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GeoInformatik-Kolloquium
                    6. Juli 2011




Kommunikationswerkzeug Globuskarte:
Einsatzbeispiele für Globusbrowser und Rendering




                     Peter Löwe

     Zentrum für GeoInformationsTechnologie (CEGIT)
           Deutsches GeoForschungsZentrum
Erzeugung von Globuskarten
                                                                Wissenschafliche
                       Geodaten
                                                                     Daten




                                  GeoInformationsSystem
                                          (GIS)
Option
  A

  Globus-Browser                                                 Rendering Werkzeuge
                                                                                                      Option
  Darstellungsqualität für interaktive                           Fokus auf maximierter Qualität der
  Nutzung in Realzeit optimiert.                                 Darstellung, sehr rechenintensiv,
                                                                                                        B
  Intuitiv bedienbar                                             Expertenwissen nötig




                                             Integration:
                                         Aktuelle Entwicklung


      Externe Geodaten
Erzeugung von Globuskarten
                                                                Wissenschafliche
                   Geodaten
                                                                     Daten




                               GeoInformationsSystem
                                       (GIS)
Option
  A

  Globus-Browser                                                 Rendering Werkzeuge                Option
  Darstellungsqualität für interaktive                           Fokus auf maximierter Qualität der   B
  Nutzung in Realzeit opitimiert.                                Darstellung, sehr rechenintensiv




                                             Integration:
                                         Aktuelle Entwicklung


      Externe Geodaten
Option
  A

         Globus-Browser ? 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
                        Wir sind hier
Funktionsprinzip Globus-Browser
                                          Kommerzielle
    Kommerzieller                         Server-
    Globus-                               Infrastruktur
    Browser

                    Datenanfragen                                    $$$


                        Zeitkritischer
                Visualisierungs- Datenstrom

                                                                            Externe
          KML                                             Massive           Datenprovider
 KML                                                      Geodatenhaltung


Datei
                    Externe
                    (wissenschaftliche)
                    Datenquellen
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)
GoogleEarth setzt „Standards“
●   Standardisierung:
    ●   Vollständige Unterstützung der aktuellen KML-
        Implementierung ist der Gold-Standard für alle
        Globus-Browser.
●   Daten/Interna:
    ●   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
●   Aufwand: << 0.5 Personentag




Eingebundene externe Datenquellen (KML):
DLR, NOAA, IOC
Beispiel zur Integration von Messdaten:
Realzeit-Verfolgung des Honshu 2011 Tsunami




                          11 März 2011
                            11:17 Uhr




                                         NOAA Tsunami-Boye.
                                         Quelle: NOAA       9
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 (am GFZ vorhanden)
●   Leichter Import von Geodaten
●   Geoid frei manipulierbar
●   Erzeugung von Stand-Alone Animationsfilmen.



                                                       Visualisierung:
                                                       CEGIT (M. Schröder) 2011
Lange Nacht der Wissenschaften 2011
„Eyecatcher“-Animation für das GEOLAB




                    Visualisierung: CEGIT (M. Schröder) 2011
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
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                      Option
                                                   A
    ●   Schnelle dynamische Darstellung,
    ●   Manipulation: Intuitiv & interaktiv.
    ●   Kaum Hintergrundwissen notwendig
                                                              Option
●   Option B: Rendering (am Beispiel POVray)                    B

    ●   Statische Darstellung (Berechnungszeit abhängig vom
        Datenvolumen: Minuten – Tage)
    ●   Manipulation: Editierung Steuerskripte.
    ●   Fachübergreifendes Hintergrundwissen erforderlich
        (Kartographie, GeoInformatik u. Rendering Engine)
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
                                                                        POVray Demo-Szene
●   Szenengestaltung, Kamera- und Lichtquellen werden durch
    Steuerskripte definiert.




●   Persistance of Vision (POVray): Ein quelloffenes mächtiges
    Rendering-Werkzeug mit großer Nutzerbasis
●   POVray ist auf dem GFZ Computation Cluster verfügbar


                                                     http://hof.povray.org/images/bigthumb/TopMod_StarBall.jpg
Literatur zum Thema

●   Globus-Rendering ist ein
    Randthema.
●   Aktuelle Informationen in
    WIKIs (GRASSWIKI) und
    Mailinglisten (POVray).
●   Beispiele für das
    photorealistisches
    Rendering von
    Fernerkundungsdaten:
     ● Dech, Messner:
       Mountains from Space,
       2005
Praxis: Landschaftsdarstellung
●   2004: Erste Demonstration der
    Nutzung von Geodaten aus GRASS
    GIS für POVray.
●   GIS-Skripte erzeugen Default-
    Steuerdateien für POVray: Teilweise    Trentino (M. Neteler 2004)
    Kapselung der Rendering-Expertise
●   Zeitaufwand für erste Beispiele:
    ●   Selbststudium (bei installierter
        Software): ca. 1 Stunde.
    ●   Tutorium: < 5 Minuten
●   Die benötigte Software ist auf dem     Spearfish, South Dakota (P. Löwe 2011)
    GFZ Computation Cluster verfügbar.




                                           Mount St. Helens (P. Löwe 2011)
Praxis: Globendarstellung
                                    „CEGIT
●    Geodaten (Geländemodell,       Standardglobus“
    Rasterkarte[n]) werden auf
    eine Kugel projeziert.
●   Ein Steuerskript definiert
    Kameraposition,                 Standardglobus
                                    überlagert mit
    Blickrichtung, Beleuchtung      TRIDEC
    und weitere Effekte             Tsunamisimulation

●   Der Fokus der Arbeiten am
    CEGIT liegt auf der
    Entwicklung einer leicht
    nutzbaren GIS/Renderer-
    Schnittstelle.
        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 für
                die Postererstellung.

                [Berechnung einer DIN A0
                Grafik: Ca. 24 Stunden]
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
                          Darstellungen
thematischer                                      thematischer
 Information                                       Information
Atmosphäreneffekte


Ausgangsdaten                          Atmosphärenschicht




 Zusätzlicher                            blauer Schleier,
blauer Schleier                        Atmosphärenschicht
Beispiel: Alternative
                Geländemodelle
●   Rendering des Datensatzes
    "EIGEN-6C" (Potsdamer
    Schwerekartoffel) die GFZ-
    Öffentlichkeitsarbeit.
●   Rendering: POVray
●   Datenverarbeitung: IDL/Perl
Globus-Browser vs. Rendering
Darstellung des Datensatzes "EIGEN-6C" (Potsdamer Schwerekartoffel)




Ausführung in ArcGlobe             Ausführung in POVray
CEGIT(M.Schröder), 2011            Sektion 2.3 (M. Rother), 2011
Fazit und Ausblick
●   Sowohl Globus-Browser wie Rendering sind geeignete
    Visualisierungswerkzeuge für geowissenschaftliche Informationen.
●   Das Werkzeug sollte entsprechend der Aufgabe gewählt werden.
●   Am GFZ besteht sowohl Kompetenz bei der Umsetzung beider Ansätze.
●   Zusätzlich zur Nutzung auf Desktoprechnern können Renderingprozesse am
    Computation Center durchgeführt werden.
●   Die GFZ-interne Vernetzung und der Erfahrungsaustausch zum Thema
    Visualisierung sollte verstärkt werden.
●   Die FOSSLAB-Plattform des CEGIT kann als Kompetenzspeicher (Community
    and Documentation) dienen.




                                               http://fosslab.gfz-potsdam.de
Danke für die Aufmerksamkeit !

                    Peter Löwe
   Zentrum für GeoInformationsTechnologie (CEGIT)
         Deutsches GeoForschungsZentrum
              ploewe@gfz-potsdam.de

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Geoinformatik-Kolloquium Juli 2011: Globusbrowser

  • 1. GeoInformatik-Kolloquium 6. Juli 2011 Kommunikationswerkzeug Globuskarte: Einsatzbeispiele für Globusbrowser und Rendering Peter Löwe Zentrum für GeoInformationsTechnologie (CEGIT) Deutsches GeoForschungsZentrum
  • 2. Erzeugung von Globuskarten Wissenschafliche Geodaten Daten GeoInformationsSystem (GIS) Option A Globus-Browser Rendering Werkzeuge Option Darstellungsqualität für interaktive Fokus auf maximierter Qualität der Nutzung in Realzeit optimiert. Darstellung, sehr rechenintensiv, B Intuitiv bedienbar Expertenwissen nötig Integration: Aktuelle Entwicklung Externe Geodaten
  • 3. Erzeugung von Globuskarten Wissenschafliche Geodaten Daten GeoInformationsSystem (GIS) Option A Globus-Browser Rendering Werkzeuge Option Darstellungsqualität für interaktive Fokus auf maximierter Qualität der B Nutzung in Realzeit opitimiert. Darstellung, sehr rechenintensiv Integration: Aktuelle Entwicklung Externe Geodaten
  • 4. Option A Globus-Browser ? 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 Wir sind hier
  • 5. Funktionsprinzip Globus-Browser Kommerzielle Kommerzieller Server- Globus- Infrastruktur Browser Datenanfragen $$$ Zeitkritischer Visualisierungs- Datenstrom Externe KML Massive Datenprovider KML Geodatenhaltung Datei Externe (wissenschaftliche) Datenquellen
  • 6. 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)
  • 7. GoogleEarth setzt „Standards“ ● Standardisierung: ● Vollständige Unterstützung der aktuellen KML- Implementierung ist der Gold-Standard für alle Globus-Browser. ● Daten/Interna: ● Keine Aussagen über die Aktualisierung/Qualität der Hintergrund-Daten ● Geländemodell kann nicht manipuliert werden ● Nutzungsrechte: ● Lizenzen der Hintergrundbilder i.d.R. nicht frei.
  • 8. 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 ● Aufwand: << 0.5 Personentag Eingebundene externe Datenquellen (KML): DLR, NOAA, IOC
  • 9. Beispiel zur Integration von Messdaten: Realzeit-Verfolgung des Honshu 2011 Tsunami 11 März 2011 11:17 Uhr NOAA Tsunami-Boye. Quelle: NOAA 9
  • 10. 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.
  • 11. Beispiel 1: Globus-Viewer ArcGlobe ● Teil der ESRI ArcGIS Software (am GFZ vorhanden) ● Leichter Import von Geodaten ● Geoid frei manipulierbar ● Erzeugung von Stand-Alone Animationsfilmen. Visualisierung: CEGIT (M. Schröder) 2011
  • 12. Lange Nacht der Wissenschaften 2011 „Eyecatcher“-Animation für das GEOLAB Visualisierung: CEGIT (M. Schröder) 2011
  • 13. 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
  • 14. 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
  • 15. 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
  • 16. Duale Strategie der Globusvisualisierung Option A: Globusbrowser Option A ● Schnelle dynamische Darstellung, ● Manipulation: Intuitiv & interaktiv. ● Kaum Hintergrundwissen notwendig Option ● Option B: Rendering (am Beispiel POVray) B ● Statische Darstellung (Berechnungszeit abhängig vom Datenvolumen: Minuten – Tage) ● Manipulation: Editierung Steuerskripte. ● Fachübergreifendes Hintergrundwissen erforderlich (Kartographie, GeoInformatik u. Rendering Engine)
  • 17. 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 POVray Demo-Szene ● Szenengestaltung, Kamera- und Lichtquellen werden durch Steuerskripte definiert. ● Persistance of Vision (POVray): Ein quelloffenes mächtiges Rendering-Werkzeug mit großer Nutzerbasis ● POVray ist auf dem GFZ Computation Cluster verfügbar http://hof.povray.org/images/bigthumb/TopMod_StarBall.jpg
  • 18. Literatur zum Thema ● Globus-Rendering ist ein Randthema. ● Aktuelle Informationen in WIKIs (GRASSWIKI) und Mailinglisten (POVray). ● Beispiele für das photorealistisches Rendering von Fernerkundungsdaten: ● Dech, Messner: Mountains from Space, 2005
  • 19. Praxis: Landschaftsdarstellung ● 2004: Erste Demonstration der Nutzung von Geodaten aus GRASS GIS für POVray. ● GIS-Skripte erzeugen Default- Steuerdateien für POVray: Teilweise Trentino (M. Neteler 2004) Kapselung der Rendering-Expertise ● Zeitaufwand für erste Beispiele: ● Selbststudium (bei installierter Software): ca. 1 Stunde. ● Tutorium: < 5 Minuten ● Die benötigte Software ist auf dem Spearfish, South Dakota (P. Löwe 2011) GFZ Computation Cluster verfügbar. Mount St. Helens (P. Löwe 2011)
  • 20. Praxis: Globendarstellung „CEGIT ● Geodaten (Geländemodell, Standardglobus“ Rasterkarte[n]) werden auf eine Kugel projeziert. ● Ein Steuerskript definiert Kameraposition, Standardglobus überlagert mit Blickrichtung, Beleuchtung TRIDEC und weitere Effekte Tsunamisimulation ● Der Fokus der Arbeiten am CEGIT liegt auf der Entwicklung einer leicht nutzbaren GIS/Renderer- Schnittstelle. Bearbeitungsfehler bei manueller Bearbeitung
  • 21. Beispielanwendung Abdeckung der japanischen Ostküste 24 Stunden nach dem Honshu Tsunami mit RapidEye- Satellitendaten (ca. 45000km^2)
  • 22. Anwendung: Öffentlichkeitsarbeit Erzeugung großformatiger hochauflösender Grafiken für die Postererstellung. [Berechnung einer DIN A0 Grafik: Ca. 24 Stunden]
  • 23. 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 Darstellungen thematischer thematischer Information Information
  • 24. Atmosphäreneffekte Ausgangsdaten Atmosphärenschicht Zusätzlicher blauer Schleier, blauer Schleier Atmosphärenschicht
  • 25. Beispiel: Alternative Geländemodelle ● Rendering des Datensatzes "EIGEN-6C" (Potsdamer Schwerekartoffel) die GFZ- Öffentlichkeitsarbeit. ● Rendering: POVray ● Datenverarbeitung: IDL/Perl
  • 26. Globus-Browser vs. Rendering Darstellung des Datensatzes "EIGEN-6C" (Potsdamer Schwerekartoffel) Ausführung in ArcGlobe Ausführung in POVray CEGIT(M.Schröder), 2011 Sektion 2.3 (M. Rother), 2011
  • 27. Fazit und Ausblick ● Sowohl Globus-Browser wie Rendering sind geeignete Visualisierungswerkzeuge für geowissenschaftliche Informationen. ● Das Werkzeug sollte entsprechend der Aufgabe gewählt werden. ● Am GFZ besteht sowohl Kompetenz bei der Umsetzung beider Ansätze. ● Zusätzlich zur Nutzung auf Desktoprechnern können Renderingprozesse am Computation Center durchgeführt werden. ● Die GFZ-interne Vernetzung und der Erfahrungsaustausch zum Thema Visualisierung sollte verstärkt werden. ● Die FOSSLAB-Plattform des CEGIT kann als Kompetenzspeicher (Community and Documentation) dienen. http://fosslab.gfz-potsdam.de
  • 28. Danke für die Aufmerksamkeit ! Peter Löwe Zentrum für GeoInformationsTechnologie (CEGIT) Deutsches GeoForschungsZentrum ploewe@gfz-potsdam.de