Zoomless Maps: Modelle und Algorithmen für die Exploration von Karten mit hoher Informationsdichte und festem Maßstab

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jan-Henrik Haunert
• Fachliche Zuordnung: Geodäsie, Photogrammetrie, Fernerkundung, Geoinformatik, Kartographie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 408056693

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Dieses Projekt hat sich auf die Entwicklung von Modellen und Algorithmen für die Darstellung großer Mengen von Punktmerkmalen auf mobilen Geräten konzentriert. Es wurden verschiedene flexible mathematische Modelle vorgestellt, welche Punktmerkmale mit beschreibenden Symbolen (z.B. Icons oder Pictogramme) entweder direkt auf den Objekten selbst oder am Rand der Karte kennzeichnen. Insbesondere wurden Limitierungen etablierter Zoom-und-Pan-Anwendungen adressiert und alternative Strategien entwickelt, die die Exploration von Karteninformationen durch neuartige Interaktionen ermöglichen. Jedes der vorgestellten Modelle stellt zu jedem Zeitpunkt nur eine Teilmenge aller Informationen dar. Im Gegensatz zu gängigen Kartenanwendungen soll zum Aufdecken nicht dargestellter Informationen nicht ausschließlich auf Zooming und Panning zurückgeriffen werden. Stattdessen implementiert jedes Modell eine spezifische lnteraktionstechnik, die das Zugreifen auf weitere Informationen ermöglicht. Unter Berücksichtigung etablierter kartographischer Kriterien und Prinzipien aus der Informationsvisualisierung wurden spezifische Optimierungsprobleme formuliert. Da für die meisten Probleme NP-Schwere nachgewiesen werden konnte, wurden Ansätze der mathematischen Optimierung entwickelt, die ganzzahlige lineare Programmierung sowie Heuristiken verwenden. Für die nicht NP­schweren Probleme wurden effiziente exakte Algorithmen entwickelt. Besonderer Wert wurde auf die Qualität der Ergebnisse gelegt. Jedes Modell wurde quantitativ bewertet, indem die Qualität der Lösungen anhand der mathematisch definierten Kriterien beurteilt wurde. Bei den heuristischen Lösungen wurde die Qualität hinsichtlich der optimierten Kriterien mit der Qualität der optimalen Ergebnisse verglichen. Es wurde gezeigt, dass die Algorithmen für Anwendungen in Echtzeitsystemen geeignet sind und qualitativ hochwertige Ergebnisse liefern. Neben der quantitativen Analyse wurde die Benutzerfreundlichkeit und Nützlichkeit unserer Modelle in einer empirischen Studie untersucht. Drei der vorgestellten Modelle wurden dazu als Interfaces in einer Desktopumgebung implementiert und in einer Online-Studie mit einem etablierten Zoom­ und-Pan-Interface verglichen. In einer umfangreichen Auswertung wurde dargelegt, dass die neu vorgestellten Interfaces die Nutzer bei der Erkundung der Karte unterstützen. Im Vergleich zum Zoom-und-Pan-Interface konnte nachgewiesen werden, dass die Verwendung dieser spezialisierten Interfaces • die Anzahl an Zooming- und Panningoperationen signifikant reduziert, • die Genauigkeit erhöht, • dazu führt, dass eine größere Kartenfläche und mehr Kontext sichtbar ist, wenn nach spezifischen Informationen gesucht wird. Zusätzlich zu der hohen Qualität unserer Ergebnisse, die in den quantitativen Bewertungen festgestellt wurde, bestätigen die Ergebnisse der Studie, dass unsere lnteraktionstechniken sowohl nützlich als auch benutzerfreundlich sind.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Multi-page Labeling of Small-screen Maps with a Graph-coloring Approach. Advances in Cartography and GIScience of the ICA, 2, 1-8.
  Gedicke, Sven; Niedermann, Benjamin & Haunert, Jan-Henrik
  
• Point feature label placement for multi-page maps on small-screen devices. Computers & Graphics, 100, 66-80.
  Gedicke, Sven; Jabrayilov, Adalat; Niedermann, Benjamin; Mutzel, Petra & Haunert, Jan-Henrik
  
• Zoomless Maps: External Labeling Methods for the Interactive Exploration of Dense Point Sets at a Fixed Map Scale. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 27(2), 1247-1256.
  Gedicke, Sven; Bonerath, Annika; Niedermann, Benjamin & Haunert, Jan-Henrik
  
• Exploring Spatio-Temporal Event Data on a Smart Watch. Abstracts of the ICA, 5, 1-2.
  Bonerath, Annika; Temerowski, Lukas; Gedicke, Sven & Haunert, Jan-Henrik
  
• An Empirical Study on Interfaces for Presenting Large Sets of Point Features in Mobile Maps. The Cartographic Journal, 60(1), 25-42.
  Gedicke, Sven & Haunert, Jan-Henrik
  
• Ein Algorithmus zur automatischen Platzierung taktischer Zeichen in der digitalen Lageskizze. Zeitschrift für Forschung und Technik im Brandschutz vfdb, 72(2):59–65, 2023.
  Sven Gedicke, Lukas Arzoumanidis & Jan-Henrik Haunert