Lerneinheit 3
Grundlagen der Geovisualisierung
3.1 Merkmale
der Geovisualisierung
In Abschnitt 1.4 wurden bereits zwei Merkmale genannt, durch welche sich die 3D-Geovisualisierung von allgemeinen Visualisierungen unterscheidet:
·
der dreidimensionale
Darstellungsraum
·
die georeferenzierte
Darstellung
Darüber hinaus zeichnen sich 3D-Geovisualisierungen dadurch aus, dass zumeist eine
·
Darstellung der Erdoberfläche (Relief)
als
zentrales Visualisierungsobjekt fungiert. Dieses spezielle
Visualisierungsobjekt soll im Weiteren kurz als Relief bezeichnet werden. Die Relief-Visualisierung ist
Beschäftigungsgegenstand des Abschnitts 3.2. Darüber hinaus sind unter anderem
die folgenden Merkmale zu nennen:
·
Berücksichtigung
thematischer
Information, und damit
einher gehend unter anderem
o die Möglichkeit der Nutzung des Reliefs
für die Darstellung thematischer Information
o die kartografische Umsetzung in Farben und Symbole
o GIS-Anbindung (Lesen von Geoobjekten,
Zurückschreiben editierter Geometrien und/oder thematischer Attribute, Aufruf
von GIS-Analysemethoden etc.)
·
Variierende psychologische Räume (Erläuterung)
·
Horizontale als Bezugsebene / Einfluss der Gravitation (Erläuterung)
·
variierende
Abstraktionsgrade (Fotorealismus vs. abstrakte
Darstellung)
3.2 Das Relief als Bezugsfläche
Unabhängig
von der mit dem Systemeinsatz verfolgten Zielsetzung ist eine 3D-Darstellung
der Erdoberfläche (Relief) zumeist unabdingbar. Statt des Relief-Begriffs sind
in der Literatur auch abweichende Bezeichnungen wie zum Beispiel
"3D-Topographie", die englische Bezeichnung "Terrain" oder
einfach "Geländemodell" oder "Oberfläche" zu finden.
3.2.1 Darstellung des Reliefs
Der
Oberflächenbeschreibung liegt dabei in der Regel ein sogenanntes Digitales
Geländemodell (DGM) zugrunde.
Die Darstellung kann basierend auf Dreiecksnetzen ("triangulated irregular
networks", kurz TINs) oder
Vierecksnetzen erfolgen.
Die
rechtstehende Abbildung zeigt ein einfaches Geländemodell in Gitter- und
TIN-Repräsentation. |
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Zur Aufrechterhaltung der
Echtzeit-Eigenschaft ist ein Einsatz von Level-of-Detail-Techniken häufig unentbehrlich. Level-of-Detail-Techniken ermöglichen
abhängig vom Abstand des Betrachters bzw. der Kamera von einem Objekt die
Darstellung in unterschiedlichen Detailliertheitsgraden (LoDs).
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Quelle: Computer Graphics Research Group
der ETH Zürich |
Um die
Höhenverhältnisse in der 3D-Darstellung der Erdoberfläche (Relief) besser
erkennbar zu machen, bieten nahezu alle 3D-Geovisualisierungs-Systeme die
Möglichkeit einer vertikal überhöhten Darstellung. Praktisch bedeutet dies allerdings nicht die einfache
Multiplikation der Höhendaten des Geländemodells mit einem Höhenmaßstabsfaktor,
sondern eine vertikale Streckung des dem jeweiligen Ansichtsfenster zugrunde
liegenden Koordinatensystems.
Bemerkungen zum Überhöhungsproblem
3.2.2 Projektion von Information auf das Relief
Auf die Erdoberfläche beziehbare Daten
lassen sich zur Einfärbung
oder Texturierung des Reliefs
verwenden. Die Geometrie des Relief-Visualisierungsobjekts bleibt dabei
weitgehend erhalten, lediglich ergänzt werden zumeist Farb- und/oder
Texturinformationen. Die folgenden Beispiele sollen diese Möglichkeit
demonstrieren:
· Hypsometrische Einfärbung: Häufig wird das Relief unter Verwendung
einer entsprechenden Farbzuordnungsvorschrift in Abhängigkeit von der
Geländehöhe eingefärbt. Die Einfärbung des Reliefs erfolgt zumeist in den
Stützpunkten des zugrunde liegenden Geländemodells, das beispielsweise als
Dreiecksnetz (TIN) oder Gitter vorliegen kann. Zwischen diesen Stützpunkten
erfolgt eine Interpolation der Farbwerte.
Beispiel: Geländemodell des El-Kala-Nationalparks
in Algerien. Tiefe Höhenlagen sind dunkelgrün, hohe Lagen braun eingefärbt. . |
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· "Image Drape": Zur Texturierung lassen sich Bitmaps wie
gescannte Topographische Karten, Luftbilder oder Satellitenbilder verwenden. Es
ist zu beachten, dass hierfür eine Georeferenzierung der Bilddaten nötig ist. Häufig sind die Bilddaten auf den vom
Relief eingenommenen Raumausschnitt zuzuschneiden. Darüber hinaus ist zu
beachten, dass die Daten parallel zur xy-Ebene auf das Relief zu projizieren
sind.
Beispiel:
Projektion topografischer und thematischer Karten auf das Relief des
El-Kala-Nationalparks:
Drape der topografischen Karte auf das Relief: . |
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Drape der geologischen Karte auf das
Relief: |
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Drape der Karte zur potenziellen
natürlichen Vegetation auf das Relief: |
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· Multi-Texturing-Techniken zur Darstellung thematischer Information:
Moderne Texturierungstechniken ermöglichen eine Hardware-unterstützte
Kombination mehrerer
Textur-Ebenen (zum Beispiel
durch "Mischung" oder "Texturlinsen") oder zur visuellen
Simulation von Unebenheiten im Gelände bei vereinfachter Relief-Darstellung einsetzen
("bump mapping").
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Quelle:
Hasso-Plattner-Institut, Potsdam |
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Weiterhin lassen sich
vektoriell vorliegende Geoobjekte auf dem Relief positionieren bzw. darauf projizieren.
Als Beispiele seien genannt:
·
Positionierung von Bauwerken: Bei den zu
positionierenden Objekten kann es sich um dreidimensionale Objekte ohne
Angabe einer Einfügehöhe handeln, durch welche Bauwerk-Geometrien beschrieben
werden.
Beispielhaft sei eine aus einer CAD-Umgebung stammende
Gebäudebeschreibung, dessen Geschoss- und Dachhöhen zwar spezifiziert
sind, die Angabe eines Höhenwertes für die Grundfläche jedoch fehlt. In
diesem Fall ist das Objekt auf die entsprechende Höhe anzuheben und
gegebenenfalls mit einem Sockel zu versehen, so dass es nicht teilweise in
der Luft schwebt. |
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Als weitere Beispiele in der Domäne häufig verarbeiteter
3D-Objekte (die sich nicht notwendigerweise oberhalb der Erdoberfläche befinden
müssen, sondern sich auch darunter befinden können) seien exemplarisch Türme,
Masten, Bohrprofile, Bäume, Sträucher, Brücken, Staudämme, Tunnel und Windkraftanlagen
genannt.
· Positionierung von Symbolen: Zur Positionierung von Bauwerken aus
technischer Sicht sehr ähnlich ist die Positionierung punktbezogener Symbole
auf dem Relief.
·
Projektion
linienhafter Objekte: Beispielhaft
seien linienhaft modellierte Straßenzüge, Flurstücksgrenzen,
Gebäude-Grundrisse mit fehlender Höhenangabe und Versorgungsleitungen
genannt. In diesem Fall sind die jeweiligen Objekte unmittelbar auf das Relief
zu projizieren.
·
Anhebung
des Reliefs in Abhängigkeit
von planar vorliegender Geoinformation.
Das rechtstehende Beispiel zeigt, wie thematische
Information über die Landnutzung verwendet wird, um das Relief höhenmäßig
anzuheben. So wird im Beispiel für die rot dargestellten bebauten Flächen ein
anderer Offset verwendet als für die grün dargestellten Waldgebiete. Wasserflächen
und landwirtschaftliche Nutzflächen hingegen bleiben unverändert. |
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3.3 Navigation und Orientierung in Georäumen
In den
Programmen werden (je nach Zweck) verschiedene Modi zur Änderung der
Kameraeinstellungen bereitgestellt. Als Interaktions-Metaphern werden in
Anwendungen mit Echtzeit-Rendering neben einem Examine-Modus zumeist ein Walk-through- oder Fly-by-Modus (beziehungsweise Drive-through,
Tunnel-under etc.) sowie Zoom- und Pan-Funktionen angeboten. Walk-through und
Fly-by operieren dabei oft auf Grundlage eines Gelände-folgenden Koordinatensystems.
In Desktop-Umgebungen
erfolgt die räumliche Navigation zumeist auf Grundlage intuitiver
Maus-basierter Steuerungen im aktuellen 3D-Ansichtsfenster. Für viele
Anwendungsfälle ist darüber hinaus die direkte Manipulation der Kamera in einem
Übersichtsfenster von Nutzen. In VR-Umgebungen wird die Betrachterposition
über Tracking-Systeme erfasst. Für nicht-Echtzeit-fähige Renderer erfolgt die
Einstellung der Kameraparameter häufig über Dialogboxen.
Zeitliche
Navigation
Neben der
räumlichen Navigation sind gegebenenfalls auch zeitliche Navigationswerkzeuge
umzusetzen (zum Beispiel durch Zeitsteuerungskonsolen oder andere Elemente).
Orientierungshilfen
Ist der
sichtbare Teil der Szene verhältnismäßig klein, ist der Einsatz von Orientierungshilfen
oft sinnvoll. Häufig genutzt werden beispielsweise Übersichtsfenster, in welchen
die Szene zusammen mit der Geometrie der Sichtvolumina der Ansichtsfenster
im Aufriss gezeigt wird. Als weitere wichtige Orientierungshilfen sind kartografische
Elemente wie Nordpfeil/Kompass oder Koordinatenachsen zu nennen.
Beispiel: Nebenstehendes VRML-Beispiel zeigt Angaben über die Himmelsrichtungen
(Textelemente mit Billboard-Verhalten), einen Kompass und eine Maßstabsleiste
als Hilfsmittel zur räumlichen Orientierung. Die räumliche Navigation ist im
gezeigten Beispiel über die Bedienkonsole des "Cosmo-Players"
möglich. |
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