Zielsetzungen und Methoden der Wegpunktkonversion

Anlass für die Entwicklung von GPS-Route war der Wunsch, eine für's Motorradfahren taugliche Navigationsunterstützung zu bekommen, ohne direkt weit mehr als 1000 EUR dafür auf den Tisch zu legen. Erste Versuche mit PocketPC-gestützten Systemen und Ähnlichem haben sich für mich als eher unpraktisch erwiesen. Seit dem ersten Ansatz von GPS-Route hat sich aber so einiges auf dem PocketPC-Sektor getan, so dass sich diese Plattform, zwar mit einigem Zusatzaufwand, was Wasserdichtigkeit und Schüttelfestigkeit angeht, nun auch für Motorradfahrer als zunehmend attraktiv herausbildet.

Die folgenden Überlegungen und Ausführungen betreffen insbesondere die Spezies der autonomen, nicht selbst routenden GPS-Handgeräte, die den Schwerpunkt des Einsatzbereiches ausmachen. Doch auch für intelligente PocketPC-basierte Navi-Systeme hat sich GPS-Route als zweckdienlich erwiesen, weil die Übersicht eines großen PC-Bildschirms und die guten Routingfähigkeiten selbst billiger Tourenplaner vom kleinen PocketPC-Bildschirm nicht erreicht werden.

Zum eigenen Programmieren angeregt wurde ich durch Detlev Reymanns kostenlos erhältliches Programm TC2WP, das grundsätzlich eine ähnliche Idee (Extraktion von Routeninformation aus Exporten der diversen vektorkartenbasierenden Tourenplaner) verfolgte, aber hinsichtlich seiner Funktionalität nicht das bot, was ich mir eigentlich gewünscht hatte und grundsätzlich aus den Tourenbeschreibungsexporten zu extrahieren ist: Eine möglichst effektive Routenführung auf der Straße durch sprechende Wegpunktnamen, die möglichst wenig Anlass zum Nachdenken und zu notwendiger Interaktion in der Verkehrssituation geben durfte. So entstand nach und nach ein eigenes Programm mit immer mehr (computertechnischer) Intelligenz bei der Analyse der vom Tourenplaner exportierten Fahranweisungen. Die daraus entstehende Abfolge der GPS-Routenpunkte dient möglichst kompromisslos folgenden Hauptzielen:

Intuitive Verständlichkeit der Anweisungen,
Ausschalten von verkehrsbedingten Routenverfolgungsfehlern,
geringstmögliche Interaktion mit dem Gerät und
möglichst große Rückmeldung darüber, ob man noch auf der gewünschten Route fährt.

Da die Routenspeicher der GPS-Empfänger in der Regel recht klein sind und auch die Anzahl der Routenpunkte einer Route aus unerklärlichen Gründen meist auf eine geringe Zahl (typisch 30 oder 50) beschränkt ist, bedeutet dies insbesondere, dass mit der Verteilung der Punkte möglichst geknausert werden muss, aber so, dass die Funktionalität des Geführtwerdens nicht beeinträchtigt wird. Eine Möglichkeit besteht darin, nur so genannte "wesentliche Wegpunkte" in den GPS-Empfänger zu übertragen -- also solche, an denen eine Aktion in Form eines Abbiegens usw. erfolgen muss. Hierdurch würde die Anzahl der zu verwaltenden Routenpunkte auf das geringstmögliche Maß reduziert. Es zeigt sich aber in der Praxis immer wieder, dass man in der Fahrsituation verwirrt ist, wenn der selbstgefahrene Track wesentlich von der eingezeichneten Routenlinie abweicht. Schließlich kann man nicht grundsätzlich einen Navigationsfehler beim vorherigen Abbiegehinweis ausschließen. Entsprechend ist es hilfreich, wenn die eingezeichnete Routenlinie sich durch begrenzte Aufnahme zusätzlicher Stützpunkte stärker an den tatsächlichen Streckenverlauf anschmiegt. Wird statt der wesentlichen Wegpunkte die "detaillierte Liste" als Exportoption ausgewählt, stehen hierzu in der Regel (über-)reichlich viele zur Verfügung. Dieser Fundus an wesentlichen und unwesentlichen Wegpunkten wird nun nach Kräften gesiebt, um die genannten Ziele möglichst gut zu erreichen.

Folgende Aktionen werden von GPSROUTE durchgeführt:

Kreisverkehrsreduktion:: Einige Planer liefern für den Einfahrtpunkt und jeden möglichen Ausfahrtpunkt eines Kreisverkehrs getrennte Abbiegehinweise, die zwangsläufig extrem kurz aufeinander folgen. GPSROUTE eliminiert alle bis auf den Ausfahrtpunkt aus dem Kreisverkehr und benennt diesen nach der Nummer der zu wählenden Ausfahrt: K3-... bedeutet: vom Einfahrtpunkt aus gerechnet dritte Ausfahrtmöglichkeit aus dem Kreisverkehr nehmen.
Setzung von Kombipunkten:: Bei kurz aufeinander folgenden Abbiegeanweisungen -- z.B. an versetzten Kreuzungen -- hat der Fahrer, der dort ja auch noch anderweitig beschäftigt ist, meist keine Gelegenheit, den zweiten Punkt überhaupt wahrzunehmen, da er nur wenige Sekunden auf dem Display zu sehen wäre. Daher ersetzt GPSROUTE zwei innerhalb von 50 m aufeinander folgende Abbiegeanweisungen durch einen örtlich gemittelten Kombinationspunkt, der entsprechend benannt ist. Dies gilt auch für zwei aufeinander folgende gleichsinnige Abbiegeanweisungen: So bedeutet etwa rR-... ein kurzes Aufeinanderfolgen einer halb-rechts- und einer rechts-Anweisung.
Entfernung überflüssiger "weiter auf"-Punkte:: Die Tourenplaner werfen in der detaillierten Liste für praktisch jede durchfahrene Kreuzung etc. einen Wegpunkt aus, auch wenn die Straße/Richtung nicht gewechselt werden muss. Daher können sehr viele dieser Punkte wieder entfernt werden. Einige der Punkte eignen sich jedoch hervorragend, gewundene oder in weiten Kurven führende Straßenverläufe im GPS-Empfänger etwas durch Zwischenpunkte anzuschmiegen. Werden solche Punkte nicht gesetzt, besteht in der Fahrsituation häufig die Frage, ob man wirklich noch auf dem richtigen Wege ist oder vielleicht doch die letzte Abbiegeanweisung übersehen haben könnte. Hier schaffen einige zusätzlich gesetzte Punkte sehr viel Sicherheit.; Ein weiterer Grund für die Nutzung dieses Features ist, dass die Tourenplaner (insbesondere in den Anrainerstaaten) nicht vollständig sind, also einige real vorhandene Straßen nicht kennen. Entsprechend können einige u.U. wesentliche Navigationsanweisungen fehlen. In der Fahrsituation hat man aber keine Möglichkeit, mal kurz diesbezüglich nachzuschauen ...; Auch bei Reduktion des erlaubten Winkelabweichungswertes auf 0 ist man jedoch nicht grundsätzlich gegen Fehldeutungen geschützt, da ja nur die vom Tourenplaner exportierten Stützpunkte zum "malen" zur Verfügung stehen. Wurde nichts exportiert, kann GPSROUTE auch keine Stützpunkte dazu erfinden! Die Nutzung dieser Zwischenpunkte ist aber immer eine Abwägung zwischen genauem Nachvollziehenkönnen der Streckenführung (mit sehr vielen Zwischenpunkten) und möglichst seltenem Routenwechsel während der Fahrt (wegen nur spärlich gesetzten Punkten). Die persönliche Abwägung dazwischen erfolgt über die -d <Winkel>-Option, die im Abschnitt Optionen ausführlicher erklärt wird.
In GPSFREE, der freien Version von GPSROUTE, werden nur die überflüssigen Routenpunkte in den ersten ca. eineinhalb Routen zu Demonstrationszwecken eliminiert! Nachfolgend werden alle Punkte in den erstellten GPS-Dateien belassen. Die Punkte, die von der Vollversion eliminiert worden wären, werden mit - - als Fahranweisung gekennzeichnet.
Straßenwechseldetektion:: Dummerweise werden - leider nicht einmal selten - "weiter auf"-Anweisungen vom Tourenplaner auch an eigentlichen Abbiegestellen vergeben. Diese können teilweise an einem Wechsel der Straßenbezeichnung (aber nur bei entsprechend benannten Autobahnen, Bundes-, Landes- oder Kreisstraßen) erkannt werden. Solche Punkte werden mit der Bezeichnung Xw-... zurück in die Liste der wesentlichen Punkte aufgenommen, die nicht eliminiert werden dürfen.
Entfernungsangabe vom nächsten zum übernächsten Routenpunkt (optional):: Insbesondere in der so genannten "Straßennavigationsansicht" der GPS-Handgeräte wird beim Ansteuern des jeweils nächsten Wegpunkts keine Information angegeben, wie schnell man nach dessen Passieren wieder auf das Display schauen muss, um den darauf folgenden nicht zu verpassen. Diesem Missstand, der des Öfteren zu einem Verfahrer führt, beugt die Einblendung der Entfernung zwischen dem nächsten und übernächsten Wegpunkt in die Bezeichnung des nächsten Wegpunkts vor: So bedeutet z.B. die Angabe Li-3-bk, dass am nächsten Aktionpunkt nach links zu fahren ist und der darauf folgende Routenpunkt in einer Entfernung von 300 bis 400 m folgt.
Detektion identischer Wegpunkte:: Wird der selbe Wegpunkt zwei- oder mehrfach angefahren, z.B. auf Hin- und Rückweg, und werden ihm dabei unterschiedliche Namen zugewiesen, führt dies zumindest bei den Empfängern der Magellan-Serie zu einer Verweigerung, eine solche Route anzunehmen. Damit die entsprechenden Fahranweisungen dennoch dargestellt werden können, wird der später anzufahrende Punkte künstlich um jeweils ca. 2 m nach Norden versetzt. Hiermit scheinen die Empfänger dann keine Probleme mehr zu haben. Der Versatz ist klein genug, um auch ggf. mehrfaches Anfahren nicht in eine Positionsungenauigkeit ausarten zu lassen.
Optimale Füllung notwendiger Routen (nur Vollversion!):: Routen, die durch die Wahl der -d Option auf jeden Fall angebrochen werden müssen, werden durch ein automatisches (aber abstellbares) Zurücknehmen eben dieser Option in Halbgradschritten maximal aufgefüllt. Hierdurch wird eine bessere Anschmiegung des Routenlinienverlaufs an die tatsächliche Straßenführung erreicht, ohne auch nur einen Tastendruck mehr zu verursachen.; Andererseits mag nicht jeder unnötige "weiter auf"-Punkte in der Route haben, weil man hierdurch unwillkürlich öfter auf das Display schauen muss. Daher lässt sich diese automatische Routenfüllung auch abstellen.
Mitübertragung von Korridorobjekten der Vektor-Tourenplaner (nur Vollversion):: Die gängigen Tourenplaner können neben dem eigentlichen Tourverlauf auch noch isolierte, in der Nähe der Strecke liegende interessante Punkte (Points of Interest, POI) exportieren. Beispiele hierfür sind Tankstellen, Gasthäuser, Hotels, Werkstätten usw.. Bei Verwendung der textuellen Exporte auch für die neueren, XML-fähigen Tourenplaner werden diese von GPSROUTE in isolierte, nicht in die eigentlichen Routen eingebundene Wegpunkte umgesetzt.
(Derzeit besteht diese Möglichkeit nur für die 2003/2004er-Versionen des Marco Polo und des Motorrad-Tourenplaners, sowie für die 2002er Version des Marco-Polo-Reiseplaners. Ich gehe davon aus, dass bei den anderen Planern die gleiche Möglichkeit existiert, brauch hierfür jedoch noch Beispielexporte! Auch hier unterscheiden sich die einzelnen Planervarianten offensichtlich, so dass ein einfaches Übertragen auf gut Glück nicht möglich ist. Die Korridorobjekte können derzeit nur vom Trackmaker ins GPS-Gerät hochgeladen oder aber in Magellanformat auf SD-Karte geschrieben werden.)

Neben der Routenextraktion aus den Vektordatensystemen wurde schließlich der Wunsch geboren, auch verbreitete Rasterkartensysteme zur effizienten Tourplanung für Mountainbike- oder Wandertouren nutzen zu können. Hierzu wurde eine Schnittstelle zum Top50 Rasterkartensystem geschaffen, die textuelle Overlay-Exporte interpretiert und in GPS-gerechte Routen aufbereitet. Bedingt durch die Rasterkartengrundlage kann hier nur manuell geroutet werden, und die in der Karte selbst einzuzeichnenden Stützpunkte der Route sind hierdurch nur so genau, wie der Planer sie platziert hat.

Der später im GPS-Empfänger als Route angezeigte Linienzug darf natürlich nicht mit einem Straßenverlauf verwechselt werden! Diese Begrifflichkeit ist dem einfachen GPS-Empfänger fremd: er kennt nur isolierte Punkte, die er mit geraden Linien verbindet. Hierdurch kann es beispielsweise vorkommen, dass zwar der Routenlinienzug von einem gegebenen Routenpunkt im wesentlichen nach rechts weist, die textuelle Fahranweisung aber "Li", also links angibt. Diese Fahranweisung bezieht sich auf die lokale Situation, die natürlich von der tatsächlichen Richtung abhängt, aus der man sich dem Wegpunkt nähert. Dies ist besonders gut zu erkennen, wenn man im Fahrbetrieb ein Tracklog mitlaufen lässt und den tatsächlich gefahrenen Streckenverlauf mit dem Routenlinienzug vergleicht. Viele Empfänger bieten auch die Möglichkeit, die Kartendarstellung der Situation angepasst so zu drehen, dass immer "Bildschirm oben" = "geradeaus" ist. Dies ist zunächst hinsichtlich der Kartendarstellung etwas verwirrend (weil man Landkarten immer mit Norden = oben kennt), aber die Verbindung mit den eingezeichneten Routenlinien ist diese Einstellung meist recht gut interpretierbar.

Des weiteren kann man nicht davon ausgehen, dass der zwischen den Routenpunkten gezogene Strich an einer Abbiegestelle der Richtung entspricht, in die die abgehende Straße auch wirklich verläuft. Vielmehr beobachtet man des Öfteren direkt nach dem Abbiegen gänzlich andere Fahrtrichtungen, was zu der Unsicherheit führt, ob man sich vielleicht doch verfahren hat.

Je nach Empfänger stehen zur Klärung unterschiedliche Hilfestellungen bereit, sofern als Exportvariante nicht ein XML-Export der neueren Tourenplaner oder ein ASCII-Export des Top50-Systems verwendet wurde. (In diesen Dateien sind keine Himmelsrichtungsangaben vorhanden, also können auch keine ausgewertet werden.)

Falls die Garmin Utilities unter Linux zum Hochladen und keine XML-Tourenplaner-Exportdateien verwendet werden, können beim Garmin-Gerät kleine Beinchen an die Routenlinie gezeichnet werden, die (entsprechend der vom Tourenplaner exportierten Himmelsrichtung des lokalen, abgehenden Straßenverlaufs) in einem gröberen Raster die tatsächlich einzuschlagende Richtung angibt.

Diese Beinchen werden über Pseudo-Tracklinien organisiert, die mit einer absoluten Strichlänge entsprechend ca. 200 m als kleine Striche in die Pseudokarte eingebaut werden. Dies geschieht jedoch nur an den Abbiegestellen, an denen der Routenlinienverlauf um mehr als 35 Grad von der laut Tourenplaner einzuschlagenden Himmelsrichtung abweicht (siehe auch Abb. 3).
Bei den anderen Geräten und Hochladeoptionen besteht diese Möglichkeit (bislang) nicht. Hier kann nur eine entsprechende Information in den Wegpunktnamen eingearbeitet werden. Entsprechend der Grobhimmelsrichtungsangabe des Tourenplanerexports werden dreiziffrige Richtungsangaben erzeugt (z.B. "045" für "NO" bzw. Nord-Ost), die letztlich zu Wegpunktnamen der Form "Re-045cv" führen. Diese Angabe ist mit einer eingeblendeten Fahrtrichtungsangabe des GPS-Empfängers (Heading) zu vergleichen, wobei aber einiges Kopfrechnen erforderlich ist. Auch in dieser Routenpunktdarstellung dienen die Kleinbuchstaben in letzten beiden Stellen ausschließlich der Eindeutigkeit der Namensgebung und haben keinen weiteren Bedeutungsinhalt.

Organisation der Streckenüberlappung

Da die Anzahl der Navigationspunkte für eine geplante Tour in der Regel deutlich die in einer Route des Empfängers erlaubten überschreitet, wird sie entsprechend den Möglichkeiten des Empfängers in Häppchen aufgeteilt.

Hierbei wird eine Streckenüberlappung zweier aufeinander folgender Routen vorgesehen, die einer frei definierbaren minimalen Streckenlänge entspricht. Unterschieden wird hierbei einerseits die Gesamtüberlappung und andererseits das Vorliegen einer Minimaldistanz zwischen zwei Wegpunkten in diesem Überlappungsbereich:

In erster Linie wird versucht, eine Punkteabfolge zu finden, bei der zwei auf einander folgende Punkte den geforderten Abstand haben. Wird diese gefunden, ist dies jeweils die erste Strecke des per Routenpunktnamen sichtbar gemachten Überlappungsbereichs.
In zweiter Linie wird überprüft, ob die erste Bedingung innerhalb des doppelten angegebenen Überlappungsbereichs erfüllbar ist. Falls nicht, wird der Überlappbereich auf diesen doppelten Wert beschränkt. Dann besitzen jedoch alle darin liegenden Punkte einen kleineren gegenseitigen Abstand, und es besteht die Gefahr, dass man während des Routenumschaltvorgangs einen wesentlichen Punkt übersieht.

So wird sichergestellt, dass unabhängig von der aktuellen Routenpunktdichte, die (im Vergleich von Überlandstrecken zu Stadtdurchquerungen) leicht um das Zwanzigfache(!) und mehr variieren kann, eine hinreichende Wegstrecke/Fahrzeit zum Umschalten zur Verfügung steht. Hierdurch wird beim Umschalten der aktiven Routen im Empfänger auf der Strecke dafür gesorgt, dass praktisch ein durchgehender Routenzug den Navigierenden führt. Details werden im Abschnitt zur Aufbereitung der Routeninformationen erläutert.

Das Einhalten einer genauen Überlappungsstrecke ist aufgrund der Datenlage nicht machbar oder sinnvoll: Es können hierzu ja keine weiteren Wegpunkte hinzu erfunden werden. So kann es durchaus vorkommen, dass trotz einer gewünschten Überlappung von z.B. 1 km die reale 5 km oder mehr beträgt, wenn die Routenpunkte in diesem Bereich gerade besonders spärlich gesät sind.

Wird das alte Verhalten des Routenanschlusses gewünscht, bei dem nur genau der letzte Punkt einer Route als erster der nächsten noch einmal verwendet wurde, ist ein negativer Wert für den "-o"-Parameter anzugeben.

Zur Kenntlichmachung, ab wann auf die nächste Route umgeschaltet werden sollte, wird der textuellen Ausgabe des ersten, in beiden Routen vorhandenen Wegpunkts bei der Garmin-Utilities-Aufbereitung ein "+" angehängt. Für die anderen Aufbereitungsmodi wird das "-"-Zeichen im Wegpunktnamen zu diesem Zweck durch ein "+"-Zeichen ersetzt. Da ja jeder angezeigte Wegpunkt der jeweils nächste anzusteuernde ist, ist das (erste) Auftauchen des "+" nur als Vorankündigung zu sehen, dass nach dem Passieren dieses Punkts der Überlappungsbereich beginnt. Die im Überlappungsbereich anzusteuernden Wegpunkte werden hingegen mit einem anderen Zeichen als Trennung zwischen Richtungsangabe und Schwanz kenntlich gemacht. Bei der Erstellung einer ausschließlich für Magellan-Emfänger nutzbaren SD-Kartendatei wird hierbei ein "=" verwendet -- eine Art Hinweis darauf, dass man sich in einer Parallelführung zweier Routen befindet und jetzt ohne Unterbrechung der Führung auf die nächste Route umschalten kann.

Leider steht auch bei neueren Garmin-Geräten das "="-Zeichen nicht zur Verfügung. Um trotzdem eine für viele Empfänger direkt funktionsfähige Wegpunktnomenklatur ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Optionen zu erzeugen, wird bei allen Aufbereitungen außer der Magellan-Kartendatei standardmäßig ein "++" zu diesem Zweck eingesetzt, wenn hierdurch die maximale Länge der Wegpunktnamen von 8 Zeichen nicht überschritten wird. (Bei Nutzung der Himmelsrichtungsaufbereitung würden allerdings so 9 Zeichen für einen Wegpunktnamen zusammenkommen, daher wird dort auch für die Überlapppunkte nur das "+" als Kennzeichnung eingesetzt. Diese Kennzeichnung kann aber nach Belieben (unter Berücksichtigung der Fähigkeiten des Empfängers) über die -= Option modifiziert werden.

Schließlich gibt es noch eine Reihe von recht archaisch ausgestatteten GPS-Empfängern, die noch nicht einmal das "+" im Zeichensatz haben. Für diese gibt es schließlich noch die Option "-a" (wie archaisch), die den ersten Überlappungswegpunkt mit "_", die weiteren mit "__" markiert. Diese Option wird stärker gewichtet als eine Angabe einer frei gewählten Sonderkennzeichnung. Da diese Kennzeichnung gegenüber dem "-" aber relativ schlecht zu erkennen ist, sollte man nur in Notfällen auf diese Option zurückgreifen.

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P. Roosen 2004-07-10