Geodatenvisualisierung auf mobilen Geräten

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1 Geodatenvisualisierung auf mobilen Geräten Christian MÜLLER, Alexander ALMER, Harald STELZL, Manfred BORTENSCHLAGER und Markus LASSNIG Zusammenfassung Der positionsbezogene Zugriff auf Information ( location based services ) unter Verwendung von mobilen Geräten hat im Bereich der Autonavigationssysteme bereits eine breite Marktpräsenz erreicht. Von der EU initiierte Projekte wie die Galileo Initiative zeigen auf, dass Navigation ein wesentliches Thema für die Zukunft darstellt. Auch im Freizeitbereich steigt die Verbreitung von digitalen Karten und mobilen Geräten rasant, dennoch existieren bis heute keine Empfehlungen für eine optimale Darstellung. Diese Arbeit befasst sich daher mit der Visualisierung von Geodaten auf mobilen Geräten (Handy, PDA, Smartphone), analysiert Problemfälle und bietet Lösungsansätze. Der Vergleich selbst erstellter Testbilder und gängiger Kartenprodukte (ÖK50, Topo50, Google Maps, City Select Europe) ermöglicht die Entwicklung von Richtlinien, die bei der Entwicklung digitaler Karten beachtet werden sollten. 1 Einleitung Im Rahmen dieser Arbeit wurden gängige Grafikformate (Raster, Vektor und Hybrid) untersucht. Die Stärke der Rasterdaten liegt in der flächendeckenden Darstellung, welche aber einen hohen Speicherplatzbedarf mit sich bringt. Vektordaten hingegen sind speichersparend und können beliebig skaliert werden, ohne ihre Qualität zu verlieren und sie können weiters via Attributen mit Metainformation versehen werden. Hybride Datensätze stellen eine Kombination von Raster- und Vektordaten dar. Abbildung 1 (ESYS/EU Report) zeigt die Entwicklung des weltweiten Marktes für GNSS (Global Navigation Satellite System)-orientierte Applikationen. Für 2015 werden 3,5 Milliarden Nutzer erwartet. Diese Zahlen dokumentieren das enorme Potenzial von location based Applikationen. Abb. 1: Geschätzte GNSS Applikationen 2 Ausgangssituation Werden die metrischen Displayabmessungen durch die Anzahl der Pixel dividiert, so ergibt sich die Größe eines Bildpunktes in Millimetern. Diese Berechnung unterliegt der Annah-

2 Geodatenvisualisierung auf mobilen Geräten 855 me, dass die Pixel von Bildschirmen quadratisch sind, was in der Praxis so gut wie immer zutrifft. Die unterschiedlichen Pixelgrößen werden in weiterer Folge in drei Pixelklassen mit einer Bandbreite von 0,05 mm eingeteilt (siehe Abb. 2). Moderne Geräte besitzen Pixelgrößen von 0,10 bis 0,25 mm, daher wurden Geräte jenseits dieser Werte vernachlässigt. Abb. 2: Darstellung der Pixelgrößen und der damit verbundenen Pixelklassen 3 Durchführung der Untersuchung 3.1 Testkonfiguration Verwendete Testgeräte Name Typ Auflösung Pixelgröße Pixelklasse Pocket Loox 720 PDA ,11 mm I Pocket Loox T810/830 PDA ,20 mm II Nokia 6630 Smartphone ,20 mm II HP ipaq PE2030A PDA ,24 mm III

3 856 C. Müller, A. Almer, H. Stelzl, M. Bortenschlager und M. Lassnig Folgende Kartenprodukte wurden für den Vergleich herangezogen: ÖK50 (Raster), Topo50 (Vektor), City Select Europe (Vektor) und Google Maps (Hybrid). Testbilder Neben Ausschnitten aus den genannten Kartenprodukten wurden mittels Photoshop auch Testbilder in verschiedenen Auflösungen erstellt. Durch einen standardisierten Datensatz ist es möglich die Darstellungsergebnisse verschiedener Geräte objektiv zu vergleichen. Abb. 3: Links: Testbild; Mitte: Versuchsaufbau; rechts: Foto des Testdatensatzes Versuchsaufbau Ein standardisierter Versuchsaufbau garantiert eine objektive Beurteilung der Testergebnisse. Die Kamera (Sony Cybershot mit 8,1 Megapixel) wurde in einem Abstand von 23,5 cm über dem Gerät horizontiert. Durch die geringe Distanz musste die Makrofunktion verwendet werden und auf Grund starker Spiegelungen wurde das Blitzlicht deaktiviert und dementsprechend die Belichtungszeit verlängert. 3.2 Ermittlung der Darstellungsparameter Die Mindestgrößen für feine Linien betragen 0,4 mm, für Punkte (Kreisscheibe) 3 mm und für Quadrate 1,5 mm (vgl. MÜLLER & DIETRICH, 1998). Diese Werte sind auf analoge Röhrenmonitore mit einer durchschnittlichen Pixelgröße von 0,386 mm (gerundet 0,4 mm) bezogen. Ausgehend von dieser Pixelgröße können nun Skalierungsfaktoren für die Minimalgrößen von Linien (Faktor 1), Punkten (Faktor 7,5) und Quadraten (Faktor 3,75) ermittelt werden. Die Werte berechnen sich aus den empfohlenen Größen multipliziert mit dem zuvor angeführten Skalierungsfaktor. Werden diese berechneten Minimalgrößen auf mobile Geräte angewandt, so ergeben sich folgende Mindestgrößen: Klasse Pixelgröße [mm] Linie [mm] Punkt [mm] Quadrat [mm] I 0,10 0,15 0,10 0,75 0,38 II 0,15 0,20 0,15 1,13 0,56 III 0,20 0,25 0,20 1,50 0,76

4 Geodatenvisualisierung auf mobilen Geräten Ergebnisse 4.1 Vektordaten Schriften: Allgemein gilt, dass geradzahlige Schriftgrößen verwendet werden sollten, da ungerade zu einem unruhigen Schriftbild führen. Durch die Rasterkonvertierung in die Bildpunktmatrix entstehen Probleme, daher sollen Schriftgrößen unter 10 Pixel vermieden werden. Günstig sind serifenlose Fonts mit normaler oder halbfetter breiter Schrift. Kursive Schriften sind ungeeignet, weil ihre Stammstriche nahe der Vertikalen liegen (vgl. BRUN- NER, 2001) und daher starken Aliasing Effekten unterliegen (auch als Treppenstufung bezeichnet). Linien: Die optimale Wahl der Strichstärke hängt von der Pixelgröße ab, wobei höhere Strichstärken zur Aliasbildung neigen. Da die Darstellungsqualität vom Winkel abhängig ist, liegen die größten Störungen dementsprechend nahe der Horizontalen und Vertikalen. Bei 45 ergibt sich eine Verdünnung der Linie (vgl. BRUNNER, 2001). Alle anderen Winkel verursachen Aliasing besonders bei steigender Pixelgröße bzw. Linienstärke. Abb. 4: Darstellungsqualität von Linien mit unterschiedlichen Winkeln und Strichstärken Flächen: Die Flächentrennung funktionierte bei allen Testgeräten ohne Probleme, wobei Geräte der Pixelklassen II und III bessere Ergebnisse als jene der Klasse I lieferten. Ein Pixel mit einer Größe von 0,10 mm ist sehr klein und daher kaum sichtbar. Somit sollte bei diesen Geräten die doppelte Anzahl an Pixeln zur Flächentrennung verwendet werden. 4.2 Rasterdaten Rasterdaten sind stark maßstabsabhängig, daher ist bei ihnen neben den Eigenschaften des Ausgabedisplays auch auf die passende Wahl der Ausgangsdaten zu achten. Da Rastergrafiken auf einer Matrix von Pixeln aufbauen, gilt, je kleiner die einzelnen Pixel, desto besser lässt sich ein Rasterbild auflösen. Somit sind Geräte der Klasse I den anderen vorzuziehen. 4.3 Informationsgehalt Als Informationsgehalt einer Karte kann die Anzahl von Features (Punkte, Linien, Beschriftung ) verstanden werden. Aus logischer Überlegung können mehr Geoinformationen dargestellt werden, je größer das Display und je geringer die Pixelgröße sind. Das ist der Grund, dass Handys und Smartphones, aber auch ältere PDAs, Probleme mit der Darstellung und Vermittlung von grafischen Informationen haben. Gängige Vektorkarten nehmen Bezug darauf, indem sie stark stilisiert und übersichtlich gestaltet sind. Eine Alternative wäre das dynamische Ein- und Ausblenden von Informationsebenen. Der Informationsgehalt von Rasterkarten wird über den Grad der Generalisierung und den gewählten Maßstab gesteuert. Wenn möglich, dann empfiehlt sich eine maßstabsabhängige Generalisie-

5 858 C. Müller, A. Almer, H. Stelzl, M. Bortenschlager und M. Lassnig rung, d.h. ab bestimmten Zoomstufen werden unterschiedliche, auf genau diesen Maßstab optimierte, Rasterdaten verwendet. 5 Kriterienkatalog Jede Pixelklasse hat bestimmte Stärken und Schwächen bei der Darstellung von Schriften, Punkten oder Linien. Allgemein empfiehlt sich allerdings ein Gerät der Pixelklasse I, da sich Rasterdaten damit am besten darstellen lassen. Diesen Punkt sollte man nicht vernachlässigen, da moderne Anwendungen meist mit hybriden Daten arbeiten. Pixelklasse I (0,10-0,15 mm) Eignung II (0,15-0,20mm) III (0,20-0,25mm) Rasterdaten Flächentrennung Liniendarstellung Winkeldarstellung Schriftgröße Schriftgröße Schriftgröße Schriftgröße Schriftgröße Schriftgröße Schriftgröße Schriftgröße 24 + Schriftgröße 28 Abb. 5: Empfehlungen für eine möglichst optimale Darstellung digitaler Karten Kenngrößen in numerischer Form Klasse Schriften Punkte Linien Flächentrennung I px 5-10 px 2-10 px 2-3 px II px 2-5 px 1-5 px 2 px III 8-14 px 1-3 px 1-3 px 1 px 6 Fazit und Ausblick Die Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit haben gezeigt, dass es derzeit kaum möglich ist, digitale Karten zu erstellen, die allen Geräteklassen und Auflösungen optimal gerecht werden. Neben den technischen Vorgaben durch die unterschiedlichen mobilen Geräte ist die zielgruppenorientierte Präsentation, die auch in der analogen Kartographie ein wesentli-

6 Geodatenvisualisierung auf mobilen Geräten 859 cher Punkt für Weiterentwicklungen war und ist, ein wesentlicher Aspekt für die Entwicklung von mobilen Applikationen und Services. So könnten z.b. mit Hilfe eines Skalierungsfaktors Vektordaten unabhängig von der Pixelgröße auf allen Displays gleich groß dargestellt werden. Dafür wäre lediglich eine genaue Kenntnis von Bildschirmgröße und Auflösung nötig, daher könnte dieser Ansatz relativ leicht realisiert werden. Folgende Punkte sollten bei der Geodatenvisualisierung beachtet werden: Minimalgrößen für Punkte, Linien und Schriften basieren auf dem Auflösungsvermögen des Auges und sollten dementsprechend angepasst werden. Möglichst rasterkonforme Ausrichtung der Schrift. Die Flächentrennung sollte mindestens 0,18 mm betragen. Quadrate werden geringer deformiert als Kreissignaturen und sollten daher bevorzugt verwendet werden. Unterscheidung von Vektordaten anhand von Farbkodierungen oder Strichstärken. Für Rasterdaten empfiehlt sich eine möglichst hohe Auflösung bzw. eine geringe Pixelgröße. Eine dynamische Maßstabsanpassung ist nicht möglich. Kachelung von Rasterdaten für schnelleren Bildaufbau (besonders bei prozessorschwachen mobilen Geräten). Die Marktsituation für GNSS getriebene Applikationen hat sich in den letzten Jahren stark entwickelt (siehe Abb. 1). Es zeigt sich mittlerweile ein eindeutiger Trend zur GPS- Integration in Handys, was natürlich einen wesentlichen Faktor für GNSS-Applikationen darstellt. Nicht zuletzt durch den Einstieg von Nokia in den Navigationsbereich und die Erweiterung der GPS-Produktpalette von Garmin um ein Naviphone, gewinnt dieser Sektor an Dynamik. Ein wesentlicher Faktor für die Akzeptanz von mobilen Applikationen ist die Visualisierung von Geoinformation und hier vor allem die Darstellung von kartographischen Produkten auf den mobilen Endgeräten. Literatur BRUNNER, K. (2000): Limitierung bei der elektronischen Bildschirmanzeige von Karten. In: SCHMIDT, B. & UHLENKÜKEN, C. (Hrsg.): Visualisierung raumbezogener Daten: Methoden und Anwendungen, Band II. Beiträge zum 3. GeoViSC-Workshop, 25. September IfGI-prints, Institut für Geoinformatik der Westfälischen Wilhelms- Universität Münster, Heft 8, Münster, S BRUNNER, K. (2001): Kartengestaltung für elektronische Bildanzeigen. In: Kartographische Bausteine, 19. Dresden, S GRUBER, W. (2005): Die Neugestaltung der topographischen Karten Österreichs basierend auf dem UTM-Referenzsystem. Institut für Geographie und angewandte Geoinformatik der Universität Salzburg. MÜLLER, M. & DIETRICH, J. (1998): Gestaltung kartografischer Erzeugnisse für digitale Medien. Dresdner Kartographische Schriften. Beitrag zum 47. Kartographentag.