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Prozessierungswege                                                   Wissenschafliche                     Geodaten        ...
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Retrospektives Satellitenbild Daten-           Management                           Quicklooks: RapidEye AG
„Nowcasting“: Online-Integration von Messdaten  Realzeit-Verfolgung des Honshu 2011 Tsunami                        11 März...
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Keyhole Markup Language (KML)●   Auszeichnungssprache („eher    HTML statt XML“)               <?xml version="1.0" encodin...
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Der GoogleEarth Challenge●   Abschätzung Datenvolumen:    ●   Erdumfang: Ca. 40 000km    ●   1 Pixel pro Quadratkilometer ...
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GoogleEarth setzt „Standards“●   Standardisierung:    ●   Möglichst vollständige Unterstützung der aktuellen        KML-Im...
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GoogleEarth ist nicht alles●   Hochgenaue photogrammetrische Registrierung von    Raumdatenquellen ?●   Unabhängigkeit von...
Beispiel 1: Globus-Viewer ArcGlobe●   Teil der ESRI ArcGIS Software●   Leichter Import von Geodaten●   Geoid frei manipuli...
Beispiel 2: OSG Earth●   Open Source Globe-Browser●   Geländemodell / Kartenbasis frei    wählbar                         ...
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Übersicht über weitere Globus-                Browser●   „Comparison of Virtual Globes“: FOSS4G2010, P. Kalberer,    M. Wa...
Duale Strategie der                 Globusvisualisierung    Option A: Globusbrowser    ●   Schnelle dynamische Darstellung...
Rendering-AnalogieAnalogie: KünstlerischeSchwarzweiß-Fotografien von AnselAdams (1902 - 1984):Bildkomposition wird durchNa...
Rendering-Werkzeuge für   hochauflösende DarstellungenMount Everest:Darstellung gerendert basierend auf RapidEye-L3A-Daten...
Wie funktioniert Rendering ?●   Berechnung einer Ansicht einer definierten    virtuellen Szenerie.●   Basiert auf der Verf...
Persistance of Vision (POV)-Ray●   Ein quelloffenes Rendering-Werkzeug mit großer Nutzerbasis●   C-Code●   Freeware●   Pla...
POV-Ray: Zugang für GIS-User●   Rendering erfordert (derzeit) mehr Domänenwissen als die    Nutzung von Globus-Browsern.● ...
Vorstufe: RaycastingRaycasting ist eine einfache Vorstufe des Raytracings:●    Eine dreidimensionale Szene wird nach festg...
Raytracing●   Raytracing (dt. Strahlverfolgung) ist ein auf der Aussendung von    Strahlen basierender Algorithmus zur Ver...
Prinzip-Darstellung RaytracingAlbrecht Dürer (1525)                                  Bildquellen Wikipedia: Raytracing
Weiterführende Links I●   Globus-Rendering ist    (noch) ein Nischenthema.●   Aktuelle Informationen in    WIKIs (GRASSWIK...
Weiterführende Links IIWebseite mit POV-Ray-Tutorien undBeispielen:●   http://www.f-lohmueller.dePlaneten-Rendering / Land...
Literatur zum Thema„Kaffeetischbuch“ mitBeispielen fürphotorealistischesRendering vonFernerkundungsdaten:●   Dech, Messner...
Praxis: Landschaftsdarstellung●   2004: Erste Demonstration der    Nutzung von Geodaten aus    GRASS GIS für POV-Ray.●   G...
Globusbrowser / Rendering:          Unterschiedliche Ansätze●   Globusbrowser basieren auf defininierten Annahmen über den...
Kreative Freiheiten ●   Die Szenengestaltung erweckt erst beim Betrachter     den Eindruck einer Globusdarstellung. ●   GI...
Praxis: Globendarstellung                                    „CEGIT●    Geodaten (Geländemodell,       Standardglobus“    ...
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Anwendung: Öffentlichkeitsarbeit                Erzeugung großformatiger                hochauflösender Grafiken          ...
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Beispiel: Alternative                Geländemodelle●   Rendering des Datensatzes    "EIGEN-6C" (Potsdamer    Schwerekartof...
Beispiel: „Eierschale“
Globus-Browser vs. RenderingDarstellung des Datensatzes "EIGEN-6C" (Potsdamer Schwerekartoffel)Ausführung in ArcGlobe GFZ-...
Rendering auf Compute-Clustern●   Compute-Clatser stehen an Universitäten und    Forschungszentren zur Verfügung.●   Eine ...
Rendering-Wissensspeicher am    GeoForschungsZentrum Potsdam●   Die FOSSLAB-Plattform des Zentrums für Geoinformation am  ...
Fazit und Ausblick●   Sowohl Globus-Browser wie Rendering sind geeignete    Visualisierungswerkzeuge für geowissenschaftli...
Danke für die Aufmerksamkeit !                    Peter Löwe   Zentrum für GeoInformationsTechnologie (CEGIT)         Deut...
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  1. 1. Universität Potsdam Institut für GeographieMastermodul GiVi230 GIS-Programmierung und Integration Kommunikationswerkzeug Globuskarte: Globusbrowser und Rendering Peter Löwe Zentrum für GeoInformationsTechnologie (CEGIT) Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
  2. 2. 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
  3. 3. Prozessierungswege Wissenschafliche Geodaten Daten GeoInformationsSystem (GIS)Globus-Browser Rendering WerkzeugeDarstellungsqualität für interaktive Fokus auf maximierter Qualität derNutzung in Realzeit optimiert. Darstellung, sehr rechenintensiv,Intuitiv bedienbar Expertenwissen nötig
  4. 4. Motivation● Globusbrowser als etabliertes Ausdrucks- und Kommunikationsmittel für: ● Retrospektive Analysen ● „Nowcasting“ ● Planung / Diskussionsprozesse
  5. 5. Retrospektive BetrachtungMount Whitney,Kalifornien (2009-2011)Quicklooks: RapidEye AG
  6. 6. Retrospektives Satellitenbild Daten- Management Quicklooks: RapidEye AG
  7. 7. „Nowcasting“: Online-Integration von Messdaten Realzeit-Verfolgung des Honshu 2011 Tsunami 11 März 2011 11:17 Uhr NOAA Tsunami-Boye. Quelle: NOAA 7
  8. 8. Partizipative Planung Beispiel: Sendemasten Standort-Auswahl für digitalen Behörden- funk (TETRA) durch den NABU.http://www.katzenpfad.de/wp-content/uploads/2010/05/kurzfassung-studie-pdf.pdf
  9. 9. 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
  10. 10. ÜbersichtGIS / Globen /Globusbrowser GeoInformationsSystem Integrierte Online Lokale (GIS) Geodaten- Daten Daten haltung GIS-gestützte Integrierte Lokale Online Globen Geodaten- Daten Daten haltung Standalone-Globen Lokale Online Daten Daten Webbrowser-Plugin Globen Lokale Online („Globusbrowser“) Daten Daten
  11. 11. 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)
  12. 12. Funktionsprinzip GoogleEarth Globus-Browser Kommerzielle Kommerzieller Server- Globus- Infrastruktur Browser Datenanfragen $$$ Zeitkritischer Visualisierungs- Datenstrom Externe KML Massive Datenprovider KML GeodatenhaltungDatei Externe (wissenschaftliche) Datenquellen
  13. 13. Keyhole Markup Language (KML)● Auszeichnungssprache („eher HTML statt XML“) <?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?> <kml xmlns="http://www.opengis.net/kml/2.2">● Geometrie + <Document> <Placemark> Visualisierungsfunktion <name>Zürich</name> <description>Zürich</description> <Point>● OGC Standard seit 2008 <coordinates> 8.55,47.3666667,0 </coordinates> </Point> </Placemark>● Erzeugung von KML leicht mit </Document> </kml> ogr/gdal möglich (aus ESRI Shape, etc.) → Raster- Pyramidisierung● (zip-)Komprimiertes KML: KMZ
  14. 14. KML: Weitere Fakten● Referenzierung externer (online-) Datensätze/-haltungen.● Timestamps für Zeitreihendarstellungen● Automatischer Refresh von Informationen ● Satellitenpositionen ● Tsunamibojen
  15. 15. 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 ???
  16. 16. MIP-Maps / BildpyramidenMIP = multum in parvo („viel auf kleinem Platz“).Eine MIP-Map (auch Bildpyramide) ist eine Folge vonRasterbildern desselben Motivs, jedoch mit abnehmenderAuflösung. Die Kantenlänge halbiert sich pro Ebene (Level ofDetail (LOD).● Mip-Map der ganzen Erde in 1m Auflösung: ● 66 Millionen Pixel Bildbreite, ● MIP-Bildpyramide mit 26 Stufen Quelle: Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/Mip_Mapping
  17. 17. Lösungsansatz GoogleEarth Universal 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.● ClipMIP MIP Grafiken: http://www.realityprime.com/articles/how-google-earth-really-works
  18. 18. Hintergrundinformation zu Clipmaps Detaillierte Beschreibung des ClipMap- Ansatzes in: ● Tanner, Migdal, Jones (SGI): The Clipmap: A virtual Mipmap Grafiken aus Tanner,Migdal, Jones: The Clipmap: A virtual Mipmap http://www.cs.virginia.edu/~gfx/Courses/2002/BigData/papers/Texturing/Clipmap.pdf
  19. 19. 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.
  20. 20. 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.comEingebundene externe Datenquellen (KML):DLR, NOAA, IOC
  21. 21. 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.
  22. 22. 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
  23. 23. Beispiel 2: OSG Earth● Open Source Globe-Browser● Geländemodell / Kartenbasis frei wählbar Beispiel● Anaglyphendarstellung Anaglyphendarstellung● In der Entwicklung: ● Integration in Quantum GIS ● „Open Source ArcGlobe Äquivalent“ ● Möglicher Ausgangspunkt zur Koppelung mit Rendering- Quantum GIS Entwicklerversion Werkzeugen mit OSG Earth
  24. 24. 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
  25. 25. 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
  26. 26. 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)
  27. 27. Rendering-AnalogieAnalogie: KünstlerischeSchwarzweiß-Fotografien von AnselAdams (1902 - 1984):Bildkomposition wird durchNachbearbeitung der analogenAufnahme betont:„hochqualitative Kunstfotografie stattWebcam“ http://fansiter.com/2009/08/anseladamsprint.jpg
  28. 28. Rendering-Werkzeuge für hochauflösende DarstellungenMount Everest:Darstellung gerendert basierend auf RapidEye-L3A-Daten und SRTM-DGM. Synthetische Wolken hinzugefügt. Prozessierung mit GRASSGIS und POV-Ray.
  29. 29. 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 POV-Ray Demo-Szene ein„Sehstrahl“ in das virtuelle Szenenmodell geschickt.● Fokus liegt einer möglichst realistischen Darstellung.● Rechen- und Speicherintensiv● Szenengestaltung, Kamera- und Lichtquellen Wikipedia: POV-Ray werden durch Steuerskripte definiert. http://hof.povray.org/images/bigthumb/TopMod_StarBall.jpg
  30. 30. 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(?)●
  31. 31. 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: GIS – Export von Oberflächenkarte und – Geländemodell Kartographie Rendering Tool
  32. 32. 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]
  33. 33. 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)
  34. 34. Prinzip-Darstellung RaytracingAlbrecht Dürer (1525) Bildquellen Wikipedia: Raytracing
  35. 35. Weiterführende Links I● Globus-Rendering ist (noch) ein Nischenthema.● Aktuelle Informationen in WIKIs (GRASSWIKI) und Mailinglisten (POV-Ray).
  36. 36. Weiterführende Links IIWebseite mit POV-Ray-Tutorien undBeispielen:● http://www.f-lohmueller.dePlaneten-Rendering / Landschaften● http://www.imagico.de
  37. 37. Literatur zum Thema„Kaffeetischbuch“ mitBeispielen fürphotorealistischesRendering vonFernerkundungsdaten:● Dech, Messner: Mountains from Space, 2005
  38. 38. Praxis: Landschaftsdarstellung● 2004: Erste Demonstration der Nutzung von Geodaten aus GRASS GIS für POV-Ray.● GIS-Skripte erzeugen Default- Trentino (M. Neteler 2004) Steuerdateien für POV-Ray: Teilweise Kapselung der Rendering-Expertise● Zeitaufwand für erste Beispiele: ● Selbststudium (bei installierter Software): ca. 1 Stunde. Spearfish, South Dakota ● Tutorium: < 5 Minuten● Vorstufe zur Visualisierung von Globen Mount St. Helens
  39. 39. 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 theMatrix. It has the same basic rules like gravity. What you must learn isthat 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
  40. 40. Kreative Freiheiten ● Die Szenengestaltung erweckt erst beim Betrachter den Eindruck einer Globusdarstellung. ● GIS-übliche Paradigma der „realitätsnahen Darstellung“ wird optional. Pseudo- Pseudo- realistische realistische Irreale Darstellung Darstellung Darstellungenthematischer thematischer Information Information
  41. 41. Praxis: Globendarstellung „CEGIT● Geodaten (Geländemodell, Standardglobus“ Rasterkarte[n]) werden auf eine Kugel projeziert.● Ein Steuerskript definiert Kameraposition, Standardglobus überlagert mit Blickrichtung, Beleuchtung TRIDEC Tsunamisimulation und weitere Effekte● Der Fokus der Arbeiten am CEGIT liegt auf der Entwicklung einer leicht nutzbaren GIS/Renderer- Schnittstelle. Bearbeitungsfehler bei manueller Bearbeitung
  42. 42. Beispielanwendung Abdeckung der japanischen Ostküste 24 Stunden nach dem Honshu Tsunami mit RapidEye- Satellitendaten (ca. 45000km^2)
  43. 43. Anwendung: Öffentlichkeitsarbeit Erzeugung großformatiger hochauflösender Grafiken (A0) für die Postererstellung.
  44. 44. AtmosphäreneffekteAusgangsdaten Atmosphärenschicht Zusätzlicher blauer Schleier,blauer Schleier Atmosphärenschicht
  45. 45. Beispiel: Alternative Geländemodelle● Rendering des Datensatzes "EIGEN-6C" (Potsdamer Schwerekartoffel) die GFZ- Öffentlichkeitsarbeit.● Rendering: POV-Ray● Datenverarbeitung: IDL/Perl WHODINI ?
  46. 46. Beispiel: „Eierschale“
  47. 47. Globus-Browser vs. RenderingDarstellung des Datensatzes "EIGEN-6C" (Potsdamer Schwerekartoffel)Ausführung in ArcGlobe GFZ- Ausführung in POV-RayCEGIT(M.Schroeder), 2011 GFZ Sektion 2.3 (M. Rother), 2011
  48. 48. 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.
  49. 49. 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
  50. 50. Fazit und Ausblick● Sowohl Globus-Browser wie Rendering sind geeignete Visualisierungswerkzeuge für geowissenschaftliche Informationen.● Das Werkzeug sollte entsprechend der Aufgabe gewählt werden: ● „WebCam“ ● „Kunstfotografie“
  51. 51. Danke für die Aufmerksamkeit ! Peter Löwe Zentrum für GeoInformationsTechnologie (CEGIT) Deutsches GeoForschungsZentrum ploewe@gfz-potsdam.de

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