Popis řešení

Příloha Z.2 Popis řešení
Obsah
Popis způsobu řešení .............................................................................................. 1
Podrobný obsah harmonogramu .............................................................................. 4
1. Popis procesního modelu automatizované technologie tvorby map ........................ 4
2. Pravidla sestavení a uvolňování pro generalizaci státního mapového díla středních
měřítek ............................................................................................................. 5
2.1. Shromáždění a analýza podkladů (značkové klíče, směrnice pro tvorbu TM atd.) . 5
2.2. Posouzení pravidel používaných u Uživatele .................................................... 5
2.3. Návrh databáze pravidel pro sestavení mapy a generalizaci .............................. 6
2.4. Naplnění databáze pravidel ........................................................................... 6
2.5. Formalizace obsahu metodiky ....................................................................... 7
2.6. Certifikace Uživatelem .................................................................................. 7
3. Algoritmy generalizace potřebné pro generalizaci státního mapového díla středních
měřítek ............................................................................................................. 7
3.1. Sběr generalizačních situací .......................................................................... 8
3.2. Analýza a popis jednotlivých situací ..............................................................10
3.3. Rozpracování algoritmů operátorů izolovaných situací .....................................10
Příklad funkčního testu pro vybranou generalizační situaci ..................................11
Pokud některý operátor bude po rozpracování všech situací obsažen pouze jako
součást některé komplexní situace (sirotek), bude zařazen jako samostatná situace. .12
3.4. Identifikace algoritmů rozpoznávání struktury dat ...........................................12
3.5. Analýza a identifikace možností segmentace ...............................................13
3.6. Příprava testovacích datových sad .............................................................14
3.7. Rešerše dostupných řešení ...........................................................................15
3.8. Návrh řešení problémových algoritmů - nerealizovat, doplnit data apod. ............15
3.9. Schválení obsahu uživatelem .......................................................................16
3.10. Formalizace obsahu metodiky .....................................................................16
3.11. Certifikace uživatelem ...............................................................................16
4. Knihovna generalizačních algoritmů pro generalizaci státního mapového díla
středních měřítek ..............................................................................................16
5. Knihovna programů pro řízení dílčích procesů automatizované tvorby topografických
map ................................................................................................................18
6. Komplexní řízení procesu tvorby státního mapového díla měřítek 1 : 10 000 a
1 : 25 000 ........................................................................................................19
Kontrola kvality ....................................................................................................20
Plán oponentur a kontrolních dní ............................................................................21
Schéma zveřejňování zdrojových kodů a výsledků ....................................................22
1
Popis způsobu řešení
Projekt TB04CUZK001 si klade nemalé cíle, jsme však přesvědčeni, že řešitelský tým,
který se nám podařilo sestavit, je připraven je úspěšně splnit. Vzhledem k velice krátké,
16-ti měsíční době řešení, a velkému množství požadovaných certifikovaných výstupů
včetně finální ověřené technologie, předpokládáme činnost průběžně koordinovat s
Uživatelem, aby byly jeho požadavky zahrnuty a formalizovány již při vývoji. To odpovídá
zkušenosti, kterou při podobném řešení využil Nizozemský katastr 1.
Zadání výzvy projektu je nastaveno tak, že reálné cíle projektu jsou konkretizovány v
úvodních třech metodikách a poté realizovány ve dvou software komplexně ověřených
certifikovanou metodikou. To opět odpovídá zkušenostem Nizozemského katastru 2, kde
nastavili na počátku zdánlivě jednoduché cíle, které v průběhu řešení s uživatelem
upřesňovali tak, aby rozhodně dosáhli funkčního výsledku, který však bude v maximální
míře respektovat požadavky na kvalitu.
Projekt TB04CUZK001 chápeme jako na tři na sebe navazující, v počátku paralelně běžící
hlavní procesy:
a) návrh a vytvoření znalostní databáze pro sestavení a generalizaci mapového díla výstup RiV Nmet2,
b) analýza, návrh a průběžná softwarová realizace jednotlivých algoritmů pro řešení
generalizace (operátory) včetně podpůrných algoritmů - výstupy RiV Nmet3 a R1,
c) výzkum, stanovení a softwarová realizace strategie pro řízení generalizačních
procesů - výstupy RiV Nmet1, R2, Z.
V souladu se zkušenostmi Nizozemců hodláme teoreticko-analytické a rešeršní činnosti
realizovat v širším týmu analytiků v úvodní části jednotlivých procesů. Vlastní softwarové
řešení již poté kompaktním malým týmem vývojářů, aby bylo dosaženo maximální
synergie a agility vývoje. Zatímco metodiky Nmet2 a Nmet3 bude možno dokončit a
certifikovat již v průběhu řešení, metodika Nmet1 bude dokončena po ověření softwaru
R2 v rámci ověřování celé technologie.
Ověření správné funkce výsledků R1 a R2 provedeme proti funkčním testům, které budou
sestaveny v rámci metodiky Nmet3. Optimalizaci jednotlivých algoritmů na rychlost v
rámci tak krátkého projektu nepředpokládáme, nicméně architektura knihoven bude
otevřena jak paralelnímu zpracování na více výkonných počítačích, tak urychlení na
úrovni zdrojového kódu, například migrací vybraných algoritmů z prostředí ArcGIS přímo
do databáze a podobně.
Ve vývoji maximálně využijeme funkcionalitu softwarové platformy ArcGIS, se kterou
máme mnohaleté zkušenosti. Na jejím základě spoluřešitel, firma T-MAPY spol. s r.o.
(dále jen T-MAPY), již realizovala kartografickou linku pro produkci map u Uživatele. Za
tímto účelem jsme v projektu definovali podporu výhradním distributorem této platformy
v České republice, firmou ARCDATA PRAHA, s.r.o., jako subdodavatelem. Teprve tam,
kde nebude tato platforma postačovat, její funkcionalitu doplníme tak, aby byly zaručeny
požadavky na otevřenost a kompatibilitu.
Pro vytvoření teoretického zázemí se nám podařilo sestavit široký tým odborníků, kteří se
danou problematikou dlouhodobě zabývají na akademicko-teoretické úrovni, včetně
účasti v komisi ICA pro generalizaci a pracovní skupině EuroSDR. Perspektivní strategie
řízení generalizace, tj. procesní modely, průběžně testují (proof of concept) v rámci
diplomových a disertačních prací. Pro řešení využijeme rozsáhlou databázi literatury,
kterou se nám v průběhu let podařilo sestavit.
1
2
The Netherlands’ Cadastre, Land Registry and Mapping Agency
An Overview of the Dutch Approach to Automatic Generalization, 2013
1
Naši kmenoví i externí pracovníci se podíleli na vývoji značkových klíčů, pravidel
sestavení, technologií a produkci státního mapového díla středních měřítek v rámci AČR v
období budování digitální produkční linky a přechodů na standardy NATO.
Nezanedbatelnou je naše zkušenost při implementaci produkční linky státního mapového
díla v ZÚ.
Programátorský tým je koncipován do dvou úrovní: širší tým k realizaci jednotlivých
izolovaných algoritmů do fáze proof of concept a užší (tiger team) k jejich finalizaci a
programování procesního workflow.
Pro vlastní řešení jsme předjednali spolupráci s VGHMÚř Dobruška tak, aby byla zaručena
integrace jednotlivých výsledků do linky vojenského státního mapového díla. Algoritmy
potřebné nad rámec potřeb Uživatele, budou-li vůbec takové, budou ve formě
samostatného modulu vyvinuty silami VGHMÚř.
Podklady vytvářené v rámci řešení budou uloženy v privátním úložišti projektu a
publikované určeným zástupcům Uživatele. To umožní průběžné konzultace v průběhu
řešení a udržování informovanosti Uživatele o postupu prací. Jednotlivé výstupy a další
informace budou následně publikovány v souladu s požadavky smlouvy s TA ČR. Uživateli
bude umožněno, aby mohl být přítomen na všech jednáních řešitelského týmu, kde to
bude považovat za relevantní. V případě zájmu budou po dohodě s Uživatelem v průběhu
řešení informace stejným způsobem otevřeny také zástupcům Geografické služby AČR.
Vzhledem k požadavku na velké množství výstupů ve velice krátkém časovém období
předpokládáme úzkou spolupráci s odborným gestorem v průběhu řešení, klíčové fáze
jsou uzavřeny kontrolními dny.
Cílem řešení je v maximální možné míře nahradit stávající asistovanou generalizaci
generalizací automatizovanou. Stávající produkční linka pro tvorbu topografických map
tedy bude doplněna o generalizační modul, určený k automatizovanému řešení vyřešení
generalizace kartografického obsahu v měřítcích 1:10 000 a 1:25 000. Výsledný,
generalizovaný kartografický model bude dále využit stávajícím způsobem k finalizaci
jednotlivých produktů.
Objektový model
Transformace
dat
Negeneralizovaný
kartograf ický
model
Asistovaná
generalizace
Generalizovaný
kartograf ický
model
Vykreslení
Objektový model
Transformace
dat
Negeneralizovaný
kartograf ický
model
Automatizovaná
generalizace
Generalizovaný
kartograf ický
model
Vykreslení
Mapa
Mapa
Obrázek č.1 Místo vyvinutých technologií ve stávající lince pro tvorbu topografických map
V prostředí stávající produkční linky SMD středních měřítek Uživatele si lze tento princip
představit tak, že vstupem pro generalizační modul budou data ZABAGED® v
negeneralizovaném kartografickém modelu a výstupem budou data v generalizovaném
kartografickém modelu, který bude určen pro symbolizaci a následné sestavení map
měřítek 1:10 000 a 1:25 000.
Dosažené výsledky projektu jako celku i jeho jednotlivých částí budou srovnávány s
požadavky dle zadávací dokumentace a jejich upřesněním v předkládané nabídce. Pokud
nebyla formulace požadavků v zadávací dokumentaci přesná či jednoznačná, pak se má
za to, že upřesňující formulace v předkládané nabídce jsou pro účely hodnocení kvality
řešení součástí zadání.
2
Výstupy dílčích části řešení budou posuzovány dle typu výstupu. Metodiky budou
ověřovány a hodnoceny certifikačním orgánem v certifikační proceduře. Výstupy typu R
(software) a Z (ověřená technologie) budou ověřovány proti funkčním testům, které
budou navrženy příslušnými metodikami.
3
Podrobný obsah harmonogramu
1. Popis procesního modelu automatizované technologie tvorby map
Certifikovaná metodika Nmet1
Tato metodika na základě průzkumu řešené problematiky v jiných zemích a národních mapovacích agenturách
navrhne nejvhodnější procesní model automatizované tvorby topografických map s aplikací technologií
automatizované technologie kartografické generalizace pro obor topografických map středních měřítek. Navrhne
dekompozici systému na dílčí podsystémy, popíše jejich funkci a procesy, vzájemné vazby a časové
posloupnosti a vstupní a výstupní rozhraní mezi jednotlivými podsystémy.
2015
8
9
10
2016
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1.1. Shrnutí stávajícího stavu a volba perspektivních metod
1.2. Testování perspektivních procesního modelů
1.3. Návrh optimálního procesního modelu a schválení uživatelem - KD
1.4. Rozpracování subsystémů a vazeb
1.5. Průběžná analytická podpora implementace
1.6. Formalizace obsahu metodiky uzavřená po ověření R2
1.7. Certifikace uživatelem
Jednotlivé implementace v národních agenturách jsou velice dobře známy a popsány,
sledujeme je také průběžně v rámci komise ICA pro generalizaci.
Jako perspektivní se nám předběžně jeví postupy aplikované v Nizozemí a Švýcarsku:
a) platforma ArcGIS, na které řešení postavili, je shodná s platformou kartografické linky
ZÚ i VGHMÚř Dobruška,
b) využili zkušeností ostatních úspěšných implementací, ale řešení postavili co nejblíže
platformě ArcGIS,
c) podařilo se velice dobře skloubit účast akademické obce s vývojovým týmem tak, aby
se dosáhlo synergického efektu,
d) v průběhu řešení cestou průběžné koordinace s uživateli udržovali realistický
kompromis mezi realizovatelností a důrazem na kvalitu.
S oběma organizacemi máme předjednanou podrobnou konzultaci jejich řešení v
průběhu podzimu 2015.
Po úvodním shrnutí jednotlivých strategií řízení generalizace budou na společném jednání
vyhodnoceny a vybrány nejperspektivnější strategie pro uvažované státní mapové dílo
tak, aby každou z nich rozpracovali právě ti odborníci, kteří se jí dlouhodobě zabývají.
Poté budou jednotlivé varianty na kontrolním dni s odborným gestorem posouzeny a
vybrán procesní model perspektivní pro uvažované mapové dílo. Na jeho základě potom
budou rozpracovány jednotlivé subsystémy a vazby. Zároveň bude započata fáze
realizace software R2, kterou bude tento tým průběžně podporovat z teoretickoanalytického hlediska. Obsah metodiky bude v návaznosti na vývoj tohoto software
průběžně doplňován, formalizován po jeho ověření a následně certifikován uživatelem.
4
2. Pravidla sestavení a uvolňování pro generalizaci státního mapového díla středních
měřítek
Certifikovaná metodika Nmet2
Tato metodika zmapuje pravidla pro sestavení kartografických modelů. Tato pravidla budou kromě vlastního
dokumentu formalizována ve vhodné digitální formě, například ontologické znalostní databáze topologických
vztahů geografických znaků, respektive jejich kartografických obrazů, a to v souladu s doporučeními
Mezinárodní kartografické asociace - komise pro generalizaci a vícenásobnou reprezentaci. Součástí metodiky
budou všechna pravidla použitá k sestavení a generalizaci státního mapového díla středních měřítek jak
odvozená (např. trigonometrický bod při kartografické harmonizaci neodsunujeme, můžeme ho však z kresby
úplně odstranit; dva prvky v černé barvě musí mít minimální vzdálenost okraje kresby 0.2mm), ale i pravidla
základní (např. při křížení prvků v modré a hnědé barvě jsou jasně zřetelné oba prvky od tloušťky čáry prvků
0,2 mm a úhlu protnutí do 60°).
Součástí znalostní databáze bude i návrh databáze stálých kartografických zobrazení vybraných geografických
prvků.
2015
8
9
10
2016
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
2.1. Shromáždění a analýza podkladů (značkové klíče, směrnice pro tvorbu TM atd.)
2.2. Posouzení seznamu pravidel u Uživatele
2.3. Návrh databáze pravidel pro sestavení mapy a generalizaci
2.4. Naplnění databáze pravidel, uzavřeno KD
2.5. Formalizace obsahu metodiky
2.6. Certifikace uživatelem
Metodika bude zpracována zkušenými kartografy s praxí při vývoji a zpracování nových
map státního mapového díla jak v analogové tak digitální formě.
Hlavní výzvou ve formalizaci všech pravidel sestavení je to, že často je dostupný pouze
dokument popisných pravidel, která je potřeba důkladně analyzovat, identifikovat
relevantní části a uložit do strojově čitelného tvaru, například: “...Z hlediska přesnosti je
důležitá optimální polohová přesnost, minimální kresba silniční sítě nad míru, dodržovat
zásadu pokud možno nezvětšovat signaturu zastavěné oblasti, čitelně reprezentovat
terénní reliéf…”
2.1. Shromáždění a analýza podkladů (značkové klíče, směrnice pro tvorbu TM atd.)
V první fázi budou proto komplexně vyhodnoceny všechny shromážděné materiály,
zejména pravidla obsažená ve značkových klíčích, směrnicích pro sestavení získaná z
archivu VGHMÚř, Zeměměřické knihovny VÚGTK, členů výzkumného týmu a další
dostupné dokumentace. Součástí této fáze budou i odborné konzultace se zkušenými již
vysloužilými kartografy, kteří se aktivně podíleli na tvorbě státního mapového díla a to
jak civilního tak i vojenského (topografické mapy v systému S-42). Jako vstupní
podklady budou sloužit i materiály, které jsme shromáždili v rámci mezinárodních
odborných skupin a standardizační normy a doporučení EU a NATO.
Výsledkem etapy bude souhrn (seznam) pravidel pro uvolňování, odsuny a generalizaci
jednotlivých prvků kartografického modelu. Vzhledem k rozdílnosti použití a účelu
některých státních mapových děl je předpoklad, že v rámci sběru a analýzy podkladů
budou identifikována i protichůdná pravidla. Tento souhrn pravidel bude sloužit jako
podklad pro další fáze řešení projektu.
2.2. Posouzení pravidel používaných u Uživatele
Teprve ve druhé fázi bude souhrn pravidel zpracovaný v bodě 2.1. doplněn o specifikaci
požadavků Uživatele. Kromě jasných pravidel typu minimální velikosti objektů bude
kladen důraz zejména na mezní hodnoty tam, kde je potřeba akceptovat ne zcela
korektní kresbu z důvodu zaplněnosti mapy a generalizační pravidla pro stanovený typ
státního mapového díla.
Následně budou tato pravidla formalizována do znalostní databáze generalizačních
pravidel uspořádané v ontologické databázi pro využití ve vyvinutém software.
Výzvou ve formalizaci a uspořádání všech generalizačních pravidel bude i to, že se často
jedná pouze o popisná pravidla, v některých případech formulovaná i jako pouhá
5
12
doporučení, která bude potřeba analyzovat a uložit do strojově čitelného tvaru (např: “v
závislosti na měřítku je nutné zobrazit všechny elementy, které formují terén a prvky na
něm” nebo “z hlediska přesnosti je důležitá optimální polohová přesnost, minimální
kresba silniční sítě nad míru, dodržovat zásadu pokud možno nezvětšovat signaturu
zastavěné oblasti”).
Je třeba si však uvědomit, že kartografická pravidla jsou obtížně algoritmizovatelná. V
řadě případů se jedná o nedeterministické postupy, kdy nehraje roli pouze geometrie
řešení, ale řada dalších faktorů (kompozice, estetický dojem, ...). Stejně tak není snadné
výsledky těchto postupů verifikovat, neboť simulace chování skutečného kartografa je
velmi obtížná.
2.3. Návrh databáze pravidel pro sestavení mapy a generalizaci
Vytvoření formální i logické struktury databáze generalizačních pravidel bude
nejdůležitější a také nejsložitější částí této etapy projektu. Návrh struktury znalostní
databáze generalizačních pravidel musí na jedné straně umožňovat jednoduché
“sestavování” mapové kompozice pro různé typy státního mapového díla a na druhé
straně musí být dostatečně formalizován pro použití v automatizovém zpracování.
Na základě provedené analýzy bude navržena databáze pravidel pro sestavení
kartografických modelů. Jednotlivá navržená pravidla budou zohledňovat technologické
možnosti digitální formy implementace a současně nároky potenciálních uživatelů
automatizovanými metodami odvozených mapových produktů, a proto se mohou lišit od
stávajících pravidel.
Návrh bude obsahovat ve formalizované podobě údaje, které budou v implementaci
použity pro řízení generalizačního procesu při vytváření generalizovaného kartografického
modelu. Databáze pravidel bude obsahovat informace, zda se zvolený objekt TLM 3 na
základě svých sémantických, geometrických a popisných charakteristik objeví v
generalizovaném kartografickém modelu či nikoli, v jaké geometrické podobě, s jak
upravenými charakteristikami a v jakém pozičním a kvalitativním vztahu s dalšími
objekty téže či jiné kategorie. Tyto informace obsažené v navržené databázi pravidel se
stanou parametry vstupujícími do řízení procesu generalizace.
Součástí znalostní databáze bude i návrh databáze stálých kartografických zobrazení
vybraných geografických prvků, kdy grafická prezentace prvku nebude vytvářena
generalizačními pravidly, ale bude použita “ustálená” mapová značka. (například Poutní
kostel Jana Nepomuckého na Zelené hoře - Žďár nad Sázavou)
2.4. Naplnění databáze pravidel
Naplnění databáze pravidel bude prováděno členy řešitelského týmu ve spolupráci a
pracovištěm Uživatele. Cílem této etapy je připravit generalizační pravidla pro stanovený
vzorek mapy. Tato pravidla budou v další fázi projektu sloužit pro ověřování
zpracovaných algoritmů, testování připravovaných datových sad a ověřování funkčnosti
zpracovaného software.
3
Topographic Landscape Model
6
2.5. Formalizace obsahu metodiky
V tomto kroku bude metodika formalizována do podoby připravené k oponování
externími oponenty, doplněna přílohami, včetně detailního popisu struktury i obsahu
databáze pravidel.
2.6. Certifikace Uživatelem
Zpracovaná metodika bude oponována dvěma oponenty, budou vypořádány jejich
připomínky a poté bude metodika předložena k certifikaci. Pokud nebude stanoveno
Uživatelem jinak, předpokládáme, že jedním z oponentů bude určený odborník z VGHMÚř
a druhým zástupce akademické sféry.
3. Algoritmy generalizace potřebné pro generalizaci státního mapového díla středních
měřítek
Nmet3 – certifikovaná metodika
Tato metodika vyčerpávajícím způsobem zmapuje jednotlivé izolované i komplexní generalizační algoritmy
(metody) potřebné pro generalizaci státního mapového díla středních měřítek, včetně úplné ověřovací datové
sady pro každý z nich. Tato ověřovací datová sada bude vytvořena ručně nebo poloautomaticky s využitím
dostupných nástrojů GIS. Při případné následné implementaci metodiky do ověřené technologie potom bude
jednoduše možné ověřit, že vybraná implementace je funkční a v souladu s požadavky metodiky. Součástí
metodiky bude i rešerše použitelných implementací těchto algoritmů a návrh nezbytné množiny algoritmů pro
implementaci při technologickém ověřování.
2015
8
3.1. Sběr generalizačních situací
3.2. Analýza a popis jednotlivých situací
3.3. Rozpracování algoritmů operátorů izolovaných situací
3.4. Identifikace algoritmů rozpoznávání struktury dat
3.5. Analýza a identifikace možností segmentace
3.6. Příprava testovacích datových sad
3.7. Rešerše dostupných řešení
3.8. Návrh řešení problémových algoritmů - nerealizovat, doplnit data apod.
3.9. Schválení obsahu uživatelem
3.10. Formalizace obsahu metodiky
3.11. Certifikace uživatelem
7
9
10
2016
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
3.1. Sběr generalizačních situací
Cílem tohoto kroku je systémovým způsobem vytěžit
zkušenosti klasických kartografů a připravit podklad pro
identifikaci algoritmů potřebných pro provedení
generalizace státního mapového díla automatizovanými
metodami. Tím následně omezíme rozsah
rozpracovávaných algoritmů pouze na ty, které jsou pro
uvažované státní mapové dílo relevantní.
Identifikace
algoritmu
Sběr situací
Vytvoření databáze
situací
Pro každou
situaci
Generalizace
Doplnění databáze
situací
Řešené
situace
Identif ikace
izolovaných operátorů
Identifikace
možností
rozdělení
Algoritmy
operátorů
Identif ikace
strukturálních vzorů
Možnosti rozdělení
(sectioning/partitioning)
Strukturální
vzory
Situace
Potřebné
algoritmy
Pod pojmem generalizační situace rozumíme georeferencovaný obrázek s pokud možno
kontrastně zobrazeným negeneralizovaným kartografickým modelem a jejím stručným
popisem.
8
Domy s ulicí podél potoka
Odsun komunikace v červenohnědé
barvě od vodního toku. Při odsunu si
komunikace sama vyřízne prostor
blokem budov. Tím vznikne opticky
chybná kresba budov z obou stran
komunikace, protože nedojde k jejich
odsunu.
Příklad zde4
Obrázek č.2 Příklad generalizační situace s popisem
Tento způsob vytěžení nepsaných znalostí a zkušeností klasických kartografů se nám
mnohokrát osvědčil v rámci Geografického zabezpečení AČR při vytváření digitálních map
odvozených z databází jak na národní úrovni (DMÚ-25, DMÚ-100), při mezinárodní
spolupráci (MGCP, OpenStreetMap, ICM apod.), práci v zahraničních misích a
mezinárodních štábech. Obdobně při vytváření kartografické linky pro ZÚ v Sedlčanech
pro tvorbu státního mapového díla máme dobrou zkušenost s využitím katalogu
kartografických situací a jeho následným využitím.
Obrázek č.3 Ukázka katalogu kartografických situací pro ZM 1:10 000
4
http://www.vugtk.cz/euradin/generalizace/Situations/TM25/Samples/Kom_odsun3/OpenLayers.html
9
Při sběru situací se držíme několika jednoduchých pravidel:
a) problém musí být v kresbě zřetelný,
b) popis je pouze vodítkem, nemusí být precizně formulován, protože je následně
interpretován stejnou osobou, která byla u sběru,
c) situace mohou být i komplexní,
d) v průběhu sběru se nesnažíme eliminovat duplicity, důležitá je úplnost. Je vhodnější
zachytit jednu situaci vícekrát než na něco zapomenout.
Jednotlivé situace budou sbírány z několika úhlů pohledu, systematicky tak aby byla
zabezpečena úplnost:
a)
sběr situací ve spolupráci s Uživatelem,
b)
sběr situací ve spolupráci s VGHMÚř,
c)
vytěžení stávajícího katalogu kartografických situací T-MAPY,
d)
vytěžení dokumentace shromážděné v bodě 2.1.
Pracovním výsledkem tohoto sběru je potom jednoduchý web, jehož příklad je dostupný
na adrese http://www.vugtk.cz/euradin/generalizace/Situations/TM25/.
3.2. Analýza a popis jednotlivých situací
V tomto kroku je každá generalizační situace podrobně analyzována. Situace dostane
jednoznačný název, popis je dopracován do konečného tvaru. Dále jsou identifikovány
potřebné algoritmy operátorů pro segmentaci, identifikaci použitelných algoritmů a
vyřešení situace. U vybraných algoritmů se následně provede rešerše možných způsobů
implementace. Velké množství algoritmů pro generalizaci bylo popsáno, některé jsou
dokonce přímo dostupné jako součást softwarových balíků jako ArcGIS, PostGIS, Oracle
SDE či OpenSource řešení, nicméně často s parametry nebo omezeními znemožňujícími
plnohodnotné použití v celém rozsahu uvažovaného státního mapového díla. Některé
algoritmy budou muset být naprogramovány, protože stávající implementace není
postačující (např. agregace budov, přestože pro měřítko 1:25 000 nebude často
využívána).
3.3. Rozpracování algoritmů operátorů izolovaných situací
Pokud se nejedná o izolovanou situaci, rozpracujeme izolované operátory potřebné k
jejímu vyřešení.
Na příkladu "Domy s ulicí podél potoka" jsou v tomto kroku identifikovány tyto
potenciální algoritmy operátorů:
a)
b)
c)
d)
e)
odsun ulice,
odsun budov,
vypuštění budov,
zvětšení budov, natočení budov rovnoběžně s komunikací atd.
ztotožnění průběhu ulice s potokem, ukotvení konce odsunuté ulice na hranici
zastavěného území.
Pokud některý operátor bude po rozpracování všech situací obsažen pouze jako součást
některé komplexní situace (sirotek), bude zařazen jako samostatná situace.
Jednotlivé funkční testy budou obsahovat definici sady vstupních dat, definici
požadovaných výstupních dat, kontext řešené situace, slovní popis požadovaného
chování, testovaný proces (např. algoritmus), testovací scénář, definici závazných
pravidel, definici a popis vstupních parametrů, kritéria pro vyhodnocení (evaluaci).
Aplikací funkčních testů bude ověřováno, zda testované procesy splňují definovaná
evaluační kritéria, tj. zda výsledky získané v rámci funkčního testu aplikací testovaného
procesu na definovanou sadu vstupních dat za definovaných podmínek odpovídají
10
očekávanému výsledku. Řešené situace a evaluační kritéria jednotlivých funkčních testů
budou voleny tak, aby vyloučily resp. minimalizovaly možnost subjektivního posouzení
hodnotitelem.
Příklad funkčního testu pro vybranou generalizační situaci
Název situace
Zvětšení izolované budovy
Sada vstupních
dat
polygonová vrstva AL015 (budova jednotlivá - ZABAGED®)
Sada výstupních
dat
polygonová vrstva Budovy
Pravidla
Ve výstupním modelu bude zobrazena jen budova, která má výměru
rovnu nebo větší než definovanou minimální hodnotu. Podměrečné
budovy budou proporčně zvětšeny v případě, že jejich výměra je
rovna nebo větší než definovaná prahová hodnota.
Vstupní
parametry
minimální hodnota výměry Pmin
prahová hodnota výměry Pprah
Kontext situace
Slovní popis
chování
Parametrem modelu objektu budovy je její plošná výměra. Tato
výměra bude porovnána s hodnotou parametru, který vstupuje do
pravidla/omezení pro minimální velikost budovy, kterou lze v
cílovém kartografickém modelu zobrazit. Budovy s výměrou menší
než definovaná prahová hodnota nebudou do zpracování zahrnuty.
Budovy s výměrou větší než definovaná minimální hodnota budou
zachovány beze změny. Ostatní budovy budou zvětšeny
proporcionálně tak, aby jejich výměra vzrostla na definovanou
minimální hodnotu.
Testovaný
algoritmus
proporční zvětšení plošných objektů (operátor zvětšení
exaggeration)
Testovací scénář
Algoritmus postupně projde všechny vstupní objekty, posoudí jejich
výměru a rozhodne o způsobu dalšího zpracování, zvolí příslušnou
metodu a provede odvození výstupních objektů. Provede analýzu
výměry jednotlivých výstupních objektů a srovnání s parametry
definovaného pravidla minimální výměry budovy.
11
Evaluační kritéria
P2 = P1 pro všechny P1 >= Pmin
P2 = Pmin pro všechny P1 >= Pprah a P1 < Pmin
Pokud některý operátor bude po rozpracování všech situací obsažen pouze jako součást
některé komplexní situace (sirotek), bude zařazen jako samostatná situace.
3.4. Identifikace algoritmů rozpoznávání struktury dat
Tyto algoritmy umožňují přiřazovat v kresbě použitelné generalizační operátory nad
rámec operátorů použitelných na celou třídu prvků. Operátory jsou často použitelné
pouze na část prvku kresby nebo na spojené prvky kresby. Algoritmy rozpoznávání
struktury dat nejsou potřebné při poloautomatické generalizaci, protože vyhodnocení
kresby provádí vizuálně kartograf. Strukturální vzory nám tedy umožňují obohatit
kartografický model o znalost generalizačních operátorů a algoritmů jejich implementace,
které můžeme na jednotlivé části kresby použít. V terminologii multiagentních
generalizačních systémů je možné řící, že se jedná o proces hledání omezení a pravidel
(constrains). Jde o hledání množin prvků společných vlastností, dále z hlediska
generalizačního operátoru nedělitelných, na které můžeme generalizační pravidlo
aplikovat. Z hlediska geometrického se jedná o formu klasifikace.
V příkladu "Domy s ulicí podél potoka" tedy identifikujeme:
a) shluk budov obsluhovaný slepou ulicí,
b) poslední budova v sídle, která by se neměla při generalizaci vypouštět, dokud jsou v
bloku nějaké budovy zobrazeny,
c) ulice podél potoka,
d) blok budov podél ulice.
12
3.5. Analýza a identifikace možností segmentace
Jednou z obtíží generalizace je skutečnost, že kolize mezi objekty nebo špatná čitelnost
mapy je často způsobena velkým množstvím objektů. Generalizačních operátorů, které
bychom mohli použít, je mnoho a mají často protichůdné výsledky. Priorita jednotlivých
prvků kresby také často nebývá v kontextu jednoznačná (circular reference) a navzájem
se vylučuje. To budeme řešit izolováním problému na co nejmenší shluk závislých prvků.
Opět, v případě poloautomatické generalizace se jedná o činnost školeného kartografa,
ke které často využívá podrobnější zdroje informací. Toho dosáhneme vhodným členěním
řešeného území na skupiny prvků, které lze do určité míry generalizovat samostatně.
Segmentace okolo linie
Zde je zřejmě odsunuto stromořadí od
komunikace, máme zde tedy jednu
vodící linii s vysokou prioritou. Svah s
klínky je zřejmě ponechán v původní
pozici. Plochu kresby zde máme
rozdělenu na část nad a pod
komunikací, které generalizujeme do
určité míry samostatně.
Segmentace mezi prvky
Zde budou čtyři souběžné linie
symbolizované v měřítku
kartografického modelu při zachování
geometrie v částečné kolizi. Zřejmě
bude nezbytné odsunout silnici a horní
terénní stupeň, aby byla eliminována
kolize silnice se spodním stupněm,
který nemůže být odsunut kvůli
železnici.
13
Segmentace skupiny od linie
Ulice, domy a jejich blok v levé části
výřezu budou zřejmě generalizovány
samostatně a potok, jinak možná
méně důležitý než některé z těchto
objektů, bude v této podúloze chápán
jako neměnný.
3.6. Příprava testovacích datových sad
Tento krok přípravy metodiky je klíčový pro realizaci výstupů R1 a R2 a jejich ověření.
Pro každý izolovaný algoritmus budou sestaveny testovací datové sady, parametry
použitého algoritmu a výsledné datové sady. To umožní automatizovaně ověřit, že
implementace splňuje definovaná očekávání. Zároveň tyto vybrané datové sady zajistí
maketu funkcionality pro algoritmy procesního modelu ještě před implementací. Procesy
procesního modelu aplikované na testovací datové sady stanovují sekvenci a parametry
izolovaných algoritmů operátorů, které procesní model měl v dané situaci nalézt.
Testovací datové sady pro komplexní situace budou pokud možno navrženy tak, aby
měly právě jedno řešení. Za tím účelem je možné vhodně modifikovat testovací data tak,
že nebudou zcela totožná s původní generalizační situací.
Přesto existuje významné riziko, že nebude reálné pro vybrané situace stanovit správné
řešení. Při generalizaci zpravidla neexistuje jediné univerzálně správné řešení. Je to
otázka citu a zkušeností kartografa, který danou situaci posuzuje. Řadu situací je možné
generalizovat několika algoritmy s odlišnými výsledky (např. řešení silničních serpentýn).
U složitých situací bude obtížné navrhnout metriky, které nám umožní pohled na
výsledek převést na číselnou hodnotu kritéria. Ale právě jedině stanovení hranic
akceptance, tj. prahových hodnot pro jednotlivé operátory, bude rozhodovat o tom, kdy
je výsledek akceptovatelný a kdy už nikoli.
Rovněž je třeba si uvědomit, že ne každý generalizařní algoritmus se hodí pro všechny
prvky. Např. zatímco pro generalizaci silniční sítě je vhodné použít variantu metody bend
simplify, tak pro generalizaci lesních areálů bude vhodnější použít metodu DouglasPeucker. Bude tedy nezbytné dle použitých prvků zvážit, jaký generalizační algoritmus je
vhodné použít.
14
Testovací datové sady budou připraveny k využití ve standardu Open GIS Consortium
Web Processing Service. Tím zajistíme, že budeme schopni otestovat kteroukoli
implementaci nezávisle na platformě.
Testování
Pro každý test
ve skupině
Maketa volání
WPS
Adresář pro WPS
Operaci
Identif ikace operace
Vytvořil volání WPS
Adresáře jednotlivých
testů
Volání f unkce WPS
Identif ikace testovací
sady
XML definující Execute
Ověření výsledných dat
Tvorba výstupu
WPS
Vstupní data
Odeslání WPS
výstupu
Výstupní data
Správný
výsledek WPS
Doplnění statistik
Test nebo
skupina testů
Definice testovacích metod
Statistika testů
Obrázek č.4 Architektura WPS Testing Framework
3.7. Rešerše dostupných řešení
V tomto kroku bude ve spolupráci s týmem pro Nmet1 sestavena krátká rešerše
možností využití stávající implementace potřebných algoritmů, případně jejich popisu.
Prioritně budou využity algoritmy platformy ArcGIS, dále budou preferovány volně
dostupné a použitelné implementace.
3.8. Návrh řešení problémových algoritmů - nerealizovat, doplnit data apod.
U některých algoritmů se jejich realizace může ukázat jako příliš složitá v poměru k
hlavnímu cíli projektu, úspoře kapacit a nákladů při generalizaci, případně časově
náročnější než délka projektu. Také je běžné, že při poloautomatické generalizaci
kartograf nahlíží do dalších materiálů a implementace algoritmu by vyžadovala výrazné
obohacení datového modelu nad rámec možností Uživatele. V některých případech může
být efektivním řešením drobná změna značkového klíče nebo pravidel uvolňování spíše
než tvorba složitého algoritmu. Je pravděpodobné, že některá komplexní témata,
například generalizace výškopisu či odsuny popisů mapy se po analýze ukáží daleko
časově náročnější než je délka projektu TB04CUZK001. Jejich řešení by v takovém
případě bylo po vzoru řešení jiných státních mapových děl ponecháno na řešení
generalizace menších měřítek.
Všechny tyto případy budou konsolidovány do podoby, která bude v rámci kontrolního
dne posouzena a schválena Uživatelem.
15
Příkladem může být znázornění terénního stupně. V ZABAGED® je tento prvek vyjádřen
korunou a jeho dolní hranou. V mapě je pak vyjádřen šrafami ve směru spádnice
uvažované jako kolmice ke koruně (horní hraně). Jiným příkladem může být
zjednodušení značky skleníku při implementaci IS SMD, kdy se ukázalo, že datový typ
použitý pro tento objekt v původním systému není v implementovaném systému
podporován a efektivním řešením situace byla úprava kartografického symbolu.
Obrázek č.5 Problémový algoritmus na příkladu terénního stupně
3.9. Schválení obsahu uživatelem
V tomto kroku bude ve spolupráci s Uživatelem ověřena úplnost a srozumitelnost obsahu
metodiky na jejím návrhu textu před závěrečnou jazykovou korekturou a grafickou
finalizací.
3.10. Formalizace obsahu metodiky
V tomto kroku bude metodika formalizována do podoby připravené k oponování
externími oponenty, včetně digitální podoby datových sad.
3.11. Certifikace uživatelem
Předpokládáme standardní postup oponování ČÚZK dvěma oponenty, vypořádání jejich
připomínek, poté předložení k certifikaci. Pokud nebude určeno Uživatelem jinak, jako
oponenty předpokládáme Ředitele odboru rozvoje VGHMÚř podplukovníka Ovčarika a
jednoho zástupce z akademické obce.
4. Knihovna generalizačních algoritmů pro generalizaci státního mapového díla
středních měřítek
R1 – software
Softwarová knihovna obsahující implementace vybraných generalizačních algoritmů stanovených certifikovanou
metodikou 3. Izolované a vybrané komplexní algoritmy budou ověřeny pomocí datových sad.
16
Výsledkem bude volně použitelný software, který bude moci být využíván i v resortu MO a v dalších resortech
produkujících kartografické produkty středních měřítek
2015
8
9
10
2016
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
4.1. Postupná implementace generalizačních operátorů
4.2. Postupná implementace algoritmů strukturálních vzorů
4.3. Registrace do WPS registru algoritmů
4.4. Postupné testování oproti testovacím sadám (WPS Testing Framew ork)
4.5. Přizpůsobení rozhraní vybranému procesnímu modelu
4.6. Publikování, dokončení dokumentace a nasazení
4.7. Schválení uživatelem na serveru řešitele oproti funkčním testům
Jednotlivé potřebné algoritmy vybrané k realizaci budou průběžně vyvinuty a zařazeny do
knihovny algoritmů postavené nad knihovnou WPS Generalization Toolbox. To umožní
použít s minimálními náklady existující implementace v různých programovacích jazycích
nezávisle na platformě, sestavených jako Cloud WPS služeb a zároveň jejich ověření
testovacími datovými sadami průběžně sestavovanými v rámci přípravy výsledku Nmet3.
Pokud algoritmus splní tyto testy, je publikován a připraven k použití.
WPS Proxy
ArcGIS f or Server
ArcGIS
Workflows
WPS Analytics
GRASS
PostGIS
GeoServer
Java Topology
Suite
North 52°
WebGen
Java Topology
Suite
Obrázek č.6 Architektura WPS Generalization Toolbox
Jak ukazuje následujícící schéma, prototypy 5 algoritmů jsou implementovány jako služby
Web Processing Service. Jestliže je algoritmus dostupný v některé ze známých knihoven,
je tato implementace namapována na svůj prototyp. Jestliže je pouze implementována,
je tato implementace portována v nejvhodnějším místě knihovny, což je závislé na
programovacím jazyku a pomocných knihovnách, které potřebuje. Pokud je znám jeho
popis, je implementován, nejlépe sestavením workflow systému ArcGIS a jeho
publikováním jako WPS, pokud je to možné. Stejně postupujeme v případě, že musíme
některý algoritmus vyvinout zcela nově.
5
Termín prototyp zde není míněn ve významu druhu výsledku RiV.
17
Požadovaný
algoritmus
Dostupný?
Ne
Ano
Popsaný?
Implementováno?
Ne
No
Portovat
Vymyslet a
implementovat
Implementovat
Registrovat do
rozhraní WPS
Testování pomocí
TestSuite
Vyřešení
projektu
Nasazení a
publikování
Prototyp
algoritmu
Obrázek č.7 Zjednodušený postup připojení a implementace potřebného algoritmu
Po výběru procesního modelu řízení generalizace bude systémově přizpůsobeno rozhraní,
případně migrovány některé algoritmy tak, aby odpovídaly zvolené platformě. V
optimálním případě to bude přímo platforma ArcGIS, jako se to podařilo v posledních
úspěšných řešeních.
Jednotlivé algoritmy budou schváleny Uživatelem na vyčleněném serveru oproti funkčním
testům definovaným v metodice Nmet3 a poté dokončena uživatelská dokumentace.
5. Knihovna programů pro řízení dílčích procesů automatizované tvorby
topografických map
R2 – software
Dle metodiky č. 1, a to i s využitím a popisem nezbytné interakce.
2015
8
9
10
2016
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
5.1. Implementace vybraného procesního modelu
5.2. Průběžné testování oproti komplexním testovacím datovým sadám
5.3. Ověření funkčnosti - KD
5.4. Tvorba dokumentace
5.5. Schválení uživatelem na serveru řešitele proti funkčním testům - KD
V této etapě bude implementován procesní model řízení generalizace vybraný v rámci
přípravy metodiky Nmet1 a schválený OG na kontrolním dni v závěru prvního roku
plnění. Software bude průběžně testován proti testovacím datovým sadám z metodiky
Nmet3. Na závěr bude ověřena jeho funkčnost, dokončena uživatelská část dokumentace
a software bude schválen Uživatelem na vyčleněném serveru proti funkčním testům
definovaným v metodice Nmet3.
18
6. Komplexní řízení procesu tvorby státního mapového díla měřítek 1 : 10 000 a
1 : 25 000
Z – ověřená technologie
Tato technologie bude implementovat vlastní komplexní proces generalizace tak, aby umožnil jak generalizaci
prvků, kterou lze pevně definovat pomocí daných pravidel (rule based generalization), tak i generalizaci s
využitím nejnovějších metod umělé inteligence pro řešení komplexních problémů generalizace (například Multiagent driven generalization) s využitím znalostní databáze vytvořené v rámci metodiky Nmet 2, a to tak, aby
samostatně provedl generalizaci reprezentativní sady generalizačních situací z certifikované metodiky Nmet 16.
2015
8
9
10
2016
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
61. Revize a doplnění dokumentace, příprava a ověření instalací
6.2. Příprava formalizace ověření
6.3. Formální testování na kontrolních datasetech
6.4. Ověření a schválení uživatelem
Výsledky R1 a R2 budou připravovány na hardwarových prostředcích řešitele a průběžně
dokumentovány. Při přípravě ověření bude tato dokumentace finálně revidována a
doplněna o část instalace a oživení.
Poté dojde k vlastní instalaci a oživení na pracovišti Uživatele, optimálně přímo jeho
silami podle dokumentace. Celá technologie bude poměrně složitá, s množstvím vnitřních
vazeb a nastavení. Je proto pravděpodobné, že bude v rámci etapy ověření po dohodě s
Uživatelem nutné zorganizovat školení administrátorů či uživatelů.
Po úspěšné instalaci bude technologie ověřena na kontrolních datových sadách z
certifikované metodiky Nmet3, a to s využitím znalostní databáze vytvořené v rámci
certifikované metodiky Nmet2. V případě potřeby, nad rámec ověřování technologie v
rámci projektu TB04CUZK001, bude Uživatel schopen definovat a spustit své vlastní
dodatečné testy na vybraných datech za účelem vizuálního zobrazení a prezentace
komplexnosti výsledků řešení projektu.
6
Zde předpokládáme že se jedná o překlep a bylo míněno dle metodiky Nmet3
19
Kontrola kvality
Při řízení projektu i vlastním řešení problematiky bude kladen mimořádný důraz na
stanovení a dodržení požadovaných parametrů kvality a na implementaci přijatých
(vnitrostátních i mezinárodních) standardů a kvalitativních norem. Jako základ bude
aplikován soubor ČSN EN ISO řady 19100 – Geografická informace, zejména norma ČSN
EN ISO 19110 při návrhu a tvorbě katalogů a datových slovníků, ČSN EN ISO 19131
Specifikace geoprostorových produktů, které vytvoří základ pro objektivní a
standardizované hodnocení kvality produktů podle nové komplexní ČSN EN ISO 19157. V
rámci zajištění kompatibility civilního a vojenského SMD budou implementovány také
geografické specifikace a standardy NATO a standardy OGC.
Také vlastní procesy řízení projektu budou podléhat pravidelným, důsledným kontrolám a
hodnocení kvality mezivýsledků. Všechny výsledky typu Nmet, R a Z budou verifikovány
a validovány podle platných interních norem ČÚZK. Řešení projektu vytvoří podmínky pro
údržbu a další rozvoj výsledků po celou dobu jejich životního cyklu.
20
Plán oponentur a kontrolních dní
Doba na řešení projektu TB04CUZK001 je velice krátká, jednotlivé jeho části proto budou
realizovány paralelně. S výstupy a klíčovými mezivýstupy jednotlivých etap bude
seznámen odborný gestor projektu formou kontrolního dne, respektive předložení
metodiky k certifikaci. Konkrétní termíny s ním budou dohodnuty při zahájení plnění
projektu.
2015
8
9
10
2016
11
12
1
2
3
4
5
1. Nmet1 - Popis procesního modelu automatizované technologie tvorby map
1.2.4.Návrh optimálního procesního modelu a schválení uživatelem - KD
1.6. Certifikace uživatelem
2. Nmet2 - Pravidla sestavení a uvolňování pro generalizaci státního mapového díla středních měřítek
2.4. Naplnění databáze pravidel, uzavřeno KD
2.6. Certifikace uživatelem
3. Nmet3 - Algoritmy generalizace potřebné pro generalizaci státního mapového díla středních měřítek
3.1. Sběr generalizačních situací, uzavřeno KD
3.9. Schválení obsahu uživatelem - KD
3.11. Certifikace uživatelem
4. R1 Software - Knihovna generalizačních algoritmů pro generalizaci státního mapového díla středních měřítek
4.7. Schválení uživatelem na serveru řešitele proti funkčním testům - KD
5. R2 Software - Knihovna programů pro řízení dílčích procesů automatizované tvorby topografických map
5.3. Ověření funkčnosti - KD
5.5. Schválení uživatelem na serveru řešitele proti funkčním testům - KD
6. Z - Komplexní řízení procesu tvorby státního mapového díla měřítek 1 : 10 000 a 1 : 25 000
6.4. Ověření a schválení uživatelem
21
6
7
8
9
10
11
12
Schéma zveřejňování zdrojových kodů a výsledků
Jedním z předpokladů dodržení kvality a umožnění Uživateli sledovat průběžně výsledky
projektu je vhodný způsob manipulace s daty. Všechny zdrojové kódy, výsledky a
mezivýsledky budou průběžně ukládány do uzavřeného repositáře, na který bude mít
kromě vývojového týmu přístup i Uživatel. Ve chvíli, kdy je některý z nich úspěšně
otestován a připraven ke zveřejnění, je označen jako nová verze (release),
zdokumentován a vystaven ve veřejném repositáři, který je pod licencí EUPL. Tímto
postupem se zároveň průběžně dosáhne zálohování prací.
Vývojář, analytik,
výzkumník
Veřejné repository EUPL
Privátní repository
...
Stav i+2
Vývoj, výzkum
Stav i+1
Verze j
Stav i
...
Testování
Obrázek č.8 Schéma zveřejňování výsledků projektu
22
Verze j