GeoInformatik-Kolloquium 6. Juli 2011

Kommunikationswerkzeug Globuskarte:Einsatzbeispiele für Globusbrowser und Rendering

Peter Löwe

Zentrum für GeoInformationsTechnologie (CEGIT)Deutsches GeoForschungsZentrum

Erzeugung von Globuskarten

Globus-BrowserDarstellungsqualität für interaktive Nutzung in Realzeit optimiert. Intuitiv bedienbar

Geodaten

GeoInformationsSystem(GIS)

Integration: Aktuelle Entwicklung

Wissenschafliche Daten

Rendering WerkzeugeFokus auf maximierter Qualität der Darstellung, sehr rechenintensiv,Expertenwissen nötig

Externe Geodaten

Option A

Option B

Erzeugung von Globuskarten

Globus-BrowserDarstellungsqualität für interaktive Nutzung in Realzeit opitimiert.

Geodaten

GeoInformationsSystem(GIS)

Integration: Aktuelle Entwicklung

Wissenschafliche Daten

Rendering WerkzeugeFokus auf maximierter Qualität der Darstellung, sehr rechenintensiv

Externe Geodaten

Option A

Option B

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

Option A

Wir sind hierWir sind hier

Funktionsprinzip Globus-Browser

Datenanfragen

ZeitkritischerVisualisierungs- Datenstrom

$$$

KMLKML

Datei

Externe Datenprovider

Kommerzielle Server-Infrastruktur

Kommerzieller Globus-Browser

Massive Geodatenhaltung

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

9

11 März 2011 11:17 Uhr

NOAA Tsunami-Boye.Quelle: NOAA

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● 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 (am Beispiel POVray)● Statische Darstellung (Berechnungszeit abhängig vom

Datenvolumen: Minuten – Tage)

● Manipulation: Editierung Steuerskripte.● Fachübergreifendes Hintergrundwissen erforderlich

(Kartographie, GeoInformatik u. Rendering Engine)

Option A

Option B

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.

● 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

POVray Demo-Szene

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 Kapselung der Rendering-Expertise

● Zeitaufwand für erste Beispiele:● Selbststudium (bei installierter

Software): ca. 1 Stunde.● Tutorium: < 5 Minuten

● Die benötigte Software ist auf dem GFZ Computation Cluster verfügbar.

Spearfish, South Dakota (P. Löwe 2011)

Mount St. Helens (P. Löwe 2011)

Trentino (M. Neteler 2004)

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 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-realistische Darstellung

thematischerInformation

Irreale Darstellungen

Pseudo-realistische Darstellung

thematischerInformation

Atmosphäreneffekte

Ausgangsdaten

Zusätzlicherblauer Schleier

Atmosphärenschicht

blauer Schleier,Atmosphärenschicht

Beispiel: Alternative Geländemodelle

● Rendering des Datensatzes "EIGEN-6C" (Potsdamer Schwerekartoffel) die GFZ-Öffentlichkeitsarbeit.

● Rendering: POVray● Datenverarbeitung: IDL/Perl

Globus-Browser vs. RenderingDarstellung des Datensatzes "EIGEN-6C" (Potsdamer Schwerekartoffel)

Ausführung in ArcGlobe CEGIT(M.Schröder), 2011

Ausführung in POVray 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