Автоматты түрде белгілерді орналастыру және карта жасау мәселелері
Automatic label placement
Автоматты түрде жазба орналастыру – картада немесе диаграммада жазуларды автоматты түрде орналастыру әдісі. Географиялық объектілерді анық көрсету маңызды!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Автоматты түрде таңбалау, кейде мәтін орналастыру немесе атау орналастыру деп аталады, картаға немесе диаграммаға таңбаларды автоматты түрде орналастырудың компьютерлік әдістерін қамтиды. Бұл мұндай таңбалардың типографиялық дизайнымен байланысты. Географиялық картада әдетте сызықтық нысандар (мысалы, жолдар), аумақтық нысандар (елдер, жер участалары, орман, көлдер және т.б.) және нүктелік нысандар (ауылдар, қалалар және т.б.) бейнеленеді. Картаның нысандарын географиялық тұрғыдан дәл бейнелеуден басқа, осы нысандарды анықтайтын атауларды оқырманға қай атау қай нысанды сипаттайтынын бірден білдіретіндей етіп орналастыру өте маңызды. Автоматты мәтін орналастыру – карта жасау және ГИС (географиялық ақпараттық жүйе) саласындағы ең қиын, күрделі және көп уақытты қажет ететін мәселелердің бірі. Компьютерлік графикалық кескіндердің басқа түрлері – кестелер, графиктер және т.б. – инженерлік сызбалар және осы сызбалар мен диаграммаларды жасайтын кәсіби бағдарламалар, мысалы, электрондық кестелер (мысалы, Microsoft Excel) немесе есептеу бағдарламалары (мысалы, Mathematica) да жақсы таңба орналастыруды талап етеді. Дұрыс емес орналастырылған таңбалар тым көп жабысып, картаны оқу қиын немесе тіпті мүмкін емес етеді. Сондықтан, ГИС әр таңбаның бірнеше мүмкін орналасуын қамтамасыз етуі керек, сондай-ақ таңбаның мөлшерін өзгерту, бұру немесе тіпті алып тастау (жасыру) опциясын ұсынуы керек. Содан кейін, ол ең аз қайталануға және басқа да қажетті қасиеттерге ие орналасулар жиынтығын таңдайды. Көптеген жағдайларда бұл мәселе NP-қиын болып табылады.
Automatic label placement, sometimes called text placement or name placement, comprises the computer methods of placing labels automatically on a map or chart. This is related to the typographic design of such labels. The typical features depicted on a geographic map are line features (e. g. roads), area features (countries, parcels, forests, lakes, etc. ), and point features (villages, cities, etc.). In addition to depicting the map's features in a geographically accurate manner, it is of critical importance to place the names that identify these features, in a way that the reader knows instantly which name describes which feature. Automatic text placement is one of the most difficult, complex, and time consuming problems in mapmaking and GIS (Geographic Information System). Other kinds of computer generated graphics – like charts, graphs etc. – require good placement of labels as well, not to mention engineering drawings, and professional programs which produce these drawings and charts, like spreadsheets (e. g. Microsoft Excel) or computational software programs (e. g. Mathematica). Naively placed labels overlap excessively, resulting in a map that is difficult or even impossible to read. Therefore, a GIS must allow a few possible placements of each label, and often also an option of resizing, rotating, or even removing (suppressing) the label. Then, it selects a set of placements that results in the least overlap, and has other desirable properties. For all but the most trivial setups, the problem is NP hard.
Ережеге негізделген алгоритмдер
Ережеге негізделген алгоритмдер тәжірибелі картографтың жұмысын имитациялауға тырысады. Ғасырлар бойы картографтар карта жасау және белгілер орналастыру өнерін дамытты. Мысалы, тәжірибелі картограф ұзақ жолдардың атын бір рет жазудың орнына бірнеше рет қайталайды, ал Оушен-Сити мысалында, қала жағалауға өте жақын нүкте түрінде бейнеленсе, картограф "Оушен-Сити" деген белгіні құрлыққа орналастырып, оның жағалау қаласы екенін нақты көрсетеді. Картографтар қабылданған конвенциялар мен ережелер бойынша жұмыс істейді, мысалы, швейцариялық картограф Эдуард Имхоф 1962 жылы жазған ережелер. Мысалы, Нью-Йорк, Вена, Берлин, Париж немесе Токио ел карталарында міндетті түрде көрсетілуі керек, себебі олар – жоғары приоритетті белгілер. Бұл белгілер орналастырылғаннан кейін картограф келесі маңызды белгілерді орналастырады, мысалы, ірі жолдар, өзендер және басқа да үлкен қалалар. Олар әр қадамда: (1) мәтін оқырманға оңай түсінікті болуын және оны тиісті нысанмен байланыстыруын, (2) белгі картадағы басқа белгілермен жабыспауын қамтамасыз етеді. Дегенмен, егер белгілі бір белгіні орналастыру мәселесі математикалық оптимизация мәселесі ретінде қойылса, онда оны математикалық әдіспен шешу, ережеге негізделген алгоритмді қолданудан әлдеқайда тиімді.
Rule based algorithms try to emulate an experienced human cartographer. Over centuries, cartographers have developed the art of mapmaking and label placement. For example, an experienced cartographer repeats road names several times for long roads, instead of placing them once, or in the case of Ocean City depicted by a point very close to the shore, the cartographer would place the label "Ocean City" over the land to emphasize that it is a coastal town. Cartographers work based on accepted conventions and rules, such as those itemized by Swiss cartographer Eduard Imhof in 1962. For example, New York City, Vienna, Berlin, Paris, or Tokyo must show up on country maps because they are high priority labels. Once those are placed, the cartographer places the next most important class of labels, for example major roads, rivers, and other large cities. In every step they ensure that (1) the text is placed in a way that the reader easily associates it with the feature, and (2) the label does not overlap with those already placed on the map. However, if a particular label placement problem can be formulated as a mathematical optimization problem, using mathematics to solve the problem is usually better than using a rule based algorithm.
Жергілікті оңтайландыру алгоритмдері
Ең қарапайым алдамшы алгоритм картадағы белгілерді бірінен соң бірі орналастырады, белгілердің ең аз жабысуын қамтамасыз ететін позицияларды таңдайды. Оның нәтижелері тіпті өте қарапайым мәселелерде де мінсіз болмайды, бірақ ол өте жылдам жұмыс істейді. Сәл күрделірек алгоритмдер орналасуды бағалау функциясының жергілікті оптималдық деңгейіне жету үшін жергілікті оптимизацияны қолданады. Әр итерацияда бір белгінің орналасуы басқа позицияға жылжытылады, және егер бұл нәтижені жақсартса, онда бұл жылжу сақталады. Бұл алгоритм тым тығыз белгіленбеген карталар үшін жақсы нәтижелер береді. Тағы да күрделірек нұсқалар бір уақытта 2 немесе одан көп белгілерді жылжытуға тырысады. Алгоритм белгілі бір жергілікті оптималдық деңгейге жеткеннен кейін тоқтатылады. Қарапайым алгоритм – симуляцияланған қайнату (simulated annealing) – салыстырмалы түрде жақсы өнімділікпен жақсы нәтижелер береді. Ол жергілікті оптимизация сияқты жұмыс істейді, бірақ нәтиже нашарласа да, өзгерісті сақтап қалуы мүмкін. Мұндай өзгерісті сақтау ықтималдығы , мұнда – бағалау функциясының өзгеруі, ал – температура. Температура қайнату кестесіне сәйкес біртіндеп төмендейді. Температура жоғары болғанда, симуляцияланған қайнату белгілердің орналасуына кездейсоқ өзгерістер енгізеді, осылайша жергілікті оптималдықтан шығуға мүмкіндік береді. Кейін, үміттенсек, өте жақсы жергілікті оптималдық табылды, ол жергілікті оптимизацияға ұқсас әрекет етеді. Симуляцияланған қайнату шешімін әзірлеудегі негізгі қиындықтар – жақсы бағалау функциясын және жақсы қайнату кестесін таңдау. Әдетте, тым жылдам салқындату шешімнің сапасын нашарлатады, ал тым баяу салқындату өнімділікті төмендетеді, бірақ кесте әдетте бірнеше параметрлерден тұратын күрделі алгоритм болып табылады. Тікелей іздеу алгоритмдерінің тағы бір класы – әртүрлі эволюциялық алгоритмдер, мысалы, генетикалық алгоритмдер.
The simplest greedy algorithm places consecutive labels on the map in positions that result in minimal overlap of labels. Its results are not perfect even for very simple problems, but it is extremely fast. Slightly more complex algorithms rely on local optimization to reach a local optimum of a placement evaluation function – in each iteration placement of a single label is moved to another position, and if it improves the result, the move is preserved. It performs reasonably well for maps that are not too densely labelled. Slightly more complex variations try moving 2 or more labels at the same time. The algorithm ends after reaching some local optimum. A simple algorithm – simulated annealing – yields good results with relatively good performance. It works like local optimization, but it may keep a change even if it worsens the result. The chance of keeping such a change is , where is the change in the evaluation function, and is the temperature. The temperature is gradually lowered according to the annealing schedule. When the temperature is high, simulated annealing performs almost random changes to the label placement, being able to escape a local optimum. Later, when hopefully a very good local optimum has been found, it behaves in a manner similar to local optimization. The main challenges in developing a simulated annealing solution are choosing a good evaluation function and a good annealing schedule. Generally too fast cooling will degrade the solution, and too slow cooling will degrade the performance, but the schedule is usually quite a complex algorithm, with more than just one parameter. Another class of direct search algorithms are the various evolutionary algorithms, e. g. genetic algorithms.
Бөлініп-басқару алгоритмдері
Нақты карталарда маңызды бір қарапайым оңтайландыру – белгілер жиынтығын дербес шешілетін кіші топтарға бөлу. Егер екі белгінің мүмкін орналасуларының бірінде қабаттасуы мүмкін болса, олар бәсекелес болып саналады. Осы қатынастың транзитивті жабылуы белгілер жиынтығын ықтимал әлдеқайда кіші топтарға бөледі. Біркелкі және тығыз белгіленген карталарда көбінесе бір жиынтықта белгілердің көп бөлігі болады, ал белгілеу біркелкі емес карталарда бұл өте үлкен өнімділік артықшылығын беруі мүмкін. Мысалы, әлем картасын белгілегенде Америка Еуразиядан тәуелсіз белгіленеді.
One simple optimization that is important on real maps is dividing a set of labels into smaller sets that can be solved independently. Two labels are rivals if they can overlap in one of the possible placements. Transitive closure of this relation divides the set of labels into possibly much smaller sets. On uniformly and densely labelled maps, usually the single set will contain the majority of labels, and on maps for which the labelling is not uniform it may bring very big performance benefits. For example, when labelling a map of the world, America is labelled independently from Eurasia etc.
2-қанағаттандырарлық алгоритмдер
Егер картаны таңбалау мәселесін әрбір қалған таңбаның орналастырылуы мүмкін екі ғана мүмкін жағдайға дейін келтіруге болады, онда оны қарама-қайшы орналасулардан аулақ болатын орналасуды табу үшін 2-қанағаттандыруды қолдану арқылы тиімді шешуге болады; осы принципке негізделген проблемалардың күрделі түрлері үшін бірнеше нақты және жуықталған таңба орналастыру алгоритмдері бар.
If a map labeling problem can be reduced to a situation in which each remaining label has only two potential positions in which it can be placed, then it may be solved efficiently by using an instance of 2 satisfiability to find a placement avoiding any conflicting pairs of placements; several exact and approximate label placement algorithms for more complex types of problems are based on this principle.
Басқа алгоритмдер
Автоматты таңбалау алгоритмдері ықтимал таңбалар жиынтығынан ең үлкен ажыратылған жиынтықты табуға арналған кез келген алгоритмді қолдана алады. Сонымен қатар, әртүрлі графиктерді шешу, бүтін сандық бағдарламалау сияқты басқа алгоритмдер де қолданылуы мүмкін.
Automatic label placement algorithms can use any of the algorithms for finding the maximum disjoint set from the set of potential labels. Other algorithms can also be used, like various graph solutions, integer programming etc.
Бүкіл сандарды бағдарламалау
Карта белгілерін орналастыру мәселесінің кейбір түрлері, мақсатты функциясы жеке белгілерді олардың ең қолайлы орналасқан жерінен жылжыту үшін сандық айыптардың қосындысын азайту болып табылатын, көп таңдаулы бүтін санды бағдарламалау (MCIP) мәселелері ретінде қойылған. Мәселенің шектеулері – әрбір белгі картадағы шектеулі рұқсат етілген орындардың біріне орналастырылуы керек. (Немесе басқа белгілерді орналастыруға мүмкіндік беру үшін картадан жойылуы керек.) Оңтайландыру мәселесінің дуалдық формуляциясын шешу үшін Лагранжтық босатуды қолдану арқылы осы MCIP-ге жуық оңтайлы шешімді компьютер уақытының қолданылатын мөлшерінде табу әдетте мүмкін. Карта белгілеу мәселесіне жасалған алғашқы коммерциялық шешім, MCIP мәселесі ретінде тұжырымдалып, Лагранжтық босату арқылы шешілді, ол мұнай өнеркәсібінің базалық карталарына ұңғымалар мен сейсмикалық нүктелердің белгілерін орналастыруға арналған. Осы алғашқы шешім жарияланғалы бері көптеген математикалық оңтайландыру алгоритмдері ұсынылды және басқа картографиялық қолданыстар үшін осы MCIP-ті шешу үшін қолданылды.
Some versions of the map label placement problem can be formulated as multiple choices integer programming (MCIP) problems where the objective function is to minimize the sum of numerical penalties for moving individual labels away from their optimal placement to avoid overlaps. The problem constraints are that each label be placed in one of a finite number of allowed positions on the map. (Or deleted from the map to allow other labels to be placed.) A close to optimal solution to this MCIP can usually be found in a practical amount of computer time using Lagrangian relaxation to solve the dual formulation of the optimization problem. The first commercial solution to the map label problem, formulated as a MCIP problem and solved by Lagrangian relaxation, was to place well and seismic shot point labels on petroleum industry base maps. Since that first solution was published there have many other mathematical optimization algorithms proposed and used to solve this MCIP for other cartographic applications.