ORDINA BLOGT

Offroad navigeren met ArcGIS

  • Nico-Jan Bakker
  • 27 februari 2017

Figuur 1: De Schoorlse Duinen in de buurt van het Vogelmeer. Deze foto geeft een indruk van het gebied waarvoor off-road navigatie is gerealiseerd.

Als je graag door een natuurgebied struint en daarbij van de paden afwijkt, kan het zomaar gebeuren dat je ineens voor een gebied komt te staan waar je liever niet doorheen wilt. De GPS stuurt je rechtdoor maar voor je doemt een steile helling op… dat wordt omlopen en misschien zelfs een heel stuk terug. Waar we in de auto beschikken over goede navigatiesystemen met route aanwijzingen, moeten we het in de natuur doen met een GPS die slechts de richting van een eindpunt aangeeft maar ons niet verteld hoe we daar precies moeten komen. Erg jammer wanneer je bedenkt dat het in steeds meer natuurgebieden in ons land is toegestaan om de paden te verlaten.

Een off-road navigatiesysteem zou hier een nuttige bijdrage kunnen leveren. Door bijvoorbeeld gebruik te maken van hoge resolutie hoogtekaarten en deze te combineren met andere datasets kan een dergelijk systeem de gebruiker naar een gewenst eindpunt navigeren en daarbij steile hellingen en andere obstakels laten ontwijken. Vooral in een land als Nederland is genoeg gedetailleerde informatie beschikbaar over het aardoppervlak om dergelijke navigatie mogelijk te maken. Een voorbeeld van deze gedetailleerde informatie is het AHN (Actueel Hoogtebestand Nederland). Deze digitale hoogtekaart van Nederland bevat gedetailleerde en precieze hoogtegegevens van het aardoppervlak.

Hier komt bij dat een dergelijk navigatiesysteem mensen de natuur in kan laten trekken die er anders minder snel zouden komen. Vergelijkbaar met bijvoorbeeld Pokémon-go, waarbij de app zelf voor veel mensen een reden was om naar buiten te gaan. Een off-road navigatiesysteem zou de basis voor een vergelijkbare app kunnen zijn, maar dan specifiek gericht op natuurbeleving.

Off-road navigatie kan bovendien van nut zijn als uitbreiding op bestaande navigatiesystemen. Een dergelijke uitbreiding kan bijvoorbeeld nuttig zijn voor hulpdiensten (brandweer, ambulance etc.) bij het navigeren naar incidenten in moeilijk toegankelijke natuurgebieden.

Een andere toepassing van off-road navigatie is het navigeren binnen (openbare) ruimtes. Hierbij valt te denken aan navigatie binnen treinstations, luchthavens, ziekenhuizen en dergelijke. Ook in deze gevallen kan het hulpdiensten helpen sneller ter plaatse te zijn. En bovendien zou het ook de bezoekers van deze gebouwen kunnen helpen bij het vinden van de meest optimale route naar hun bestemming. Al met al genoeg redenen om met het ontwikkelen van een off-road navigatiesysteem aan de slag te gaan.

Techniek
Het creëren van een off-road navigatiesysteem is typisch iets wat met GEO-ICT is te realiseren. Het doen van ruimtelijke analyses en deze te ontsluiten via bestaande ICT infrastructuur. Om dit te realiseren heb ik onder andere gebruik gemaakt van het ArcGIS softwarepakket van ESRI.
Om te navigeren door een gebied zonder paden zijn er meerdere opties mogelijk binnen ArcGIS.

  • Met behulp van ‘Cost Distance’, ‘Cost Back Link’ en de ‘Cost Path’-tool in de ‘Spatial Analyst’-toolbox is het mogelijk om met behulp van rasterdata de weg van de minste weerstand over het aardoppervlak te berekenen. Bijvoorbeeld door rekening te houden met de hellingshoek van het aardoppervlak. Deze methode vereist voor elke routeberekening echter relatief veel rekenkracht, waardoor deze minder geschikt is voor publicatie als webservice. Voordeel van deze methode is wel dat er geen bestaand netwerk vereist is.
  • Door het creëren van een netwerkdataset en vervolgens gebruik te maken van de ‘Network Analyst’-toolbox in ArcGIS. Zodra de netwerkdataset en bijbehorende parameters eenmaal gecreëerd zijn, vereist het berekenen van een route met de ‘Network Analyst’ relatief weinig rekencapaciteit. Daarmee is deze methode beter voor publicatie als webservice. Nadeel is echter wel dat deze methode een netwerk vereist.

Om publicatie van de off-road navigatie mogelijk te maken, is ervoor gekozen om gebruik te maken van de ‘Network Analyst’ voor het plannen van de route. Bijkomende uitdaging was dat deze toolbox een netwerkdataset vereist, terwijl het gebied waarvoor de app is ontwikkeld (de Schoorlse Duinen) niet over een bestaand padennetwerk beschikt. Om dit op te lossen heb ik gebruikgemaakt van de ‘Create Fishnet’-tool in ArcGIS om zo een virtueel lijnen grid over het gebied te leggen. Dit grid diende vervolgens als basis voor de uiteindelijke netwerkdataset.



Figuur 2: Het virtuele 2D gridnetwerk (fishnet) welke is gebruikt voor off-road navigatie door het gebied de Schoorlse Duinen. Aan de rechterkant bevindt zich een gebied zonder fishnet. Het fishnet is hier bewust weg gelaten, omdat zich daar een wateroppervlak bevindt waardoor dit gebied ontoegankelijk is voor wandelaars.

Belangrijke functionaliteit van het navigatiesysteem is het ontwijken van steile hellingen. Om dit te bereiken is met behulp het AHN en ArcGIS een kaart met informatie over de hellingshoek gegenereerd. Deze is vervolgens geclassificeerd in gebieden onder en boven een hellingshoek van 20%. In de uiteindelijke netwerkdataset hebben beide gebieden een verschillende waarde voor de ‘cost’-parameter gekregen. Deze ‘cost’-parameter is zodanig ingevuld dat wandelen door een gebied met hellingen boven de 20% meer kost dan het afleggen van dezelfde afstand door een gebied met een lagere hellingshoek. De ‘Network Analyst’-toolbox berekent de route aan de hand van het laagste kosten principe en ontwijkt daarmee dus ook de gebieden met een helling boven de 20%.

Afgelegde route met hoogte-informatie

Figuur 3: Screenshot van een door het off-road navigatiesysteem gegenereerde route. De applicatie toont de route (blauwe lijn), de begin en eindpunten (zwarte kruisjes) op een satelliet achtergrondkaart en geeft daarnaast extra informatie over het aardoppervlak. De volgende informatie kan optioneel worden getoond: Locatie van wateroppervlakten (blauwe vlakken), de gebiedsgrenzen waarvoor het navigatiesysteem werkt (zwarte lijn), hoogtelijnen (oranje, grijze en groene lijnen) en de locatie van de gebieden die het navigatiesysteem probeert te ontwijken (niet afgebeeld).
 
De gecreëerde netwerkanalyse is samen met enkele informatieve kaartlagen gepubliceerd op een ArcGIS-server. De uiteindelijke webapplicatie, die gebruikmaakt van de Javascript API van ArcGIS, maakt het mogelijk deze services vanaf zowel mobiel als desktop te benaderen.

Het resultaat is een werkende off-road navigatiesysteem voor de Schoorlse Duinen waarbij de optimale route wordt aangegeven tussen twee of meerdere punten.

Wat is er nog meer mogelijk?
Bovenstaande off-road navigatiesysteem kan eenvoudig worden uitgevoerd voor andere gebieden in Nederland. De gebruikte data is voor heel Nederland vrij beschikbaar en de processen om deze data om te zetten naar een off-road navigatiesysteem zijn al grotendeels geautomatiseerd. Ook voor gebieden buiten Nederland is een dergelijk off-road navigatiesysteem, afhankelijk van de daar beschikbare brondata, relatief eenvoudig op te zetten.

De mogelijkheden van een dergelijk navigatiesysteem zijn groot. Zowel (topografische) objecten als raster- en oppervlaktedata kunnen gebruikt worden als input voor de navigatie. Beide typen brondata kunnen op verschillende wijze in de navigatie worden opgenomen.
Bij geografische objecten is er de keuze om ze:

  • Helemaal nooit te betreden.
  • Bij voorkeur niet te betreden.
  • Bij voorkeur juist wel te betreden.

Hierbij kan in de laatste twee gevallen worden ingesteld welke afstand maximaal mag worden omgelopen om het object juist wel of juist niet in de route te kunnen opnemen.

Rasterdata kan op de volgende manieren in de off-road navigatie worden verwerkt:

  • De rasterdata kan gebruikt worden om het gebied op te delen in verschillende deelgebieden. De verwerking van deze verschillende gebieden in de routenavigatie kan op dezelfde manier als de eerder beschreven verwerking van geografische objecten. Ook hier is er de keuze om de route zo te laten plannen dat de gebieden helemaal nooit, bij voorkeur niet of bij voorkeur juist wel worden betreden.
  • De rasterdatawaarden kunnen als attribuut aan de lijnelementen in het virtuele routenetwerk worden toegekend en vervolgens gebruikt worden als cost variabele bij navigatie. De cost variabele wordt bij het plannen van de route zo laag mogelijk gehouden en kan naast de lengte van het lijnelement ook andere variabelen bevatten. Omdat voor de cost variabele wiskundige expressies met meerdere parameters gebruikt kunnen worden, is het mogelijk om rasterdata op nagenoeg elke gewenste manier in de routenavigatie te kunnen opnemen.

De eerste versie van het navigatiesysteem betreft een online versie. Het is echter ook mogelijk om een off-road navigatiesysteem te bouwen voor offline gebruik. Bovendien is het systeem zo in te richten dat je kan kiezen welke gebieden je wil ontwijken.

Ordina GEO-ICT Young Professional-programma
Ordina biedt voor starters op de GEO-ICT-arbeidsmarkt een GEO-ICT Young Professional-programma. Dit is een volwaardig opleidingstraject van twee jaar, waarbij diverse vakinhoudelijke GEO-ICT en algemene (methodische en softskills) onderwerpen aan bod komen. Gedurende de eerste twee maanden van het traject vindt verdieping plaats van de technische expertise afgewisseld met het werken aan een praktijkcase. Na afronding hiervan ga je onder begeleiding van een senior in een project en of bij een klant aan de slag.

Nico-Jan is begin oktober 2016 bij Ordina gestart als Young Professional GEO-ICT. Als onderdeel van het GEO-ICT Young Professional programma heeft hij een praktijkcase off-road navigeren met ArcGIS gerealiseerd. In dit artikel heeft hij beschreven hoe hij dit heeft aangepakt.