|
An Expert System for
Cartographic Symbol Design
by Wang Ze-shen
|
Wang Ze-shen
An Expert System for Cartographic Symbol Design
Datum Date 11 September 1992
Promotoren: J-C. Muller (ITC) & F.J. Ormeling
|
Nederlandse samenvatting
Een kennissysteem voor het ontwerpen van kartografische symbolen
De inmiddels zeer verbreide systemen voor computerkartografie en geografische informatiesystemen (GIS) vormen voor gebruikers gemakkelijke hulpmiddelen om hun eigen kaarten te genereren. Maar omdat voor het ontwerpen van kaarten een overvloedige deskundigheid is vereist, produceren de meeste gebruikers van dergelijke systemen -als gevolg van het ontbreken vän zulke kennis- vele misleidende kaarten. De techniek van de kunstmatige intelligentie (AI = artificial intelligence) en kennissystemen worden beschouwd als een potentiële oplossing voor dit probleem. De laatste tien jaar is er verslag gedaan van enkele kennissystemen die in dit domein werden ontwikkeld.
Het systeem ESSYD is een kennissysteem voor het ontwerpen van symbolen, dat speciaal voor dit promotie-onderzoek door de auteur werd opgezet. In deze samenvatting wordt een vergelijking gemaakt tussen ESSYD en andere bestaande kartografische kennissystemen, welke is gebaseerd op het bestreken kennisgebied en de gebruikte AI-technieken. Tenslotte worden het potentieel en de mogelijke toekomstige ontwikkelingen besproken.
Vergelijkende studie
Het huidige ESSYD kan functioneren in het domein van het ontwerpen van kartografische symbolen, namelijk het bijstaan van de gebruiker bij het verzamelen van informatie, het interpreteren van de eigenschappen van de geografische gegevens, het selecteren van de juiste visuele variabele en het juiste kaarttype middels een eenvoudige vraagstelling en tenslotte het helpen van de gebruiker bij het specificeren van de visuele variabele en de andere grafische elementen via het aanbieden van bevredigende normaalwaarden ('defaults') voor elk menu. Het hele systeem is opgesplitst in drie modules: 1. verwerving en interpretatie van informatie (Hoofdstuk 4); 2. selectie van grafische weergave (Hoofdstuk 5); 3. een intelligente interface voor de specificatie van visuele variabelen (Hoofdstukken 6 en 7). In het kennisbestand zijn acht belangrijke factoren opgenomen: kaartinhoud, eigenschappen van geografische gegevens, vereiste waarnemingseigenschap, visuele variabele, psychofysische waarnemingswetten, conventionele associaties, kaartgebruikseisen en esthetica.
In Hoofdstuk 1 wordt de volgende lijst gepresenteerd van de meest belangrijke kennissystemen, die beschikbaar zijn voor het ontwerpen van kartografische symbolen:
- Een naamloos systeem [Müller, Johnson en Vanzella (1986)]
- Wang [Müller en Wang (1990)]
- Naamloos systeem [Laurema, Jaakkola en Sarjakoski (1991)]
- CES [de Jong en van der Wel (1990)]
- SCES [Zhou (1990)]
Om te beginnen hadden al deze systemen geheel of grotendeels betrekking op de selectie van visuele variabelen en kaarttypen, terwijl dit aspect in ESSYD slechts de middelste van drie stappen in het proces van het ontwerpen van symbolen vormt. Dit betekent dat ESSYD een veel breder kennisgebied bestrijkt dan de tot nu bestaande systemen.
Het tweede verschil heeft betrekking op het proces van de interpretatie van de kennis ('inference process') bij het zoeken naar de optimale oplossing bij de keuze van visuele variabelen en kaarttype. Alle systemen, behalve "Wang", gebruiken een van de volgende twee strategieën:
- bied meerdere oplossingen en vraag dan de gebruiker om de optimale oplossing te selecteren;
- bied een enkele oplossing zonder andere oplossingen in overweging te nemen.
De eerste strategie is zwak omdat zij alleen potentiële
oplossingen biedt en de gebruiker niet leidt bij het zoeken naar de optimale oplossing. De tweede benadering biedt een redelijke oplossing voor het probleem op zichzelf, maar de oplossing is misschien niet de meest geschikte in de totale context van het ontwerp.
De beste strategie is:
- bied de gebruiker potentiële vormen van weergave;
- maak het de ervaren gebruiker mogelijk om direct de oplossing te kiezen; en
- help andere gebruikers bij het evalueren van potentiël oplossingen en het selecteren van de optimale.
Deze strategie is aangenomen en geïmplementeerd in ESSYD.
Belangrijkste resultaten
De voornaamste doelstellingen van het systeem dat tot stand kwa op basis van dit onderzoek waren: 1. het voorkomen van flaters bij het ontwerpen van symbolen; 2. het vinden van de beste grafische oplossing; 3. gebruiksvriendelijk te zijn.
Een voorbeeld kan laten zien hoe deze doelstellingen bereikt worden. Uitgangspunt vormt het aantal inwoners per provincie. zoals aangegeven door de gebruiker. Module 1 zal deze gegevens interpreteren als absolute kwantitatieve gegevens. Module 2 zal dit feit en de afleidingsregels van Bertin's semiologie gebruik om alle mogelijke symbolen te vinden waarop de visuele variabel "grootte" is toegepast. Zo kunnen er geen verkeerde kaarttyppen gekozen worden. Aldus wordt de eerste doelstelling verwezenlijk Indien het verschil tussen de grootste en de kleinste waarde betrekkelijk gering is, zal module 2 het staafsymbool uitkiezen, dat geschikt is voor gegevens met een beperkte spreiding. De uitkomst wordt doorgestuurd naar module 3, die alle grafische onderdelen beregelt. Zo wordt bijvoorbeeld voor het aandeel, da de gezamenlijke figuren op het gehele kaartoppervlak in mogen nemen, een normaalwaarde van 10% gesuggereerd. op die manier ka een redelijke/beste oplossing om een kaart te tekenen gevonden worden en wordt ook de tweede doelstelling gehaald.
Naast de hoge kwaliteit van het ontwerp, is het gebruik van het ESSYD ook veel eenvoudiger dan dat van bestaande pakketten: elk menu is voorzien van een geschikte normaalwaarde ('default'), er worden geen overbodige vragen gesteld aan de gebruiker en zonodig is uitleg beschikbaar.
De respectievelijke zwakke punten van de hiervoor genoemde bestaande kartografische kennissystemen zijn grotendeels verbeterd in het ESSYD:
- hap-snapwerk en gebrek aan diepgaande kennis;
- gebrek aan heuristiek, die door een deskundige in het domein aangereikt moet worden;
- het ontbreken van esthetica;
- het ontbreken van zelfkennis; en
- het aanbieden van slechts één oplossing zonder andere oplossingen te overwegen.
Zoals reeds vermeld, is de kartografische kennis betreffende het gehele proces van het symboolontwerp in het ESSYD verwerkt, vanaf gegevensinwinning en -interpretatie tot aan de laatste fase, met inbegrip van de vaststelling van visuele variabelen voor de symbolen.
De kennis in een kennissysteem dient zowel theoretische als heuristische uitgangspunten te omvatten. Op het gebied van het ontwerp van kartografische symbolen wordt Bertin's grammatica beschouwd als een onmisbaar deel van de theorie, die hoofdzakelijk de keuze van visuele variabelen en kaarttypen bepaalt. Hierop zijn dan ook de meeste kartografische kennissystemen gespitst. Om echter als een kennissysteem aangemerkt te kunnen worden, is de heuristiek van wezenlijk belang. Heuristiek stoelt op de praktijk en is moeilijk te omschrijven en in regels te vangen. Zo kunnen de regels van de grafische semiologie bijvoorbeeld zeer behulpzaam zijn bij het bepalen van de mogelijke manieren van kartografische weergave; maar er is geen enkele regel die het proces beschrijft hoe de beste oplossing uit de verschillende mogelijkheden gekozen kan worden in ieder afzonderlijk ontwerpprobleem. De heuristiek, die aangewend wordt om dit doel te bereiken, kan van kartograaf tot kartograaf en van geval tot geval verschillen. Heuristiek wordt ook veel in de andere fasen van het symboolontwerp gebruikt.
Esthetische overwegingen zijn belangrijk voor de doelmatigheid van de kartografische analyse en informatieoverdracht. Dit onderwerp betreft hoofdzakelijk de laatste ontwerpfase, namelijk het feitelijke symboolontwerp. Bestaande kartografische kennissystemen gaan niet zover, zodat de esthetica ontbreekt. In het ESSYD vormt daarentegen het feitelijke symboolontwerp de grootste van de drie modules. In die module gaat het om een hele serie regels die aan de schoonheidsleer zijn ontleend.
Het lijdt geen twijfel dat zelfkennis een wezenlijk onderdeel vormt van een kartografisch kennissysteem, zowel voor de gebruikers, de ontwikkelaars en de deskundigen in het domein. Toch bestaat er geen literatuur van voor 1987 [Fisher en Mackaness (1987)] over voorzieningen voor uitleg en verklaring met betrekking tot het ontwerpen van symbolen en andere applicaties waarmee kartografische kennissystemen zijn uitgerust. Alleen in de meer recente kartografische kennissystemen, zoals bijvoorbeeld "Wang" en SCES, is dit vermogen ingebouwd. ESSYD geeft een nauwkeurige uitleg van de gemaakte gevolgtrekkingen. Bovendien bestaat er verband tussen de technische vaktermen, vragen in de menu's en foutmeldingen enerzijds en de uitleg anderzijds.
De ontwikkeling van kartografische kennissystemen kan worden beschouwd als een vorm van proefondervindelijke toetsing van de grafische semiologie en andere verwante theorieën. De theorie kan
ook baat vinden bij een dergelijke toetsing, omdat:
- De kennis, die in een kennissysteem wordt opgeslagen goed omschreven dient te zijn. Deze eis dwingt de ontwerper van een kartografisch kennissysteem ertoe de regels te bestuderen en te interpreteren. Op die gebieden waar geen uitgangspunten en regels verwoord zijn, dient de ontwerper de heuristiek te verkrijgen van kartografische deskundigen.
- Machines zijn "eerlijker" dan hun menselijke tegenvoeters omdat ze slechts doen wat hen opgedragen is. Daarom kan de stelselmatige toetsing van Bertin's grammatica en aanverwante theorieën beter met kartografische kennissystemen gedaan worden.
Gedurende de ontwikkeling van het ESSYD kwam een aantal zwakke punten en gebreken van de grafische semiologie voor het ontwerpen van kaarten aan het licht:
- de regels van de grafische semiologie geven geen directe hulp bij het ontwerpen van kaarten;
- het verontachtzamen van het verschil tussen gegevens op ratio en interval meetschalen leidt tot het uit elkaar lop van leer en praktijk; en
- de theorie houdt niet genoeg rekening met de praktijk van
Overzicht van de belangrijkste toegepaste vormen van kunstmatige intelligentie
Voorafgaand zijn de belangrijkste kenmerken van het ESSYD besproken uit het oogpunt van de kartografische kennis. Aangez de deskundigheid verwerkt werd door de aanwending van AItechnieken, worden de belangrijkste van die technieken, die door het ESSYD gebruikt worden, hieronder beschreven.
1. Begrippenschema
Een begrippenschema ('conceptual graph') is een voorbeeld van
van de schema's voor de weergave van kennis. Dit schema wordt
gebruikt in module 1 voor een automatische interpretatie en verwerving van geografische gegevens, zoals de vaststelling va het meetniveau, verhouding en verband tussen absolute kwantitatieve bestanddelen, het geheel aan informatie betreffe een bekend gegeven en het scheppen van betekenisvolle afgeleide gegevens (Hoofdstuk 4).
2. Een op regels gebaseerd systeem
Het 'rule-based system' is de meest wijdverbreide soort van kennisweergave. In het ESSYD zijn de modules 2 en 3 op regels gebaseerd. De eerste gebruikt terugwerkende logica, de tweede voorwaartse logica ('backward' versus 'forward chaining')
3. "Het-beste-eerst"
Dit is een voorbeeld van een heuristische zoekwijze. Hij wordt gebruikt voor het vinden van een zo goed mogelijke grafische oplossing (Hoofdstuk 5), en voor het tot stand brengen van choropletenschalen en gegroepeerde tintenreeksen (Hoofdstuk 6) in het ESSYD.
4. Verwerking van natuurlijke taal
Eenvoudige natuurlijke-taalverwerking is aangebracht voor twee doelen (Hoofdstuk 4), namelijk om de beschrijving van geografische gegevens door de gebruiker te vereenvoudigen en ter wille van de interpretatie van de beschrijving van de grafische oplossing in het feitelijk symboolontwerp (Hoofdstuk 7).
5. Intelligente interface
Een intelligente interface gebruikt domeinspecifieke kennis om aan de ene kant normaalwaarden ('defaults') vast te stellen, en aan de andere kant om een subjectieve keuze door de gebruiker
mogelijk te maken. Aangezien een volledig geautomatiseerde vaststelling van grafische elementen met behulp van regels onmogelijk is, maar tegelijk een open vragen-interface te gevaarlijk, is dit een redelijke oplossing.
Vooruitblik en toekomstig werk
Het huidige ESSYD bevat belangrijke regels voor kartografisch symboolontwerp. Voordat het echter beschouwd mag worden als een afgerond kennissysteem voor statistische kaartvervaardiging is er nog veel onderzoek en ontwikkeling nodig. De wezenlijke taken zijn als volgt:
1. Het ESSYD-systeem behoeft uitvoerige toetsing door zowel terzakekundigen als niet-kartografische gebruikers. De toetsing kan leiden tot aanpassing van de kennis zelf, van zijn weergavemodel en zoekbenaderingen.
2. Omdat ESSYD betrekking heeft op symboolontwerp moet er meer aandacht worden besteed aan zaken betreffende het ontwerpen van kaarten als geheel. De volgende onderwerpen, zoals de keuze van projectie en schaal, basiskaartelementen, legenda ontwerp, enz. verdienen nadere bestudering.
3. Koppeling aan een GIS-omgeving, zodat zowel de thematische als de geometrische gegevens via het GIS verkregen kunnen worden. Het op doelmatige wijze aanschouwelijk maken van ruimtelijke gegevens verbetert op zijn beurt de werking van het GIS.
4. Koppeling aan een grafisch softwarepakket voor kaartvervaardiging.
5. Goede documentatie is onmisbaar voor onderhoud en verdere ontwikkeling.
Het onderwerp geautomatiseerd kaartontwerp in vogelvlucht overziend, zijn er drie aspecten die een uitgangspunt voor verdere ontwikkelingen kunnen vormen:
1. Bestudering van kaartgebruik en kaartontwerp Kaartontwerp heeft een vooraanstaande rol ingenomen in de kartografie en de doelmatigheid van een kaart als middel van informatie-overdracht en analyse was daarbij het belangrijkste punt van overweging. Om een doelmatige kaart te vervaardigen is verdere bestudering van kaartgebruik onontbeerlijk [Van Elzakker (1991); Medyckyj-Scott & Board (1991)]. Dit onderzoek heeft een aantal zwakke plekken van de huidige kaartgebruiksleer blootgelegd, in het bijzonder wat betreft de grafische semiologie. Verdere studie is daarom dringend nodig.
2. Formalisering, weergave en implementatie van kartografische deskundigheid
Menselijke kennis kan niet direct in een computer worden gebruikt. Zoals in Hoofdstuk 1 besproken is, moet het kennisterrein uitdrukkelijk geformaliseerd worden op kennisniveau, geordend en weergegeven op symboolniveau, gedefinieerd op het niveau van algorithmen en gegevensstructuren en tenslotte gecodeerd in een speciaal medium. Iedere stap behoeft een grote inspanning zowel op theoretisch als op
proefondervindelijk gebied.
3. Toepaspaarheid voor de GIS-omgeving
Het aanschouwelijk maken van ruimtelijke gegevens is een van d hoofdopgaven van een GIS. Hoewel het raamwerk van het kartografisch kennissysteem voor kaartontwerp op zich een plek kan krijgen in de GIS-omgeving, is het duidelijk dat een groot aantal nieuwe benodigdheden in beschouwing dienen te worden genomen, zoals daar zijn: meervoudige weergavemedia, een grote verscheidenheid aan gebruikseisen, de betrouwbaarheid van besluitvorming gebaseerd op visuele weergave en dynamische visualisatie [Buttenfield & Mackaness (1991)]. Een electronisc kaartvervaardigingssysteem, uitgaande van GIS, legt zelfs nog meer de nadruk op de weergave en veraanschouwelijking van ruimtelijke gegevens [Siekierska & Ta lor (1991)].
