Visualisierung von Geodaten

Inhalt Visualisierung Geometrische Modellierung Software Fragen Motivation Definition Vorteile Geoobjekte Geometrische Modellierung Rastermodelle Vektormodelle Hybridmodelle Software Kartographie Client-Server-Anwendungen 3D-Visualisierung Photorealistische Visualisierung Fragen

Motivation Cholera-Ausbruch in London Die Visualisierung von Geoinformationen dient nicht nur der Veranschaulichung von bereits gewonnen Erkenntnissen. Sie hat eine wesentlich Bedeutung für die raumbezogene Analyse und Interpretation von Zusammenhängen und Veränderungen. Ein historisches Beispiel aus dem 19. Jahrhundert demonstriert diesen außergewöhnlich hohen Nutzen. Auf der Suche nach dem Urspruch einer Cholera-Epidemie in London, zeichnete der Arzt Dr. John Snow alle betroffenen Wohnorte in eine Karte (schwarze Balken) ein. Eine Analyse des durch entstandenen Bildes führte sehr schnell zum rot markierten Brunnen als Ausbreitungsort der Seuche.

Visualisierung Definition: Aufgaben: Transformation von Daten in ein sichtbares Bild Aufgaben: Darstellung relevanter Sachverhalte auf einem Blick unbewußte und intuitive Wahrnehmung Hilfe beim Erkunden, Verstehen und Erklären von räumlichen Strukturen und Prozesse Die Hauptaufgabe der Visualisierung ist die rasche Übermittlung komplexer Informationen. 2. Die grafische Darstellung muß dabei so konzipiert werden, daß die Informationen in der Grafik spontan wahrgenommen und im gewünschten Sinne verstanden werden. 3. Die Visualisierung dient daher dem wissenschaftlichen Erkenntnisprozess.

Vorteile der computergestützten Visualisierung Interaktives Arbeiten am Bildschirm Aufbereitung und Darstellung von großen Datenmengen nicht visuellen Attributen Dehnung oder Raffung von zeitlichen Änderungen Simulation von dreidimensionalen Objekten und Landschaften Der Einsatz von Computern spielt bei der Visualisierung aus mehreren Gründen eine wichtige Rolle: 1. Das interaktive Arbeiten am Bildschirm ermöglicht eine einfache und rasche Änderung der Sicht auf die Daten 2. z.B. Satellitenbilder (sichtbar) und Kaltluftflüsse (unsichtbar) 3. z.B. Entwicklung von Wirbelströmen 4. z.B. Niederschlagsverteilung im Gebirge

Geoobjekte abstrakte Modelle von räumlichen Objekten eindeutig abgrenzbar Eigenschaften: Geometrie Topologie Thematik Dynamik räumliches Objekt abstrakte Modelle Die Verarbeitung von Geodaten basiert auf sogenannten Geoobjekten. Dabei werden raumbezogene und fachspezifische Informationen an dieses Objekte gebunden: Geometrie: räumliche Lage Topologie: Lagebeziehung zu anderen Geoobjekten Thematik: thematische, d.h. fachlich relevante Eigenschaften, die räumlich invariant sind Dynamik: zeitliche Veränderung In der Beispielabbildung Geometrie: Modellierung einer Gewässerstrecke durch einen Linienzug Topologie: die Lage in dem Objekt „Flußbett“ Thematik: alle fachlich relevanten Eigenschaften wie Wasserstand, Anzahl von Pflanzenarten etc. Dynamik: Veränderungen der Geometrie, Topologie oder Thematik durch Erosion

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Geometrische Modellierung Konzepte zur Modellierung von Geoobjekten Typen Rastermodelle Vektormodelle Hybridmodelle Die Wahl eines geometrischem Modells ist grundsätzlich für die Verarbeitung der Objekte als Vektor- und/oder Rastergrafiken.

Rastermodelle Raster wird definiert durch Rasterzelle Ursprung Orientierung Weite Rasterzelle unteilbares Flächenelement Über Indextupel angesprochen Punktförmige Objekte: näherungsweise durch einzelne Rasterzellen dargestellt Linienförmige Objekte: zusammenhängende Folgen von Rasterzellen Flächenförmige Objekte: Haufen von Rasterzellen mit geschlossenem Umriß

Rastermodelle: Objektattribute Layerbasierte Zuordnung von Attributen Objektbezogene Zuordnung von Attributen Layermodell: - in jeder Schicht ist ein Attribut mit seinen Attributwerten abgelegt - weit verbreitet, da das Rastermodell seinen Ursprung in der Bildverarbeitung hat

Rastermodelle: Vorteile gut geeignet für die Darstellung von fotoähnlichen Bildern Operationen auf Pixel-Basis sind sehr einfach durchführbar entspricht der Ausgabe an Bildschirmen und Druckern 1. 2. Retuschieren, Farbe ändern 3.

Vektormodelle Grundlage Basiselemente Kartesisches Koordinatensystem Euklidische Metrik Basiselemente Knoten Kanten Kartesisches Koordinatensystem: orthogonales Koordinatensystem, dessen Koordinatenlinien Geraden in konstantem Abstand sind. Euklidische Metrik: d(x,y) = wurzel((x1-y1)²+(x2-y2)²+…) Knoten: Punkte Kanten: Geradlinige Verbindung zweier Knoten

Vektormodelle: Linien Verbindung zweier Knoten Approximation durch Zwischenpunkte (Linie 1) mathematische Funktionen (Linie 2)

Vektormodelle: Komplexe Strukturen Polygonzüge Polygone Polygonzug / Linienzug: zusammenhängende Folge mehrerer Knoten und Linien Polygonnetz: zusammenhängende Polygonzüge Polygon / Fläche: geschlossener Polygonzug Areale Netzstrukturen: zusammenhängende Polygone Polygonnetze Areale Netzstrukturen

Vektormodelle: Vorteile sehr genaue Darstellung Transformationen der grafischen Objekte sind leicht durchführbar kleine Datenmengen entspricht der Zeichentechnik von Stiftplottern 1. 2. Streckung, Rotation 3. 4.

Hybridmodelle Modellierung von Vektor- und Rasterstrukturen Vorteile beider Konzepte werden vereint Beispiel: Nur in einem näher zu untersuchenden Gebiet arbeit man mit Vektordaten, während die übrigen Teile mit Rasterdaten analysiert werden

Dunkelrot: dichte Siedlungen Hellrot: lockere Siedlungen Hellgrau: Verkehrswege Dunkelgrau: Industrieanlagen und Halden Blau: Gewässer Usw.

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Software zur Geodatenvisualisierung Anwendungsgebiete der Geovisualisierung Der Entwurf dient der Umsetzung einer Idee oder Vorstellung. Durch die Präsentation sollen die Ergebnisse einer Öffentlichkeit vorgestellt werden. Bei der Exploration finden Datenanalyse und Hypothesenfindung in einem iterativen Prozeß statt.

Kartographie Aufgabe: Notwendige Grundfunktionen: Erstellung von Karten, Atlanten und Globen durch computergestützte Visualisierung Notwendige Grundfunktionen: Scannen analoger Kartenvorlagen Digitalisieren mit dem Digitalisiertablett Hinzufügen kartographischer Symbole Transformieren in unterschiedliche Bezugssysteme

Kartentypen in der Kartographie Topographische Karten Maßstabs- und lagegenaue Darstellung Thematische Karten Fachspezifische Informationen als Schwerpunkt Topographische Karten: Relief, Gewässernetz, grob klassifizierte Landnutzung, Verkehrswege Thematische Karten: z.B. Geologische Karten, Vegetationskarten, Bevölkerungsdichte-Karten

Probleme der Kartographie Projektion der 3D-Oberfläche der Erde auf zweidimensionale Medien

Probleme der Kartographie Auswahl der darzustellenden Geoobjekte und deren Attribute Eine geometrische und thematische Selektion dient dazu, die Lesbarkeit von Karten zu erhöhen. Beim ersten Beispiel sieht man die Ergebnisse der amerikanischen Präsidentschaftswahl im Jahr 2000 (In den roten Staaten hat George W. Bush, in den blauen Al Gore gewonnen). Die rechte Karte verdeutlicht, in welchen Staaten der USA sich niedrige bis hohe Bevölkerungsdichten befinden.

Probleme der Kartographie Generalisierung geometrischer und thematischer Eigenschaften Die Eigenschaften müssen in Abhängigkeit vom gewählten Maßstab der Karte vereinfacht, zusammengefaßt oder weggelassen werden.

Probleme der Kartographie Betonung und Verdrängung von Geoobjekten Die für die Informationsermittlung wichtigen Eigenschaften müssen betont, andere dafür verdrängt werden.

Software für Client/Server-Modelle Aufgabe Anbieten und Präsentieren von digitalen Geodaten über das Internet Vorteile Einfacher Zugriff auf Karten und Funktionen Verteiltes Arbeiten auf Client- und Serverseite

Software zur 3D-Visualisierung Aufgaben Perspektivische Darstellung der Vektordaten Rasterdaten Attribute von Geoobjekten

Software zur photorealistischen Visualisierung Vorteile hoher Realitätsgrad geeignet für die Präsentation von geplanten Maßnahmen und Zielen Nachteil zeitaufwendige Erstellung der Ansichten

Fragen Welche graphische Elemente haben quantitative, ordnende, verbindende und selektive Funktionen? Die Größenunterschiede bei den Geldtürmen vermitteln die unterschiedlichen Quantitäten. Die unterschiedlichen Helligkeiten der einzelnen Bundesländer wirken sehr ordnend (Übergang von dunkel- nach hellgrün). Die unterschiedlichen Farben der Geldtürme haben einen verbindende und zugleich selektive Funktion (die beiden Varianten heben sich gut voneinander ab)

Fragen Welche Anwendungsgebiete für die Visualisierung von Geodaten könnte es noch geben?