stufe 1 sieht der Arbeitsvorgang zum Ableiten der DTK10 und DTK25
wie folgt aus:
Datenübernahme
Zeichenschlüssel definieren
Karten definieren
Generalisierungs-Sets definieren
Jobliste ausführen
Kontrolle, Korrektur
Ausgabe der Karten
Die Vorbereitungen bleiben dieselben: Zuerst erfolgt die Übernahme der Daten aus ATKIS
und ALK vom EDBS-Format ins System. Ein Zeichenschlüssel (SK10/SK25) bestimmt, welche
Daten wie abgebildet. Anschließend werden die gewünschten Karten definiert: Lokaler
Ausschnitt (z.B. in Gauss-Krüger-Koordinaten), Projektion, Kartenrahmen, Kartennetze, freie
Grafik.
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Für das automatisierte Generalisieren werden nun Sets festgelegt. Neu dabei ist, daß die
Parameter von Objektdaten abhängig gemacht werden können. Durch Versuche werden sie
optimiert.
Nach dem Festlegen der Sets werden die Daten im Batch-Betrieb kartenweise abgeleitet.
Anschließend werden die Resultate kontrolliert und gegebenenfalls korrigiert.
Schließlich erfolgt die Ausgabe der Karten wieder als separierter Plot oder als Datenexport
(auch als EDBS und/oder DXF, als Tiff, GIF, PDF, Postscript, usw).
4.3.3 Zusammenfassung
Was ist nach Entwicklungsstufe 1 realisiert ?
- DLM-Daten visualisieren gemäß SK10 bzw. SK25
- Ableiten von topographischen Karten (DTK10/DTK25) mit automatisierten Generalisierungsfunktionen
- Für die DTK10 und DTK25 bestehen alle nötigen Generalisierungsfunktionen, um sie
aus dem Basis-DLM abzuleiten. Die manuelle Anpassung der Ergebnisse bleibt nach
wie vor möglich.
- Die Parameter der Generalisierungsfunktionen können von den individuellen Objekt-
Klassen sowie von Sach- bzw. Geometrie-Daten abhängig gemacht werden (Operation)
- Kontextunabhängige Funktionen, die ohne Nachbarobjekte arbeiten, können durch
Operation aktiviert werden
- Es können Generalisierungs-Sets gestaltet werden, die im Batch-Betrieb auf eine
Auswahl von Karten angewendet werden
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4.4 Entwicklungsstufe 2
Die Ziele der Entwicklungsstufe 2 sind:
- Ableiten des DLM50 aus dem Basis-DLM
- Entwicklung von Funktionen für die semantische Generalisierung
- Geometrie-Übergang
4.4.1 Arbeitsvorgang
Der Arbeitsvorgang bleibt derselbe wie in Entwicklungsstufe 1, nur daß jetzt auch das
DLM50 und die DTK50 abgeleitet werden können.
4.4.2 Automatisierte Generalisierung nach Entwicklungsstufe 2
4.4.2.1 Funktionen
Alle Funktionen, die zur Ableitung des DLM50 oder der DTK50 nötig sind, werden entwickelt.
4.4.2.2 Geometrie-Übergang
Beim Ableiten des DLM50 aus dem Basis-DLM ist ein Geometrie-Übergang nötig: Gewisse
Flächen können zu Linien oder sogar zu Punkten werden, ferner können Linien zu Punkten
werden.
4.4.3 Zusammenfassung
Was ist nach Stufe 2 realisiert ?
Zusätzlich zu den Errungenschaften der Entwicklungsstufe 1 wird folgendes machbar sein:
- Ableiten der DLM50 aus dem Basis-DLM mit automatisierten Generalisierungsfunktionen
- Ableiten der DTK50 aus dem DLM50 oder dem Basis-DLM
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4.5 Entwicklungsstufe 3
Die Ziele der dritten Entwicklungsstufe sind eine Erhöhung des Automatisierungsgrades und
die Optimierung des Zusammenspiels der Generalisierungsfunktionen. Dazu sind folgende
Aufgaben zu realisieren:
- Abgrenzung von Umgebungsobjekten in Abhängigkeit von den ausgewählten Generalisierungsfunktionen
(z.B. Verkehrsnetz als Grundlage für die Maschenbildung bei
Flächenvereinfachung respektive Gebäudegeneralisierung)
- Abhängigkeit der Generalisierungsfunktionen sowie ihrer Parameter von den geometrischen
Eigenschaften der Umgebungsobjekte, sowie von den geometrischen und
informativen Daten ihrer Objekte
- Automatisches Ändern oder Zusammenfassen von Objektklassen (Teil der semantischen
Generalisierung)
4.5.1 Einführung von Umgebungsobjekten
Umgebungsobjekte legen Gruppen von Objekten fest, auf die eine kontextabhängige Generalisierungsfunktion
angewendet wird. Beispiel: Wird in einer Straßenmasche ein Gebäude
verändert, so müssen in den Ableitungen alle Gebäude der Masche neu verdrängt werden.
Es müssen aber nicht etwa alle Gebäude der ganzen Karte neu berechnet werden, weshalb
es sich auch lohnt, Umgebungsobjekte zu verwalten.
Für kontext-unabhängige Funktionen existieren keine Umgebungsobjekte; bzw. die Umgebungsobjekte
sind die einzelnen Objekte selbst.
a) Bezug
Umgebungsobjekte sind funktionsabhängig (Funktionen sind Linienverdrängung, Flächenverdrängung
etc.) und gelten jeweils immer im gesamten Datensatz. Sie werden
beim ersten Erfassen der Basisdaten berechnet und mit den Änderungen der Basis-
Daten automatisch nachgeführt.
Die Lage der einzelnen Karten oder Boxen hat keinen Einfluss auf die Lage oder Geometrie
der Umgebungsobjekte. Der Grund: In der maptech Software ist eine Karte wie ein
Fenster, das über einen bestimmten Datensatz positioniert wird. Man kann zwar auch
kartenspezifische Daten bearbeiten (wichtig z.B. für die Randbearbeitung), aber meistens
werden die Daten des aktuellen Datensatzes bearbeitet. Deshalb dürfen sich die einzel-
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nen Umgebungsobjekte nicht an der Kartenrändern orientieren, sondern müssen kartenunabhängig
sein.
Die Definition von Umgebungsobjekten erfolgt in bezug auf die Basisdaten. Die Objekte
selber sind Flächen, und die Zuordnung der Objekte zu den Umgebungsobjekten ist immer
dynamisch. Während die Umgebungsobjekte in der Datenbank abgelegt werden,
muß die Zuordnungen zu den Objekten jedesmal neu berechnet werden.
b) Definition
Zur Definition von Umgebungsvariablen werden folgende Angaben gemacht:
- Welche Basisdaten (maptech: Generalisierung)
- Welche Generalisierungs-Funktion
- Optional eine Liste von Linien- und/oder Flächen-Objektklassen, welche die Umgebungsobjekte
begrenzen (z.B. bestimmte Straßentypen; intern wird aus diesen Linien
eine Flächenbildung vollzogen, die einzelnen Flächen stellen dann die Umgebungsobjekte
dar)
Abbildung 32: Bestimmung von Grenzen für Umgebungsobjekte aus Linienobjekten
- Optional eine Bounding-Box (Punkt unten links und oben rechts)
- Optional ein Kreis (Mittelpunkt und Radius)
Die letzten beiden Optionen bieten die Möglichkeit, Umgebungsobjekte lokal einzuschränken.
Werden mehrere flächenbildende Angaben gemacht, wird jeweils die Schnittfläche
aller Angaben genommen.
c) Rolle bei der Datenfortführung
Werden die Basisdaten (z.B. DLM) geändert, so geschieht folgendes:
- Die Benutzer führen in einer oder mehreren Sitzungen die Basisdaten mit dem Karten-
Editor oder mit der Datenübernahme fort
- Bei jedem Speichern werden Änderungen in bezug auf Umgebungsobjekte akkumuliert
- Auf Knopfdruck kann die automatische Nachführung aller betroffenen Ableitungen
gestartet werden
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- Durch das Verwalten von Zeitangaben (Timestamps) können diejenigen Daten der
abgeleiteten Karten markiert werden, die von Änderungen betroffen waren, und die
noch nicht korrigiert wurden.
d) Fortführung der Umgebungsobjekte
Bei der Fortführung von Basisdaten, welche die Umgebungsobjekte betreffen (z.B. flächenbegrenzende
Straßen), werden zusätzlich die Umgebungsobjekte automatisch neu
berechnet und gespeichert. Die darauffolgende Datenkorrektur ist dieselbe wie oben
(Punkt c).
e) Statistische und geometrische Abfragen über Umgebungsobjekte
In der Entwicklungsstufe 1 wurde bereits aufgezeigt, wie die Parameter von Generalisierungsfunktionen
mittels Operationen von geometrischen oder informativen Daten abhängig
gemacht werden können. Durch die Einführung von Umgebungsobjekten können diese
Operation um ein mächtiges Werkzeug erweitert werden: Das Steuern von Parametern
über geometrischen oder informative Daten aller Objekte eines Umgebungsobjekts.
Ein Beispiel: Die Operation zur Berücksichtigung des Hell-Dunkel-Verhältnisses stellt sich wie
folgt dar:
0: SUM AREA OBJ [summiert die Flächeninhalte aller Objekte der Umgebung]
1: AREA UMGEBUNG [berechnet den Flächeninhalt der Umgebung]
2: /
3: 0.5
4: ≥
und kann zur Initialisierung von Auswahlalgorithmen verwendet werden.
4.5.2 Verwaltung abgeleiteter Objekte
Abgeleitete Objekte werden nicht wie normale Objekte gespeichert, sondern haben ein eigenes
Format:
- Semantische Informationen (Drawlevel etc.) Diese Informationen können vom Benutzer
übersteuert werden; wenn der Bezug zum Basis-Objekt hergestellt werden kann, bleiben
diese Änderungen bestehen und gehen auch nicht bei einem erneuten Ableiten verloren
- Koordinaten Die Koordinaten können vom Benutzer geändert werden; sie gehen aber
nach einem erneuten Ableiten verloren. Es ist zu untersuchen, ob Koordinatenmutationen
eines abgeleiteten Objekts erhalten bleiben sollten bzw. wie diese zugeordnet werden
können, so daß die Mutationen bei einer Änderung des Basis-Objekts qualitativ erhalten
bleiben (siehe Abbildung 33).
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- Dynamische Zuordnung zu Umgebungsobjekten (wird nicht in der Datenbank gespeichert,
sondern jedes mal neu berechnet)
Abbildung 33: Erhalten von Koordinatenmutationen bei Änderung des Basis-Objektes
Wenn Änderungen der abgeleiteten Objekte erhalten bleiben sollen, dann muß beachtet
werden, daß die Basisdaten auch durch Löschen und neu einfügen geändert werden können
(in ATKIS die einzige Möglichkeit der Fortführung). In diesem Fall muß jeweils ein bereits
vorhandenes abgeleitetes Objekt neu identifiziert werden, damit es nicht ersetzt wird.
4.5.3 Erweiterung der Generalisierungs-Sets
Die Generalisierungsalgorithmen werden, wie bereits in Kapitel 3.3 beschrieben, in sogenannten
Sets verwaltet. Ein Set entspricht einer Generalisierungsfunktion (z.B. Linienverdrängung),
mit einer Liste von betroffenen Objektklassen (maptech: Objekt-Display-Gruppen)
sowie individuellen Parametern, die ab Stufe 1 auch von geometrischen oder informativen
Daten der einzelnen Objekte abhängig gemacht werden können (ab Stufe 3 sogar von statistischen
Abfragen über das Umgebungsobjekt). Diese Sets werden im Prinzip einmal definiert;
die Parameter werden durch Versuche optimiert.
In der Stufe 3 werden bei den Sets folgende Neuerungen eingeführt:
1. In der automatischen Ableitung wird ein Set nur immer auf ein Umgebungsobjekt
ausgeführt, nicht auf einen Ausschnitt oder eine ganze Karte.
2. Bisher operierte ein Set ausschließlich im abgeleiteten Datensatz. Jetzt kann als
Quelle ein beliebiger Datensatz, z.B. auch der Basis-Datensatz, angegeben werden.
3. Wie schon oben gezeigt, können die Parameter eines Sets zusätzlich noch von statistischen
Abfragen des jeweiligen Umgebungsobjekts abhängig sein.
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4. Die Objekt-Klasse eines Basis-Objekts muß durch das Set verändert werden können
(semantische Generalisierung).
Objekt 1 Objekt 2
Abgeleitetes Objekt
Mischwald
Nadelwald
Wald
Baumschule
Mischwald
Gen.-Set
Objekt 3
Basis-Datensatz G
Objekt 4
Abgeleiteter Datensatz G’
Abbildung 34: Beispiel Funktionsweise Set
Das Set bewirkt hier die Überführung der Objektklassen Mischwald, Nadelwald und
Baumschule aus dem Basis-Datensatz in die Objekt-Klasse Wald des abgeleiteten
Datensatzes. Anschließend werden die Flächen vom gleichen Set noch zusammengefaßt.
Das nächste Set könnte eine Flächenvereinfachung sein, die sich auf den abgeleiteten Datensatz
bezieht:
Abgeleitetes Objekt
Wald
Abgeleitetes Objekt
Wald
Gen.-Set
Abgeleiteter Datensatz G’
Abgeleiteter Datensatz G’
Abbildung 35: Flächenvereinfachung für abgeleiteten Datensatz
4.5.4 Anwendung der Generalisierungsfunktionen
Zentral für die dritte Entwicklungsstufe ist der optimale Einsatz der Generalisierungsfunktionen.
Aufruf, Zieldaten und Parameter werden dynamisch bestimmt, und zwar aufgrund aller
zur Verfügung stehender Daten.
4.5.4.1 Definieren der Generalisierungsfunktionen
Die Generalisierungsfunktionen werden in Sets verwaltet. Pro abgeleitetem Datensatz können
gewisse Standart-Sets evaluiert werden, die dann in der Mehrheit der abgeleiteten Karten
zum Einsatz kommen. Dafür muß zum einen die Reihenfolge der anzuwendenden Generalisierungsfunktionen
bestimmt werden, wobei die mehrfache Ausführung verschiedener
Generalisierungsfunktionen möglich ist. Zum anderen ist eine Hierarchie für die zu bearbeitenden
Kartenobjekte festzulegen.
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4.5.4.2 Einsatz pro Karte und pro Umgebungsobjekt
Jede Karte (maptech: Mapimage), die Daten eines abgeleiteten Datensatzes zeigt, bekommt
eine beliebige Liste von Generalisierungs-Sets zugeordnet. Bei der Ableitung wird dann jedes
Umgebungsobjekt separat behandelt.
Man beachte, daß immer alle Umgebungsobjekte bearbeitet werden, welche innerhalb der
aktuellen Karte liegen oder diese berühren.
Durch Einsatz von Operationen können dieselben Sets innerhalb derselben Karte unterschiedliche
Parameter haben.
4.5.4.3 Operationsbedingter Einsatz
Die kontext-abhängigen Funktionen werden jetzt auch von Operationen abhängig gemacht
(vgl. 4.2.1.4). Die Parameter sind bereits seit der ersten Stufe an Operationen angelehnt
(vgl. 4.2.1.3). Neu in der Stufe 3 sind aber Operationen, die sich auf Umgebungsobjekte beziehen.
Es können also zusätzlich geometrische Eigenschaften der Umgebungsobjekte oder
statistische Eigenschaften ihrer Inhaltsobjekte ausgewertet werden.
Beispiel: Das Anwenden einer Generalisierungsfunktion könnte wie folgt von einer statistischen Information
des Inhalts abhängig gemacht werden
0: UO MINDIST (kleinste Distanz aller Objekte des UO’s untereinander
1: 0
2:

Entwicklungsstrategie
73
- Abhängigkeit der Generalisierungs-Parameter von geometrischen und informativen
Daten aller Objekte eines Umgebungsobjekts
- Wahl der Generalisierungsfunktionen und deren Reihenfolge aufgrund geometrischer
und informativer Daten der Umgebungsobjekte
4.5.5 Abläufe
4.5.5.1 Erstellen von Ableitungen
Das Vorgehen zum Erstellen von Ableitungen nach Realisieren der Stufe 3 sieht wie folgt aus:
Datenübernahme
Definition abgeleiteter Datensatz
Zeichenschlüssel für Basis-Daten definieren
Visualisierung der Basis-Daten
Zeichenschlüssel für abgeleitete Daten definieren
Karten definieren
Generalisierungs-Sets definieren
Umgebungsobjekte definieren
Liste von Sets/Operationen definieren
Kartenweises Ableiten im Batch-Betrieb
Visualisierung der abgeleiteten Daten
Kontrolle, Korrektur
Ausgabe der Karten
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Die Vorbereitungen bleiben dieselben: Als erstes erfolgt die Übernahme der ATKIS/ALK-
Daten aus EDBS in einen Basis-Datensatz. Danach werden alle abzuleitenden Datensätze
definiert (z.B. DTK10). Zum Visualisieren der Basis-Daten wird ein Zeichenschlüssel erfaßt.
Nach diesen drei Schritten können die Basis-Daten bereits angezeigt und fortgeführt werden.
Als nächstes werden die Zeichenschlüssel der abzuleitenden Karten definiert, wie auch die
Karten selber (Projektion, Ausmaße auf Erdoberfläche, Nezte, freie Grafik). Die Generalisierungs-Sets
mit den nötigen Funktionen werden festgelegt, die Parameter werden durch Versuche
optimiert. Danach werden die Umgebungsobjekte definiert.
Pro Karte wird eine Liste von Generalisierungs-Sets festgelegt, die auch von Operationen
abhängig gemacht werden können.
Nach diesen (einmaligen) Vorbereitungen werden die Karten im Batch-Betrieb abgeleitet. Die
Resultate werden kontrolliert und gegebenenfalls korrigiert.
Schließlich erfolgt die Ausgabe der Daten als Druck oder Datenexport (z.B. EDBS).
4.5.5.2 Fortführen der Basisdaten
Wenn die Basisdaten mutiert werden, hat der Benutzer folgendes zu tun:
1. Mutieren der Daten mittels Editor oder Datenübernahme
2. Kartenweises Ableiten (im Batch-Betrieb)
Es wäre auch möglich, die Software entscheiden zu lassen, welche Karten neu abgeleitet
werden müssen
3. Kontrollieren, ev. interaktives Korrigieren der Ergebnisse
Mit Selektier-Hilfen (SFF-Dateien) kann jedes neu abgeleitete Objekt angesprungen werden.
Beim Ableiten erstellt das Programm automatisch eine Liste der betroffenen abgeleiteten
Datensätze. Als erstes werden dann alle betroffenen Umgebungsobjekte korrigiert. Danach
werden alle Karten abgearbeitet, wobei nach Umgebungsobjekten vorgegangen wird. Frühere
Änderungen von abgeleiteten Daten bleiben erhalten. Dieser ganze Vorgang läuft automatisch
ab, die Resultate müßen aber nachher kontrolliert werden.
4.5.6 Was ist noch zu realisieren ?
Den Autoren der Studie ist bewußt, daß die vollständige automatische Generalisierung auch
mit diesem Konzept noch nicht vollständig realisiert ist.
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Entwicklungsstrategie
75
Schwachpunkte sind und bleiben:
- Die Generalisierungsfunktionen werden trotz dynamischer Parameter kaum ohne interaktives
Nachbearbeiten auskommen
- Die Ableitung selbst bleibt ein relativ zeitaufwendiger Schritt, der einen Batch-Betrieb
fordert
Mit steigender Rechnerleistung müßte der Schwerpunkt der Neuentwicklung zunehmend auf
Realtime-Systeme gesetzt werden. Ein Abarbeiten im Batch-Betrieb wird verschwinden; Änderungen
der Basis-Daten werden sofort in alle abgeleiteten Daten übernommen.
4.5.7 Zusammenfassung
Der letzte Schritt zur automatischen Generalisierungslösung betrifft die Auswahl der
durchzuführenden Generalisierungsfunktionen. Bis zur Entwicklungsstufe 2 wird die
Reihenfolge der Generalisierungsfunktionen durch den Bearbeiter vorgegeben bzw. durch
vordefinierte Joblisten festgelegt. In der erweiterten Version wird deren Einsatz außerdem
von Operationen abhängig gemacht, wodurch eine karten- bzw. situationsabhängige
Anwendung möglich wird. Die Operation realisiert eine automatische Analyse der Eingangs-
bzw. Ausgangssituation. In Abhängigkeit vom Ergebnis der Operation werden dann die
verschiedenen Generalisierungsfunktionen ausgeführt. Erfahrungen, die während der Arbeit
mit Joblisten gewonnen werden, helfen Prioritäten hinsichtlich gleichzeitig auftretender
Konflikte festzulegen.
Kriterien zur Auswahl von Funktionen und ihren Parametern können am Beispiel der Gebäudegeneralisierung
verdeutlicht werden:
1. Typisieren geeigneter Gebäudekonstellationen z.B. Gehöft einer Streusiedlung
2. Unterschreitung von Minimaldimensionen - Gebäudevereinfachung
3. Unterschreitung von Mindestabständen zu Objekten der gleiche ODG - Zusammenfassung
4. Unterschreitung von Mindestabständen zu Linienobjekten - Verdrängung
5. Gewährleistung eines ausgewogenen Hell-Dunkel-Verhältnisses bzw. Lösung von
Restkonflikten - Auswahl von Objekten nach geometrischen und semantischen Kriterien
Da die vollständige Entwicklung von Generalisierungsfunktionen Voraussetzung für die automatische,
situationsabhängige Anwendung darstellt, wird dieser Komplex am Ende der
Software-Entwicklung erfolgen. Erste Erfahrungen bei der Bewertung und Situationsanalyse
bzw. automatisierten Ausführung unterschiedlicher Generalisierungsfunktionen wurden im
Rahmen des AGENT-Projektes publiziert (siehe auch 3.2.2).
Machbarkeitsstudie zum AdV-Forschungs- und Entwicklungsvorhaben „ATKIS: Modell- und kartographische Generalisierung“
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Entwicklungsstrategie
76
Ist-Analyse Entwicklungsstufe 1 Entwicklungsstufe 2 Entwicklungsstufe 3
Vorhandene Funktionalitäten
- DLM-Daten visualisieren
- Ableiten der DTK10 und
DTK25 aus dem Basis-
DLM mit zum Teil automatisierten
Generalisierungsfunktionen
- Die Parameter der Generalisierungsfunktionen
sind
abhängig von den individuellen
Objektklassen
- Es können Generalisierungs-Sets
gestaltet
werden, die mit Hilfe einer
Jobliste hintereinander ablaufen
- Entwicklung und Implementierung von
Generalisierungsalgorithmen für alle
Elementarvorgänge
- Parameter der Generalisierungsfunktionen
können von den individuellen
Objektklassen sowie von
ASTIS- oder Geometrie-Daten abhängig
gemacht werden (Operation)
- Funktionen, die ohne Nachbarobjekte
arbeiten, können von einer Operation
ausgewählt werden
- Es können Generalisierungs-Sets
gestaltet werden, die im Batch-Betrieb
auf eine Auswahl von Karten angewendet
werden
- Ableiten des DLM50 aus
dem Basis-DLM mit automatisierten
Generalisierungsfunktionen
- Ableiten der DTK50 aus
dem DLM50 oder dem
Basis-DLM
-Die Kontrolle und Nachbearbeitung
wird durch
die Entwicklung von Bewertungsroutinen
unterstützt
- Abgrenzung von Umgebungsobjekten
in Abhängigkeit von den
ausgewählten Generalisierungsfunktionen
(z.B. Verkehrsnetz
als Grundlage für die Maschenbildung
bei Flächenvereinfachung
respektive Gebäudegeneralisierung)
- Automatische Fortführung von
Umgebungsobjekten nach Änderung
von Basisdaten
- Erweiterung der Operation für die
Anwendung auf Umgebungsobjekte.
Damit wird eine
Steuerung von Parametern über
geometrische oder informative
Daten aller Objekte eines Umgebungsobjekts
möglich.
Zu entwickelnde
Generalisierungsfunktionen
- Linienverdrängung
- Flächenverdrängung (ohne
Formänderung)
- Vereinfachung von Linien und Flächen
- Verdrängung von Flächen mit Formänderung
- Funktionen für die semantische
Generalisierung
Optimierung der vorhandenen Generalisierungspflichten
- Randbearbeitung
- Verkleinern von Flächen
- Zusammenfassung von Flächen
- Auswahl von Flächen
- Typisieren
Was ist nicht vorhanden
?
- Automatisierte Generalisierungsfunktionen
- Modellgeneralisierung
- Modellgeneralisierung
- Generalisierung von Umgebungsobjekten
- Generalisierung von Umgebungsobjekten
- Globale Optimierung der anzuwendenden
Generalisierungsfunktionen
ersetzt statische Joblisten
- Generalisierung von Umgebungsobjekten
Tabelle 3: Zusammenfassung der Entwicklungsstufen für die Umsetzung einer automatisierten Generalisierung
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Aufwand des Forschungs- und Entwicklungsprojektes
77
5 Aufwand des Forschungs- und Entwicklungsprojektes
5.1 Prototyp und Spezifikation
Das Ziel der ersten Stufe ist ein Prototyp, der die Grundlage für die Weiterentwicklung liefert.
Die Tests werden in enger Zusammenarbeit mit der AdV durchgeführt. Der Erfolg entscheidet
über eine Anpassung des Konzepts.
Spezifikation + Technisches Konzept
Entwicklung
- Vereinfachen von
- Linien
- Flächen
- Flächenverdrängung
- Flächenverkleinerung
- Zusammenfassung von Flächen
- Auswahl von Flächen
- Typisieren
- Funktion abhängig von Operation
- Parameter abhängig von Operation
- Parameter abhängig von Operation
Tests, Dokumentation
Total
240 Arbeitstage (12 Monate)
5.2 Entwicklungsstufe 1
Spezifikation ergänzen
Realisierungskonzept
Entwicklung einer Produktionslinie für Herstellung
von DTK10 und DTK25
Entwicklung einer flexibleren Steuerung
Verfeinerung der Generalisierungsfunktionen
Tests, Dokumentation
Total
320 Arbeitstage (16 Monate)
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Aufwand des Forschungs- und Entwicklungsprojektes
78
5.3 Entwicklungsstufe 2
Vorkonzept anpassen
Technisches Konzept
Entwicklung
- Erweiterung des Datenmodells
- Funktionen der semantischen Generalisierung
- Funktionen mit Geometrieübergang
Tests, Dokumentation
Total
320 Arbeitstage (16 Monate)
5.4 Entwicklungsstufe 3
Technisches Konzept
Entwicklung
- Umgebungsobjekte
- Abgeleitete Objekte
- Erweiterung der Operation
- Erweiterung der Generalisierungs-Sets
Tests, Dokumentation
Total
320 Arbeitstage (16 Monate)
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Voraussetzungen die seitens der AdV zu gewährleisten sind
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6 Voraussetzungen die seitens der AdV zu gewährleisten sind
Die AdV als Auftraggeber eines Entwicklungsprojekts in vorliegendem Umfang hätte aus der
Sicht von Maptech AG folgende Aufgaben:
• Vorgabe von Qualitätskriterien für die Generalisierung, diese müßten zumindest parallel
mit erarbeitet werden
• Evaluieren und Bereitstellen von Testdaten
• Bereitstellung von ALK-Daten bis spätestens Ende der ersten Entwicklungsstufe
• Bereitstellen von AdV-Projektteams für Tests und Koordination mit den Landesvermessungsämtern
• Testen und Kontrollieren der neuen Funktionalitäten
Da dem ATKIS Basis-DLM in den verschiedenen Bundesländern unterschiedliche Erfassungsquellen
zu Grunde liegen –
1. alte Bundesländer – Basis DGK5
2. neue Bundesländer – Basis TK10
3. Bayern – Basis TK25
ist zu prüfen, inwieweit Auswirkungen auf notwendige Generalisierungsvorgänge vorhanden
sind.
Die automatisierte Generalisierung kann nur anhand realistischer Daten getestet werden.
Sinnvoll wäre deshalb die Durchführung von Projekten, in welchen die Fähigkeiten der einzelnen
Entwicklungsstufen zu bewerten sind. Kann ein Projekt mit einer fertiggestellten Stufe
erfolgreich durchgeführt werden, so wird die nächste Stufe in Angriff genommen.
Die Projekte könnten wie folgt aussehen:
• Ende der Stufe 1:
Ableiten einer oder mehrerer DTK10 und DTK25 aus dem Basis-DLM, anschließende
Simulation einer Fortführung der Basis-Daten und Betrachten der Auswirkungen auf
die abgeleiteten Karten
• Ende der Stufe 2:
Ableiten der DLM50 aus der Basis-DLM, Ableiten einer oder mehrerer DTK50 aus dem
DLM50 (oder auch aus dem Basis-DLM), Verifizieren der Erhöhung des Automatisierungsgrades
• Ende der Stufe 3:
Ableiten von DTK10, DTK25 und DTK50, Verifizieren des Automatisierungsgrades; die
Datenqualität muß hier einwandfrei sein
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Abschätzung des zu erreichenden Automatisierungsgrades
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7 Abschätzung des zu erreichenden Automatisierungsgrades
Zur Illustration des Automatisierungsgrades sollen nochmals die Errungenschaften der Entwicklungsstufen
dargelegt werden:
• Vorhandensein aller nötigen Generalisierungsfunktionen, um DTK10, DTK25, DLM50
und DTK50 ableiten zu können
• Flexible Funktions- und Parameterwahl, so daß auf lokale geometrische und informative
Gegebenheiten eingegangen werden kann
• Automatisiertes Nachführen von abgeleiteten Daten, wenn Basisdaten verändert werden
• Abgeleitete Daten können zusätzlich interaktiv geändert werden
Was die Datenmodellierung und -manipulation betrifft, so kann mit dem vorliegenden Konzept
gewiß ein hoher Standart erreicht werden, gemessen an den gegenwärtigen technischen
Möglichkeiten. Entscheidend für die Anwendbarkeit der Generalisierungsfunktionen
und den Grad der Einsparungen ist die Qualität der Algorithmen. So wird eine kontinuierliche
Entwicklung und Verbesserung unerläßlich bleiben.
Mit diesem Entwicklungsvorhaben werden folgende Vorgänge weitgehend automatisiert:
1. Ableitung der DTK10 und der DTK25 aus dem Basis-DLM
2. Ableitung des DLM50 aus dem Basis-DLM
3. Ableitung der DTK50
Damit erhält die AdV eine integrierte Produktionslinie mit hohem Automationsgrad, welche
alle notwendigen Funktionen für die verschiedenen Ableitungen beinhaltet. Eine Quantifizierung
des zu erreichenden Automationsgrades ist zum jetzigen Zeitpunkt nicht möglich. Im
Haus maptech sind jedoch die Kenntnisse vorhanden, wo eine Automation sinnvoll angesetzt
werden kann. Beispielhaft ist die Abschätzung des Landesvermessungsamtes Sachsen zur
Ableitung der TK50 (siehe Abschnitt 3.4.1.3).
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Herstellerneutralität
81
8 Herstellerneutralität
Das vorliegende Entwicklungskonzept konzentriert sich auf die Neuentwicklung von Generalisierungsfunktionen
und deren Einbettung ins maptech Mapping System, mit allen nötigen
Erweiterungen.
Die Herstellerneutralität umfaßt zwei Aspekte: Zum einen die Integration von Generalisierungsfunktionen
(z.B. an Universitäten entwickelt) ins maptech Mapping System im speziellen;
weiter die Integration von Generalisierungsfunktionen in andere Systeme im allgemeinen.
8.1 Fremdfunktionen im maptech Mapping System
Erste Erfahrungen mit der Integration von Generalisierungsfunktionen hat Maptech AG bereits
durch die Zusammenarbeit mit der Universität Dresden gemacht. Es besteht außerdem
ein Vorkonzept über die dynamische Einbindung von Fremdfunktionen mit dazugehörigen
Userinterfaces.
Folgende drei Szenarien sind möglich
a) Die Integration erfolgt in enger Zusammenarbeit, wie bereits mit der Technischen
Universität Dresden. Die neuen Generalisierungsfunktionen werden in Form von Software-Komponenten
auf eine maptech-Zielplattform portiert oder dort entwickelt. Die
Komponenten werden in eine Bibliothek integriert. Der Einsatz erfolgt über wohldefinierte
Schnittstellen, die unabhängig vom Datenmodell sind. Die Integration in andere
Zielsysteme ist somit prinzipiell jederzeit möglich. Die Userinterfaces müssen allerdings
dem jeweiligen Zielsystem angepaßt werden.
b) Eine Fremdfunktion kann aus einem eigenständigen Programm bestehen, welches
im Batch-Betrieb mit Steuerdateien aufgerufen wird (wie z.B. CHANGE der Universität
Hannover). In diesem Fall sorgt Maptech AG für Schnittstellen und Userinterfaces.
c) Es besteht bereits ein Vorkonzept über das dynamische Einbinden von Funktionen mit
dazugehörigen Userinterfaces. Nach der Realisierung sähe das Vorgehen wie folgt aus:
• Maptech AG liefert wohldefinierte, datenmodell-unabhängige Interfaces für die Kartendaten
(Geometrie, statistische Informationen, Objektklassen etc.)
• Der Drittanbieter entwickelt seine Funktionen und Userinterfaces, welche dann über
sogenannte Dynamic-Link-Objects während der Laufzeit dazugeladen werden.
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Herstellerneutralität
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Dieses Vorgehen hat im Gegensatz zu a) den Vorteil, daß der Drittanbieter unabhängig
auf dem maptech System entwickeln und testen kann.
8.2 Eingliederung von Fremdfunktionen im Allgemeinen
Einige Programme stellen die Möglichkeit von Plugins zur Verfügung. Dies entspricht dem
dynamischen Einbinden von zusätzlichen Funktionalitäten, wie sie oben unter Punkt c) aufgezeigt
wurden.
Beim Realisieren eines Plugins muß allerdings auf folgendes geachtet werden:
a) Unterstützt das Datenmodell des „Wirtsystems“ alle Anforderungen der Basisdaten
b) Ist ein verlustfreier Austausch der Daten möglich
c) Sind die Vorteile des „Wirtsystems“ groß genug, um den Aufwand eines Plugins zu
rechtfertigen
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Hinweise zur Kartengraphik DTK50
83
9 Hinweise zur Kartengraphik DTK50
Konkrete Vorschläge zur Entwicklung des SK50, unter dem besonderen Gesichtspunkt der
Eignung für automatisch ablaufende Generalisierungsprozesse, können momentan nicht
gemacht werden. Erkenntnisse hierzu sind, im Falle einer Umsetzung der Entwicklungsstrategie
aus Kapitel 4, spätestens in Phase 2, der Ausdehnung einer automatischen Generalisierung
auf kleinere Maßstäbe zu erwarten.
Aussagen von Heyde (1996) zur Gestaltung der Topographischen Karte 1:25000 (DTK25)
können in analoger Weise auf die Gestaltung der DTK50 erweitert werden. So sind auch hier
die Zwischenräume so zu dimensionieren, daß sie deutlich über dem Auflösungsvermögen
des menschlichen Auges liegen, d.h. eine Erweiterung der bisherigen Mindestdimensionen
wäre festzusetzen. Ähnlich sind die Vorschläge zu Farbgebung, Schrift, Symbolik, etc. übertragbar
(siehe auch Entwurf des Arbeitskreises Topographie und Kartographie zu DTK50-
Graphikgrundsätzen). Die Forderung nach einer großzügigeren Generalisierung als bisher
unterstützt die visuelle Erfassung bei Bildschirmdarstellungen und vereinfacht automatisch
ablaufende Generalisierungsoperationen.
Der Gebäude- und Siedlungsgeneralisierung kommt in mittleren Maßstäben (ab 1:25000)
besondere Bedeutung zu, da diese einerseits den Charakter der Landschaft wesentlich mitbestimmen,
andererseits nicht mehr alle Gebäude dargestellt werden können → „Stellvertreterprinzip“.
Zählt man die Häuser in verschiedenen Karten der Schweizer Landestopographie
aus, so erhält man im Mittel je nach Maßstab noch folgende Prozentanteile der wirklich vorhandenen
Häuser (Spiess 1990):
1:10000 100% der effektiven Häuser
1:25000 ~100%
1:50000 ~70%
1:100000 ~30%
Die Bedeutung der Karten und deren graphische Gestaltung befinden sich in einem
Umbruchsprozeß. Hauptursache ist die Ablösung der Karte als Informationsspeicher durch
digitale Landschaftsmodelle. Damit wird eine Konzentration auf reine Präsentationszwecke
möglich (Grimm 1993). Dieser Entwicklung sollte eine neue Kartengraphik und die damit
verbundene Generalisierung Rechnung tragen.
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Zusammenfassung
84
10 Zusammenfassung
Den Landesvermessungsämtern in Deutschland ist es gelungen, einen umfangreichen digitalen
Datenbestand Amtlich Topographisch-Kartographischer Daten (ATKIS) aufzubauen.
Deren Visualisierung ist derzeit, unter Berücksichtigung traditionell gewachsener Ansprüche
an Inhalt und Erscheinung, nur durch aufwendige manuelle Bearbeitung zu erreichen. „Den
größten zeitlichen Anteil nimmt davon die Generalisierung ein“ (Röhrich et. al 1998). Nach
Erfassung der Daten, müssen ca. 90 Prozent des Aufwandes für Generalisierungsarbeiten
veranschlagt werden. Das verdeutlicht einerseits die Komplexität der Problematik, zeigt andererseits
aber auch das erhebliche Potential hinsichtlich Zeit- und Kosteneinsparung.
Die vorliegende Machbarkeitsstudie liefert ein Konzept für die Entwicklung einer automatischen
Modell- und kartographischen Generalisierung von ATKIS-Daten. Ziel ist zum
einen die effektive Ableitung Digitaler Landschaftsmodelle (DLM) geringerer Auflösung aus
dem Basis-DLM, zum anderen die Automatisierung der Produktion Digitaler Topographischer
Karten (DTK). Die Einführung automatischer Verfahren ist ein schrittweiser Prozeß, der nur
in enger Zusammenarbeit mit dem Anwender gelöst werden kann. Konkrete Anforderungen
der Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen (AdV) werden in Kapitel 2 anhand
der Ausschreibung zur Machbarkeitsstudie und der Fortschreibung des AdV-Konzepts für die
Modellierung der Geoinformationen des amtlichen Vermessungswesens näher erläutert.
Die Studie baut auf dem aktuellen Stand der Forschung zur automatischen Generalisierung
auf. Dazu werden in Kapitel 3, nach der einführenden Begriffsbildung, aktuelle Projekte, die
sich mit Fragestellungen der Modell- oder kartographischen Generalisierung beschäftigen,
vorgestellt. Langjährige Erfahrungen auf dem Gebiet der Modellgeneralisierung existieren
am Institut für Kartographie und Geoinformation der Universität Bonn unter der Leitung von
Prof. Morgenstern. Die Arbeiten beziehen sich im wesentlichen auf ATKIS, so daß die Erfahrungen
in vollem Umfang für praktische Realisierungen verwendet werden können. Fazit der
Bonner Arbeiten ist, daß die „... Modellgeneralisierung für den Übergang vom DLM25 zum
DLM200 weitgehend automatisch durchgeführt werden kann“ (Schürer 1999). Damit sollte
eine Ableitung des DLM50 aus dem Basis-DLM ebenfalls möglich sein.
Das AGENT-Projekt, welches mehrere europäische Forschungsgruppen aus dem Bereich
der kartographischen Generalisierung vereint, wird ebenfalls in Kapitel 3 vorgestellt. Hier
liegen bisher keine abschließenden Aussagen vor, da die Entwicklungsarbeiten noch bis
Ende 2000 durchgeführt werden. Neben der notwendigen Implementierung von Algorithmen
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Zusammenfassung
85
für die verschiedenen Generalisierungsfunktionen (Vereinfachung, Zusammenfassung, Verdrängung
etc.) wird vor allem deren Zusammenspiel im Rahmen eines „AGENTEN-Konzeptes“
näher untersucht. Wesentlich ist hier die Entwicklung von geeigneten Bewertungsgrößen
zur Selbstevaluierung der zu generalisierenden Objekte, respektive „AGENTEN“. Der Vergleich
unterschiedlicher Qualitätsgrößen und die daraus resultierende Auswahl anzuwendender
Generalisierungsfunktionen ist ein zur Zeit ungelöstes Problem.
Ein weiteres vorgestelltes Projekt ist das Programmsystem CHANGE der Universität Hannover.
Hierbei handelt es sich um eine Software zur Gebäudegeneralisierung, die an verschiedenen
Landesvermessungsämtern eingesetzt wird. Hauptanwendung ist die Integration von
Gebäudedaten des Amtlichen Liegenschaftskatasters (ALK) in ATKIS.
Eine Verdrängung von Gebäuden, die z.B. durch Strassen überlagert werden, ist mit
CHANGE nicht durchführbar. Hier ist eine weiterführende Konfliktlösung mit dem Energieminimierungsansatz
der Technischen Universität Dresden denkbar. Hauptgrund für die detailliertere
Darstellung im Rahmen der Machbarkeitsstudie (siehe auch 11.3) ist, daß umfangreichere
wissenschaftliche Forschungen zur Lösung der teilweise komplexen Aufgaben unerlässlich
sind. Die Erfahrungen und Erkenntnisse aus anderen Wissenschaftsbereichen als
der Kartographie (Computergeometrie, Physik, Bildverarbeitung, Informatik, Mathematik etc.)
sind nach Möglichkeit zu nutzen.
Das vorgestellte Konzept eines Generalisierungssystems von Vickus (1994) beschreibt die
Rahmenbedingungen, welche für eine automatische Generalisierung zu berücksichtigen
sind. Hier werden unter anderem die Integration von Teilvorgängen der Generalisierung in
einem Gesamtsystem und die Notwendigkeit eines Fortführungskonzepts genannt.
Ein Schwerpunkt in Kapitel 3 ist die Beschreibung bisheriger Erfahrungen der Landesvermessungsämter
und der Firma Maptech AG bei der automatischen Ableitung topographischer Karten.
So folgt eine Darstellung vorhandener automatischer Generalisierungsoperationen anhand
von Beispielen und deren Steuerung über ein User-Interface. Des weiteren wird beschrieben,
wie beliebige Kombinationen verschiedener Generalisierungsfunktionen mittels
Joblisten realisiert werden können. Die Ableitung Digitaler Topographischer Karten wird als
Gesamtprozeß betrachtet, so daß auch Vorgänge die nicht unmittelbar an eine Generalisierung
gekoppelt sind, nach Möglichkeit automatisiert werden können. Ein Beispiel ist die automatische
Randbearbeitung. Die vorgestellten Arbeiten zeigen, daß eine erfolgreiche Zusammenarbeit
zwischen Universitäten und Herstellern kartographischer Software möglich ist.
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Zusammenfassung
86
Abschließend werden in Kapitel 3 die Erfahrungen verschiedener Landesvermessungsämter
bei der rechnergestützten Ableitung topographischer Karten genannt. Es wird eine Aufwandsschätzung
für die konventionelle Kartenableitung und die Herstellung topographischer
Karten mit Software der Firma Maptech AG durchgeführt. Dabei zeigt sich das große Potential,
hinsichtlich Materialeinsparung, Kostensenkung, Qualität, Reproduzierbarkeit etc., welches
der Übergang von der analogen zur digitalen Kartographie und der damit verbundenen
Automatisierung bietet.
In Kapitel 4 wird aufbauend auf dem Ist-Stand der Produktion Digitaler Topographischer Karten
mit Software der Firma Maptech AG eine Entwicklungsstrategie aufgezeigt, die eine automatische
Ableitung topographischer Karten zum Ziel hat. Dazu wird ein Konzept in 3 Stufen
vorgeschlagen. Am Ende der Stufe 1 soll ein Prototyp vorliegen der alle wesentlichen
Generalisierungsfunktionen beinhaltet und eine Ableitung der DTK10 und DTK25 aus dem
Basis-DLM ermöglicht. Die Stufe 2 beschäftigt sich mit der Automatisierung von Vorgängen
zur Ableitung des DLM50 aus dem Basis-DLM. Hauptbestandteile sind die Entwicklung von
Funktionen der semantischen Generalisierung und die Umsetzung von Geometrieübergängen
(z.B. Fläche → Linie). In der Entwicklungsstufe 3 werden „Umgebungsobjekte“ eingeführt,
die automatische Fortführung nach Änderung von Basisdaten behandelt und eine Erweiterung
der „Operation“ zur dynamischen Kombination von Teilvorgängen der Generalisierung
vorgenommen.
Kapitel 5 versucht eine Aufwandsschätzung für die vorgestellte Entwicklungsstrategie. Dabei
ist großes Gewicht auf die konzeptionelle Phase zu legen.
Die Umsetzung eines solchen Projektes ist nur mit Unterstützung der AdV möglich (siehe
Kapitel 6). So ist die Vorgabe von Qualitätskriterien für die Generalisierung notwendig. Außerdem
sind Testdaten (z.B. ALK-Gebäudedaten) bereitzustellen, sowie eine Teststrategie
zu entwerfen. Da dem ATKIS Basis-DLM in den verschiedenen Bundesländern unterschiedliche
Erfassungsquellen zu Grunde liegen, ist deren Einfluß zu untersuchen.
Kapitel 7 faßt die Ergebnisse der einzelnen Entwicklungsstufen zusammen und liefert damit
Aussagen zum erreichbaren Grad der Automatisierung. Des weiteren wird beschrieben, inwieweit
Herstellerneutralität bei der Entwicklung einer automatischen Generalisierung zu
erreichen ist. Zum einen betrifft das die Integration von Generalisierungsfunktionen externer
Quellen z.B. Universitäten ins maptech Mapping System, zum anderen die Integration von
Generalisierungssoftware in andere Systeme.
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Zusammenfassung
87
Weiterführende Aussagen zur Herstellung des ATKIS-SK50 unter dem Gesichtspunkt einer
Beschleunigung des kartographischen Generalisierungsprozesses können bei Umsetzung
der Entwicklungsstrategie aus Kapitel 4 spätestens in Phase 2, der Ausdehnung einer automatischen
Generalisierung auf kleinere Maßstäbe, getroffen werden.
Es bleibt festzustellen, daß die Firma Maptech AG die bisherigen Entwicklungen zur rechnergestützten
Ableitung topographischer Karten, auch im Bereich der Landesvermessungsämter
in Deutschland, intensiv begleitet und mitgestaltet hat. Im Rahmen der Machbarkeitsstudie
wird anhand eigener Beispiele nachgewiesen, daß Maptech AG mit den anstehenden
Aufgaben zur Umsetzung einer automatischen Modell- und kartographischen Generalisierung
vertraut ist und sich in der Lage sieht, diese zu realisieren. Dabei wird darauf
hingewiesen, daß die Entwicklung von Software zur automatischen Ableitung topographischer
Karten ein schrittweiser Prozeß ist, der nur in enger Zusammenarbeit mit dem Anwender
gelöst werden kann.
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Anhang
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11 Anhang
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Anhang
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11.1 Programm CHANGE des IfK Hannover
11.1.1 Verfahrensablauf zur Erstellung topographischer Karten bei der Landesvermessung
+ Geobasisinformation Niedersachsen (LGN)
11.1.1.1 Allgemeines
Adresse:
Landesvermessung + Geobasisinformation Niedersachsen
Podbielskistraße 331
30659 Hannover
Telefon: (05 11) 6 46 09 - 5 55
Telefax: (05 11) 6 46 09 - 1
11.1.1.2 Produkte
Die LGN bietet die Topographischen Landeskartenwerke neben der analogen Form als Papierkarten
auch in gescannter Form als Rasterdaten an. Die Inhalte und Form sind identisch.
Die Rasterdaten liegen in Standardauflösungen von 100 Linien pro cm oder 200 Linien pro
cm vor (254 dpi bzw. 508 dpi).
Die Abgabe erfolgt im Blattschnitt der Topographischen Landeskartenwerke. Auf Ihren
Wunsch hin ist selbstverständlich eine Abgabe in blattschnittfreien Ausschnitten und Zusammenfügungen
möglich.
Deutsche Grundkarte 1 : 5000 (DGK 5)
Topographische Karte 1 : 25 000 (TK 25)
Topographische Karte 1 : 50 000 (TK 50)
Topographische Karte 1 : 100 000 (TK 100)
Übersichtskarte Niedersachsen 1 : 500 000 (ÜKN 500)
Niedersachsenkarte 1 : 1 000 000 (Ni 1000)
Die Rasterdaten sind am Blattschnitt und an den Inhaltsebenen der analogen Kartenwerke
orientiert. Jede Inhaltsebene eines Kartenblattes wird in einer Datei abgebildet. Aus diesen
Datensätzen lassen sich beliebige Kombinationen erzeugen.
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Anhang
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Inhaltsebenen DGK5 TK25 TK50 TK100 ÜKN500 Ni1000
Grundriß x1 x x X x1 x
Schrift - x x x - x
Gewässerkontur - x x x x2 x
Gewässerschrift - x x x - x
Gewässerfläche - x x x - x
Höhenlinien x x x x - -
Waldfläche - x x x x x
Wattfläche - x x x - -
Gartenfläche - x x x - -
Vegetation - - x x - -
Regionalstraßendecker - - x x x -
Fernstraßendecker - - x x x -
Schummerung - - x x - -
Ortsfläche - - - - x
Grenzband - - - - x
Tabelle 3: Inhalte der topographischen Karten (x1 mit Schrift, x2 mit Schrift und Decker)
Datensätze für einfarbige Darstellungen geben wir im Datenformat TIFF CCITT Group 4 und
Datensätze für mehrfarbige Darstellungen in TIFF LZW Kompression an Sie ab. Auf Wunsch
auch andere Formate wie TIFF 1(unkomprimiert), PCX, BMP, GIF u.a.
Die Daten werden in zwei Auflösungen angeboten: 100 und 200 Linien pro Zentimeter
(L/cm). Eine Ausnahme bildet die DGK 5. Sie wird mit 250 und 500 dots per inch (dpi) abgegeben.
Das entspricht ca. 98 bzw. 197 L/cm.
Die Datenmenge ist vom Kartenwerk, dem Datenformat sowie der von Ihnen gewählten Auflösung
abhängig. Für einfarbige Kombinationen in TIFF CCITT Group 4 mit einer Auflösung
von 200 L/cm ergeben sich folgende durchschnittliche Datenmengen pro Kartenblatt:
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Anhang
91
DGK 5
TK 25
TK 50
TK 100
ÜKN 500
NI 1000
0,7 MByte
3,3 MByte
3,8 MByte
4,2 MByte
8,0 MByte
2,0 MByte
Tabelle 4: Durchschnittliche Datenmengen pro Kartenblatt
11.1.1.3 Topographische Karte 1:10000/1:25000
Die Produktion der TK10 war als das Standardprodukt der LGN geplant. Eine Umfrage ergab
jedoch, daß ein weit aus höherer Bedarf an der TK25 besteht. Für die Erzeugung der TK10
stehen die Daten des BAIS-DLM zur Verfügung, die zuvor durch Modellgeneralisierung und
entsprechender Zusammenfassung, Vereinfachung und einem Geometrieübergang z.B. der
flächenhaften Straßenflurstücke zu linienhaften Mittelachspolygonen generalisiert wurden.
So kann eine einheitliche Signaturierung erfolgen.
Der weitere gesamte Verfahrensablauf (Abbildung 36) zeigt den internen Aufbau zur Herstellung.
Die Produktion des Standardwerkes TK25 ist in Abbildung 37 dargestellt. Hierbei werden
ALK-Gebäude von CHANGE zusammengefaßt und vereinfacht. Die Straßensignaturen sind
bereits als Mittelachspolygone vorhanden. Eine Verdrängung erfolgt manuell an den Stellen,
bei denen eine starke Verbreiterung der Straßensignaturen stattfindet. Dies sind in der Regel
Durchgangsstraßen. Einzelne Gebäudedarstellungen müssen korrigiert werden. Die abschließende
Präsentation erfolgt durch Prioritätensteuerung, d.h. die Straßensignaturen und
deren Freistellung werden über die Gebäudesignaturen gezeichnet.
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Anhang
92
DTK 10 - Verfahrensablauf unter SICAD/open
Geobasisdaten
DLM 25/2
^=
Topographie
DGM 5
^=
Relief
ALK
^=
Gebäude
Anlegen eines RDBMS und der GDB-X-Datenbanken ( je Blatteinheit )
dgm
alk
RDBMS
dtk3522no
dtk
atk
dlm
Einlesen der Datei in die jeweilige Datenbank
alk dgm dlm
Umwandlung
Präsentation der ALK-Gebäudedaten alk atk
in ATKIS-
Gebäudeobjekte +
Präsentation der DGM-Daten
Präsentation der DLM-Daten
gerechnete Höhenlinien
+ Höhenlinienzahlen
Rohpräsentation
aus Verfahrenstabellen
+ prozedurgesteuerte,
automatische Ergänzung
(visu 1)
dgm
+
dlm
+
Präsentation der Texte und
Signaturen
Prozedurgesteuerte automatische
Ergänzungen (visu 2)
dtk
Interaktive kartographische Bearbeitung in der DTK-GDB
Texterzeugung
Generalisierung
Automatische Ergänzung von Titel zu Legende
Rasterdatenarchivierung
Postscript - Abzug
Auflagendruck
Landesvermessung + Geobasisinformation Niedersachsen
Abbildung 36: DTK10 Verfahrensablauf
Machbarkeitsstudie zum AdV-Forschungs- und Entwicklungsvorhaben „ATKIS: Modell- und kartographische Generalisierung“
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Anhang
93
Landesvermessung + Geobasisinformation Niedersachsen
Abbildung 37: DTK25 Verfahrensablauf
Machbarkeitsstudie zum AdV-Forschungs- und Entwicklungsvorhaben „ATKIS: Modell- und kartographische Generalisierung“
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Anhang
94
11.1.1.4 Topographische Karte 1:50 000/1:100 000
Während die TK10/25 auf einer vektororientierten Lösung basiert, wird die TK50/100 auf
Rasterdatenbasis erstellt. Die Generalisierung erfolgte also schon in der Vergangenheit, als
die Karten manuell hergestellt wurden. Diese manuelle Bearbeitungsweise wird auch bei der
Fortführung beibehalten. Hier finden jedoch digitale Werkzeuge ihren Einsatz. Maskierfolien
und Schneidemesser werden durch einen digitalen Editor ersetzt. Die Neueinträge bzw. Änderungen
in der Karte werden zunächst mit einem vektorgestützen Editor vorgenommen und
nach Abschluß der Arbeiten fest in das Rasterformat übernommen. Es erfolgen also keine
automatischen Generalisierungsroutinen; die gesamte Ableitung und Fortführung erfolgt
durch den Kartographen.
Fortführungsentwurf
Variable TK50/100
Titel/Legendenteile
Rasterdatenarchiv
TK25 alt
TK50/100 alt
Scanner
Datenaufbereitung
Digitale
TK50/100
alt
Verkl.
digitale
Kombis
Tk25 alt
Verkl.
Fortf.
Entwurf
Digitale
Titel-/
Legendenteile
digitale Zusammenfassung
Kombin. mit
Standardleg.
Korrekturlesung
Korrekturlesung
Kartographisch Interaktiver Arbeitsplatz -KIAP-
SICAD / OPEN
digitale Fortführung / Korrektur / Nachträge
TK50/100
(Karteninhalt)
Proofplot
TK50/100
Titel/Legendenteile
Proofplot
Post Script Belichter
Rasterdatenarchiv
TK50 neu
TK100 neu
TK50/100 neu
Kombi
TK50/100 neu
Druckvorlagen
Offsetdruck
TK50/100 neu
Milit. Ausgabe
TK50/100 neu
Abbildung 38: DTK50 Verfahrensablauf
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Anhang
95
11.1.1.5 Beispiele
Für die TK25 gibt es das Blatt 3615 Bohmte für eine ländliche Siedlungsstruktur (siehe
11.1.7). Hierbei wurde nach dem oben genannten Verfahren eine generalisierte Karte aus
dem Basis-DLM hergestellt.
Bereitstellung der Daten
Bearbeitung mit CHANGE
(Konvertierung, Rechenlauf)
Manuelle Nachbearbeitung
(Verschieben, Umformen)
Noch keine Angabe erhalten
0,5 Stunden
8 Stunden
Tabelle 5: Arbeitsaufwand pro Blatt ca.
11.1.2 Programmsystem CHANGE
11.1.2.1 Allgemeines
CHANGE - Programmsystem zur Generalisierung von Gebäuden und Straßen
Adresse:
Universität Hannover
Institut für Kartographie
Appelstr. 9 A
30167 Hannover
11.1.2.2 Globales Konzept
Das Programmsystem CHANGE des IfK generalisiert Gebäude (CHANGE_Buildings) und
Straßen (CHANGE_Roads) im Batch-Betrieb. Nach Objektarten getrennt werden die Objekte
mit der Generalisierungs-Software vektororientiert verarbeitet. Die Steuerung der Generalisierung
erfolgt durch Direktiven in einer editierbaren Direktiven-Datei. Neben dem Eingangsund
Folgemaßstab können weitere Parameter festgelegt werden, wie z.B. graphische Mindestgrößen,
die den Grad der Generalisierung bestimmen. Die standardmäßig vorgegebenen
graphischen Mindestgrößen entsprechen den in den Zeichen-Vorschriften und der Literatur
beschriebenen Größen. Anpassungen an benutzerspezifische Anforderungen können
vom Anwender unmittelbar in der editierbaren Direktiven-Datei vorgenommen werden.
Machbarkeitsstudie zum AdV-Forschungs- und Entwicklungsvorhaben „ATKIS: Modell- und kartographische Generalisierung“
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Anhang
96
Während der Batch-Generalisierung werden Fehler- und Systemmeldungen auf eine Protokoll-Datei
geleitet, die bei jedem Programmlauf angelegt wird und die dem Benutzer eine
erste Beurteilung des Generalisierungsprozesses erlaubt. Ein Beispiel für die automatische
Bearbeitung von Straßen und Gebäudegeometrien (1: 1000) für den Maßstab 1:10000 und
1:25000 mit Programm-System CHANGE ist in 11.1.5 beigefügt.
Die einzelnen Komponenten und deren Zusammenwirken werden in 11.1.3 dargestellt.
11.1.2.3 CHANGE_Buildings
Der Programmbaustein CHANGE_Buildings ermöglicht die Generalisierung von Gebäudeobjekten
im Maßstabsbereich 1:1000 bis 1:50000.
CHANGE_Buildings umfaßt eine Datenüberprüfung und Korrektur, die Vereinfachung der
Gebäudekonturen sowie die Zusammenfassung benachbarter Gebäude. Sämtliche Operationen
erfolgen parametergesteuert nach geometrischen und nach begrifflich-geometrischen
Bedingungen.
Leistung und Umfang des Programm-Systems CHANGE_Buildings: Die Generalisierung wird
einerseits durch geometrische Restriktionen und andererseits durch begrifflich-geometrische
Regeln gesteuert. Die geometrischen Vorgaben ergeben sich dabei durch den Maßstab des
Ausgangsmodells und den Maßstab des Folgemodells verknüpft mit den bekannten Minimaldimensionen
für graphische Elemente. Für die begrifflich-geometrische Generalisierung
sind bestimmte Regeln für die Bewertung und Neuklassifizierung der Attribute und den Objekten
zugeordneten Objektklassen aufzustellen.
Das Programm ANGI ermöglicht vor Beginn der eigentlichen Generalisierung eine Datenüberprüfung
und Plausibilitätskontrolle der Eingangsdaten. Hierbei werden Digitalisierungsfehler,
Überschneidungen u.a. Unzulänglichkeiten aufgedeckt und behoben.
Die automatische Konturen-Generalisierung erfolgt objekt-sequentiell. Dabei wird jedes Polygon
auf Kleinseiten überprüft; die gegebenenfalls auftretende Kleinseitenkonfiguration wird
klassifiziert und mit dem entsprechenden Generalisierungsmodul verarbeitet.
Nachfolgend bietet das Programm die Möglichkeit der Zusammenfassung von benachbarten
Gebäuden, wobei in Abhängigkeit von der Größe der Grundrißfläche eine Verschiebung oder
Verbindung von den Gebäuden vorgenommen wird. Anschließend wird eine zweite Konturen-Generalisierung
durchgeführt.
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Anhang
97
Während des gesamten Programmablaufes können begrifflich-geometrische Generalisierungsprozesse
durchgeführt werden. Dabei werden z.B. die Objekte gleicher Art zusammengefaßt.
11.1.2.4 CHANGE_Roads
Der Programmbaustein CHANGE_Roads dient dazu, bandförmige Situationsobjekte, insbesondere
Straßen-Darstellungen, rechnergestützt für die Darstellung in Folgemodellen aufzubereiten.
Das System gliedert sich in den Bereich der Modell-Generalisierung (graphik-unabhängige
Reduktion geometrischer und semantischer Details) und in den der Kartographischen
Modellierung (graphik-abhängige Generalisierung) (siehe 11.1.3). Für die Modell-Generalisierung
stehen drei Komponenten zur Verfügung:
• Das Programm ACHSE berechnet die Mittelachsen der Objekte ausgehend von digitalisierten
Konturen und bestimmt die Objektbreite für jeden Achspunkt.
• Das Programm LAENA erzeugt die topologische Struktur des Verkehrswegenetzes
(Knoten- und Kantenstruktur).
• Das Programm GALINO stellt verschiedene Methoden der Liniengeneralisierung zur
Verfügung.
Für die Kartographische Modellierung stehen zwei Module zur Verfügung. Sie sind von den
obigen Modulen zur Modell-Generalisierung unabhängig.:
• Mit dem Programm DOPLI werden Doppellinien aus einlinigen Elementen abgeleitet.
• In dem Programmodul RESI werden Doppellinien in Kreuzungs- und Einmündungsbereichen
gelöscht.
Die Eingangsdaten für das Programmsystem CHANGE_Roads können durch Konturendigitalisierung
mit einem beliebigen Erfassungssystem erzeugt werden. Beim Programm-Start
muß ein digitaler Datenbestand vorliegen, wobei objektweise die linke und die rechte Straßenkontur
aufeinander folgen müssen.
Im Programme ACHSE werden die Mittelachsen-Polygone objektweise aus den Stützpunktfolgen
der Konturen berechnet. Dabei werden als erstes Mittelachsen-Elemente bestimmt.
Hierbei handelt es sich um Teilstücke der Winkelhalbierenden und im Extremfall um Abschnitte
der Mittelparallelen. Diese Mittelachsen-Elemente werden vom Programm zwischengespeichert
und im nächsten Berechnungsschritt miteinander verbunden. Treten zwischen
zwei gefundenen Mittelachsen-Abschnitten Lücken auf, werden diese durch Zwischenstücke
aufgefüllt. Die gefundenen Mittelachsen-Elemente werden abschließend zu
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Anhang
98
einem kontinuierlichen Mittelachsen-Polygon zusammengesetzt. Hierbei wird gleichzeitig die
Objektbreite berechnet und abgespeichert.
Das Programm LAENA untersucht am jeweiligen Objektanfang und -ende eines Mittelachsen-Polygons
die Nachbarschaft darauf hin, ob eine Verlängerung oder Verkürzung zur
Herstellung der Topologie des Verkehrswegenetzes durchzuführen ist. Diese Maßnahme ist
notwendig, weil die Mittelachsen nur im Bereich der Konturenpolygone berechnet werden.
Bei Sackgassen oder Plätzen wird eine Verlängerung bzw. Verkürzung der Mittelachsen
durch Eingabe eines entsprechenden Attributs unterdrückt. Die resultierenden Schnittpunkte
mit dem kreuzenden Mittelachsen- Polygon werden a l s neue Stützpunkte eingeführt und
das kreuzende Mittelachsen-Polygon wird an dieser Stelle geteilt. Das Programm korrigiert
automatisch ungewollt schief verlaufende Verlängerungen, die wegen der besonderen Beschaffenheit
von Einmündungen und Kreuzungen auftreten können. Fehlerhafte oder unlogische
Verhetzungen der Mittelachsen-Polygone werden durch Fehlermeldungen auf der Datei
" ERROR.JOB " aufgezeigt.
Das Programm GALINO ermöglicht die Generalisierung (Glättung und Vereinfachung) von
Linienobjekten. Linienknoten können als Zwangspunkte definiert werden, so daß ihre Lage
nicht verändert wird. Linienabschnitte, die von den Berechnungen nicht betroffen sind, werden
mit sämtlichen beschreibenden Informationen unverändert aus dem originären in den
generalisierten Datenbestand übernommen. Folgende Methoden der Generalisierung von
offenen und geschlossenen Polygonen stehen zur Verfügung:
- Cosinus-Glättung
- Stützpunktreduktion nach DOUGLAS & PEUKER
- Tiefpaß-Filterung durch Gleitende Mittelbildung
- Tiefpaß-Filterung durch modifizierte lineare Regression
- Hochpaß-Filterung mit Hilfe eines vorzugebenden Strecken- und Winkelkriteriums
- AKIMA-Interpolation mit zusammengesetzten Polynomen 3. Grades
- Spline-Interpolation mit zusammengesetzten Polynomen 3. Grades
- Polynom-Interpolation mit zusammengesetzten Polynomen 5. Grades
- Spline-Approximation mit zusammengesetzten Polynomen 3. Grades
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Anhang
99
Jede Methode zur Linien-Generalisierung kann eigenständig verwendet werden, wobei vorher
jeweils die für das spezielle Verfahren notwendigen Parameter definiert werden müssen.
Alternativ ist auch ein kombinierter Einsatz von zwei und/oder mehreren Methoden denkbar
bzw. sinnvoll (z.B. Filterung plus Ausrundung u. a.). Während des Programmlaufes wird eine
Protokolldatei geführt, so daß eine nachträgliche Kontrolle über die korrekte Verarbeitung
ermöglicht wird.
Mit dem Programm DOPLI werden auf der Basis der Mittelachsen-Polygone objektweise
doppellinige Signaturen konstruiert. Die Signaturenbreiten werden in Abhängigkeit von der
jeweiligen Objektart festgesetzt.
Folgende Ausgabevarianten sind realisiert:
- Polygone der Doppellinien-Signaturen
- Polygone der Mittelachsen und der Doppellinien-Signaturen.
11.1.2.5 Einsatz von 'CHANGE' → Beispiele;
Das Programmsystem wird in verschiedenen Landesvermessungsämter eingesetzt bzw.
steht in der Erprobung.
Zur den Landesvermessungsämter gehören:
• Sachsen-Anhalt
• Baden-Würtemberg
• Brandenburg
• Niedersachsen
• Catalanien / Spanien
In der Forschung wird es ebenfalls an der Universität Istanbul eingesetzt.
In der 11.1.7 ist das aktuellste Beispiel, Blatt Bohmte (LGN), aus der laufenden Produktion
beigefügt.
11.1.2.6 Erfahrungen
Im Bereich der Modellgeneralisierung findet CHANGE vor allem für den Übergang von der
ALK zum Basis-DLM Anwendung(1:1000 → 1:25000). Hier werden einzelne Gebäude zu
semantischen Gruppen zusammengefaßt und vereinfacht (11.1.4). Das Modul für linienhafte
Objekte erlaubt den Geometrieübergang von flächenhaften zu linienhaften Kartenobjekten.
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Anhang
100
Im Maßstabsbereich 1:10000 ist keine Verdrängung notwendig; hier werden auftretende
Konflikte durch Prioritätensteuerung (Straße über Häuser) bereinigt.
Unsere Untersuchungen zeigen, daß CHANGE_BUILDINGS gut Ergebnisse im Maßstabsbereich
1:1000-1:25000 liefert. Hier liegt der Nachbearbeitungsaufwand bei ca. 5%.
Nach der Vereinfachung und Zusammenfassung erfolgt i.d.R eine interaktive Verdrängung
und Umformung (siehe Erfahrungen der LGN, sowie 11.1.5).
11.1.2.7 Implementierungsmöglichkeiten
Da CHANGE als Batch-Programm ausgelegt ist, ist die Implementierung in jedes GIS möglich.
Zum Datenaustausch wird eine eigenes Datenformat verwendet. Hierbei sind folgende
Restriktionen zu beachten:
Jedes Objekt hat einen Header, der es ermöglicht 7 numerische Informationen aufzunehmen.
Diese werden für die Speicherung des
• Flags für einen Innenhof,
• die Objektnummer (Objekt/Objektteil),
• Objektart (Semantik)
verwendet.
Als Koordinatenwerte sind F10.2-Werte( 0 bis 10 8 -1) möglich.
Spezifische Schnittstellen für die Formate
• DXF
• SQD
stehen bereits zur Verfügung.
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Anhang
101
11.1.3 Software-Komponenten von CHANGE – Anlage 1
Straßen
p
Ausg ang sdaten
Gebäude
Modell-
Generalisierung
Modul Achse
Modul Laena
Modul Galino
Mittelachsen-
Berechnung
Design des topologischen
Netzes
Linienglättung,
und -Vereinfachung
CHANGE_Roads
Modul Angi
Gebäude-
Generalisierung
- Vereinfachen
- Zusammenfassen
CHANGE_Buildings
Generalisiertes Modell
Generalisiertes Modell
Kartogr.
Modellierung
Modul Dopli
Modul Resi
Ableitung von
Linien-Signaturen
Freistellung von
Linien-Sign.
CHANGE_Roads
Interaktive Verdrängungsprozesse
Generalisierte Karte
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Anhang
102
11.1.4 Gebäudegeneralisierung im innerstädtischen Bereich – Anlage 2
Ausgangsdaten
Wichtig!!!
Neue Parameter-Einstellung
für Direktiven-Datei
‚angidir.dat‘
Kennung der Innenhof-Polygone durch eine
Kenn-Ziffer 6 im Headerfeld (1) des Digplot-Formats
N
1. Konturengen.
Zusammenfass.
Y
2. Konturengen. Y
Innenhof-Bearbeitung
mit CHANGE_Buildings
von Datei: Block.fdp
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Anhang
103
11.1.5 Generalisierung der ALK-Gebäude – Anlage 3
Abbildung 39: Teilausschnitt mit ALK-Gebäuden
Abbildung 40: Teilausschnitt mit generalisieren ALK-Gebäuden
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Anhang
104
11.1.6 Generalisierung nach 1:10 000 und 1:25 000 – Anlage 4
Ausgangsdaten
(z. B. 1:1000)
CHANGE-Ergebnis
für 1:10000
CHANGE-Ergebnis
für 1:25000
Darstellung im
Endmaßstab:
1:25000
1:10000
Abbildung 41: Gebäudegeneralisierung für Maßstab 1:10000 und 1:25000
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Anhang
105
11.1.7 Papierkarte TK25 Blatt Bohmte – Anlage 5
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Anhang
106
11.2 Digitale Kartographie beim Thüringer Landesvermessungsamt - Artikel
von F.J. Gros (1999b)
Digitale Kartographie beim Thüringer Landesvermessungsamt
Franz-Josef Gros
State Survey Office of Thuringia
Post Box 907
D-99018 Erfurt
Germany
Zusammenfassung
Der Einsatz von rechnergestützten Methoden in der Kartographie hatte in den vergangenen Jahren
einen enormen Fortschritt zu verzeichnen. Im Zusammenhang mit dem in vielen staatlichen Verwaltungsbereichen
stattfindenden Aufbau von Informationssystemen und deren Anwendung in der Bereitstellung
von Informationen und im besonderen von Geoinformationen erlangt eine rechnergestützte
Herstellung bzw. Ableitung von Karten eine besondere Bedeutung. Dieser Herausforderung stellt sich
auch eine moderne Vermessungsverwaltung für ihre amtlichen Landeskartenwerke, selbst wenn die
digitalen Geobasisinformationen bislang zunächst eingeschränkt verfügbar sind wegen des Aufbauzustandes
sich nur dementsprechend verwenden lassen.
Mit dem folgenden Beitrag wird auf eine Verfahrenslösung eingegangen, so wie diese sich seit Jahresbeginn
1997 in der Thüringer Kataster- und Vermessungsverwaltung, im Thüringer Landesvermessungsamt
als Vertreter der amtlichen Kartographie, abbildet. Die Ergebnisse und die dabei gewonnenen
Erfahrungen, die sich im Zusammenhang mit der Herstellung von topographischen Karten mit
dieser Verfahrenslösung wie auch mit der Ableitung von topographischen Karten auf der Grundlage
des Amtlichen Topographisch-Kartographischen Informationssystem (ATKIS) ergeben haben, werden
dargestellt.
1 Einleitung
Die Kartographie wurde in jahrhundertelanger Erfahrung auf einen hervorragenden Stand in technischer
und künstlerischer Sicht gebracht. Doch in einem zunehmenden Maße sieht sie sich mehr und
mehr mit den Forderungen konfrontiert, die Verfahrensweisen umstellen zu müssen. Die bisherigen,
überwiegend noch konventionell gehaltenen Verfahrensweisen kommen den Ansprüchen nicht mehr
zeitgerecht und auch nicht mehr zeitnah nach. Dies liegt begründet in engen personellen, finanziellen
und materiellen Ressourcen. Doch die amtliche Kartographie ist an die Aufgabe gebunden, daß die
Ergebnisse der topographischen Landesaufnahme in den Landeskartenwerken darzustellen und auf
dem neuesten Stand zu führen sind. Ein Beitrag und eine maßgebliche Grundlage zu einer modernen
Verfahrensweise stellt dabei das ATKIS dar. In diesem ATKIS werden die topographischen Informationen
objektstrukturiert in einer Datenbank gesammelt und aktuell für eine vielfältige Nutzung als staatliche
Dienstleistung vorgehalten und abgegeben. Ein wesentliches Ziel von ATKIS ist dabei, daß von
diesem Datenbestand amtliche topographische Karten abgeleitet werden sollen. Hierzu ist es notwen-
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Anhang
107
dig, nach neuen Methoden und Techniken zu suchen, d.h., geeignete Hard- und Software einzusetzen,
um dieses Ziel zu erreichen.
Für die Thüringer Kataster- und Vermessungsverwaltung soll die Umstellung von der bislang analogen
auf eine rechnergestützte Herstellung und Bearbeitung der amtlichen Landeskartenwerke die nachstehend
aufgeführten Ziele erreichen:
K Effektivität und Rationalisierung in den jeweiligen Verfahrensabläufen zur Kartenherstellung und -
bearbeitung.
K Qualitative Verbesserungen in der inneren Genauigkeit der Topographischen Karten und in der
gegenwärtigen Erscheinungsweise
K Abbau eines bestehenden Aktualitätsrückstandes in den amtlichen Landeskartenwerken des
Freistaates Thüringen
K Erreichen eines Fortführungszyklus´ von fünf Jahren für die amtlichen Landeskartenwerke
K Zeitliche Übereinstimmung zwischen dem Inhalt der amtlichen Landeskartenwerke und der Geobasisinformationen
des ATKIS der amtlichen Landesvermessung
K Aufbau einer digitalen kartographischen Datenbank mit einer blattschnittfreien Datenhaltung
K Nutzung und Integration der Geobasisinformationen aus ATKIS für die Herstellung und Bearbeitung
der amtlichen Landeskartenwerke
K Einsparung von Ressourcen bei der Herstellung und Bearbeitung der amtlichen Landeskartenwerke
2 Die rechnergestützte Verfahrenslösung
2.1 Vorarbeiten
Die ersten Überlegungen zur Automatisierung der Kartographie fanden im Jahr 1994 statt. Diese Bestrebungen
mündeten 1995 in eine konzeptionelle Darstellung zur Automatisierung der Kartographie
im Thüringer Landesvermessungsamt [MapSys, 1994]. Aufbauend auf dieser Konzeption erfolgte im
gleichen Jahr eine Ausschreibung und Beschaffung eines hochauflösenden Trommelscanner/-
recorders Modell LSP120 der schweizer Firma LÜSCHER Maschinenbau AG. Dieses Gerät erfüllte
nach den vorgegebenen Auswahlkriterien die kartographischen Anforderungen sowohl in der Datenerfassung
(Scannen) als auch in der Datenausgabe (Plotten). Im Jahresverlauf 1996 wurde begonnen,
sich konkret mit den Erfordernissen von kartographischen Arbeitsplätzen zur rechnergestützten Herstellung
und Bearbeitung von topographischen Karten auseinanderzusetzen. Auch hierzu lieferte die
konzeptionelle Darstellung die Grundlage. Vor der eigentlichen Ausschreibung und Beschaffung ergab
sich die Möglichkeit zu einer Testinstallation eines kartographischen Arbeitsplatzes. Damit konnte in
einer umfassenden Weise das Funktionalitäts- und Leistungsspektrum der kartographischen Software
untersucht und kennengelernt werden. Parallel zu dieser Testinstallation wurden sowohl andere vorhandene
Hard- und Softwarekonfigurationen als auch damit verbundene Verfahrenslösungen untersucht.
Ein besonders hervorzuhebendes Kriterium bei einem kartographischen Arbeitsplatz ist dabei:
das Prinzip WYSIWYG 1 . Für einen Kartographen an einem Bildschirmarbeitsplatz bedeutet dies:
Tausch des Gravurrings gegen die Mouse. Der Kartograph ist unter Nutzung dieses Prinzips in die
Lage versetzt, unmittelbar am Bildschirm seine ausgeführten Bearbeitungsvorgänge sehen und gege-
1 WYSIWYG: What you see is what you get.
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Anhang
108
benenfalls nachbessern zu können. Ebenso lassen sich leicht verschiedene Darstellungsvarianten
erzeugen, was z.B. bei Generalisierungsarbeiten anfällt. Der Kartograph arbeitet auch nicht mehr im
klassischen Sinne vorlagengetrennt, sondern hat mit dem Einsatz von moderner Rechentechnik jederzeit
direkten Zugriff auf alle Kartenelemente.
2.2 Hard- und Software
2.2.1 Hardware
In der zweiten Jahreshälfte 1996 wurde begonnen die öffentliche Ausschreibung für die Beschaffung
von kartographischen Arbeitsplätzen vorzubereiten, die im Herbst durchgeführt wurde. Zum Jahreswechsel
1996/1997 erfolgte dann die Installation einer Grundausstattung. Diese kartographischen
Arbeitsplätze wurden von der schweizer Firma Maptech AG geliefert. Dabei handelte es sich um IBM-
Rechner vom Typ RS6000. Als Betriebssystem liegt AIX zugrunde. Die Rechnerarchitektur ist auf eine
Client-Server-Lösung ausgelegt. Eine relationale Datenbank kommt auf dem Server zum Einsatz. Als
Ausgabeeinheit ist ein auf SUN-Sparc basierender Printserver mit angeschlossenem Tintenstrahlplotter
im Format DIN A 0 mit einer Auflösung von 300 dpi ∗ 300 dpi in diese Hardwarelösung miteinbezogen.
Alle Arbeitsplätze sind in ein in-house-LAN 2 integriert. 1998 konnte die Grundaustattung mit weiteren
Arbeitsplätzen erweitert werden, so daß derzeit sieben kartographische Arbeitsplätze eingerichtet
sind.
2.2.2 Software
Als kartographische Software kommt das kartographische Informationssystem der Firma Maptech AG
zum Einsatz. Dieses besteht im wesentlichen aus zwei leistungsfähigen Bausteinen: dem Maptech-
Capturing-System (MCS) und dem Maptech-Mapping-System (MMS). Die relationale Datenbank ist
eine INGRES-Datenbank und ermöglicht, daß die erzeugten kartographischen Vektordaten in einer
objektstrukturierten Form blattschnittfrei oder wahlweise auch nach Einrichtung nach einer Kartenblatteinteilung
(Index) gespeichert werden können. Insgesamt betrachtet darf wohl bei dieser Systemlösung
durchaus von einem Kartographischen Informationssystem gesprochen werden, da wesentliche
Funktionalitäten, die auch ein Geographisches Informationssystem definieren, in dieser Systemlösung
berücksichtigt sind. Das Maptech-System umfaßt eine vollständige Produktionslösung zur rechnergestützten
Herstellung und Bearbeitung von Karten. Mit dieser Systemlösung ist ein vollständiger
Datenfluß von der Datenerfassung bis zur kartographischen Ausgabe realisiert, so daß von digitaler
Kartographie gesprochen werden darf [Hurni/Christinat, 1996; Hurni, 1995].
2.3 Verfahrensablauf
Der Herstellungs- und Bearbeitungsablauf wird im folgenden am Beispiel der Topographischen Karte
1:10000 (TK10) dargestellt. Die Abbildung 1 gibt dazu einen schematisierten Überblick. Begonnen
wird mit dem Scannen der analogen Originale der TK10, d.h. mit dem Erzeugen von Rasterdaten mit
dem Trommelscanner/-recorder. Nachdem die Rasterdaten im MCS georeferenziert und entzerrt sind,
werden diese parametergesteuert in Vektordaten umgesetzt. Dies geschieht ebenenweise und objektstrukturiert.
Einzelne Kartenzeichen und das Namensgut der Karte werden mittels Zeichen- und
Schrifterkennung in die digitale Form überführt. In diesem Stadium liegen alle erfaßten und benötigten
Informationen als Achsgeometrien vor. Verbindet man diese Informationen mit einem prädefinierten
2 LAN: Local Area Network
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Anhang
109
Zeichensatz [ThürZIR-TK10, 1997], d.h. mit einem Font aus einer Library, so erhält man am Bildschirm
eine objektstrukturierte und mit kartographischen Zeichen versehene TK10 (siehe Abbildung 2).
Scannen der TK10-
Originale, ebenenorient.
(LSP120)
Georeferenzierung
Entzerrung der
Raster daten über Blatteckenwerte
Orthophotos
Listen
Vektorisierung
der TK10-Rasterdaten,
objektstrukturiert
Topographisches
Laufendhaltungsoriginal
(TLO)
Topographie
Signaturenkatalog,
Musterblatt
Font
Library
(Zeichenbibliothek)
Zeichen- und Schrifterkennung,
Selektion benötigter
Elemente
Aktualisierter,
geometrisch korrekter
ATKIS-Datenbestand
DLM 25/X.
ATKIS
Datenschema,
DKM
Datenbank
ebenenorientierte,
objektstrukturierte,
signaturierte
kartographische Daten
ATKIS
Schnittstelle für
Datenimport
ATKIS/ALK
ALK
Scannen
des
TLO
Überlagerung/Verschneidung
von kartograph. Daten mit
ATKIS-DLM 25-Daten
Map-
Edi
ALK-
Gebäudedaten-
Auswertung
TLO als Hintergrundinformation
(Fortführungsoriginal)
Interaktives Bearbeiten
des Karteninhaltes im
Map-Editor
Korrekturlesung
Erstellen
eines
Prüfplots
Digitale Topographische Karte
(ebenen- und objektstrukturiert)
Farbseparation
RIP
Farb-
Dateie
Druckfilmvorlagenherstellung
(Belichter: LSP120)
Druckerei
Auflagendruck
Abbildung 1:
Verfahrensablauf Herstellung und Bearbeitung Digitaler Topographischer Karten, dargestellt
am Beispiel der Topographischen Karte 1:10000 in der endgültigen Ausbaustufe
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110
Abbildung 2: Kartenausschnitt TK10 nach der Raster-Vektor-Konvertierung (vergrö ßert)
Diese kartographischen Daten werden in die Datenbank überführt, wo sie für einen ständigen Zugriff
zur Verfügung stehen.
Um die TK10 zu aktualisieren, wird derzeit noch das Topographische Laufendhaltungsoriginal (TLO)
als Rasterdatei erzeugt und als Hintergrundinformation den Vektordaten beigestellt. Dieser Vorgang
erfolgt im MMS mit dem Editor und den zur Verfügung stehenden Funktionen des MMS. Die TK10 läßt
sich damit am Bildschirm nach dem Prinzip WYSIWYG aktualisieren, d.h. die veralteten kartographischen
Daten werden durch die neuen topographischen Zustandsinformationen ersetzt. Das bedeutet
auch, daß über diese Vorgehensweise die alten Daten der Datenbank durch die neuen Informationen
überschrieben werden. Die Bearbeitung erfolgt interaktiv, vektoriell und signaturiert (Abbildung 3, 4).
Abbildung 3: Kartenausschnitt TK10 mit hinterlegtem TLO zur Aktualisierung (vergrößert)
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Anhang
111
Abbildung 4: Kartenausschnitt TK10, (© Thüringer Landesvermessungsamt, 1998)
Zukünftig ist vorgesehen, daß die TK10 auf der Grundlage des aktuell geführten ATKIS-Datenbestandes
hergestellt wird; im Verfahrensablauf ist dies so vorgesehen (vgl. Abbildung 1). Hierbei werden die
ATKIS-Daten im EDBS 3 -Format über eine Datenkonvertierung in die Hard- und Softwareumgebung
des Maptech-Systems überführt. Die Datenkonvertierung ist eine sogenannte programmierte Schnittstellenlösung
und unter der Bezeichnung CITRA (Firma CISS-TDI, Sinzig/Rh.) bekannt. Die Datenkonvertierung
und -übernahme von ATKIS-Daten für die rechnergestützte Herstellung der TK10 wird
derzeit in einem Testvorhaben untersucht. Aber auch die Übernahme von ausgewählten Informationen
aus der Automatisierten Liegenschaftskarte (ALK) wird in den Verfahrensablauf mit einbezogen,
insbesondere die Übernahme des Gebäudegrundrisses. Dieser Sachverhalt wird zu einem späteren
Zeitpunkt zu untersuchen und durchzuführen sein, wobei hier Generalisierungsfunktionen zum tragen
kommen werden.
3 Stand der Arbeiten, Erfahrungen, Ziele
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt wurden fünf Topographische Karten 1:10000 rechnergestützt nach dieser
Methodik hergestellt und gedruckt. Dabei zeigte sich bereits bei der ersten TK10, daß eine erheblich
gesteigerte graphische Qualität gegeben ist (Abbildung 5). Die graphische Qualität hatte sich in
den analogen Originalvorlagen, bedingt durch die konventionelle Herstellungsweise, wie z.B. Umkopieren,
im Laufe der Zeit verschlechtert.
Zu Beginn der Herstellungsarbeiten für die TK10 waren zunächst einige zeitintensive Arbeitsvorbereitungen
auszuführen. Die Generierung und Implementierung des Zeichenschlüssels für die TK10 auf
der Grundlage der ThürZIR-TK10 gehörte dazu, d.h. die einzelnen Kartenzeichen mußten alle mit dem
Font-Editor konstruiert und definiert werde, des weiteren das vollständige Erscheinungsbild für die
TK10 mit Kartenrahmen, Kartennetz, Legende und Farbgebung. Bei den Editierarbeiten der Karten-
3 EDBS: Einheitliche Datenbank-Schnittstelle, Datenformat im Bereich des amtlichen Vermessungswesens
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Anhang
112
zeichen wurde im besonderen darauf geachtet, daß diese mit der Objektbildung des ATKIS in Übereinstimmung
stehen. Dieser Sachverhalt ist wichtig für die Übernahme von Informationen aus ATKIS
und deren kartographischer Visualisierung.
Abbildung 5: Visualisierte und signaturierte ATKIS-DLM 25/1-Daten (© Thüringer Landesvermessungsamt, 1998)
Ein weiterer grundsätzlicher Arbeitsvorbereitungsschritt stellte die Wahl der Auflösung der zugrundeliegenden
Rasterdaten dar, mit welchen die Raster-Vektor-Konvertierung ausgeführt wurde.
Aus umfangreichen Versuchen ergab sich für die Auflösung ein Wert von 800 dpi. Mit diesem Auflösungswert
werden die Rasterdaten mit dem Trommelscanner/-recorder erzeugt, der rechnergestützten
Kartographie zur Kartenherstellung übergeben und in das MCS geladen. Die Raster-Vektor-
Konvertierung erfolgt mittlerweile vollständig in einem Batch-Betrieb, wobei dieser Ablauf ebenfalls
durch Parameter gesteuert wird. Diese sind so gewählt und optimiert worden, daß ein hoher Konvertierungsgrad
erzielt wird, der sich mit 85 % bis 90 % umschreiben läßt. Konflikte treten nur noch dort
auf, wo keine Eindeutigkeiten in der Linienführung der umzusetzenden Rasterdaten vorliegt.
Nach dem Vorliegen der mit Kartenzeichen versehenen Vektordaten und den durchgeführten Aktualisierungsarbeiten
zeigte sich im gesamten Verfahrensablauf nach dem derzeitigen Stand zum einen
eine Materialeinsparung [Brunner, 1995] und zum anderen eine zeitliche Verkürzung in der Bearbeitung
der digitalen TK10. Insgesamt läßt sich dieser Effekt derzeit mit näherungsweise 20 % fixieren.
Eine Steigerung des Rationalisierungseffektes ist noch möglich. Bislang ist die automatische Schrifterkennung
noch nicht umfassend eingesetzt worden, so daß auch noch keine direkten Aussagen hierzu
getroffen werden können. Auch steht noch eine eingehende Beschäftigung mit den vorhandenen
Generalisierungsfunktionen aus. Die Thematik der Generalisierung ist beim Maßstab 1:10000 nicht
vordergründig. Lediglich im Falle der Übernahme von Gebäudeinformationen aus der ALK käme sie
zum Einsatz. Auf jeden Fall erlangt sie Bedeutung bei der Herstellung bzw. Ableitung von Folgemaßstäben.
Als unmittelbar nächstes Ziel wird die Einführung des frequenzmodulierten Rasters bei der TK10 zur
weiteren Verbesserung des graphischen Erscheinungsbildes anstehen. Anschließend wird die Nutzung
von ATKIS-Daten des Digitalen Landschaftsmodells 1:25000 in seiner 2. Ausbaustufe (ATKIS-
DLM-25/2) für die rechnergestützte Herstellung und Bearbeitung der TK10 angegangen werden. Die
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ersten Resultate der Konvertierung und Übernahme von ATKIS-Daten mit der Schnittstellenlösung
CITRA haben die Funktionalität der Schnittstelle nachgewiesen (Abbildung 5, 6).
Abbildung 6: Kartenausschnitt TK10 mit übernommenen ATKIS DLM 25/1-Daten
Da die ATKIS-Daten nicht unbedingt einer kartographischen Betrachtungsweise entsprechen und
somit strukturelle Konflikte vorhanden sind und auftreten, bedarf es bisweilen umfangreicher interaktiver
kartographischer Nachbearbeitung. Doch mit dem suksessiven Anwachsen von verfügbaren
ATKIS-Daten wird es zu einem Zeitpunkt möglich sein, eine digitale Basiskarte 1:10000 mit der eingesetzten
Hard- und Software in einem geschlossenen Datenfluß bis hin zur Druckfilmausgabe herstellen
und bearbeiten zu können.
4 Literatur
[Brunner, 1995]
[Hurni, 1995]
[Hurni/Christinat, 1996]
[MapSys, 1994]
[Maptech, o.J.]
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Rheinland-Pfalz in Zusammenarbeit mit dem Landesverein Saarland e.V., Heft
1/1995, 44 JG, Mainz, 1995, S. 9-23
Hurni, Lorenz: Modellhafte Arbeitsabläufe zur digitalen Erstellung von topographischen
und geologischen Karten und dreidimensionale Visualisierungen
Vermessung, Photogrammetrie, Kulturtechnik, Nr. 4, 1995, S. 278-283
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Vermessung, Photogrammetrie, Kulturtechnik, Nr.9, 1996, S. 473-481
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Thüringen, Fassung vom 19.12.1994 mit Ergänzungen vom
28.06.1995
MapSys GmbH, Karlsruhe, unveröffentlicht
Maptech-Capturing-System, Maptech-Mapping-System
Systemdokumentation, Firma Maptech AG, Horw, o.J.
Thüringer Zeichenvorschrift, Instruktion und Redaktionsanweisung für die Bearbeitung
der Topographischen Karten 1:10000 und des Topographischen
Stadtplanes 1:10000 (ThürZIR-TK10)
Thüringer Innenministerium, Kataster- und Vermessungswesen, Erfurt, 1997
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114
11.3 Ergänzung zur Verdrängung mittels Energieminimierung
11.3.1 Energieintegral
Während in der Mustererkennung die aktiven Splines den unscharfen Konturen angelagert
werden, erfolgt in der automatisierten Verdrängung eine Abstoßung von Linien. Gemeinsam
ist beiden Anwendungen die Verschiebung und Verformung von Linien unter Einwirkung äußerer
Zwänge. Demzufolge gleichen sich die Ansätze, wobei eine Unterteilung in innere und
äußerer Energie erfolgt.
1
Eges
ds = ( Eext
+ Eint
) ds =
0
1
0
Die innere Energie wird verwendet, um die Forderungen an die Liniengestalt zu modellieren.
Dabei besteht der Wunsch, das „Typische“ der Linien möglichst zu erhalten. Im Gegensatz
zur Anwendung der Snakes in der Bildverarbeitung ist man also an einer minimalen Gestaltsänderung
interessiert. Diese wird zunächst hervorgerufen durch notwendige Verdrängungen
in Bereichen zu hoher Objektkonzentration. Die äußere Energie beschreibt zu geringe
Abstände zwischen den Linienabschnitten.
Schließlich werden beide Effekte in die Energieminimierung sämtlicher Linien einbezogen.
Dazu wird über die Gesamtenergie E ges ,entlang jeder Linie mit der Bogenlänge s, s ∈ [0,1],
integriert.
Min
11.3.2 Innere Energie
Die interne Energie E int wird benutzt, um die ursprüngliche Gestalt der Linienobjekte möglichst
gut zu erhalten. Die Form der Linie ist zunächst durch den Vektor v(s) = (x(s), y(s))
festgelegt. In Bereichen hoher Kartenbelastung müssen Objekte verdrängt werden, d.h. sowohl
die Lage, als auch die Form der Linien ändern sich. Der Umfang der Verdrängung wird
dabei durch die externe Energie bestimmt. Freiheitsgrade bestehen noch in der Wahl der
Ableitungen von v(s) = (x(s), y(s)).
Fordert man hier möglichst große Übereinstimmung zwischen Original und verdrängter Linie,
können die charakteristischen Eigenschaften der Linie erhalten werden. Die Veränderung
gegenüber dem ursprünglichen Zustand wird durch den Vektor w(s) beschrieben:
w : = ( x - x
w : = ( x
w
s
ss
s
: = ( x
ss
0
- x
- x
, y - y
0
s
, y
0
ss
s
, y
) ,
- y
ss
0
0
s
- y
) ,
0
ss
) .
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115
Tiefgestellte Indizes bezeichnen die partiellen Ableitungen nach der Bogenlänge s. Die interne
Energie nimmt damit folgende Gestalt an:
2
E = ( α w + β w ) 2 .
int
s
ss
2
Formal stimmt dieser Ausdruck mit der für Snakes eingeführten inneren Energie überein.
Ähnlich ist die physikalische Interpretation; so beschreibt die erste Ableitung das Dehnungsverhalten
in Längsrichtung. Die zweite Ableitung modelliert das Biegeverhalten des Splines
und wirkt demzufolge in Querrichtung.
Der wesentliche Unterschied zu den Snakes der Bildverarbeitung besteht darin, daß hier
nicht Splines minimaler Dehnung bzw. Krümmung gesucht sind, sondern Splines, die nur
geringe Abweichungen in Länge und Krümmung bezüglich des ursprünglichen Zustandes
aufweisen. Demzufolge werden während der Verdrängung die Differenzen in den ersten und
zweiten Ableitungen (w s , w ss ) minimiert und damit die Gestaltsänderungen klein gehalten.
11.3.3 Äußere Energie
Die externe Energie E ext wird verwendet, um Konfliktsituationen von Linien zu beschreiben.
Sie ist null, wenn keine Verdrängungsobjekte innerhalb eines gegebenen Mindestabstandes
h vom Ort v i =[x i ,y i ] Τ liegen. Der Punkt P i bezeichnet hier eine beliebige Stützstelle i der Linie
L I (siehe Abbildung 42). Unterschreiten Linien oder andere Verdrängungsobjekte den Hard-
Core-Abstand, entsteht ein Verdrängungspotential E ext (v i ) > 0 im Punkt P i . Dieses wird um so
größer, je länger das innerhalb des Hard-Core-Abstandes verlaufende Linienstück und je
geringer die Entfernung zu P i ist. Der einfachste Ansatz, der den genannten Anforderungen
entspricht, lautet:
(1
− a h)
: a < h
Eext ( v
i
) ∼
.
0 : a ≥ 0
Dabei ist a(t j ) der Abstand zwischen dem Linienelement, welches die Verdrängung ausübt,
und dem Aufpunkt P i , für den das Verdrängungspotential bestimmt werden soll. Die Berechnung
erfolgt durch gleitende Mittelbildung. Der Parameter t j ergibt sich hier aus dem Verhältnis
von Schrittweite ∆ und individuellem Stützstellenabstand:
t
j
=
∆
d
i,
j+
1
,
t
j
∈
[ 0,1) .
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Die Schrittweite wird fest vorgegeben und kann beliebig klein gewählt werden (mindestens
eine Größenordnung kleiner als der durchschnittliche Stützstellenabstand). Für ∆→0 entspricht
dies einer quasi kontinuierlichen Verdrängung.
Abbildung 42: Beispiel zur Bestimmung des Verdrängungspotentials
11.3.4 Variationsverfahren und Eulergleichungen
Nach der Beschreibung der Zielfunktion, respektive Konstruktion der Gesamtenergie, wird
jetzt eine Variation des Energieintegrals durchgeführt. Die Lösung der entstehenden Eulergleichung
liefert die Linienkoordinaten, welche das Optimalitätskriterium, minimale Gesamtenergie,
erfüllen. Heute ist die Anwendung von Extremalprinzipien überall in den Natur- und
Ingenieurwissenschaften verbreitet, in der Geodäsie z.B. bei der Darstellung der geodätischen
Linie in Form der Eulerschen Gleichungen (Grafarend 1995). Dabei bleibt dem Anwender
die wesentliche Aufgabe, eine dem Problem angepaßte Lagrange-Funktion aufzustellen
bzw. geeignete Energien zu definieren.
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Zur Lösung der Euler-Gleichungen
∂E
∂x
∂Eext
∂y
ext
−α(
x
−α(
y
ss
ss
− x
− y
0
ss
0
ss
) + β ( x
) + β ( y
ssss
ssss
− x
− y
0
ssss
0
ssss
) = 0
) = 0
,
erfolgt die Diskretisierung mittels finiter Differenzen. Nach Umformung ergeben sich zwei
entkoppelte Matrizengleichungen:
t
( A + γI)(
x − x
t
( A + γI)(
y
0
) = γ ( x
0
t
− y ) = γ ( y
t−1
−1
− x
0
) − E
0
− y ) − E
ext
x
ext
y
( x
( x
t−1
t−1
t
, y
t
, y
−1
−1
)
)
,
,
wobei A eine Pentadiagonalmatrix ist, deren Elemente aus den Koeffizienten α und β der
inneren Energie zusammengesetzt werden (Burghardt und Meier 1997a). Die Vektoren x t
bzw. y t bezeichnen die x- bzw. y-Koordinaten der Linie im gegenwärtigen Iterationsdurchgang.
Die x 0 bzw. y 0 enthalten die x- bzw. y-Koordinaten der ursprünglichen Linie. Eine Lösung
der entkoppelten Matrizengleichungen erfolgt mittels Cholesky-Zerlegung. Dabei handelt
es sich um eine symmetrische Version der LR-Zerlegung für positiv definite Matrizen.
Das Prinzip der minimalen inneren und äußeren Energie wurde bereits auf die Probleme
Linienverdrängung, Flächenverdrängung und Randbearbeitung angewendet; weitere Funktionen
sind in Arbeit. Erste Tests zeigten bereits sehr gute Resultate. Ein großer Vorteil dieser
Methode ist, daß sie auf praktisch jedes Platzierungsproblem angewendet werden kann, weil
sie die beiden Forderungen nach Einhaltung von Minimaldistanzen und Gewährleistung der
Formtreue umsetzt.
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11.4 Kartenbeispiele
11.4.1 Topographische Karte 1:10000
• 4742-SW Grimma (unbearbeitet)
• 4742-SW Grimma (bearbeitet)
11.4.2 Topographische Karte 1:50000
• L 4954 Görlitz
• L 51514 Zittau
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Literatur
119
12 Literatur
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Grünreich, D. (1997): Kartographie 2000 – Perspektiven der Kartographie in der Informationsgesellschaft.
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Harbeck, R. (1987): Das AdV-Vorhaben „Amtliches Topographisch-Kartographisches Informationssystem
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Vermessungswesen, Reihe I, Heft 99, 1987.
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Schürer, D. (1999): Die Modellgeneralisierung von flächenhaften Objekten beim Übergang
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Bd. 2, Arbeitsgruppe Automation in der Kartographie, Seiten 95-114, 1999.
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Abbildungsverzeichnis
121
13 Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: ALKIS/ATKIS-Referenzmodell (AdV-Konzept 1999)................................................... 7
Abbildung 2:
Ableitung des DLM50 aus dem Basis-DLM und Ableitung der DTK10/25 aus
dem Basis-DLM bzw. der DTK50 aus dem DLM50 .................................................... 8
Abbildung 3: Konzept zur Ableitung sämtlicher topographischer Karten aus dem Basis-DLM........ 9
Abbildung 4:
Erzeugung eines semantisch generalisierten Digitalen Zwischenmodells beim
Übergang zum DLM250 ............................................................................................ 17
Abbildung 5: Ablauf der Modellgeneralisierung (Schürer 1999)..................................................... 19
Abbildung 6:
Verwendung des Straßennetzes zur Einführung von „Meso-Agenten“,
repräsentiert durch einen „smiley“ (Lamy et al. 1999)............................................... 21
Abbildung 7: Zustandsbeschreibung im AGENT-Konzept (Lamy et al. 1999) ............................... 21
Abbildung 8: Beispiel 1 zur Gebäudegeneralisierung (Ruas 1998) ............................................... 22
Abbildung 9: Bewertung für die Einhaltung von Zwangsbedingungen........................................... 23
Abbildung 10: Beispiel 2 zur Gebäudegeneralisierung (Ruas 1998) ............................................... 23
Abbildung 11:
Analogie zwischen Konturerkennung (Anlagerung eines Splines an eine
unscharfe Kontur; links) und einseitiger oder gegenseitiger Linienverdrängung
(rechts) im Konzept energieminimierender Splines (Snakes)................................... 25
Abbildung 12: Konzept der Energieminimierung zur automatisierten Linienverdrängung ............... 26
Abbildung 13:
ATKIS-Generalisierungssystem unter Realisierungs- und Produktionsaspekten
(Vickus 1994)............................................................................................................. 27
Abbildung 14: User-Interface für verschiedene Generalisierungsfunktionen................................... 32
Abbildung 15: Beispiel zur Linienverdrängung (© Landesvermessungsamt Sachsen, 1999) ......... 34
Abbildung 16:
Abbildung 17:
Abbildung 18:
Abbildung 19:
Gebäudeverdrängung – Screenshots vor und nach der Verdrängung
(© Landesvermessungsamt Sachsen, 1999) ............................................................ 36
Joblisten.....................................................................................................................37
Kombinierte Linien- und Flächenverdrängung
(© Landesvermessungsamt Sachsen, 1999) ............................................................ 38
Gebäudeverdrängung mit Beseitigung von Restkonflikten durch Vereinfachung
und Verkleinerung (© Landesvermessungsamt Sachsen, 1999)................ 39
Abbildung 20: Flächenrandobjekt für automatisierte Randbearbeitung ...........................................40
Abbildung 21: Objektspezifische Parameter bei der Randbearbeitung............................................ 41
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Abbildungsverzeichnis
122
Abbildung 22: User-Interface für die automatisierte Randbearbeitung ............................................43
Abbildung 23: Beispiel zur Randbearbeitung eines Stadtplanes, Maßstab 1:15000,
(© Vermessungsamt Sindelfingen, 1999) ................................................................. 45
Abbildung 24: Beispiel zur automatisierten Randbearbeitung, Deutschland 1:250000,
(© Verlag Kümmerly+Frey, 1999) ............................................................................. 46
Abbildung 25: Legende mit maptech-Software entworfen................................................................ 49
Abbildung 26:
Ableitung der DTK10 aus dem ATKIS Basis-DLM
(© Landesvermessungsamt Sachsen, 1999) ............................................................ 51
Abbildung 27: Ableitung der DTK10 am Thüringer Landesvermessungsamt ..................................54
Abbildung 28:
Visualisierung von Daten des ATKIS-Basis-DLM mit ALK-Gebäuden
(© Thüringer Landesvermessungsamt, 1999)........................................................... 56
Abbildung 29: Beispiel einer Signatur aus dem SK10...................................................................... 56
Abbildung 30: Ablaufschema zur Ableitung einer Digitalen Topographischen Karte....................... 59
Abbildung 31: Anteil an den Gesamtkosten /-aufwand .................................................................... 61
Abbildung 32: Bestimmung von Grenzen für Umgebungsobjekte aus Linienobjekten .................... 68
Abbildung 33: Erhalten von Koordinatenmutationen bei Änderung des Basis-Objektes ................. 70
Abbildung 34: Beispiel Funktionsweise Set...................................................................................... 71
Abbildung 35: Flächenvereinfachung für abgeleiteten Datensatz.................................................... 71
Abbildung 36: DTK10 Verfahrensablauf........................................................................................... 92
Abbildung 37: DTK25 Verfahrensablauf........................................................................................... 93
Abbildung 38: DTK50 Verfahrensablauf........................................................................................... 94
Abbildung 39: Teilausschnitt mit ALK-Gebäuden........................................................................... 103
Abbildung 40: Teilausschnitt mit generalisieren ALK-Gebäuden ................................................... 103
Abbildung 41: Gebäudegeneralisierung für Maßstab 1:10000 und 1:25000.................................. 104
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