Land­schafts­flug als dy­namis­che Präsent­a­tion mehrdi­men­sionaler Geod­aten

Diplomarbeit von Matthias König

Aufgabenstellung

Zum besseren Verständnis der Entstehung von nächtlichen Hang- und Talwinden hat das Institut für GeoInformatik in Münster das Simulationsmodell S_KIMO 3 enwickelt. Dabei werden 12 verschiedene Datentypen zu verschiedenen Zeitpunkten simuliert. Diese Informationen sind als Rasterdaten verhanden und präsentieren 17 Schichten über dem Gelände. Aufgabe dieser Diplomarbeit ist es, diese Daten in einem dreidimensionalen Raum zu visualisieren, durch den eine frei zu definierende Flugbahn gewählt werden kann; auch DOI-Kriterien werden mit einbezogen. Die Implementation des Visualisierungstools erfolgt in C++ mit Hilfe von Open Inventor.

Darstellung der Datentypen

Höhen-, Landnutzungs- und Gebäudedaten stellen das Gerüst für eine Darstellung des Talzugs in einer dreidimensionalen Welt. Aus den Höhendaten generiert man das Tal, aus den Gebäudedaten werden blockartige Elemente, welche maßstabsgetreu gegebenenfalls die Bebauung anzeigen. Landnutzungsparameter erkennt man an den Texturen auf dem Gelände. Die Bodentemperatur (wahlweise die Höhe) erkennt man an der Farbe des betrachteten Talelements.
S_KIMO-Ergebnisdateien sind Simulationswerte von Windstärken in den drei Raumdimensionen, absolute und potentielle Temperaturen, spezifische und relative Feuchtedaten, Luftdruck, vertikale bzw. horizontale Diffusionskoeffizienten für Bewegung und Wärme. Um diese verschiedenen und vielen Daten und die Beziehung dieser dem Menschen schnell zu vermitteln, wird versucht viele Datentypen auf einmal darzustellen, allerdings ist es nicht möglich, alle Datentypen darzustellen, somit muß man eine Selektion der gewünschten Daten vornehmen.
Die Verwendung von dreidimensionalen Glyphen ist ein Ansatz, einige Datentypen auf einmal darzustellen. Die hier verwendeten Glyphen kann man als dreidimensionale Pfeilspitzen ansehen, die Daten des Raumquaders präsentieren, in dem sie erscheinen. Die Richtung, in die sie zeigen, ist die resultierende Windrichtung. Nun kann man wählen, welchen Datensatz die Ausdehnung dieses Glyphen in der jeweiligen Raumdimension hat.
Eine alternative Darstellung ist die Verwendung von Oberflächen, hier kann man den Datensatz für die Höhe der Oberflächen wählen.
Für die Farbe und Transparenz kann man in beiden Darstellungsarten einen Datentyp frei wählen, somit kann ein Glyph insgesamt 5 (+ resultierende Windrichtung) Datentypen und eine Oberfläche 3 Datentypen anzeigen.
Die Zeitdynamik wird dadurch erreicht, daß sich die Daten sich dem jeweiligen Zeitraum anpassen, also durch eine Animation über die Zeit.

Auswahl der Daten

Eine Auswahl von nur einer Menge der Daten ist notwendig, da zu viele Daten den Menschen überfluten können.
Deshalb hat man die Möglichkeit sich nur bestimmte Daten anzusehen. Dabei bietet die Transparenz schon die erste automatische Selektion aus den Daten, es können nicht interessierende Daten so ausgeblendet werden, indem man eine Schwelle für die Unsichtbarkeit aus den jeweiligen Datentyp wählt.
Eine Beschränkung auf bestimmte Daten in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Position im Raum ist auch möglich. Bei Darstellung der Glyphen kann man nur bestimmte Schichten aus den 17 vorhandenen, ein Volumen im Raum wählen, oder mit sogenannten Slicer in den drei Raumdimensionen sich die wichtigen Daten auswählen.
Bei der Oberflächendarstellung kann man bestimmte Schichten auswählen.

Flug durch die Datenwelt

Der Flug der Kamera durch die, die Daten visualisierende, Welt, soll helfen, den Datenraum bzw. die Daten zu erkunden, um diese besser zu verstehen. Der Landschaftsflug kann frei von dem Benutzer gewählt, aufgenommen und abgespielt werden, auch während der sich zeitlich veränderenden Darstellung. So kann man leicht bestimmte Daten im Detail betrachten und ungewöhnliche Veränderungen feststellen.
Um möglichen Problemen, einer Verwirrung der Benutzers durch zu viele Glyphen, vorzubeugen, kann man bei dieser Darstellung, Daten in Abhängigkeit von der Entfernung der Kamera ausschalten. Hier ist es möglich, diesen Abstand in den Raumdimensionen zu wählen, so daß z.B. ein Kegelblick einstellbar ist.

Realisierung

Zur Realisierung dieses Visualisierungstools wurde C++ und Open Inventor benutzt. Die Software läuft unter Irix 6.2 und 6.3. Die Benutzungsschnittstelle wurde mit Hilfe von Rapidapp entworfen, benutzt also das SGI Viewkit und Motif.
Es wurde darauf Wert gelegt, daß der Benutzer jede wichtige Auswahl interaktiv vornehmen kann, außerdem bekommt er durch Klicken mit der Maus in die Welt, Informationen über die Daten in diesem Bereich.

Fazit

Mit Hilfe dieser Visualisierung erkennt man schnell Zusammenhänge zwischen den einzelnen Datentypen, auch fallen extreme Datenwerte auf. Bei der Zeitanimation versteht man schnell die Dynamik der Daten, der Flug durch die Landschaft hilft beim Betrachten von Details. Das Programm muß noch in der Anwendung evaluiert werden.
Mögliche Weiterentwicklungen sind ein anderer Glyph, verstärkter Einsatz von Detail und Kontext sowie eine echte Datenminimierung, um die Performance der Darstellung zu verbessern.

Bilder

Alle Bilder visualisieren zusätzlich zu den Landnutzungs-, Gebäude und Höhendaten, die absolute Temperatur (die Farbe der Glyphen bzw. Oberflächen), die gesamte resultierende Windstärke (jede der Glyphdimensionen bzw. die Höhe der Oberfläche) und die relative Feuchte (Transparenz).

Für weitere Informationen bitte E-Mail an mking@uni-paderborn.de.