kommunikationswerkzeug globuskarte
TRANSCRIPT
Universität Potsdam Institut für Geographie
Mastermodul GiVi230 GIS-Programmierung und Integration
Kommunikationswerkzeug Globuskarte:Globusbrowser und Rendering
Peter Löwe
Zentrum für GeoInformationsTechnologie (CEGIT)Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Wieso Globen ?● Visuelle Kommunikation von Inhalten mit räumlicher
Komponente● Erdkugeldarstellung als bekanntes Referenzsystem /
Maßstab● Beibehaltung von Flächen-, Längen- und Winkeltreue● Echter Globus: Leichte Handhabung, interaktiver
Benutzung.
Rocky Horror Picture Show http://rhps.teamone.de/part13.htm
Prozessierungswege
Globus-BrowserDarstellungsqualität für interaktive Nutzung in Realzeit optimiert. Intuitiv bedienbar
Geodaten
GeoInformationsSystem(GIS)
Wissenschafliche Daten
Rendering WerkzeugeFokus auf maximierter Qualität der Darstellung, sehr rechenintensiv,Expertenwissen nötig
Motivation● Globusbrowser als etabliertes Ausdrucks- und
Kommunikationsmittel für:
● Retrospektive Analysen● „Nowcasting“● Planung / Diskussionsprozesse
„Nowcasting“: Online-Integration von MessdatenRealzeit-Verfolgung des Honshu 2011 Tsunami
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11 März 2011 11:17 Uhr
NOAA Tsunami-Boye.Quelle: NOAA
Partizipative PlanungBeispiel:SendemastenStandort-Auswahl für digitalen Behörden-funk (TETRA) durch den NABU.
http://www.katzenpfad.de/wp-content/uploads/2010/05/kurzfassung-studie-pdf.pdf
Globus-Browser Referenz: Google-Earth
● Die Anwendungen Google Maps und Google Earth (GE) haben web-gestützte Kartographie zu einem Massengut gemacht.
● Bsp: GE-Animationen in den Abendnachrichten
Wir sind hier
Haus 10
Übersicht GIS / Globen /Globusbrowser
GeoInformationsSystem(GIS)
GIS-gestützteGloben
Webbrowser-PluginGloben
(„Globusbrowser“)
Integrierte Geodaten-
haltung
IntegrierteGeodaten-
haltung
Lokale Daten
OnlineDaten
Standalone-Globen
Lokale Daten
OnlineDaten
Lokale Daten
OnlineDaten
Lokale Daten
OnlineDaten
Marktführer Google Earth● 2001: Gründung Keyhole Inc.
● Entwicklung „Keyhole“, inkl.● Keyhole Markup Language (KML):
– Eine Auszeichnungssprache für die Visualisierung von Rauminformationen. – Analogie: „HTML“, nicht „XML“
● 2004 ● Google Inc. übernimmt Keyhole,● Software wird in „GoogleEarth“ umbenannt● Freie private Nutzung vs. kommerzielle Nutzung
● 2008● KML (V2.2) wird ein Open Geospatial Consortium (OGC) Standard
● 2010 ● Google Earth JavaScript Plugin (für MS Windows)
Funktionsprinzip GoogleEarth Globus-Browser
Datenanfragen
ZeitkritischerVisualisierungs- Datenstrom
$$$
KMLKML
Datei
Externe Datenprovider
Kommerzielle Server-Infrastruktur
Kommerzieller Globus-Browser
Massive Geodatenhaltung
Externe (wissenschaftliche) Datenquellen
Keyhole Markup Language (KML)
● Auszeichnungssprache („eher HTML statt XML“)
● Geometrie + Visualisierungsfunktion● OGC Standard seit 2008
● Erzeugung von KML leicht mit ogr/gdal möglich (aus ESRI Shape, etc.) → Raster-Pyramidisierung
● (zip-)Komprimiertes KML: KMZ
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?><kml xmlns="http://www.opengis.net/kml/2.2"><Document> <Placemark> <name>Zürich</name> <description>Zürich</description> <Point> <coordinates> 8.55,47.3666667,0 </coordinates> </Point> </Placemark></Document></kml>
KML: Weitere Fakten● Referenzierung externer (online-) Datensätze/-haltungen. ● Timestamps für Zeitreihendarstellungen● Automatischer Refresh von Informationen
● Satellitenpositionen● Tsunamibojen
Der GoogleEarth Challenge● Abschätzung Datenvolumen:
● Erdumfang: Ca. 40 000km● 1 Pixel pro Quadratkilometer -> 40.000 x 20.000 Pixel weltweit.● → Ca. 800 Megapixel / 2.4Gb Daten
● Hardware Requirements im Jahr 2000:● 200 MHz CPU● 32 Mb● ISDN
● Wie auf 0.5m Auflösung gehen ???
MIP-Maps / Bildpyramiden
MIP = multum in parvo („viel auf kleinem Platz“). Eine MIP-Map (auch Bildpyramide) ist eine Folge von Rasterbildern desselben Motivs, jedoch mit abnehmender Auflösung. Die Kantenlänge halbiert sich pro Ebene (Level of Detail (LOD).● Mip-Map der ganzen Erde in 1m Auflösung:
● 66 Millionen Pixel Bildbreite, ● MIP-Bildpyramide mit 26 Stufen
Quelle: Wikipediahttp://de.wikipedia.org/wiki/Mip_Mapping
Lösungsansatz GoogleEarthUniversal Texture: ● MIP-Map + software-emulierter Clipstack:
Simulation einer MIP-Map mit sehr vielen Ebenen.● Abschätzung:
– Stackgöße: 512x512 Pixel – 9 MIP-Map Ebenen– 20 zusätzliche Clip Levels: – Abdeckung Erdglobus braucht ca. 17Mb.– Erfüllt die Hardware Requirements.
●
Grafiken: http://www.realityprime.com/articles/how-google-earth-really-works
MIP MIP
Clip
Hintergrundinformation zu ClipmapsDetaillierte Beschreibung des ClipMap-Ansatzes in: ● Tanner, Migdal, Jones (SGI): The
Clipmap: A virtual Mipmap
Grafiken aus Tanner,Migdal, Jones: The Clipmap: A virtual Mipmaphttp://www.cs.virginia.edu/~gfx/Courses/2002/BigData/papers/Texturing/Clipmap.pdf
GoogleEarth setzt „Standards“● Standardisierung:
● Möglichst vollständige Unterstützung der aktuellen KML-Implementierung ist der Gold-Standard für alle Globus-Browser.
● Datenqualität:● Keine Aussagen über die Aktualisierung/Qualität der
Hintergrund-Daten● Geländemodell kann nicht manipuliert werden
● Nutzungsrechte:● Lizenzen der Hintergrundbilder i.d.R. nicht frei.
Kommunikation geowissenschaftlicher Themen mittels „Mash Ups“
● „MashUp“: Anreicherung der Standarddarstellung mit zusätzlicher thematischer Information.
● Beispiel: MashUp der Wellenausbreitung des Honshu 2011 Tsunami
Http://tsunami.igude.com
Eingebundene externe Datenquellen (KML): DLR, NOAA, IOC
GoogleEarth ist nicht alles● Hochgenaue photogrammetrische Registrierung von
Raumdatenquellen ?● Unabhängigkeit von GE-Basisdatensätzen aus Qualitäts- oder
Lizenzgründen ?● Darstellungs-Export in hoher Auflösungen als Druckvorstufe ?● „Künstlerische Freiheiten“ bei der Szenengestaltung
(Lichtbrechung in der Atmosphäre, Oberflächeneigenschaften, etc)
● Es werden beispielhaft drei alternative Softwarelösungen vorgestellt.
Beispiel 1: Globus-Viewer ArcGlobe● Teil der ESRI ArcGIS Software ● Leichter Import von Geodaten● Geoid frei manipulierbar● Erzeugung von Stand-Alone Animationsfilmen.
Visualisierung: CEGIT (M. Schroeder) 2011
Beispiel 2: OSG Earth● Open Source Globe-Browser● Geländemodell / Kartenbasis frei
wählbar● Anaglyphendarstellung● In der Entwicklung:
● Integration in Quantum GIS● „Open Source ArcGlobe
Äquivalent“● Möglicher Ausgangspunkt zur
Koppelung mit Rendering-Werkzeugen
Quantum GIS Entwicklerversion
mit OSG Earth
Beispiel Anaglyphendarstellung
Beispiel 3: OSSIM Planet● Globusbrowser basierend auf
Bildverarbeitungssoftware OSSIM, OpenSceneGraph and QT
● Globuskarten als Produkt einer photogrammetrischen Prozesskette.
● Nutzerkreis in Wissenschaft, Industrie und US-Regierungsstellen
● Client/Server Struktur zur kollaborativen Auswertung großer Datenmengen
● Kommende Anwendung: Gulf of Mexico Oilspill 2010 – Datenportal am CSTARS Institut, U of Miami.
●http://www.ossim.org/OSSIM/ossimPlanet.html
Übersicht über weitere Globus-Browser
● „Comparison of Virtual Globes“: FOSS4G2010, P. Kalberer, M. Walker
● Technologie-Überblick und Vergleich von 8 Globus-Browsern (closed source/open source)
● http://www.sourcepole.ch/assets/2010/9/10/foss4g2010_virtual_globes.pdf
Quelle: Comparison of Virtual Globes, FOSS4G 2010
Duale Strategie der Globusvisualisierung
Option A: Globusbrowser● Schnelle dynamische Darstellung, ● Manipulation: Intuitiv & interaktiv.● Kaum Hintergrundwissen notwendig
● Option B: Rendering ● Statische Darstellung (Berechnungszeit abhängig vom
Datenvolumen: Minuten – Tage)
● Manipulation: Editierung Steuerskripte.● Fachübergreifendes Hintergrundwissen erforderlich
(Kartographie, GeoInformatik u. Rendering Engine)
Rendering-Analogie
Analogie: Künstlerische Schwarzweiß-Fotografien von Ansel Adams (1902 - 1984):Bildkomposition wird durch Nachbearbeitung der analogen Aufnahme betont:
„hochqualitative Kunstfotografie statt Webcam“
http://fansiter.com/2009/08/anseladamsprint.jpg
Rendering-Werkzeuge für hochauflösende Darstellungen
Mount Everest:
Darstellung gerendert basierend auf RapidEye-L3A-Daten und SRTM-DGM. Synthetische Wolken hinzugefügt. Prozessierung mit GRASS GIS und POV-Ray.
Wie funktioniert Rendering ?● Berechnung einer Ansicht einer definierten virtuellen
Szenerie.● Basiert auf der Verfolgung einzelner Lichtstrahlen
(„Raytracing“) durch die virtuelle Szenerie.● Für jeden zu erzeugenden Bildpunkt wird
ein„Sehstrahl“ in das virtuelle Szenenmodell geschickt.● Fokus liegt einer möglichst realistischen Darstellung.● Rechen- und Speicherintensiv● Szenengestaltung, Kamera- und Lichtquellen werden
durch Steuerskripte definiert.
●
● http://hof.povray.org/images/bigthumb/TopMod_StarBall.jpg
POV-Ray Demo-Szene
Wikipedia: POV-Ray
Persistance of Vision (POV)-Ray
● Ein quelloffenes Rendering-Werkzeug mit großer Nutzerbasis● C-Code● Freeware● Plattformunabhängig● GUIs:
● Eclipse: POVClipse plugin, ● POV-Ray für Windows / Mac(?)
●
POV-Ray: Zugang für GIS-User● Rendering erfordert (derzeit) mehr Domänenwissen als die
Nutzung von Globus-Browsern.● Eingeschränkte Anbindungen zur GIS-Domäne bestehen:
● Quantum GIS / GRASS GIS: – v.out.pov (Vektorexport) – r.out.pov (Rasterexport)– Szenenexport (GRASSWiki)
● Minimalanforderung: – Export von Oberflächenkarte und– Geländemodell
GIS
Rendering ToolKartographie
Vorstufe: RaycastingRaycasting ist eine einfache Vorstufe des Raytracings:
● Eine dreidimensionale Szene wird nach festgelegten Vorgaben (Betrachterstandpunkt / Perspektive) abgetastet, sodass eine zweidimensionale Abbildung eines Ausschnitts entsteht.
● Das Abtasten eines Strahls ist mit dem Aufeinandertreffen von Strahl und (erstem) Objekt beendet, es findet also lediglich eine Verdeckungsberechnung statt. Die an diesem Schnittpunkt festgestellte Farbe bildet den Bildpunktfarbwert.
● Spiegelungen, Brechungen und Transmissionen des Objekts werden nicht beachtet.
[http://de.wikipedia.org/wiki/Raycasting]
Raytracing● Raytracing (dt. Strahlverfolgung) ist ein auf der Aussendung von
Strahlen basierender Algorithmus zur Verdeckungsberechnung, also zur Ermittlung der Sichtbarkeit von dreidimensionalen Objekten von einem bestimmten Punkt im Raum aus. Ebenfalls mit Raytracing bezeichnet man mehrere Erweiterungen dieses grundlegenden Verfahrens, die den weiteren Weg von Strahlen nach dem Auftreffen auf Oberflächen berechnen [Wikipedia].
● Dabei wird für jedes Pixel des zu generierenden Bildes ein „Sehstrahl berechnet“: Die Rechenzeit skaliert mit Bildgröße.
●
Wikipedia: Raytracing: A. Dürer (1525)
Weiterführende Links I
● Globus-Rendering ist (noch) ein Nischenthema.
● Aktuelle Informationen in WIKIs (GRASSWIKI) und Mailinglisten (POV-Ray).
Weiterführende Links II
Webseite mit POV-Ray-Tutorien und Beispielen:
● http://www.f-lohmueller.de
Planeten-Rendering / Landschaften
● http://www.imagico.de
Literatur zum Thema
„Kaffeetischbuch“ mit Beispielen für photorealistisches Rendering von Fernerkundungsdaten:
● Dech, Messner: Mountains from Space, 2005
Praxis: Landschaftsdarstellung
● 2004: Erste Demonstration der Nutzung von Geodaten aus GRASS GIS für POV-Ray.
● GIS-Skripte erzeugen Default-Steuerdateien für POV-Ray: Teilweise Kapselung der Rendering-Expertise
● Zeitaufwand für erste Beispiele:● Selbststudium (bei installierter
Software): ca. 1 Stunde.● Tutorium: < 5 Minuten
● Vorstufe zur Visualisierung von Globen
Spearfish, South Dakota
Mount St. Helens
Trentino (M. Neteler 2004)
Globusbrowser / Rendering: Unterschiedliche Ansätze
● Globusbrowser basieren auf defininierten Annahmen über den Globus die nur bedingt manipuliert werden können.
● Rendering-Werkzeuge erfordern Overhead, da die „Globus-Szenerie“ komplett definiert werden muss. Dadurch ergeben sich Freiräume in der Darstellungsform.
Zitat: :“This is a sparring program, similar to the program reality of the Matrix. It has the same basic rules like gravity. What you must learn is that these rules are no different than rules of a computer system. Some of them can be bent, others can be broken. Understand? ...“
„The Matrix“, 1999
Kreative Freiheiten● Die Szenengestaltung erweckt erst beim Betrachter
den Eindruck einer Globusdarstellung.● GIS-übliche Paradigma der „realitätsnahen
Darstellung“ wird optional.
Pseudo-realistische Darstellung
thematischerInformation
Irreale Darstellungen
Pseudo-realistische Darstellung
thematischerInformation
Praxis: Globendarstellung● Geodaten (Geländemodell,
Rasterkarte[n]) werden auf eine Kugel projeziert.
● Ein Steuerskript definiert Kameraposition, Blickrichtung, Beleuchtung und weitere Effekte
● Der Fokus der Arbeiten am CEGIT liegt auf der Entwicklung einer leicht nutzbaren GIS/Renderer-Schnittstelle.
„CEGITStandardglobus“
Standardglobus überlagert mit TRIDEC Tsunamisimulation
Bearbeitungsfehler bei manueller Bearbeitung
Beispielanwendung Abdeckung der japanischen Ostküste 24 Stunden nach dem Honshu Tsunami mit RapidEye- Satellitendaten (ca. 45000km^2)
Anwendung: Öffentlichkeitsarbeit
Erzeugung großformatiger hochauflösender Grafiken (A0) für die Postererstellung.
Atmosphäreneffekte
Ausgangsdaten
Zusätzlicherblauer Schleier
Atmosphärenschicht
blauer Schleier,Atmosphärenschicht
Beispiel: Alternative Geländemodelle
● Rendering des Datensatzes "EIGEN-6C" (Potsdamer Schwerekartoffel) die GFZ-Öffentlichkeitsarbeit.
● Rendering: POV-Ray● Datenverarbeitung: IDL/Perl
WHODINI ?
Globus-Browser vs. RenderingDarstellung des Datensatzes "EIGEN-6C" (Potsdamer Schwerekartoffel)
Ausführung in ArcGlobe GFZ-CEGIT(M.Schroeder), 2011
Ausführung in POV-Ray GFZ Sektion 2.3 (M. Rother), 2011
Rendering auf Compute-Clustern● Compute-Clatser stehen an Universitäten und
Forschungszentren zur Verfügung.● Eine große Anzahl von Rechnerknoten wird über ein
zentrales Portal mit Jobs bestückt.● Jeder Knoten verfügt über eigene Kerne und Speicher● Das Rendering mehrerer Einzelbilder (→ Animationen)
kann parallel erfolgen.● Das Rendering einzelner Teilsegmente eines sehr
großen Einzelbildes kann auf mehrere Knoten/Jobs aufgespalten werden.
Rendering-Wissensspeicher am GeoForschungsZentrum Potsdam
● Die FOSSLAB-Plattform des Zentrums für Geoinformation am GFZ wird als Kompetenzspeicher („Community and Documentation“) dienen:
http://fosslab.gfz-potsdam.de
Fazit und Ausblick ● Sowohl Globus-Browser wie Rendering sind geeignete
Visualisierungswerkzeuge für geowissenschaftliche Informationen.
● Das Werkzeug sollte entsprechend der Aufgabe gewählt werden:
● „WebCam“● „Kunstfotografie“
Danke für die Aufmerksamkeit !
Peter Löwe
Zentrum für GeoInformationsTechnologie (CEGIT)
Deutsches GeoForschungsZentrum