Geneza procesu produkcji map

Problem

Jesteśmy prywatnymi wydawcami map od kilkudziesięciu lat. Około 2010 roku uznaliśmy, że problem dostępności źródeł do aktualizacji map wreszcie się skończył, strony www udzielają kompletnej i aktualnej informacji na każdy temat, a bazy danych przestrzennych są powszechnie dostępne. Od tamtej pory twórca mapy mógł już dotrzeć do każdej informacji, wnieść nową na mapę lub zaktualizować istniejącą. Kartowanie stało się czystą przyjemnością.

Euforia minęła po kilku latach, naszą branżę jak mało którą dotknął problem Big Data. Koszt wykorzystania ogromnej ilości informacji, wyłuskania tego co istotne, okazał się zbyt duży. Z drugiej strony, tak wzrosła jakość map darmowych, skalowalnych geoportali, nawigacji, że oferta komercyjna stała się mało atrakcyjna, tworzenie mapy kosztowało zbyt dużo. Konsekwencją był spadek nakładów map drukowanych, zniknięcie szeregu tytułów, wręcz kategorii map. A także likwidacja na całym świecie wielu szanowanych wydawnictw kartograficznych. Twórca map online zastąpił redaktora map papierowych.

Pomysł

Na wielu obszarach zastosowania nadal widzimy przewagę map klasycznych nad skalowalnymi portalami. Mapy tradycyjne pokazują dużo większy obszar do ogarnięcia jednym rzutem oka, stopień uszczegółowienia jest dopasowany do skali, jakość techniczna jest dużo lepsza, mapa jest znacznie lepiej czytelna, może być zawsze dostępna. Dlatego, nie chcieliśmy rezygnować z robienia map. W takiej sytuacji najlepszym rozwiązaniem jest tzw. ucieczka do przodu. W naszym przypadku oznaczało to założenie, że jest już możliwe tworzenie map w sposób automatyczny, na szeroką skalę, z minimalnym udziałem człowieka. Konstruktor mapy może zostać zastąpiony przez maszynę.

Był pomysł, potrzebne były dane. Uczestnictwo w konferencji sympatyków OpenStreetMap® (OSM) w 2018 roku w Poznaniu dało nam możliwość przekonania się, że doskonałe dane już są i to dla całego świata. A nie było łatwe przekonanie się przez profesjonalnych kartografów, że baza danych przestrzennych tworzona przez entuzjastów, ale najczęściej nie kartografów, może prezentować wystarczająco wysoki poziom.

Ostatnią decyzją był wybór oprogramowania. Skoro zamierzaliśmy tworzyć mapy, nie GIS choć w oparciu o dane geograficzne, to należało zdecydować się na program kartograficzny. Jako użytkownicy LorikSoftware uważamy, że jest najlepszy na świecie, daje nieporównywalne z innymi programami możliwości zautomatyzowanej produkcji profesjonalnych map. Na tym programie może zostać oparty generator mapy.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską

Uznaliśmy, że skoro projekt jest tak nowatorski, to będzie możliwe uzyskanie dofinansowania z środków europejskich. Udało się tego dokonać za pośrednictwem województwa lubelskiego. Projekt miał charakter naukowo-badawczy, przy pracy było zatrudnionych wielu naukowców, głównie kartografów.

Czego potrzebują użytkownicy

Map używają wszyscy codziennie, w sieci są wszechobecne mapy skalowalne, oparte na OSM, GoogleMaps® i innych. Korzystamy z nich niejako automatycznie, najczęściej przez kilka sekund potrzebnych do określenia lokalizacji, naszej lub tego co nas interesuje. Przyzwyczailiśmy się więc do tych map, ich specyficznej zawartości treści i grafiki.

Nie oznacza to wcale, że potrzeby korzystania z map w szerszym zakresie zanikły. Pojawiło się  jednak wymaganie, by konkretna mapa była poglądowa. Do tej pory, mapy były robione wyłącznie dla masowego odbiorcy, były więc przepełnione treścią potencjalnie potrzebną tysiącom użytkowników. Taka mapa nie była poglądowa, była nieczytelna, czasem nieprzyjazna, trudna w odbiorze. Poglądowość oznacza więc, że mapa zawiera to co jest nam potrzebne i tylko to, nic więcej. Spełnienie tego warunku jest możliwe drogą personalizacji.

Dzięki wieloletniemu doświadczeniu przy dopasowywaniu map do potrzeb użytkowników udało nam się zdefiniować, jakie pytania zadają klienci i co należy korygować, by mapa była spersonalizowana. Kolejne kroki w procesie, przez które przechodzi klient, dokładnie pokrywają się z tymi pytaniami i dają możliwość udzielenia precyzyjnych odpowiedzi. Dzięki temu użytkownik może potem powiedzieć, że to są Moje mapy.

Dane podkładowe

Aby dane geograficzne były użyteczne, muszą być wiarygodne, aktualne i kartometryczne. Ich struktura powinna się nadawać do dalszego automatycznego wykorzystania. Najlepiej, gdy pokrywają cały świat w jednolity sposób. Jeżeli mapy mają być tanie, to dostęp do danych musi być darmowy. Gdy mówimy o danych podkładowych topograficznych, to jest tylko jedna taka baza – OSM. Choć w przeglądarkach widzimy mapę, to jest to przede wszystkim baza danych; kiedyś pokazywała tylko ulice, teraz jest tam prawie wszystko. Jest darmowa, ale to nie oznacza, że korzystanie z niej nie wymaga ponoszenia nakładów finansowych. W 2023 roku baza OSM zawierała ponad 9,5 miliarda obiektów, była na stałe redagowana przez ok. 70.000 osób, a incydentalnie – przez ponad 8 milionów. Tak wielka liczba redaktorów daje możliwość szczegółowego pokrycia całego świata danymi i ich aktualizacji, wadą tego rozwiązania jest brak jednolitości zawartości informacyjnej.

OSM ma strukturę nietypową jak na bazę danych przestrzennych, wynika to z faktu, że treść musi być edytowalna dla pasjonatów. Bez wątpienia obiekty zawierają za mało atrybutów, by móc stosować poprawną automatyczną generalizację, trudno jednak wymagać od redaktorów, by wypełniali kolumny wartości dla każdego obiektu. Wiele atrybutów się krzyżuje, nakłada i powiela, co utrudnia zadanie.

Baza nadaje się znakomicie do wykonywania map w największych skalach, jak np. 1:10 000. Jednakże, przy mniejszych skalach pojawiają się problemy, co można łatwo dostrzec na stronie OSM: jezdnie dróg dwujezdniowych zlewają się w linie o nieregularnej szerokości, plamki lasów stają mikroskopijnie małe, tory linii kolejowych nakładają się na siebie, liczba pokazywanych nazw spada drastycznie, a ich dobór staje się przypadkowy itd.

Aby uporządkować ten zasób dla potrzeb prezentacji mapowej w skali 1:50 000, czy 1:200 000 trzeba wykonać dużą pracę generalizacyjną, o czym dalej.

Obszary polarne zostały skartowane słabo w OSM, trudno jednak temu się dziwić, gdyż niewiele tam się dzieje. Zmiany klimatyczne następują tak szybko, że nie jesteśmy w stanie zaoferować wiarygodnych danych, dotyczących np. lądolodów czy przebiegu linii brzegowej na tych obszarach.

W skalach małych mapy zostały wykonane ręcznie w LorikSoftware, na podstawie przetransferowanych danych z Natural Earth®. Baza ta jest dobra, ale wymaga głębokiej redakcji i aktualizacji. Redaktor mapy świata całkowicie od nowa zrobił miejscowości posiłkując się najnowszymi danymi statystycznymi obejmującymi liczbę mieszkańców. Nazewnictwo na mapach można wybrać spośród 3 wersji: j. angielski, j. polski oraz endonimy. Szczególnie polecamy te ostatnie, zawierające oryginalne nazwy państw, miejscowości, rzek i części regionów, zapisane w alfabecie łacińskim.

Niezależnie z jakiego regionu świata pochodzisz znajdziesz szczegółową mapę w małej skali dla Twojego obszaru. Są to więc mapy kontynentów i oceanów w różnych skalach/ rozmiarach, zaś mapę świata możesz wybrać z południkiem środkowym ustalonym dla obu Ameryk albo dla Europy z Afryką albo dla Azji z Australią i Oceanią.

Dane podkładowe urzędowe

Portal został przystosowany do wykorzystania danych podkładowych regionalnych urzędowych, tj. udostępnianych przez narodowe agencje kartograficzne w postaci otwartych baz danych. Zamierzamy sukcesywnie je wdrażać, ale jest to proces czasochłonny i kosztowny.

Rzeźba terenu

To, czego nie zawiera OSM musieliśmy pozyskać z innych źródeł. Uważamy na przykład, że dobra mapa powinna zawierać cieniowanie, ono bardzo wzbogaca każdą mapę, pod warunkiem, że jest dobrze zrobione i nie obciąża jej wizualnie. Do jego wygenerowania wykorzystaliśmy DEM NASA oraz model Copernicusa 30/ 90 m. Z 5 różnych wersji cieniowania, posługując się złożonymi metodami, stworzyliśmy jedno, kolorowe, odpowiadające skali 1:44 000, złożone prawie z 50.000 kafelków.

Naturalnie, dla skal mniejszych przygotowaliśmy oddzielne cieniowania o szczegółowości pasującej do konkretnej skali. W generalizacji bardzo przydatny okazał się darmowy program TerrainSculptor, który serdecznie polecamy. W małych skalach posłużyliśmy się DTM GTOPO30 USGS o rozdzielczości 1 km. Nasze cieniowanie jest odpowiednio zgeneralizowane, a obszary płaskie są białe.

Z wyżej wymienionych modeli wygenerowaliśmy poziomice. Ich dokładność pionowa jest taka jak źródła, więc nie mogliśmy opisać wartości, ale poziomice znakomicie pokazują ukształtowanie terenu.

Na pewno przydadzą się na mapach turystycznych w wielkich skalach. Zaś w skalach średnich i małych, np. na mapach fizycznych szkolnych, jest hipsometria barwna.

Dla oceanów w małych skalach posłużyliśmy się modelem GEBCO.

Z poziomicami był pewien problem, czy dawać tylko te co 20 m, czy może przydałyby się też poziomice pomocnicze co 10 m. Na wielu terenach nizinnych urozmaicają rzeźbę terenu, ale tam gdzie wybrzeża są strome ich zagęszczenie robi się za duże.

Ostatecznie, do 300 m n.p.m. poziomice są co 10 m.

Pokrycie terenu

Bardzo cennym uzupełnieniem są mozaiki z użytkowaniem ziemi. Wykorzystaliśmy dane Global Land Cover ESA, są opracowane w kilku rozdzielczościach. Wzięliśmy także pod uwagę najnowsze dane o pokryciu terenu, wykonane w oparciu o mozaiki Sentinela, w rozdzielczości 10 m, czyli dobre dla skali 1:50 000.

Dane inne

OSM, choć jest wspaniałą bazą, wymaga uzupełnień lub zmian. Ze względów politycznych przebieg granic spornych, o nieustalonym przebiegu, oraz status terytoriów niesamodzielnych, został dopasowany do wytycznych polskiego Ministerstwa Spraw Zagranicznych oraz Komisji Standaryzacji Nazw Geograficznych poza Granicami Rzeczypospolitej Polskiej przy GUGiK – granice są zgodne z oficjalnym stanowiskiem Polski, można to też zweryfikować na specjalnej mapie (patrz na dole wspomnianej strony).

Nazwy ulic są zapisywane w OSM w pełnej formie. Jest to zrozumiałe, ale na mapach zajmują za dużo miejsca.

Stworzyliśmy słownik oparty na wykazie OSM, dający możliwość ich maksymalnego skrócenia.

W nazwach własnych często kryją się nazwy kategorii obiektów, ich wyodrębnienie daje możliwość urozmaicenia klasyfikacji np. obiektów turystycznych. Stworzyliśmy słownik dla wiodących języków łacińskich świata, dający możliwość takiej konwersji.

Oryginalne nazwy występują w OSM we wszystkich alfabetach świata, przez co są nieczytelne dla przeciętnego użytkownika. Wprawdzie redaktorzy OSM dodają nazwy wariantowe, ale nie zawsze. Wdrożyliśmy zatem proces latynizacji wszystich nazw, które mogą się pojawić na mapie, będzie dostępna także wersja w cyrylicy.

Aktualizacja

Wielką zaletą OSM jest to, że jest najbardziej aktualną bazą danych dla świata. Tak jak w nawigacjach możemy liczyć na to, że drogi są bardzo aktualne, tak w OSM dotyczy to też wielu innych kategorii. Ponieważ świat nie jest skartowany w sposób równomierny, więc odświeżanie bazy przynosi nie tylko weryfikację tego co już istniało, ale też pojawiają się treści dla kolejnych obszarów. Pobieramy bazę OSM ze źródła raz na miesiąc.

Obrazy satelitarne zamierzamy aktualizować rzadko, gdyż najważniejsze jest dla nas małe pokrycie chmurami. Jest też faktem, że przy rozdzielczości 10 m zmiany są widoczne dużo rzadziej niż w przypadku obrazów np. 30-centymetrowych.

Mapy w skalach małych są aktualizowane na bieżąco, nie dotyczy to jednak liczby ludności dla miejscowości, które są weryfikowane co 5 lat.

Proces

Procedurę tworzenia map możemy podzielić umownie na 3 części:

– personalizację w 3 krokach, tj. Region, Temat i Grafika – widoczne dla Ciebie w przeglądarce,

– generowanie obrazu roboczego – dziejące się w tle, niewidoczne dla Ciebie. Właściwy kreator map,

– personalizację z zakupem w kolejnych 3 krokach, tj. Obraz, Postać i Zakup – widoczne dla Ciebie w przeglądarce.

Skoncentrujmy się teraz na sercu procesu, czyli generowaniu map w tle. Decyzje podjęte przez Ciebie w trakcie przechodzenia pierwszych 3 kroków personalizacji, zostają zamienione na parametry sterujące procesem. Dla Twojego obszaru geograficznego z serwera zostają pobrane dane pochodzące z OSM i innych źródeł. Program kartograficzny transferuje obiekty, rozmieszczając je na odpowiednich warstwach i nadając postać graficzną znakom.

W kolejnym kroku, program kartograficzny dokonuje generalizacji jakościowej i ilościowej danych, tak by zostały uproszczone adekwatnie do skali. Zbędne warstwy zostają wyłączone, grafika jest kilkukrotnie zmieniana, by dopasować mapę do Twoich wymagań.

Gotowe już dane mapy zostają osadzone w ramce ze współrzędnymi geograficznymi, umieszczonej na umownej kartce papieru o rozmiarach określonych przez Ciebie w 1 kroku personalizacji. Obok mapy pojawia się legenda, metryczka wydawnicza z numerem licencji, na górze jest tytuł. Zawsze są skale, czasem logo klienta i informacje wniesione przez Ciebie.

Tutaj istotna uwaga: Twoja praca często dzieje się w pętli, tzn. po każdych Twoich zmianach w 1-3 i 4 kroku obraz roboczy mapy jest generowany powtórnie. Ma on zawsze rozdzielczość 120 dpi, model barw RGB i znak wodny.

Proces kończy się wygenerowaniem mapy o finalnych parametrach, ustalonych przez Ciebie w kroku 5. Eksport obrazu potrafi trwać długo, gdyż trzeba zrasteryzować obraz bardzo złożony graficznie, zawierający niekiedy kilkadziesiąt tysięcy elementów. Tryb specjalnej jakości 10-krotnie spowalnia tempo generowania obrazu, ale rezultaty są wyjątkowe, choć nie widać ich na pierwszy rzut oka. Obraz wektorowy powstaje szybciej, ale jest zalecany jedynie dla prostych map.

Legenda

Wiele pracy włożyliśmy w automatyczne konstruowanie legendy. Może ona zawierać prawie 500 znaków, jeśli tylko znajdzie się miejsce obok mapy. Proces dobiera sygnatury w zależności od decyzji podjętych przez Ciebie w czasie personalizacji, ich ilość jest zgodna z zawartością warstw informacyjnych. Gdy miejsca jest za mało, decyduje hierarchia sygnatur i mniej ważne są usuwane. Styl graficzny dokładnie odpowiada temu zastosowanemu na mapie. Legenda ma zawsze postać rastrową.

Rezultaty

Wynikiem projektu jest prosty twórca map online – portal MapCreating służący do automatycznego generowania online map. Daje możliwość stworzenia mapy:

– z dowolnego obszaru na świecie,

– w dowolnej skali,

– w dowolnym rozmiarze i rozdzielczości,

– w odwzorowaniu dopasowanym do położenia geograficznego,

– o zakresie treści dopasowanym dokładnie do Twoich porzeb,

– o manierze graficznej wybranej przez Ciebie,

– z ramką, siatką i wielojęzyczną legendą.

Portal jest dostępny online 7/24, mapy są generowane na bieżąco i dostarczane w relatywnie krótkim czasie.

Osiągnięcia

Jest to pierwsze na świecie tak zaawansowane narzędzie do robiena map online. Zastępuje ono inżyniera GIS, redaktora kartografa, czy po prostu zwykłego użytkownika w wykonaniu profesjonalnej mapy.

Tam gdzie dotychczas wykorzystywano zrzuty ekranowe z popularnych programów mapowych, jest teraz możliwe zastosowanie statycznych map cyfrowych oraz drukowanych papierowych.

Jak sądzimy, MapCreating propaguje dobre maniery w kartografii, pokazując że automatycznie stworzona mapa może wyglądać bardzo dobrze, być użyteczna zaspokajając Twoje najbardziej nietypowe potrzeby.

Problemy do rozwiązania

W legendzie sygnatury są pokazane dla wszystkich warstw informacyjnych, zgodnie z Twoimi decyzjami personalizacyjnymi. Nie jest jednak uwzględniona specyfika regionu geograficznego, np. w legendzie mapy Kanady może się pojawić las równikowy, a w legendzie mapy Egiptu – lodowce. Czeka nas opracowanie algorytmu usuwającego tę niezręczność.

Należy zachować poziomice pomocnicze co 10 m tylko tam, gdzie nachylenie stoków jest małe. Przy uwzględnieniu tego kryterium można myśleć o pokazaniu również poziomic uzupełniających co 5 m na terenach zupełnie płaskich i bezleśnych.

Wiemy doskonale, że mapy potrzebujesz najczęściej szybko, chciałbyś/ chciałabyś otrzymać ją niezwłocznie po zapłacie. Nasz portal to jednak nie sklep, tylko fabryka map, muszą one zostać najpierw wyprodukowane. Dopasowujemy narzędzia tak, by trwało to jak najkrócej, ale nie może się to dziać kosztem jakości. W procesie będzie możliwe wprowadzenie nowych metod transferu danych – program kartograficzny daje taką sposobność już teraz – gdy nastąpi dalsze przyspieszenie działania sprzętu komputerowego.

Zamierzamy stopniowo udostępniać możliwość druku map papierowych w coraz większej liczbie państw. Zależy to od możliwości znalezienia wiarygodnej drukarni.

Wielką zaletą map turystycznych publikowanych w Polsce i innych krajach są czasy przejść na szlakach turystycznych. Czeka nas stworzenie algorytmu dającego możliwość określenia automatycznie ich wartości.