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Master Thesis Interactive Mapping

|, Informatikprojekte, Universität Freiburg, Webprojekte|Master Thesis Interactive Mapping
Master Thesis Interactive Mapping 2018-02-10T13:31:58+02:00

Project Description

Interactive Mapping of Distance Modeling

Masterthesis

Development of a Visualized, Fully Web Based Hike Planing Tool with SVG
SIEBER Urs, University of Fribourg, May 2008

Die vorliegende These zeichnet einen Weg auf, der interaktive Kartierung und Distanzmodellierung von Wanderwegen verfolgt. Ausgehend von Rohdaten bis zum fertigen Wanderplanungsinstrument, wird eine mögliche Vorgehensweise entwickelt, die nachvollziehbar ist und die folgenden Ausgangskriterien vollständig erfüllt: Kostenfaktor-Analysen auf eigener Topologie, vollständig dynamische Generierung der Karten und Diagramme, Verwendung des offenen und progressiven SVG-Standards, barrierefreie Anwendung, frei zugänglich via Internet ohne Installation von Software.

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Zusammenfassung

In einer ersten Phase wird die allgemeine Theorie zu Räumen und Distanzen sowie zur Graphentheorie und Distanzmodellierung verarbeitet. Hauptgegenstand bildet dabei die Erarbeitung des Dijkstra Algorithmus, der auf einer Topologie basierend kleinste Kosten berechnen kann. Mittels einer selbständig entwickelten Pseudo-Heuristik wird versucht, die schlechte Laufzeit des Algorithmus bei grossen Topologien zu reduzieren und den Algorithmus für die Verwendung über das Internet fit zu trimmen. Dabei werden geografische Überlegungen und Konzepte aus der Informatik miteinander kombiniert. Verschiedene Kostenfaktoren verlangen nach unterschiedlichen Ausprägungen der Heuristik. Ausgiebige Vergleiche des Algorithmus mit und ohne Heuristik belegen eine Verbesserung der Laufzeit von bis zu 35%.

Distanzmodellierung ist nur auf Topologien anwendbar. Schritt für Schritt wird dem Leser erklärt, wie aus den vorhandenen Rohdaten, bestehend aus 2-dimensionalem Wanderwegnetzwerk und 3-dimensionalen Wegweiserstandorten eine mächtige Topologie aufgebaut wird, die unter anderem Daten zu Wegzeit, Höhendifferenz, Wegdistanz, Gradient und Belag speichert. Die digitalen Rohdaten des Kantons St.Gallen wurden für den Perimeter des gesamten Kantons exklusive der Region Toggenburg ausgehändigt. Da Höhenangaben nur für Wegweiserstandorte verfügbar sind, müssen Höhen für sekundäre Knoten angenähert werden. Eine Überprüfung der Annäherungsqualität mit dem digitalen Höhenmodell der Schweiz ergibt eine akzeptable Abweichung der statistischen Annäherung zur Realität von etwas mehr als 2%. Die konkrete Realisierung einer Topologie in einer MySQL Datenbank wird genau erläutert. Im Speziellen wird auf die Wegzeitberechnung von Wanderungen eingegangen, die der offiziellen Berechnung der Schweizer Wanderwege zu Grunde liegt. Die finale Topologie verknüpft 1’846 Knoten mit 5’142 Pfaden.

In einer zweiten Phase werden die Daten aus den Distanzmodellierungen auf der Topologie visualisiert. Es sollen digitale Karten und das Profil der Modellierung dynamisch generiert werden. Damit das Ausgangskriterium einer barrierefreien Implementierung und einer frei zugänglichen, web basierten Anwendung erreicht wird, wird der moderne, XML standardisierte und offene SVG Programmierungsstandard gewählt. Die Arbeit mit dem neuen und modernen Standard zeigt zugleich dessen Stärken und Schwächen auf.
Damit die Vorteile digitaler Karten gegenüber gedruckten Karten zum Tragen kommen, werden folgende interaktive Funktionen in die digitale Karte eingebaut: dynamische Koordinatenanzeige, Zoomfunktion, Übersichtskarte mit sensitivem Bereich, um den Kartenausschnitt zu verschieben, asynchrones Datennachladen in separaten Layern. Als häufige Problemursache wird die unterschiedliche SVG Unterstützung der unterschiedlichen Browser thematisiert. Dem Benutzer wird eine differenzierte Detailtiefe mittels Layern angeboten. Das asynchrone Datennachladen in die Karte mittels AJAX und die basierenden Techniken werden angesprochen. Weiter wird der Einbezug georeferenzierter Luftbilder, ebenfalls vom Kanton zur Verfügung gestellt, behandelt. Die Luftbilder müssen von hoch aufgelöster Qualität in internettaugliche Rasterbilder komprimiert werden, ohne ihre Referenzierung zu verlieren. Schliesslich wird aufgezeigt, wie eine ansprechende Benutzerschnittstelle die Benutzerinputs und die diversen Implementierungen steuert. Vielfältige Tests auf möglichst vielen unterschiedlichen Plattformen erlauben Aussagen zu Stärken und Schwächen des Produktes.

Leitfragen betreffend Distanzmodellierung, interaktiver Kartographie mit SVG und Nutzen eines online-Wanderplaners können abschliessend beantwortet werden: Distanzmodellierung auf einer passenden Topologie ist grundsätzlich gut realisierbar, auch über Webkomponenten. SVG wird sich nur durchsetzten, wenn nicht nur die Programmiersprache standardisiert ist, sondern auch die SVG Unterstützung in den Browsern vereinheitlicht wird. Interaktive Kartographie und GIS Anwendungen via Internet werden aber die älteste Domäne der Geografen – das Vermessen und Kartieren – gänzlich verändern und in Zukunft wohl gedruckte Karten verdrängen.
Der Einsatz des Produktes in Realität wird vor allem für Tourismusregionen und Wandergebiete gesehen: definierte Regionen, die sich mit Wanderwegen oder ähnlichen Streckennetzen wie Skipisten oder Langlaufloipen profilieren und dem Kunden einen attraktiven Service bieten möchten. Entwicklungspotential steckt in der Erweiterung der Datenbasis mit zusätzlichen Informationen zu sekundären Diensten wie Restaurantstandorten, Fahrplananbindungen, Sehenswürdigkeiten, GPS Export oder vorgefertigten Wandervorschlägen. Diese Ansatzpunkte bieten Möglichkeiten, den wirtschaftlichen Nutzen des Produktes über den Eigenwert hinaus zu erhöhen und für Regionen zusätzlich interessant zu machen.

Abstract

This thesis demonstrates how Internet based mapping and distance modeling of hiking trails can be achieved. From raw data to the finished hike planning tool, a possible strategy is developed, which is comprehensible and fully considers the following key criteria: cost factor analysis on independent topology, totally dynamic generation of maps and diagrams, use of the open and progressive SVG standard, barrier-free application, free availability via Internet without the need for installation of a software on the client computer.

In a first phase global theory about spaces and distances as well as about graph theory and distance modeling is introduced. The focus lies on the development of Dijkstra’s algorithm, which calculates minimal costs based on an independent topology. With the help of a self-dependently developed pseudo-heuristic we try to improve the algorithm’s bad runtime within broad topologies and to adapt it for Internet use. Thus geographic reflections and concepts from Computer Science are combined. Extensive comparisons between algorithm with and without heuristic testify a runtime improvement up to 35% due to the heuristic.
We can apply distance modeling only on topologies. Step-by-step the reader is explained how to proceed to build up a forceful topology out of the available raw data, comparing the two dimensional hiking network and three dimensional signpost locations. Among other information the topology stores data about way time, difference in altitude, way distance, gradient and trail covering. The digital raw data for the perimeter of the canton of St.Gall exclusive the Toggenburg was made available by the cantonal Institute for Geoinformation. Because height marking is only available for signpost locations, the heights for secondary nodes have to be approximated. An audit of the approximation quality with the help of the digital terrain model of Switzerland shows an acceptable deviance of statistical approximation and reality of slightly more than 2%. The concrete realization of the topology within a MySQL database is carefully discussed. Special focus lies on waytime calculation for hiking trails, which is based on the calculation methods given by the Swiss Hiking Association. The final topology links 1’846 nodes with 5’142 edges.

In a second phase the visualization of data resulting from distance modeling on the topology takes place. Goal is the dynamic generation of digital maps and the route profile out of the antecedent modeling. To secure the key criteria of a barrier-free, web based application, we agree on the modern, XML standardized and open SVG programming standard. The work with the new and modern standard shows its advantages and disadvantages.
To weigh the advantages of digital maps by comparison with analog maps, the following interactive functions are introduced into the digital map: dynamic coordinate display, zoom and pan functionalities, overview map with sensitive area to drag and drop the map focus, asynchronous load of data in separate layers. As a frequent cause of problems, the different browser implementations of the SVG support is discussed. With the help of layers a differentiated level of detail is made available to the user. The asynchronous load of data into the map with AJAX technologies is discussed. Further we deal with the introduction of georeferenced aerial images. The aerial images need to be converted from high resolution quality images to adequate Internet quality raster images without losing their reference. Ultimately we present how to build an adequate user interface, which guides the diverse implementations. Various tests on as many platforms as possible allow statements about the system’s forces and weaknesses.

Key questions about distance modeling, interactive mapping with SVG and usefulness of an online hike planning tool can finally be answered: distance modeling on a topology is basically realizable, even through web components. SVG will only succeed, if not only the programming language is standardized but also the SVG support in different browsers is unified. Interactive Cartography and GIS applications via Internet will totally change the geographer’s oldest domain, which is measuring and mapping. We guess interactive maps will replace analog maps in the future.
We see a possible use of the hiking planer mostly for tourist regions or more specific for hiking regions that distinguish themselves with hiking trails or similar networks like ski slopes or cross country sky tracks for example. We think of restricted regions which like to offer an attractive service for their guests. There is a high development potential in the database’s extension with additional information to secondary services like restaurant locations, timetable and public transport, points of interest, GPS export or predefined hiking proposals. These features provide possibilities to increase the economic value and could make a hiking planer additionally attractive for these regions.