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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
                                                   Wissenschafliche
                     Geodaten
                                                        Daten




                                GeoInformationsSystem
                                        (GIS)




Globus-Browser                                      Rendering Werkzeuge
Darstellungsqualität für interaktive                Fokus auf maximierter Qualität der
Nutzung in Realzeit optimiert.                      Darstellung, sehr rechenintensiv,
Intuitiv bedienbar                                  Expertenwissen nötig
Motivation
●   Globusbrowser als etabliertes Ausdrucks- und
    Kommunikationsmittel für:


    ●   Retrospektive Analysen
    ●   „Nowcasting“
    ●   Planung / Diskussionsprozesse
Retrospektive Betrachtung




Mount Whitney,
Kalifornien (2009-2011)
Quicklooks: RapidEye AG
Retrospektives Satellitenbild Daten-
           Management




                           Quicklooks: RapidEye AG
„Nowcasting“: Online-Integration von Messdaten
  Realzeit-Verfolgung des Honshu 2011 Tsunami




                        11 März 2011
                          11:17 Uhr




                                       NOAA Tsunami-Boye.
                                       Quelle: NOAA       7
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
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   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
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
                                          Kommerzielle
    Kommerzieller                         Server-
    Globus-                               Infrastruktur
    Browser

                    Datenanfragen                                    $$$


                        Zeitkritischer
                Visualisierungs- Datenstrom

                                                                            Externe
          KML                                             Massive           Datenprovider
 KML                                                      Geodatenhaltung


Datei
                    Externe
                    (wissenschaftliche)
                    Datenquellen
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 + Visualisierungsfunktion     <Document>
                                             <Placemark>
●   OGC Standard seit 2008                     <name>Zürich</name>
                                               <description>Zürich</description>
                                               <Point>
                                                <coordinates>
                                                 8.55,47.3666667,0
●   Erzeugung von KML leicht mit ogr/gdal      </coordinates>
    möglich (aus ESRI Shape, etc.) →           </Point>
    Raster-Pyramidisierung                   </Placemark>
                                            </Document>
                                            </kml>
●   (zip-)Komprimiertes KML: KMZ
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: Wikipedia
                                             http://de.wikipedia.org/wiki/Mip_Mapping
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.
●                                                                                   Clip


MIP                                                                                    MIP

                             Grafiken: http://www.realityprime.com/articles/how-google-earth-really-works
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
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
                                        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
    ●   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.              POV-Ray Demo-Szene
●   Rechen- und Speicherintensiv
●   Szenengestaltung, Kamera- und Lichtquellen werden
    durch Steuerskripte definiert.




                                                                        Wikipedia: POV-Ray

●


●           http://hof.povray.org/images/bigthumb/TopMod_StarBall.jpg
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:
                                                              GIS
         –   Export von Oberflächenkarte und
         –   Geländemodell
                                               Kartographie         Rendering Tool
Vorstufe: Raycasting
Raycasting 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)
Prinzip-Darstellung Raytracing



Albrecht Dürer (1525)




                                  Bildquellen Wikipedia: Raytracing
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-          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
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-                                           Pseudo-
 realistische                                      realistische
                             Irreale
 Darstellung                                       Darstellung
                          Darstellungen
thematischer                                      thematischer
 Information                                       Information
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
                (A0) für die Postererstellung.
Atmosphäreneffekte


Ausgangsdaten                          Atmosphärenschicht




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




                                  WHODINI ?
Beispiel: „Eierschale“
Globus-Browser vs. Rendering
Darstellung des Datensatzes "EIGEN-6C" (Potsdamer Schwerekartoffel)




Ausführung in ArcGlobe GFZ-        Ausführung in POV-Ray
CEGIT(M.Schroeder), 2011           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
              ploewe@gfz-potsdam.de

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Kommunikationswerkzeug Globuskarte

  • 1. 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
  • 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. Prozessierungswege Wissenschafliche Geodaten Daten GeoInformationsSystem (GIS) Globus-Browser Rendering Werkzeuge Darstellungsqualität für interaktive Fokus auf maximierter Qualität der Nutzung in Realzeit optimiert. Darstellung, sehr rechenintensiv, Intuitiv bedienbar Expertenwissen nötig
  • 4. Motivation ● Globusbrowser als etabliertes Ausdrucks- und Kommunikationsmittel für: ● Retrospektive Analysen ● „Nowcasting“ ● Planung / Diskussionsprozesse
  • 5. Retrospektive Betrachtung Mount Whitney, Kalifornien (2009-2011) Quicklooks: RapidEye AG
  • 6. Retrospektives Satellitenbild Daten- Management Quicklooks: RapidEye AG
  • 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. 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. 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. Übersicht GIS / 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. 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. Funktionsprinzip GoogleEarth Globus-Browser Kommerzielle Kommerzieller Server- Globus- Infrastruktur Browser Datenanfragen $$$ Zeitkritischer Visualisierungs- Datenstrom Externe KML Massive Datenprovider KML Geodatenhaltung Datei Externe (wissenschaftliche) Datenquellen
  • 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 + Visualisierungsfunktion <Document> <Placemark> ● OGC Standard seit 2008 <name>Zürich</name> <description>Zürich</description> <Point> <coordinates> 8.55,47.3666667,0 ● Erzeugung von KML leicht mit ogr/gdal </coordinates> möglich (aus ESRI Shape, etc.) → </Point> Raster-Pyramidisierung </Placemark> </Document> </kml> ● (zip-)Komprimiertes KML: KMZ
  • 14. KML: Weitere Fakten ● Referenzierung externer (online-) Datensätze/-haltungen. ● Timestamps für Zeitreihendarstellungen ● Automatischer Refresh von Informationen ● Satellitenpositionen ● Tsunamibojen
  • 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. 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: Wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/Mip_Mapping
  • 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. ● Clip MIP MIP Grafiken: http://www.realityprime.com/articles/how-google-earth-really-works
  • 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. 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. 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
  • 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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
  • 28. 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.
  • 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 ein„Sehstrahl“ in das virtuelle Szenenmodell geschickt. ● Fokus liegt einer möglichst realistischen Darstellung. POV-Ray Demo-Szene ● Rechen- und Speicherintensiv ● Szenengestaltung, Kamera- und Lichtquellen werden durch Steuerskripte definiert. Wikipedia: POV-Ray ● ● http://hof.povray.org/images/bigthumb/TopMod_StarBall.jpg
  • 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. 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. Vorstufe: Raycasting Raycasting 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. 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. Prinzip-Darstellung Raytracing Albrecht Dürer (1525) Bildquellen Wikipedia: Raytracing
  • 35. Weiterführende Links I ● Globus-Rendering ist (noch) ein Nischenthema. ● Aktuelle Informationen in WIKIs (GRASSWIKI) und Mailinglisten (POV-Ray).
  • 36. Weiterführende Links II Webseite mit POV-Ray-Tutorien und Beispielen: ● http://www.f-lohmueller.de Planeten-Rendering / Landschaften ● http://www.imagico.de
  • 37. Literatur zum Thema „Kaffeetischbuch“ mit Beispielen für photorealistisches Rendering von Fernerkundungsdaten: ● Dech, Messner: Mountains from Space, 2005
  • 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. 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
  • 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 Darstellungen thematischer thematischer Information Information
  • 41. 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
  • 42. Beispielanwendung Abdeckung der japanischen Ostküste 24 Stunden nach dem Honshu Tsunami mit RapidEye- Satellitendaten (ca. 45000km^2)
  • 43. Anwendung: Öffentlichkeitsarbeit Erzeugung großformatiger hochauflösender Grafiken (A0) für die Postererstellung.
  • 44. Atmosphäreneffekte Ausgangsdaten Atmosphärenschicht Zusätzlicher blauer Schleier, blauer Schleier Atmosphärenschicht
  • 45. Beispiel: Alternative Geländemodelle ● Rendering des Datensatzes "EIGEN-6C" (Potsdamer Schwerekartoffel) die GFZ- Öffentlichkeitsarbeit. ● Rendering: POV-Ray ● Datenverarbeitung: IDL/Perl WHODINI ?
  • 47. Globus-Browser vs. Rendering Darstellung des Datensatzes "EIGEN-6C" (Potsdamer Schwerekartoffel) Ausführung in ArcGlobe GFZ- Ausführung in POV-Ray CEGIT(M.Schroeder), 2011 GFZ Sektion 2.3 (M. Rother), 2011
  • 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. 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. 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. Danke für die Aufmerksamkeit ! Peter Löwe Zentrum für GeoInformationsTechnologie (CEGIT) Deutsches GeoForschungsZentrum ploewe@gfz-potsdam.de