ForschungBig Data und Machine Learning
Landmarken-basierte Navigation von Fußgängern auf Geodaten beliebiger Repräsentation

Landmarken-basierte Navigation von Fußgängern auf Geodaten beliebiger Repräsentation

Team:  Elias, Mondzech
Jahr:  2017
Ist abgeschlossen:  ja

Inhalt

Eine direkte Übertragung der Navigationslösungen für Fahrzeuge auf die Wegeführung von Fußgängern ist aus zweierlei Gründen unbefriedigend bzw. ganz unmöglich: zum einen basiert die Fahrzeugnavigation auf Datensätzen, die für den Autoverkehr erhoben wurden, d.h. sie enthalten nicht alle für Fußgänger zugänglichen Routen (etwa Fußwege, Fußgängerzonen, Rolltreppen, Wege innerhalb von Gebäuden) oder verweisen gar auf Routenelemente, die dem Fußgänger überhaupt nicht zugänglich sind (z.B. Autobahnen, Schnellstraßen). Zum Anderen sind die Navigationshinweise größtenteils für Fußgänger ungeeignet, da sie rein auf geometrischen Größen und Abbiegerichtungen beruhen. Der Mensch hingegen findet seine Wege auf Basis sogenannter Landmarken, d.h. markanten, auffallenden Objekten in der Umgebung, die ihm zur Orientierung dienen.

In dem Forschungsvorhaben geht es darum, diese beiden Defizite zu beheben: Einerseits zielt es auf die Entwicklung automatischer Verfahren ab, die beliebige raumbezogenen Daten in eine navigierbare Form überführen und somit für die Wegeführung nutzbar machen. Somit wird es durch die Verwendung zusätzlicher Datenquellen möglich, die für die Belange der Fußgängernavigation bestehenden Lücken in den Fahrzeugnavigationsdaten zu schließen. Andererseits geht es darum, automatisch Landmarken in raumbezogenen Datenbeständen zu identifizieren, die für jeweils individuelle Routen eindeutig sind, nutzer- und kontextadaptiert sind und somit für die Navigation herangezogen werden können. Beide Komponenten fließen in einem Gesamtprototypen zusammen.

 

Ziele des Projekts

Ausgangssituation

Durch Kopplung eines PDA's mit einem GPS-Sensor sind heutige Navigationssysteme prinzipiell auch für jeden mobilen Nutzer -- Fußgänger, Fahrradfahrer -- verfügbar. Der Nutzung für die Fußgängernavigation stehen jedoch noch eine Reihe von Hindernissen entgegen, speziell die fehlende Anpassung der Routenanweisungen an den Menschen und die fehlende Verfügbarkeit adäquater Datengrundlagen, die die Bewegungsmöglichkeiten eines Fußgängers beschreiben.

Die Fahrzeugnavigationssysteme basieren auf Kartendaten, welche in Europa von zwei Konsortien konkurrierend erfasst werden, den Firmen TeleAtlas und Navteq. Im sogenannten GDF (Geographic Data Files) Format werden primär Straßendaten inklusive navigationsrelevanter Details, wie Abbiegevorschriften, Einbahnstraßen, aber auch Hausnummern, etc. erfasst. Da der Fokus der Systeme bislang ausschließlich auf dem Routing von Fahrzeugen lag, werden auch nur Routen erfasst, welche von Fahrzeugen befahren werden können. Ein Fußgänger bzw. ein Fahrradfahrer haben jeweils andere Freiheitsgrade bei der Bewegung: ein Fußgänger kann insbesondere Fußgängerzonen, Plätze, Parks, Grünflächen, sowie Gebäude betreten und begehen. Solche Daten müssen daher in navigierbarer Form bereitstehen.

Aufgrund der vielfältigen Bewegungsmöglichkeiten und der Eigenschaft des Menschen, Distanzen nur ungenau schätzen zu können, sind insbesondere Fußgänger auf Weginstruktionen mit zusätzlichen Hilfen angewiesen, um die Wegefindung fehlerfrei durchführen zu können. Die Orientierung anhand sogenannter Landmarken, z.B. 'hinter der Kirche rechts abbiegen' - ist im Gegensatz zur Anweisung 'nach 172 m rechts abbiegen' für den Fußgänger wesentlich einfacher nachzuvollziehen. Eine Landmarke wird dabei als ein (topographisches) Objekt definiert, welches sich durch seine lokale Prägnanz und Einzigartigkeit auszeichnet und daher aus seiner Nachbarschaft hervorsticht. Einige Formen von Landmarken werden derzeit manuell bestimmt und erfasst, üblicherweise historisch und architektionisch bedeutsame Gebäude (für die Points of Interest-Datenbank). Dies löst allerdings nicht das Problem, dass Landmarken typischerweise auch kontextabhängig vorliegen -- etwa bei Dunkelheit ist ein rotes Bauwerk als solches nicht mehr auszumachen, daher auch nicht als Landmarke geeignet. Ferner muss die Qualität der Landmarke nicht nur lokal, sondern auch global für die gesamte Route beurteilt werden.

 

 

Fragestellungen

Zur Lösung dieses Problems sind besonders folgende Fragestellungen zu bearbeiten:

Analyse des 'begehbaren Raums' für Fußgänger: welche Informationen müssen für eine reale Fußgängernavigation zur Verfügung stehen? Wie lässt sich 'Begehbarkeit' bzw. Navigierbarkeit formalisieren ?

Überführung in routingfähige Datenstruktur:

Überführung beliebiger Ausgangsdaten in einen topologischen Datenbestand, Ermittlung von Distanzmaßen bzw. Gewichten für die Navigation -- wie können diese Transformationen für punkt-, linien-, flächen- und volumenhaft vorliegenden Geodaten bestimmt werden

  • Welche verschiedenen Kontextmodellierungen und Personalisierungen für Landmarken sind sinnvoll?
  • Abhängigkeit Route -- Landmarken: Können Objekte, die Ähnlichkeit mit der Landmarke haben und auf der Wegstrecke liegen, zu Verwechslungen führen? Ermittlung  von eindeutigen Landmarkenobjekten oder sogar Auswahl einer alternativen Route, die sich unverwechselbar beschreiben lässt.

 

Erwartete Ergebnisse

Die zu erwarteten wissenschaftlichen Ergebnisse liegen in einer Formalisierung des Begriffes der Navigierbarkeit und die Beschreibung und Transformation beliebiger Ausgangsdaten in diese Form. Weiterhin wird die Definition, sowie die automatische Bestimmung von Landmarken aus allgemein verfügbaren Datenquellen ermöglicht. Eine weitere große wissenschaftliche Herausforderung liegt in der kontext- und speziell routenabhängigen Bestimmung der Landmarken.

Konkrete Ergebnisse liegen in der Entwicklung der Methodik, sowie deren prototypischer Umsetzung. Die Verfahren werden anhand von allgemein verfügbaren Datensätzen untersucht, erprobt und validiert. Dies sind zum einen topographische Datensätze (ATKIS), GDF-Daten, aber auch die Liegenschaftskarte (ALK), Stadtkarten, sowie Gebäudepläne (etwa ein Plan eines Flughafens, Bahnhofs).