Constraint-Based Spatial Data Management for Cartographic Representation at Different Scales

This article elaborates on map-quality evaluation and assessment as a result of the generalization of geospatial data through the development of a methodology, which incorporates a quality data model including constraints. These constraints are used to guide the generalization process and they operate as requirements in quality controls applied for the quality evaluation and assessment of the resulting cartographic data. The quality model stores the required map specifications compiled as constraints, and provides quality measures along with new techniques for the evaluation and assessment of cartographic data quality. This secures the map composition process in each and every step and for all features involved, at any map scale. The methodology developed results in the creation of a scale-dependent cartographic database that contains exclusively the features to be portrayed on the map, generalized properly according to the map scale. It will reduce cartographers’ need to review each transformation throughout the map-composition process with considerable savings in time and money and, on the other hand, it will secure the quality of the final map. The formulation of the proposed methodology amalgamates generalization theory with the authors’ research in computer-assisted cartography, taking into account the work conducted on the topic by other researchers. In this study, the quality requirements, the measures and the associated techniques together with the results of the application of the proposed methodology for area and line features are described in detail to allow others to replicate and build on the presented results

Generalization of Linear and Area Features Incorporating a Shape Measure

This article elaborates on the quality issue in cartographic generalization of linear and area features focusing on the assessment of shape preservation. Assessing shape similarity in generalization is still a topic where further research is required. In the study presented here, shape description and matching techniques are investigated and analyzed, a procedure for choosing generalization parameters suitable for line and area features depiction is described and a quality model is developed for the assessment and verification of the generalization results. Based on the procedure developed, cartographers will be confident that the generalization of linear and area features is appropriate for a specific scale of portrayal fulfilling on the same time a basic requirement in generalization, that of shape preservation. The results of the procedure developed are based on the processing and successful generalization of a large number of different line and area features that is supported by a software environment developed in Python programming language

Development of a map quality evaluation system

This dissertation attempts to contribute to the specific field of research which deals with the issue of generalization modeling and automation, through the integration of quality measures and controls. A methodology for the selection of the appropriate entities to be displayed taking into account the description of their shape is developed in the framework of the proposed quality models for each phase of the generalization process. Specifically, the research carried out in the dissertation is developed in two (2) levels:1.Investigation of shape measures and shape matching techniques towards the appropriate shape parameterization and the development of a methodology for the selection of the appropriate shape for portrayal.2.Modeling the generalization process by incorporating quality models for each phase of the generalization process (semantic and cartographic).Ο χάρτης ως μέσο απόδοσης της γεωγραφικής πληροφορίας ενός τόπου στοχεύει στην αποθήκευση και στην απεικόνιση των γεωγραφικών φαινομένων του τόπου, στην κατάλληλη κλίμακα. Τα γεωγραφικά φαινόμενα ως σχέσεις μεταξύ των γεωχωρικών οντοτήτων αποδίδονται επιλεκτικά μέσω της διάταξης των οντοτήτων στον χάρτη, στην κατάλληλη κλίμακα. Η επιλογή των προς απεικόνιση γεωγραφικών φαινομένων, η ακέραιη απόδοσή τους σε συνδυασμό με την ακριβή και ευκρινή οπτικοποίησή τους με στόχο την απόδοση της γεωγραφικής πληροφορίας του τόπου στην κατάλληλη κλίμακα, αποτελούν το ζητούμενο του μετασχηματισμού της γενίκευσης. Ο μετασχηματισμός της γενίκευσης, ο πλέον επεμβατικός μετασχηματισμός της χαρτογραφίας, προκαλεί μερική έως πλήρη συρρίκνωση της χωρικής πληροφορίας με τη μερική απόδοση ή και την εξαφάνιση των σχέσεων των γεωχωρικών οντοτήτων και την αλλοίωση της μορφής τους. Η μοντελοποίησή του με στόχο την ελεγχόμενη γενίκευση των οντοτήτων αποτέλεσε πεδίο εκτενούς έρευνας από τη δεκαετία του 1990 με σημείο καμπής την ανάπτυξη του μοντέλου βάσει περιορισμών (constraint – based generalization), (Beard, 1991) που προσέγγισε ολιστικά τον μετασχηματισμό της γενίκευσης ενσωματώνοντας κατά την εξέλιξή του μέτρα εκτίμησης και αξιολόγησης της κατάστασης των δεδομένων πριν, κατά τη διάρκεια και στο πέρας της γενίκευσης (Weibel, 1995), (Mackaness & Ruas, 2007), (Stoter, Zhang, Stigmar, Harrie, 2014). Στο συγκεκριμένο μοντέλο στηρίζεται επιπλέον η ανάπτυξη των σύγχρονων μοντέλων αυτοματοποιημένων διαδικασιών της γενίκευσης με τεχνικές εύρεσης της βέλτιστης λύσης (agent modelling, combinatorial optimization, continuous optimization), κάποια από τα οποία εφαρμόζονται στους εθνικούς οργανισμούς χαρτογραφίας (AGENT – IGN, France, κ.ά.).Η παρούσα διατριβή επιχειρώντας να συμβάλει στο συγκεκριμένο πεδίο έρευνας πραγματεύεται το ζήτημα της μοντελοποίησης και της αυτοματοποίησης της διαδικασίας της γενίκευσης (σημασιολογικής και χαρτογραφικής) με ενσωματωμένο τον μηχανισμό εκτίμησης της κατάστασης των δεδομένων και αξιολόγησης της ποιότητάς τους στο πέρας των μετασχηματισμών. Το ερευνητικό έργο εντάσσεται στο πεδίο έρευνας της εξέλιξης της μοντελοποίησης βάσει περιορισμών (constraint – based modeling) διερευνώντας περιπτώσεις όπου η υφιστάμενη επιστημονική γνώση απαιτεί ενίσχυση (ειδικότερα και σχετικά με την εκτίμηση της κατάστασης της μορφής της οντότητας και την αξιολόγηση του βαθμού διατήρησής της στους μετασχηματισμούς της χαρτογραφικής γενίκευσης) αναπτύσσοντας παράλληλα τη μεθοδολογία επιλογής των προς απεικόνιση κατάλληλων οντοτήτων η οποία ενσωματώνεται στο προτεινόμενο μοντέλο γενίκευσης με μηχανισμούς ελέγχου της ποιότητας των παραγόμενων δεδομένων. Συγκεκριμένα, η έρευνα της διατριβής εξελίσσεται σε δύο (2) επίπεδα:1.Διερεύνηση της επιστημονικής γνώσης σχετικά με τα μέτρα και τις τεχνικές συσχέτισης για την εκτίμηση της κατάστασης της μορφής των οντοτήτων, παραμετροποίηση της μορφής της οντότητας και επιλογή της κατάλληλης προς απεικόνιση μορφής. Τα αποτελέσματα των εργασιών του συγκεκριμένου επιπέδου προκύπτουν βάσει: -του ελέγχου πενήντα (50) γραμμικών και πενήντα (50) πολυγωνικών οντοτήτων αρχικής κλίμακας 1:250.000 γενικευμένων με τον αλγόριθμο απλοποίησης point remove της ESRI (Douglas & Peucker, 1973) για κλίμακες 1: 500.000 και 1: 1.000.000 καθώς ο συγκεκριμένος αλγόριθμος επιφέρει έντονες μορφολογικές μεταβολές και -της εφαρμογής της προτεινόμενης μεθόδου εύρεσης της βέλτιστης προς απεικόνιση λύσης σε πενήντα (50) γραμμικές και πενήντα (50) πολυγωνικές οντότητες γενικευμένες με τους αλγόριθμους απλοποίησης point remove της ESRI (Douglas; Peucker, 1973) και bend simplify της ESRI (Wang, 1996) για κλίμακες 1: 500.000 και 1: 1.000.000. Οι εργασίες του επιπέδου περιλαμβάνουν τις ακόλουθες διαδικασίες:i.Εφαρμογή επιλεγμένων μέτρων και τεχνικών συσχέτισης που εμπεριέχουν τη μεταβολή της μορφής για την εκτίμησή της βάσει της υφιστάμενης βιβλιογραφίας: -απόσταση Hausdorff – Hausdorff distance, -τροποποιημένη απόσταση Hausdorff – modified Hausdorff distance, -διακριτή απόσταση Fréchet – discrete Fréchet distance, -απόσταση μεταξύ των αναπαραστάσεων turning function υπολογισμένη ως εμβαδόν, -απόσταση μεταξύ των αναπαραστάσεων turning function ως διαφορά των σταθμισμένων μηκών των αναπαραστάσεων turning function, -απόσταση μεταξύ των διανυσμάτων αναπαράστασης των μορφών με συντελεστές Fourier.ii.Έλεγχο των παραπάνω μέτρων ως προς την καταλληλότητά τους στην περίπτωση της εκτίμησης του βαθμού διατήρησης της μορφής στο πέρας της εκτέλεσης του αλγορίθμου απλοποίησης με κριτήριο την αυξητική τάση του μέτρου σε συνδυασμό με τη μείωση της χωρικής πληροφορίας της οντότητας (κορυφές). Επιλέχθηκαν το μέτρο της τροποποιημένης απόστασης Hausdorff και η τεχνική συσχέτισης της απόστασης μεταξύ των αναπαραστάσεων turning function ως διαφορά των σταθμισμένων μηκών των αναπαραστάσεων turning function ως τα πλέον κατάλληλα για την παραμετροποίηση της μορφής των οντοτήτων.iii. Ανάπτυξη επιπλέον τεχνικών που αφορούν στα μέτρα της αναγνωσιμότητας και της τοπολογικής συνέπειας μεταξύ των γεωμετρικών στοιχείων της οντότητας για την εξασφάλιση της ακεραιότητας και της ευκρίνειας στην απόδοση της οντότητας καθώς και της οριζοντιογραφικής ακρίβειας. iv.Επιλογή των κατάλληλων μορφών οντοτήτων βάσει των περιορισμών της αναγνωσιμότητας, τοπολογικής συνέπειας και οριζοντιογραφικής ακρίβειας μεταξύ των ομάδων οντοτήτων που προέκυψαν με την εφαρμογή του αλγορίθμου σωρευτικής ταξινόμησης στις παραμέτρους μορφής των οντοτήτων (τροποποιημένη απόσταση Hausdorff και απόσταση μεταξύ των αναπαραστάσεων turning function ως διαφορά των σταθμισμένων μηκών των αναπαραστάσεων turning function).2.Μοντελοποίηση της διαδικασίας της γενίκευσης με την ενσωμάτωση μοντέλων ποιότητας για την κάθε φάση της διαδικασίας της γενίκευσης (σημασιολογικής και χαρτογραφικής). Το προτεινόμενο μοντέλο γενίκευσης αναπτύσσεται με αφορμή τον έλεγχο και τη διασφάλιση της ποιότητας των αποτελεσμάτων της μεθόδου επιλογής της κατάλληλης προς απεικόνιση μορφής οντότητας και σχεδιάζεται με βάση τους άξονες που διατύπωσαν οι William Mackaness και Anne Ruas (2007) για την εκτίμηση και αξιολόγηση της ποιότητας των δεδομένων πριν, κατά τη διάρκεια και στο πέρας της γενίκευσης. Οι εργασίες του συγκεκριμένου επιπέδου περιλαμβάνουν:i.Εννοιολογικό προσδιορισμό των περιορισμών και της ποιότητας στη διαδικασία της γενίκευσης.ii.Τυποποίηση των μετασχηματισμών της γενίκευσης για την κάθε φάση της γενίκευσης.iii.Τυποποίηση των περιορισμών και των απαιτήσεων ποιότητας για την κάθε φάση της γενίκευσης και ποσοτικό προσδιορισμό των ορίων συμμόρφωσης. iv.Τυποποίηση των μέτρων για την εκτίμηση της κατάστασης των δεδομένων και την αξιολόγηση της συμμόρφωσής τους στους περιορισμούς. Ανάπτυξη τεχνικών υπολογισμού των μέτρων (πυκνότητας δικτύων, σχετικής θέσης, αναγνωσιμότητας – διάκρισης αντικειμένων, τοπολογικών ασυνεπειών – τομής/ επίθεσης, εννοιολογικών ασυνεπειών – κενών, πληρότητας και ακεραιότητας της πληροφορίας στη βάση κ.ά.).v.Τυποποίηση των ελέγχων ποιότητας βάσει των μετασχηματισμών της γενίκευσης ανά φάση γενίκευσης.vi.Σχεδιασμό των διαγραμμάτων ροής των διαδικασιών της κάθε φάσης της γενίκευσης. Το προτεινόμενο μοντέλο εφαρμόστηκε για τη σύνταξη δύο χαρτών κλίμακας 1: 500.000 και 1: 1.000.000 προερχόμενων από τη βάση κλίμακας 1:250.000 του EuroRegional Map και αφορούν στην περιοχή της βόρειας Γερμανίας Schleswig-Holstein, έκτασης 15.143 km2. Οι θεματικές κατηγορίες των χαρτών ανά γεωμετρικό τύπο είναι: •κατοικημένες περιοχές (σημειακές οντότητες/ πολύγωνα), •ακτογραμμή, οδικό, σιδηροδρομικό και υδρογραφικό δίκτυο (γραμμικές οντότητες),•λίμνες και νησιά (πολύγωνα).Τα αποτελέσματα στο πέρας της εφαρμογής καταδεικνύουν: i.Την ικανότητα της μεθόδου επιλογής της κατάλληλης προς απεικόνιση λύσης να αποδώσει αποδεκτής ποιότητας δεδομένα. ii.Την ικανότητα του προτεινόμενου μοντέλου να παρέχει μία ολοκληρωμένη λύση ελεγχόμενης γενίκευσης με την εφαρμογή απλών τεχνικών περιορισμού της θεματικής πληροφορίας και τεχνικών γεωμετρικής φύσης για τον περιορισμό της πυκνότητας του χάρτη. iii.Τη δυνατότητα εφαρμογής του προτεινόμενου μοντέλου σε οποιοδήποτε εμπορικό σύστημα γεωγραφικών πληροφοριών

A Constraint-Based Generalization Model Incorporating a Quality Control Mechanism

Automation in map production has created the need for modeling the map composition process. Generalization is the most critical process in map composition, with considerable impact on the quality of features portrayed on the maps. Modeling of the generalization process has been an area of research for several years in the international cartographic community. Constraint-based generalization modeling prevailed, and it is evolving to an agent model or to other optimization models. The generalization model presented in this paper is based on constraint-based modeling. It introduces the standardization of the semantic and cartographic generalization process together with an evaluation mechanism for the assessment of the quality of the resulting cartographic data considering simultaneously the preservation of the shape of the portrayed linear and area features. For cartographers, quality management is a key factor in creating an evidence-based, reliable product. To achieve this objective, cartographers, drawing on international experience, should implement a quality policy and adopt a quality management system (QMS) as an integral part of the map production process, starting with the quality assessment of the input data and finishing with the evaluation of the final product