Expertsystemen voor kaartbeschrifting

De stand van zaken

 

Bart Spee

 

1. Inleiding

In dit referaat zal een poging worden gedaan om de huidige stand van zaken met betrekking tot expertsystemen voor kaartbeschrifting toe te lichten en te verklaren. Dit met als doel andere geÔnteresseerden op de hoogte te brengen van het onderwerp.

Als eerste zal ik ingaan op expertsystemen. Wat zijn dit nu eigenlijk? Hierbij zal ik proberen een definitie te geven van een expertsysteem. Omdat het onderwerp expertsystemen voor kaartbeschrifting is, zal ik, nadat het expertsysteem is behandeld, ingaan op de beschrifting van de kaart: wat zijn de regels en algemene uitgangspunten zodat een kaart goed leesbaar is. In het vervolg hierop zal ik beide zaken aan elkaar koppelen en expertsystemen voor kaartbeschrifting bespreken, hetgeen daarna verder zal worden toegelicht met enkele voorbeelden uit de praktijk. Daarnaast zal toegelicht worden wat nu eigenlijk de voordelen zijn van expertsystemen voor kaartbeschrifting boven traditionele vormen hiervan. Uiteindelijk zal dit alles worden samengevat in de concluderende opmerkingen.

2. Expertsystemen

Volgens Hayes-Roth et al. (1983) is een expertsysteem: A computer system that achieves high levels of performance in task areas that, for human beings, require years of special education and training. Dit geeft al aan dat een expertsysteem een hoge mate van intelligentie heeft. Toch is er geen eenduidigheid over wat een expertsysteem allemaal zou moeten kunnen. Fischer & Mackaness (1987) noemen vier punten, genoemd door Waterman:

- Expertise; het systeem moet goede vaardigheden hebben op zijn terrein waardoor goede prestaties kunnen worden geleverd.

- Symbolisch denken, symbolische kennis kunnen reproduceren en kunnen herformuleren.

- Diepte, de mogelijkheid om moeilijke problemen te kunnen verwerken en moeilijke opdrachten te kunnen uitvoeren.

- Zelfkennis, het bestuderen van de eigen rationaliteit en het kunnen verklaren van de eigen uitvoeringen.

De symbolische kennis, genoemd in punt twee, is de kennisbasis. Deze is gebaseerd op kennis uit een bepaald vakgebied, bijvoorbeeld de kartografie. Een kartograaf is dan nodig om gegevens in het expertsysteem te krijgen. Het systeem moet zijn uitkomsten kunnen verklaren aan de gebruiker (zelfkennis) en moet goede oplossingen kunnen bedenken, ook als de basisinformatie niet geheel compleet is.

Dit maakt wel duidelijk dat een expertsysteem voor de kartografie, of in dit geval de kaartbeschrifting, het noodzakelijk maakt dat er regels zijn waarvan de computer gebruik kan maken. Met die basiskennis kan de computer dan verder groeien door zijn kunstmatige intelligentie en dus leren van zijn fouten en de eisen van de gebruiker. In het volgende gedeelte zal daarom ook in worden gegaan op de kaartbeschrifting en de regels die daarbij van toepassing zijn. Deze regels zijn al vele decennia in gebruik door kartografen. Imhof (1962) was de eerste die een uitgebreide verhandeling schreef over dit onderwerp. Hierop zijn dan ook enkele expertsystemen gebaseerd die daarna zullen worden behandeld.

3. Kaartbeschrifting

Zoals al gezegd is de kaartbeschrifting en haar regels ouder dan de verhandeling van Imhof. Op dit gebied is er uiteraard weinig vernieuwing in opvattingen, waardoor de opvattingen van Imhof uit 1962 nog steeds bruikbaar zijn. Hoewel de techniek en manier van kaartbeschrifting revolutionair is veranderd blijven deze regels dus grotendeels te gebruiken, op enkele productiegebonden details na. Imhof geeft zes belangrijke punten die in acht moeten worden genomen bij de beschrifting:

1. Leesbaarheid: namen moeten goed leesbaar zijn en niet doorkruist worden door andere objecten.

2. Duidelijke afgrenzing van lettertype en grootte voor verschillende groepen van objecten die op de kaart worden aangeduid.

3. Namen moeten overige objecten niet storen (doorkruisen).

4. Namen moeten meehelpen om het begrip over de verschillende objecten te vergroten.

5. Het schrift moet niet eentonig en uniform zijn, anders worden verschillen tussen objecten niet goed duidelijk.

6. De kaart moet niet gelijkmatig bedekt worden met namen. Namenknopen moeten daarentegen ook voorkomen worden.

Deze zes punten worden dan weer toegepast op drie verschillende groepen objecten die benoemd moeten worden, namelijk:

1. positie- of puntbenaming

2. lijnbenaming

3. gebieds- of vlakbenaming

Bij punt een noemt hij bijvoorbeeld de plaats waar de naam idealiter geplaatst moet worden. Volgens Imhof is dit aan de rechterkant iets naar boven (figuur 1 toont een voorbeeld). Bij het tweede punt noemt hij onder andere dat de naam van een lijnobject, als men het leest, boven het lijnobject moet staan, zodat er een duidelijk verband is tussen de naam en het object. Bij het derde en laatste punt noemt hij het feit dat de naam in een vlak nooit te dicht bij de rand van het object moet staan en, indien nodig, enigszins schuin in het vlak moet worden gezet. Hij geeft bij dit alles vele voorbeelden, ook van onjuist gebruik.

Het artikel van Imhof is uiteraard geheel gebaseerd op het Romeinse schrift, maar in Arabische landen worden ook kaarten gemaakt en hier gelden andere regels: de letters zijn heel anders van uiterlijk en men leest ze op een andere manier. El-Amri & Forrest (1997) hebben dit onderwerp belicht. Hieruit bleek dat de belettering van Arabische kaarten vrij slecht was en dat er dus nog veel onderzoek verricht moet worden om tot een beter inzicht te komen voor de beschrifting van Arabische kaarten. Ook Europese kartografen kunnen hiermee in aanraking komen wanneer er een tweetalige kaart moet worden gemaakt.

Nu de begrippen kaartbeschrifting en expertsystemen enigszins zijn toegelicht en verduidelijkt zal er worden ingegaan op de combinatie van beiden: een expertsysteem voor kaartbeschrifting.

figuur 1. Goed (links) en slecht (rechts) voorbeeld van Imhof (1962)

Expertsystemen voor kaartbeschrifting

Zoals al duidelijk is geworden zijn expertsystemen vrij ingewikkeld en hoogstaand. Door de ontwikkelingen in de huidige computertechnologie zijn de mogelijkheden voor zulke systemen steeds uitgebreider geworden. Dit stuk zal dan ook historisch worden opgebouwd, zodat de ontwikkeling van de systemen eruit valt af te lezen. Het geheel zal uiteindelijk worden afgesloten met een poging tot het kijken in de toekomst.

Ottoson (1980) geeft duidelijk de overgang aan van handwerk naar semi-automatische kaartbeschrifting. In 1978 ging de Zweedse topografische dienst over op computer geassisteerd foto letter zetten voor kartografische doeleinden. Met behulp van een eenvoudige computer en software werden namen op de juiste plaats op een vel gedrukt. Dat gebeurde door de namen met de objecten te verbinden die een bepaald coŲrdinaat bezaten. Uiteraard is dit geen expertsysteem te noemen, slechts automatisering. Een gedeelte van de namen kwam dan ook niet goed op de kaart terecht en moesten handmatig worden aangepast. Dit alles gaf de Zweden een tijdsbesparing van 35 procent, wat gedeeltelijk ongedaan werd gemaakt door de hogere kosten van de computer. Zoals gezegd is dit nog geen expertsysteem, maar het is wel als een eerste zet in die richting te noemen.

Volgens Buttenfield en Mark (1990) moet het ideale kartografische expertsysteem van een database een goede kaart kunnen maken. Het moet dus de juiste keuze kunnen maken voor de soort kaart, de weergave methode, symboolkeuze en dergelijke. Dit vergt natuurlijk erg veel van een dergelijk systeem en het bestaat dan ook nog niet, hoewel verschillende pogingen zijn gewaagd in de jaren tachtig. Het kaartontwerp kan volgens Buttenfield en Mark (1990) worden onderverdeeld in drie delen (figuur 2):

1. generalisatie

2. symbolisatie

3. productie

 

figuur 2. Kaartontwerp proces (Buttenfield & Mark, 1991)

Generalisatie is de kunst van het weglaten. Het kaartbeeld vereenvoudigen, zonder belangrijke informatie te verliezen. Dit is dan weer te verdelen in drie fasen: vereenvoudiging, classificatie en toevoegen. Dit laatste kan bijvoorbeeld een isolijn zijn die gebaseerd is op enkele punten, maar een continuŁm suggereert.

Symbolisatie is het omwerken van de data tot kartografische gegevens: van het D. T. M. (digitaal terrein model) naar het D. K. M. (digitaal kartografisch model). Hierin zijn drie fasen te onderscheiden: informatie codering, conceptuele beperkingen en andere beperkingen. Onder deze beperkingen vallen: verwachtingen die men van een kaart heeft (noorden boven) en de tijd die men heeft voor het lezen en uiteraard de reproductiemogelijkheden.

Als laatste de productie, waaronder ook de kaartbeschrifting valt. Dit is het gehele proces van de productie van de kaart en de problemen die zich daarbij kunnen voordoen. Er worden vijf fasen onderscheiden: kaartontwerp, lay-out, herplaatsing, label plaatsing en visuele hiŽrarchie en contrast. Kaartontwerp is hiervan het eenvoudigste: de schaal en de projectie. Dit is geen probleem voor het expertsysteem. Als tweede de lay-out, de algehele compositie van de kaart en eventuele problemen die daarbij komen kijken (te grote objectendichtheid bijvoorbeeld). Herplaatsing is soms nodig om de leesbaarheid te vergroten, hierbij zullen de objecten zo dicht mogelijk bij hun werkelijke locatie blijven. Label plaatsing is waarschijnlijk het verst ontwikkeld binnen het expertsysteem. Er zijn verschillende personen geweest die hebben gepoogd een goed systeem te ontwikkelen voor de plaatsing van namen. Tot nu toe zou dit niet het geval zijn. Er moet nog veel onderzoek worden gedaan naar de heuristiek: de leer van het methodologisch zoeken. Een persoon zal op een bepaalde manier een kaart bekijken en hierbij is slechts ťťn juiste naamplaatsing. Het is dus noodzakelijk dat er op dit gebied nog onderzoek wordt gedaan, ook omdat er personen zijn die beweren te hebben aangetoond dat bepaalde aspecten van de theorie van Imhof niet correct zouden zijn. Als laatste wordt de visuele hiŽrarchie en contrast bekeken, de grafische kwaliteit wordt beoordeeld en eventueel aangepast. Verder komen legenda, schaal en kop bij de kaart.

Praktijkvoorbeelden

Als eerste zal Intergraph belicht worden. Dit Amerikaanse bedrijf ontwerpt hardware en software voor het ontwikkelen van grafische systemen. Als mogelijkheid is hierbij de kartografie. In 1989 kwam Intergraph met Microstation, een werkstation waarmee vele grafische processen te besturen zijn. Het systeem is onder andere geschikt voor het maken van kaarten en biedt uitgebreide mogelijkheden. Het is mogelijk om kaarten met geavanceerde scanners in te scannen en daarna te verwerken met Map Finisher.

In 1990 kwam er een aanvulling op het programma waardoor het mogelijk werd om automatisch namen te plaatsen op de kaart, zoals gebaseerd op de theorie van Imhof (Ormeling, 1990). Hierdoor is het mogelijk door middel van interactie met het databestand de namen te selecteren die men op de kaart wil hebben. Deze namen kan men dan onderverdelen in groepen, zoals bijvoorbeeld steden met meer dan 200.000 inwoners. Men kan de eigen wensen aangeven die in acht moeten worden gehouden bij de plaatsing van de namen. Het is dus mogelijk een persoonlijke invulling te geven aan de naamplaatsing. Volgens Ormeling (1990) zou deze aanvulling op het programma een tijdsbesparing bij naamplaatsing opleveren van 50 procent.

Een gebruiker van het begin is de Faculteit van Kartografie in ZŁrich. Prof. Spiess (1990) geeft hier een verhandeling over. Ten eerste geeft hij aan wat de grote verschillen zijn tussen de ouderwetse, handmatige methode en de nieuwe computergestuurde kartografie. Een kaart ontstaat doordat iemand een idee krijgt, data verzamelt, analyseert en vervolgens dit grafisch gaat weergeven. Daarna moet de bedenker duidelijke instructies opschrijven voor de kartograaf die het werk zal overnemen. Dan moeten er verschillende lagen worden gemaakt, onder andere voor elke kleur en ťťn voor de namen die op de kaart komen. Als de uiteindelijke proefdruk niet goed is zullen de lagen voor alle kleuren opnieuw moeten worden gemaakt, wat een tijdrovend karwei is. Als dit alles op een digitale manier wordt gedaan bespaart dat dus veel tijd. De data wordt digitaal verwerkt en aangeleverd bij de kartograaf. Deze houdt dan hetzelfde proces aan, alleen kan de proefkopie voordat hij wordt gedrukt al gecontroleerd worden op fouten, hetgeen vele uren tijd bespaart. Al met al leverde de nieuwe methode vele uren tijdsbesparing, ondanks het feit dat men het systeem eerst moest leren kennen.

Ze-shen (1992) ontwikkelde ten behoeve van zijn proefschrift een kartografisch expertsysteem voor het ontwerpen van kartografische symbolen, ESSYD genaamd. Dit is niet ontwikkeld voor namenplaatsing, maar kan het in principe wel wanneer het systeem wordt uitgebreid. De literatuur op dit gebied is slechts vanaf 1987 aanwezig. De ontwikkeling is dus voornamelijk pionierswerk en verreist een portie zelfkennis. De strategie die werd gehanteerd bij het ontwerpen van ESSYD:

- Bied de gebruiker potentiŽle vormen van weergave.

- Maak het de ervaren gebruiker mogelijk om direct de oplossing te kiezen.

- Help andere gebruikers bij het evalueren van potentiŽle oplossingen en het selecteren van de optimale.

Hieruit vloeiden de doelstellingen voort: voorkomen van flaters, vinden van de beste grafische oplossing, gebruiksvriendelijkheid. Het bleek dat de regels van de grafische semiologie van Bertin goed moesten worden bestudeerd en aangepast aan de computer die nu eenmaal precies doet wat men zegt. Daarnaast werd er kunstmatige intelligentie gebruikt om te komen tot een goed antwoord.

Voor de toekomst ziet hij drie punten die verder ontwikkelingen vereisen zodat geautomatiseerd kaartontwerp beter wordt:

- Bestudering van kaartgebruik en kaartontwerp. Het blijkt dat bestaande theorieŽn over kaartgebruik en -ontwerp, zoals van Bertin, niet altijd goed werken. Verder onderzoek is noodzakelijk.

- Formalisering, weergave en implementatie van kartografische deskundigheid. De kennis binnen de kartografie dient geformaliseerd te worden en geordend. Bepaalde standaarden moeten worden ontwikkeld en afgesproken.

- Toepasbaarheid voor de GIS-omgeving. Bij een volledig elektronische weergave van kaarten worden er hogere eisen gesteld aan een kartografisch expertsysteem. Het moet geheel automatisch kunnen functioneren.

Het blijkt wel dat veel dezelfde zaken worden genoemd als eerder al bij Buttenfield & Mark. Er is nog veel te doen op het gebied van de ontwikkeling van expertsystemen voor de kartografie. Hiervan lijkt naamplaatsing nog het verst ontwikkeld te zijn, hoewel ook op dit gebied nog steeds nieuwe ontwikkelingen zijn.

Freeman (1998) geeft enkele onderzoeksprojecten aan op het gebied van gecomputeriseerde kartografie. Daarbij is een project voor The U. S. Bureau of the Census. Dit is bedoeld voor automatische plaatsing van tekst labels op de kaarten van de volkstelling in 2000.

Daarnaast heeft ESRI (1998) Maplex, een automatisch naamplaatsingsprogramma dat werkt op een normale PC met Windows NT. Het is uiteraard geen volledig expertsysteem, slechts het gedeelte dat nodig is voor het plaatsen van de namen op de kaart.

Concluderende opmerkingen

Uit het voorgaande blijkt wel dat er veel mogelijk is op het gebied van automatische namenplaatsing op de kaart. Dit is mogelijk binnen uitgebreide GIS-systemen, zoals ook Intergraph heeft, maar tegenwoordig ook op de eenvoudigere systemen. In principe zijn al deze moderne systemen enigszins expertsystemen, maar geen volledige. Zoals in het begin is gezegd, worden expertsystemen gekenmerkt door hoge prestatieniveaus, vergelijkbaar met enige jaren studie en werkervaring. Veel systemen moeten handmatig worden bijgesteld en bijgewerkt: ze helpen dus een handje. Het ideaal is daarom een systeem dat alle taken van de kartograaf overneemt, als slechts een databestand wordt toegereikt. Dit is misschien in de toekomst mogelijk als de handelswijzen van de Kartograaf verder worden geformaliseerd en in theorieŽn gezet. Dit zou het mogelijk maken om een expertsysteem te bouwen dat werkelijk een expert is op het gebied van de Kartografie.

 

Literatuur

Al-Amri, M. & D. Forrest (1997), An investigation of Arabic typography for maps. In: I. T. C.-Journal 1997 (2), p. 146 - 153.

Buttenfield, B. P. & D. M. Mark (1991), Expert systems in cartographic design. In: Taylor, F., Geographic information systems, the microcomputer and modern cartography.

Imhof, E. (1962), Die Anordung der Namen in der Karte. In: Internationales Jahrbuch fŁr Kartographie, p. 93 - 130.

Esri (1998), Maplex automated name placement.

Fischer, P. & W. Mackaness (1987), Are cartographic expert systems possible? In: Proceedings, 8th international symposium on computer-assisted cartography, Auto Carto 8, p. 530 - 535.

Freeman (1998), Current research projects - computerized cartography.

Hayes-Roth, F. et al. (reds.) (1983), Building expert systems. Reading: Addison-Wesley Publishing company inc.

Ottoson, L. (1980), Computer aided photo type setting for Cartographic purposes. Gšvle: Lantmšteriet.

Ormeling, F. J. (1990), Intergraph - Huntsville (al.) Bezoek 23 - 27 september 1990. Utrecht: Universiteit Utrecht, Faculteit Ruimtlijke Wetenschappen.

Spiess, E. (1990), Integrated map production - some applications. Zurich: E. T. H., department of Cartography.

Ze-shen, W. (1992), An expert system for cartographic symbol design. Utrecht: Universiteit Utrecht, Faculteit Ruimtelijke Wetenschappen.