Entwicklung und Evaluierung eines formgestützten Location Referencing Verfahrens

Abstract

Mit der wachsenden Verfügbarkeit von leistungsfähigen und kostengünstigen mobilen Endgeräten sowie flächendeckenden Datenübertragungsnetzen entstehen immer mehr Anwendungen sowohl in Geräten für Endkunden als auch professionelle Systeme, beispielsweise im Automobil-Bereich, bei denen Informationen mit einer Ortsangabe, der sogenannten Georeferenz, versehen werden. Im geodätischen Sinne besteht eine solche Georeferenz aus einem Koordinatensatz in einem definierten Koordinatensystem und bezeichnet somit einen Ort auf der Erde in eindeutiger Weise. Für praktische Anwendungen ist es jedoch häufig hilfreich, wenn zu dieser koordinatenmäßigen Darstellung auch Bezüge zu Objekten der Realwelt, etwa Gebäuden oder Straßen, hergestellt werden. Ein Katalog solcher Abbildungen von Realweltobjekten samt ihrer Beschreibung kann allgemein als (digitale) Karte bezeichnet werden. Um nun Informationen, welche auf die in einer solchen Karte abgebildeten Objekte referenziert sind, zwischen verschiedenen Endgeräten oder Systemen austauschen zu können, ist eine standardisierte Verallgemeinerung der Georeferenzierung erforderlich. Dies wird üblicherweise als Location Referencing bezeichnet. Location Referencing Verfahren wurden im Rahmen von Forschungsprojekten verschiedentlich entwickelt, implementiert und praktisch angewendet. Dabei wurde beispielsweise im Rahmen des EU-geförderten Forschungsprojektes ROSATTE deutlich, dass diese LR-Verfahren grundsätzlich für die Übertragung von kartenbasierten Informationen zwischen verschiedenen Kartensystemen geeignet sind. Für bestimmte Anwendungsfälle mit hohen Qualitätsanforderungen sind jedoch noch weitere Verbesserungen notwendig. Eine Location Referencing Übertragung kann technisch als Zuordnungsproblem zwischen zwei digitalen Karten verallgemeinert werden. Dabei wird die auf der Ausgangskarte basierende Georeferenz des zu übertragenden Objektes verallgemeinert. Diese wird als Ortsreferenz bezeichnet. In der als Zielnetz bezeichneten Karte des empfangenden Systems muss zur Zuordnung dann die korrespondierende Ortsreferenz identifiziert werden. Daher werden zunächst Grundlagen der Zuordnungsverfahren aus der Geoinformatik sowie bestehende Arbeiten auf diesem Gebiet dargestellt. Des Weiteren wird zwischen der Zuordnung auf Schema- und Objekt-Ebene unterschieden, was im späteren Verlauf der Arbeit zum Verständnis von Zuordnungsproblemen beiträgt. Die Zusammenführung der vorgestellten Zuordnungsmaße für eine Zuordnungsentscheidung kann mittels Kosten- oder Leistungsfunktionen erfolgen. Grundsätzlich lassen sich für das Location Referencing zwei Varianten, nämlich das statische und das dynamische Location Referencing unterscheiden. Aufgrund der starken Dynamik der möglichen LR-Anwendungen erscheint eine statische Referenzierung mit zentral verwalteten Ortstabellen für die heutige und zukünftige praktische Anwendung des Location Referencing wenig sinnvoll. Daher folgt nach der Vorstellung möglicher LR-Anwendungen eine Übersicht bestehender dynamischer LR-Verfahren. Aufgrund seiner schon weiten Verbreitung und freien Zugänglichkeit in Hinsicht auf Lizenz und Implementierung wird OpenLR als Grundlage für die Entwicklungen im Rahmen der vorliegenden Arbeit detailliert vorgestellt und einer detaillierten Analyse unterzogen. Dabei wird der entsprechende Standard und die verfügbare Referenz-Implementierung des Verfahrens untersucht und Verbesserungsmöglichkeiten identifiziert. Auf der vorangegangenen LR-Analyse aufbauend, wird im Rahmen dieser Arbeit ein neues Location Referencing Verfahren, der sogenannte Form-Matcher, entwickelt. Das neue Verfahren baut auf OpenLR auf, verwendet jedoch zusätzliche formbasierte Zuordnungsmerkmale, z.B. die Anzahl signifikanter Richtungsänderungen einer linienhaften Ortsreferenz. Für die Suche der Zuordnungskandidaten werden alle den vollständigen Verlauf der Ortsreferenz im Zielnetz abdeckenden Routen-Kandidaten identifiziert und dann einer individuellen Bewertung entsprechend der verwendeten Zuordnungsmaße unterzogen. Des Weiteren berücksichtigt das neue Verfahren insbesondere auch die topologischen Eigenschaften der Ortsreferenzen bei der Decodierung im Zielnetz. Die Beschreibung der Qualität der Kartenzuordnungen und damit auch die Evaluierung der LR-Übertragung soll auf einschlägigen Qualitätsmodellierungen aufbauen. Daher werden zunächst allgemeine Ansätze zur Qualitätsbeschreibung von Geodaten aus der Geoinformatik und auch speziell dem Verkehrsbereich vorgestellt. Daneben werden existierende Ansätze zur Beschreibung der Qualität von Kartenzuordnungen, beispielsweise aus dem ROSATTE-Projekt sowie der häufig verwendete Precision-Recall-Ansatz vorgestellt und auf ihre Tauglichkeit zur Verwendung im Rahmen der vorliegenden Arbeit hin untersucht. Auf diesen Grundlagen aufbauend, wird ein beschreibendes Qualitätsmodell sowie ein Verfahren zur Ermittlung der Qualität von Kartenzuordnungen für diese Arbeit entwickelt. Grundlage sind die Qualitätsmerkmale Vollständigkeit, Genauigkeit und Korrektheit. Von ihnen ausgehend werden Qualitätsparameter auf Objektebene abgeleitet und mittels Leistungsfunktion zusammengeführt. Zur globalen Beurteilung können diese lokalen Qualitätsparameter auch auf Datensatzebene zusammengeführt werden. Schließlich wurde das neu entwickelte LR-Verfahren sowie die Qualitätsbeurteilung zur Durchführung praktischer Untersuchungen in der sogenannten LR-Testumgebung implementiert. Aus den verfügbaren digitalen Straßenkarten TomTom MultiNet und OpenStreetMap wurden Datensätze für vier unterschiedliche Szenarien Autobahn, Landstraße, Innenstadt und Kreuzungen erstellt. Die damit durchgeführten empirischen Untersuchungen zeigen eine Qualitätssteigerung der LR-Übertragungen mittels Form-Matcher gegenüber OpenLR bei einer Übermittlung von OpenStreetMap Karten nach TomTom MultiNet. Für diese Übertragungsrichtung konnte der Anteil korrekter Zuordnungen von 63 % auf 75 % gesteigert werden. In umgekehrter Richtung zeigt OpenLR mit einem Anteil an korrekten Zuordnungen von 71 % ein höheres Qualitätsniveau, das der Form-Matcher mit 69 % korrekten Zuordnungen nicht verbessern kann.

The growing availability of powerful and cost-efficient mobile devices as well as area-wide mobile communication networks lead to the development of an increasing number of applications for the consumers and also in the professional sector (e.g. the automotive industry). All these applications imply that a location, the so-called georeference, is assigned to the transmitted information. In a geodetic sense, a georeference consists of a set of coordinates in a defined coordinate system and marks a place on earth in a distinct way. For practical applications however, it is often helpful to link these coordinates to real-world objects, e.g. buildings or roads. A catalogue of such descriptions of real-world objects can be regarded as a (digital) map. In order to exchange information that is referenced to objects depicted in such a map, a standardized generalization of the georeference is essential. This is typically referred to as Location Referencing. Location Referencing techniques have been developed, implemented, and applied in practice within a number of research projects. The EU-funded research project ROSATTE, for example, showed that these LR techniques are basically suitable for the transmission of map-based information between different map systems. Certain applications with high demands on quality, however, require further improvement of the existing LR methods. A Location Referencing transmission can be generalized from a technical point of view as an allocation problem between two digital maps. In doing so, the georeference of the object to be transmitted from the source network is being generalized. The result thereof is denoted as Location Reference. For allocating this location reference, the corresponding location reference has to be identified in the target map of the receiving system. For this reason, the basic mapping techniques used in geoinformatics, as well as already existing publications in this field are firstly presented. Furthermore, a distinction is made between mapping at schema level and mapping at object level. This will lead to a better understanding of some of the matching problems mentioned in the course of this thesis. The presented matching parameters can be combined for a decision on allocation by cost functions or power functions. Location Referencing can basically be classified in static and dynamic Location Referencing. Typical LR applications show high dynamics together with high requirements on up-to-dateness and the need of immediate adaption to real-world changes. For this reason, a static referencing with centrally administrated location tables seems to be less reasonable for current and future practical applications of Location Referencing. An overview of existing dynamic LR methods is given after the discussion of possible LR applications. Since it is already widely used and accessible with respect to its license and implementation, OpenLR will be presented and analyzed in detail as a basis for the developments in the present thesis. For this purpose, the corresponding OpenLR Whitepaper as the published standard and the reference implementation which is publicly available from the OpenLR website are investigated in detail and thus possibilities for their improvement are identified. Based on the preceding analysis, a new Location Referencing method, the so-called form-matcher, has been developed in the present thesis. The new method builds on OpenLR, but uses additional, formbased matching parameters, e.g. the number of significant changes of direction of a linear location reference. Searching for possible matching candidates, the complete LR route is considered in the target network instead of evaluating the location reference points individually. Then these identified route candidates are investigated using the selected matching parameters. Furthermore, the new method considers in particular the topological properties of the location references for the decoding in the target network. The quality specification of the map assignments and thus the evaluation of the LR-transmissions should be based on existing quality models. Therefore, general approaches to a quality specification in geoinformatics as well as in the traffic and transportation domain are presented at first. Besides, existing approaches to quality description and modelling, for example the one derived within the ROSATTE research project, or the widely-used precision and recall approach are presented and examined with respect to their suitability for the use in the present thesis. Based on these quality principles, a new descriptive quality model for map assignments and a corresponding evaluation method have been developed in the present thesis. The quality model consists of the quality characteristics completeness, accuracy and correctness. Local quality parameters are derived at object level from these characteristics and merged by using a power function. For the global quality assessment, these local quality parameters can be merged at dataset level. Finally, the newly developed LR method together with the quality assessment methodology were implemented in the so-called LR testbed to enable practical investigations. Four different datasets for the scenarios motorway, inter-urban, urban and intersections were created from the TomTom MultiNet and OpenStreetMap road maps. The empirical investigations show a quality improvement of the LR transmissions via form-matcher from OpenStreetMap to TomTom MultiNet compared to OpenLR. For this direction of transmission, the percentage of correct assignments could be raised from 63 % to 75 %. For the opposite direction, however, OpenLR shows a higher quality level with a portion of 71 % of correct assignments. This portion could not be improved by the form-matcher with its 69 % correctness.