Ga door naar hoofdcontent
ArtikelenKartografie naar nieuwe hoogten met vector tiling

Kartografie naar nieuwe hoogten met vector tiling

Dinsdag 1 oktober 2019Afbeelding Kartografie naar nieuwe hoogten met vector tiling

De ontwikkeling van de kartografie is nauw verbonden met de ontwikkelingen in de wetenschap en de technologie. Een van deze nieuwe, technologische ontwikkelingen is de beschikbaarheid van geografische data in de vorm van vector tiles. Deze vector tile-technologie slecht de zogenaamde ‘barrier to entry’ om kartografische hoogstandjes voor een groot publiek op het web te publiceren (die zelfs op een mobieltje vlot werken).

Zoals de Web Map Tile Service (WMTS)-standaard dit van het Open Geospatial Consortium (OGC) afdwingt voor raster tiles, gebruikt vector tile-technologie een vaste samenstelling van geografische data, één projectie en vaste schaalniveaus en een vaste hoogte en breedte van de bestanden. Het kaartbeeld in een kaartuitsnede wordt zo samengesteld uit van tevoren gemaakte, kleinere vectorbestanden: de vector tiles. Deze vector tiles bevatten, in tegenstelling tot raster tiles, niet alleen de geometrie, maar ook eigenschappen van de geografische objecten. Deze informatie wordt vervolgens als protocolbuffers in het bestand opgeslagen (een binair bestandsformaat ontwikkeld door Google) dat geoptimaliseerd is voor het versturen van gestructureerde informatie.

Figuur 1 – Vectortegels bevatten niet alleen de geometrie, maar ook de eigenschappen van de geografische objecten.

Deze combinatie is door Mapbox beschreven in de Mapbox Vector Tile (MVT)-specificatie (Matthews, 2016). Ondanks het feit dat vector tiles al bijna 10 jaar worden toegepast, is er momenteel nog geen vergelijkbare standaard vanuit het OGC. Door het ontbreken van een OGC-standaard en de brede adoptie in verschillende softwarepaketten is deze MVTspecificatie de de facto-standaard voor de vector tiling-technologie geworden.

Webkartografie: een korte geschiedenis

De eerste website die Tim Berners-Lee op 20 december 1990 online zette, toonde al een kaart van het CERN-instituut als rasterbestand (CERN, 2019). De eerste 10 jaar van het web bestonden kaarten voornamelijk als rasterbestanden, ontstaan door papieren kaarten te scannen of door digitale vectorkaarten uit grafische tekenprogramma’s (zoals FreeHand) op te slaan als een rasterbestand. De kartograaf diende bij het scannen rekening te houden met moiré-effecten. De patronen van het drukproces konden interfereren met de patronen van het rasterbeeld. Ook de omzetting van het kleurensysteem van CMYK voor drukwerk naar RGB voor beeldschermen zorgde voor een extra controle in het productieproces, maar het kaartbeeld bleef een product van het handwerk van de kartograaf.

Figuur 2 – De eerste website inclusief webkaart.

Tegen het einde van de jaren ’90 groeide het web vanuit haar oorspronkelijke militaire en academische context uit naar het grote publiek en ontstonden kaartenportals als MapQuest in de Verenigde Staten, Multimap in Groot-Brittannië en Locatienet in Nederland. Ook GIS-programma’s werden doorontwikkeld en kregen de mogelijkheid om direct op het web te publiceren zoals Esri ArcIMS, MapInfo MapXtreme, Autodesk MapGuide en GeoMedia Webmap van Intergraph (Plewe, 1997). De kaartenportals presenteerden rasterbestanden, maar sommige van de bovengenoemde GIS-programma’s maakten in plaats van rasterbestanden gebruik van plug-ins om vectorbestanden in Web-browsers te tonen.

De deelnemers aan het Open Geospatial Consortium (OGC) standaardiseerden de uitwisseling van rasterbestanden als Web Mapping Service (WMS) en formaliseerden de kartografische vormgeving in de Styled Layer Descriptor-aanbeveling (SLD). Het uiterlijk van de kaart werd zo gedicteerd door de geometrie en de eigenschappen werden vastgelegd in de digitale data. Om met behulp van een SLD een effectieve en aantrekkelijke kaart te realiseren, werd van de kartograaf veel kennis van digitale data, handigheid met ruimtelijke bewerkingen en kennis van de grafische mogelijkheden van de geografische software verwacht. Kortom: een tijdsintensief proces.

Figuur 3 – MapQuest in haar jonge jaren.

Bovendien was op de gebruikservaring van de publieksgerichte kaartenplatforms (aan het begin van de 21e eeuw) en de WMS-diensten (die tot nu toe nog altijd worden aangeboden) veel af te dingen. Enerzijds moesten de rasterbestanden voor iedere verandering in de kaartuitsnede opnieuw op de webserver worden aangemaakt: als gebruikers wilden zoomen of pannen werden de achterliggende geografische data opnieuw vormgegeven met de door de kartograaf ontworpen stijl.

De opbouw van een nieuw kaartbeeld zou dus wel even kunnen duren, zeker als er meerdere gebruikers waren. Maar niet alleen de kaart zelf moest opnieuw worden gegenereerd bij iedere verandering van de kaartuitsnede, ook de hele webpagina werd opnieuw op de webserver samengesteld met de nieuwe kaartuitsnede en werd vervolgens in de webbrowser ingeladen. Anderzijds werd de tijdsinspanning voor het maken van een effectieve kartografische vormgeving niet altijd geïnvesteerd, waardoor de communicatievekracht van WMS-diensten vaak beperkt was. Deze veelal gemankeerde gebruikservaring kenmerkte niet alleen de WMS-diensten, maar ook de publieksgerichte kaartenplatforms aan het begin van de 21e eeuw. In februari 2005 presenteerde Google Maps haar oplossing om de gebruikservaring te verbeteren: het kaartbeeld werd met behulp van met de Asynchronous JavaScript (AJAX)- en XML-technologie opgebouwd uit meerdere, kleine rasterbeelden (zogenaamde ‘raster tiles’). De AJAX-technologie maakte het mogelijk om bij het veranderen van de kaartuitsnede nieuwe raster tiles in de pagina te tonen zonder de hele webpagina te vernieuwen. ‘Tiles’ zijn van tevoren aangemaakte rasterbestanden met een vaste stijl en samenstelling van geografische data, één projectie en vaste schaalniveaus en een vaste hoogte en breedte van de rasterbestanden. Deze technologie zorgde voor een verbeterde gebruikservaring, doordat de nieuwe kaartuitsnede sneller op het beeldscherm zichtbaar werd. Deze oplossing van Google werd snel overgenomen door andere kaartenportalen en de leden van de Open Source Geospatial (OSGeo)- gemeenschap definieerden samen de Tiled Map Service (TMS)-standaard, gevolgd door het Open Geospatial Consortium (OGC) met de Web Mapping Tiling Service (WMTS)-standaard. Voor kartografen vereiste de toepassing van raster tiling een uitbreiding van hun kennis om visuele onregelmatigheden op de grenzen van de raster tiles te voorkomen. Puntsymbolen of kaartbeschrifting werden op de randen van een raster-tile afgeknipt, wat een leger kaartbeeld dan gewenst opleverde. Wegen- en gebiedsnamen kunnen juist onbedoeld op iedere raster tile worden herhaald, wat een te druk kaartbeeld opleverde.

Ten slotte: het van tevoren aanmaken van raster tiles kost veel tijd en opslagruimte. Kom je daarna een foutje tegen in je stijl, dan moet de hele voorraad raster tiles opnieuw worden gemaakt. Met iedere kaartstijl verdubbelt ook nog eens de benodigde opslagruimte! Werkt eenmaal alles naar behoren, dan is de eindgebruiker verzekerd van een soepele gebruikservaring, waarbij het kaartbeeld zich snel aanpast tijdens het navigeren door de kaart.

Figuur 4 – Cartiqo vormgegeven als hedendaagse referentiekaart en als stafkaart uit de Tweede Wereldoorlog.

Webkaarten op basis van vectorbestanden zoals Autodesk MapGuide en Scalable Vector Graphics (SVG) konden lange tijd alleen met behulp van plug-ins bekeken worden in een webbrowser. Dit bleek een te grote drempel voor veel laptop- en PC-gebruikers te zijn en werd daarom nauwelijks toegepast voor kaartportalen op het web. Door de opkomst van de smartphone kregen kaartportalen de mogelijkheid om via apps deze technologische beperkingen van webbrowsers te omzeilen. Sinds 2010 biedt Google haar kaarten in haar Google Maps-app voor Android aan op basis van vectorbestanden die zijn opgeknipt in van tevoren geproduceerde vector tiles. In 2012 volgde Apple het voorbeeld van Google en bood kaarten aan op basis van vector tiles in de Apple Maps-app voor iOS 6 (Sandle, 2012). Inmiddels zijn webbrowsers ook doorontwikkeld. Zij ondersteunen nu vectorbestanden zonder de hulp van plug-ins, maar op basis van Scalable Vector Graphics, het HTML5 <canvas>- element en WebGL-technologie. Deze functionaliteit biedt de mogelijkheid om de kartografische vormgeving niet alleen te laten sturen door de geometrie en eigenschappen van de data, maar ook door grafische filters en transformaties die de webbrowser kan uitvoeren. Zo ontstaat een veel meer genuanceerd en aan de eisen van de visuele communicatie aangepast kartografisch product.

De gebruikservaring met deze webkaarten is verbeterd, doordat de vector tiles vele malen kleiner zijn dan raster tiles (en dus nog sneller bij de gebruiker worden afgeleverd). Doordat de kartografische vormgeving door de webbrowser wordt geregeld, kan deze op het laatste moment nog worden aangepast. De voorraad vector tiles hoeft niet opnieuw te worden geproduceerd om een kartografische aanpassing door te voeren. De webbrowser voert dit ‘on-the-fly’ uit. Kortom: met de komst van vector tiles hebben kartografen dé technologie in handen om kartografische hoogstandjes voor een groot publiek op het web te publiceren, die zelfs op een mobieltje vlot werken. Omdat mensen sinds 2014 twee keer zo vaak kaarten op mobiele apparaten bekijken als op een desktop- PC (Ricker & Roth, 2018) is het de hoogste tijd om aandacht te besteden aan het vervaardigen van webkaarten op basis van vector-tiling.

Figuur 5 – Een kerstkaart van Esri.

Vector tiles: maken, vormgeven en bekijken

Bestaande GIS-software zoals Esri ArcGIS, Mapnik, GeoServer en MapServer (die eerder alleen rasterbestanden konden maken) zijn inmiddels uitgebreid met de functionaliteit om vector tiles te produceren. Daarnaast zijn er talloze softwarepakketten die specifiek voor het maken van vector tiles zijn ontwikkeld zoals MapTiler, Martin, Tegola, Tippecanoe en T-rex. In tegenstelling tot raster tiles ontbreekt in vector tiles de vormgeving zelf. Deze wordt in de webbrowser pas toegepast op de vector tiles door middel van JavaScript. Dit kan aan de hand van een vooraf bepaalde vormgeving voor de hele kaart, maar ook in JavaScript kunnen regels interactief worden toegepast op bepaalde objecten in de kaart. Voor het vastleggen van de vormgeving van vector tiles zijn er momenteel verschillende opties. Mapbox heeft naast de MVT-specificatie voor de vector tiles een Style-specificatie voor de vormgeving uitgebracht. Deze specificatie beschrijft de opzet van een JavaScript Object Notation (JSON)-bestand waarin de kartografische vormgeving staat beschreven voor alle kaartlagen. Bedrijven zoals Carto, MapTiler als Esri hebben deze specificatie inmiddels omarmd.

Esri ArcGIS en QGIS in combinatie met de Vector Tiles Reader QGIS Plug-in zijn voorbeelden van desktopprogramma’s bedoeld om vector tiles vorm te geven. Mapbox Studio, Maputnik, Carto en MapTiler Cloud zijn online programma’s. Al deze programma’s stellen kartografen in staat om een Mapbox Style-document (een JSONbestand) te maken, dat voldoet aan de Mapbox Style-specficatie. Natuurlijk kan dit JSON-bestand ook in een interactieve ontwikkelomgeving zoals Visual Code worden gemaakt en aangepast. Er zijn meerdere JavaScript-bibliotheken interactieve kaarten op basis van vector tiles in de webbrowser te tonen. Bekende bibliotheken als OpenLayers en Leaflet bieden zelf beperkte functionaliteit, maar in combinatie met Mapbox GL JS zijn schaalafhankelijke visualisaties mogelijk: met het veranderen van de kaartschaal verandert de visualisatie van de geografische objecten. Met Mapbox GL JS, Deck GL [1] van Uber en Harp. gl [2] van HERE komen vector-tiles tot leven in een 2,5D viewer in de webbrowser. Dit stelt kartografen in staat om kaartgebruikers een virtuele tour door de kaart te laten maken.

Vector tiles voor Nederland

Op basis van data uit de Basisregistratie Topografie (BRT) en de Basisregistratie Grootschalige Topografie (BGT) zijn in 2017 en 2018 bij Publieke Dienstverlening op de Kaart (PDOK) verschillende proefprojecten [3] ontwikkeld voor de inzet van vector tiling (PDOK, 2018).

Eind 2017 presenteerde ook Esri haar topografische basiskaart op basis van vector tiling-technologie (Vierbergen, 2017). Waar PDOK de tiles aanbiedt in de Web Mercator-projectie zijn de vector tiles van ESRI naar het Rijksdriehoekstelsel omgezet, wat mogelijk was doordat Esri de vector tile-specificatie van Mapbox had uitgebreid. Een voorbeeld van een recent product op basis van verctor tiles is Cartiqo [4], dat het bedrijf Webmapper in maart 2019 op de markt bracht. Naast de BRT en BGT zoals in de diensten van PDOK en Esri bevat Cartiqo ook gegevens van OpenStreetMap (Mac Gillavry, 2019). Sinds oktober is Cartiqo beschikbaar via Maptiler.nl.

Figuur 6 – De BRT-Achtergrondkaart op basis van vector tiles.

Conclusie

Vector tile-technologie wordt al bijna 10 jaar ingezet in mobiele apps om kaarten op een vlotte manier aan gebruikers te tonen. De geringe bestandsomvang zorgt ervoor dat vector tiles razendsnel worden verstuurd en lang in de browser cache blijven voor een nog snellere opbouw van het kaartbeeld. Ook op het web is vector tile-technologie de de facto-standaard aan het worden. Het geeft kartografen veel vrijheid in het ontwikkelen van kartografische vormgeving en biedt gebruikers veel mogelijkheden voor interactie en visuele terugkoppeling in de kaart. Met veel aanbieders van vector tiles en met een breed scala van softwareprogramma’s voor de verwerking en vormgeving van vector tiles hebben kartografen alle faciliteiten om zich te concentreren op het ontwerpen van effectieve en esthetisch verantwoorde kartografische stijlen die kaarten tot leven kunnen brengen.

Bronnen

  • CERN (2019) The world’s first browser/editor, website and server go live at CERN timeline.web.cern.ch/worlds-first-browsereditorwebsite- and-server-go-live-cern (laatst bezocht op 5 oktober 2019)
  • Mac Gillavry. E. (2019) Webmapper kondigt Cartiqo aan webmapper. net/2019/03/11/webmapper-kondigt-cartiqo-aan/ (laatst bezocht op 30 september 2019)
  • Matthews, S. (2016) The new Mapbox Vector Tile Specification guide. blog.mapbox.com/the-new-mapbox-vector-tilespecification- guide-80f799f68502 (laatst bezocht op 30 september 2019)
  • PDOK (2018) Vector Tiles BRT en BGT via PDOK www.pdok.nl/-/ vector-tiles-brt-en-bgt-via-pdok (laatst bezocht op 30 september 2019)
  • Plewe, B. (1997) GIS Online: Information Retrieval, Mapping, and the Internet. Santa Fe: OnWord Press
  • Ricker, B., Roth, R. E. (2018). Mobile Maps and Responsive Design. The Geographic Information Science & Technology Body of Knowledge (2nd Quarter 2018 Edition), John P. Wilson (Ed). DOI:10.22224/gistbok/2018.2.5
  • Sandle, S. (2012) Apple’s vector maps save memory, go further when you’re offline www.engadget.com/2012/10/05/ apples-vector-maps-go-further-offline (laatst bezocht op 30 september 2019)
  • Vierbergen, W.J. (2017) De Topografische basiskaart: een vertrouwd beeld met nieuwe technologie blogs.esri.nl/detopografische- basiskaart-een-vertrouwd-beeld-met-nieuwetechnologie/ (laatst bezocht op 30 september 2019)

Referenties

  1. deck.gl/
  2. www.harp.gl/
  3. geodata.nationaalgeoregister.nl/beta/ topotiles-viewer/
  4. cartiqo.nl
Afbeelding voor Edward Mac Gillavry

Edward Mac Gillavry