Automatische Generalisierung - Fallstudie

swisstopo – der Kunde

swisstopo ist das Kompetenzzentrum der Schweizerischen Eidgenossenschaft für räumliche Referenzdaten und daraus abgeleitete Produkte. Auch international geniessen die Landeskarten von swisstopo höchste Wertschätzung. Das Bundesamt für Landestopografie (swisstopo) in Wabern bei Bern, ist ein moderner Produktionsbetrieb mit gegen 270 Angestellten. swisstopo erstellt, unterhält und erneuert die geodätischen, topografischen und geologischen Grundlagen der Schweiz. swisstopo erneuert regelmässig und veröffentlicht die Landeskarten. Die amtliche Vermessung, eine gemeinsame Aufgabe von Bund, Kantonen und Gemeinden, wird durch die Eidgenössische Vermessungsdirektion geleitet – einen Bereich von swisstopo. Ebenfalls swisstopo angegliedert ist die Landesgeologie.

Seit mehreren Jahren wird in der Schweiz eine Nationale Geodaten-Infrastruktur (NGDI) aufgebaut, damit die digitalen Daten der verschiedenen Anbieter und Nutzer noch besser aufeinander abgestimmt werden können. Als Kompetenzzentrum der Schweizerischen Eidgenossenschaft ist swisstopo stark daran beteiligt, weil dies ihrer Absicht entspricht, räumliche Referenzdaten und daraus abgeleitete Produkte von hoher Qualität anzubieten und deren volkswirtschaftlichen Nutzen zu erhöhen.

swisstopo wurde 1838 gegründet. Heute ist swisstopo Teil der Gruppe armasuisse im Eidg. Departement für Verteidigung, Bevölkerungsschutz und Sport (VBS).

Die Voraussetzungen

swisstopo hat erkannt, dass ihre Herstellungsprozesse erneuert werden müssen, um eine effizienter Nachführung. Um dies zu bewerkstelligen, musste der bereits bestehende Prozess, der mit viel manueller Arbeit verbunden war, überarbeitet werden und Systeme, die einen höheren Grad der Automatisierung ermöglichen, mussten eingeführt werden. swisstopo erkannte die Notwendigkeit, aus einer Datenquelle verschiedene Massstäbe ableiten zu können. Ausserdem wurde festgestellt, dass der Aktualisierungs-Zyklus von derzeit sechs Jahren wesentlich verkürzt werden soll. swisstopo hat auch die Notwendigkeit erkannt, den Produktionszyklus für die Fertigstellung von Karten zu kürzen.

Nach sorgfältiger Vorbereitung initiierte swisstopo in 2005 eine globale WTO-Ausschreibung. Die Ausschreibung für ein Kartographie-System GIS-basierte Kartenproduktionssystem zur Optimierung der Nachführung der Landeskarten bestand aus zwei separaten Teilen – erstens der automatischen kartographischen Generalisierung und  inkrementeller Nachführung, SysDab (System Datenableitung) und zweitens der manuellen Überarbeitung, Datenverwaltung und -ausgabe. Das strategische Projekt OPTINA-LK soll vorhandene Kartographie-Technologie mit einem innovativen zukunftsorientierten GIS-unterstützten Kartographie-System zur Erstellung, Generalisierung, Unterhalt und Nachführung von digitalen kartographischen Modellen ersetzen.

axpand, die automatisierte GIS-Kartographie-Lösung von Axes Systems, erfüllte am Besten die Anforderungen des Teils SysDab der WTO-Ausschreibung und lieferte die wirtschaftlichste Lösung. SysDab ist ein GIS-unterstütztes System für die automatische semantische, geometrische und kartographische Generalisierung1 von Geodaten. SysDab wird für die umfangreiche automatisierte Ableitung und inkrementelle Nachführung von digitalen kartographischen Modellen aus digitalen Landschaftsmodellen2 oder aus digitalen kartographischen Landschaftsmodellen in grossem Massstab eingesetzt.

Neben der Aufgabe die Anforderungen zu erfüllen und ein schwieriges Problem wirtschaftlich zu lösen wurde Axes Systems aus mehreren Gründen ausgewählt, um die automatisierte Generalisierung durchzuführen:

• Axes Systems verfügt über eine grosse Menge an Erfahrung mit datenbankgestützter digitalen Kartographie und der damit verbundenen Technologie.
• Axes Systems verfügt über die benötigte Technologie für und Erfahrung mit der automatisierten Generalisierung.
• Viele Kunden von Axes Systems benutzen bereits das axpand Kartographie- und Generalisierungstechnologie für die topographische Kartenerstellung.
• Axes Systems gewährleistet sehr hohe Genauigkeit in der Generalisierung von Daten, um sicherzustellen, dass im späteren System ein Minimum an manueller Überarbeitung erforderlich wird.
• axpand bittet eine integrierte Datenbank für sämtliche von kartographischen Daten abgeleitete Modelle (DKM25, DKM50, DKM100).
• axpand bittet Integrierte kartographische Symbolisierung und Visualisierung.
• axpand bittet eine echte Multirepräsentation und mehrfache Geodaten-Modelle MRDB.
• axpand bittet eine MRDB, die sowohl sämtliche Beziehungen zwischen Quell- und abgeleiteten Datenobjekten (1:1, 1:n, m:n  - Beziehung) als auch Einflussobjekte (horizontale Beziehung) unterstützt.
• axpand bittet eine MRDB - Multi-repräsentation Datenbank, die Beziehungen zwischen veralteten und aktualisierten Objekten im Laufe der Zeit (Aktualisierungsbeziehung) unterstützt, um eine automatisierte inkrementelle Nachführung und eine Relevanzprüfung dieser Nachführung zu ermöglichen.

axpand von Axes Systems

axpand, das Hauptprodukt von Axes Systems, ist aufgrund der aussergewöhnlichen Visualisierung und kartographischen Funktionalität, die eine automatisierte Generalisierung beinhaltet, auf dem Markt sehr geschätzt. Seit 2004 beschäftigte sich Axes Systems mit der Weiterentwicklung der vorhandenen Funktionalität von axpand bezüglich der automatisierten Generalisierung, um über eine höherwertige Generalisierung verfügen zu können. Die aktuellste automatisierte Generalisierung von axpand bezieht sich auf die ‚Workflow’ Technologie, einen komplexen und integrierten Prozess von verschiedenen Konstellationen von Generalisierungsoperatoren, die benutzerdefinierte Kriterien (Bedingungen) anwenden. Diese Funktionalität basiert auf einer echten Multirepräsentationsdatenbank, die die Speicherung von mehrfachen Repräsentationen derselben Daten in eine einzige Datenbank zulässt. Dem System wird hierdurch wiederum ermöglicht, den Ablauf von Änderungen an Einzelobjekten im Laufe des Generalisierungsprozesses zu speichern und die Beziehungen zwischen Quell- und Ergebnisdaten für die automatisierte inkrementelle Nachführung anzuwenden.

SysDab – System für automatisierte Ableitungen von Daten

Axes Systems hat die Gelegenheit bekommen, zusammen mit swisstopo die Funktionalität der automatisierten Generalisierung zu verfeinern, um den für die Ableitung von Daten in verschiedenen Massstäben unter Beibehaltung der Qualität der bestehenden Karten notwendigen generalisierungsbedingten Forderungen zu entsprechen.

Die Quelldaten sind einem externen hochauflösenden topographischen Landschaftsmodell (TLM) entnommen und unter Anwendung von Interlis, einem schweizerischen Standard-Austauschformat für Geodaten, in die Multirepräsentationsdatenbank von axpand importiert. Die Daten werden dann gemäss ausführlichen Kriterien, die mehrere ursprünglich manuell durchgeführte Generalisierungsprozesse umfassen, generalisiert. Der Generalisierungsprozess kann spezifisch für verschiedene Regionen und Generalisierungsgebiete gestaltet und durchgeführt werden. Typischerweise werden die Zonen für Stadtzentren, Vororte und bergige ländliche Gegenden in SysDab anhand von den hoch entwickelten axpand Algorithmen für die räumliche Analyse definiert oder automatisch erstellt. In intensiver Zusammenarbeit mit Axes Systems hat swisstopo diese Kriterien entwickelt, die als Arbeitsvorlage in diesem Bereich zu betrachten sind. Die Herausforderung hier bestand darin, die Kenntnisse des Kartographen im Bereich der traditionellen manuell durchgeführten Generalisierung in logische Regeln umzuwandeln, die vom System benutzt werden können, um konsistente qualitativ hochwertige Generalisierungsergebnisse zu erzielen.

Die Kriterien einmal definiert, wandte Axes Systems diese Logik auf die automatisierte Arbeitsablauftechnologie an und führte eine Erstgeneralisierung von digitalen kartographischen Daten im Massstab 1:25000 (DKM25 vom TLM abgeleitet) und eine Generalisierung des Landschaftsmodells Vector 200 (1:200’000) zu digitalen kartographischen Daten im Massstab 1:300’000 (DKM300) durch. Die Anwendung der DKM25 für die Generalisierung auf einen Massstab von 1:50’000 ist auch ein mögliche Schritt. SysDab hat sich zum Ziel gesetzt, eine hohe automatisierte Generalisierung zu erreichen – über 75%, basierend auf die definierten Kriterien und auf die zum Zweck der Verbesserung der automatisierten Ergebnisse verfeinerten Kriterien. Objekte, die den Kriterien nicht entsprechen, werden vom System aufgezeichnet und können nacheinander im System geprüft werden. Jedoch wird die hohe Automatisierung die von den Kartographen für die manuelle Überarbeitung aufgebrachte Arbeitszeit auf ein Minimum reduzieren und den zeitlichen Ablauf bis zur Produktion und Nachführung bei Aufrechterhaltung der derzeitigen hohen Qualität der Karten von swisstopo kürzen.