Interaktive 3-D-Visualisierung ozeanographischer Daten mittels Web- .In dieser Bachelorarbeit wird

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  • Interaktive 3-D-Visualisierungozeanographischer Datenmittels Web-Technologien

    Bachelorarbeit

    Patricia Beier

    26. September 2016

    Christian-Albrechts-Universitt zu KielInstitut fr Informatik

    Arbeitsgruppe Software Engineering

    Betreut durch: Prof. Dr. Wilhelm HasselbringDr. Arne Johanson

  • Eidesstattliche Erklrung

    Hiermit erklre ich an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit selbststndig verfasstund keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet habe.

    Kiel, 26. September 2016

    ii

  • Zusammenfassung

    Wissenschaftliche Ttigkeit beschrnkt sich nicht auf das Sammeln von Daten. Nach derErmittlung von Datenstzen mssen diese untersucht werden, um zu weiterem Erkenntnis-gewinn zu gelangen. Dies gilt auch fr die ozeanographische Forschung. Um entsprechendeUntersuchungen zu vereinfachen, knnen Hilfsmittel eingesetzt werden, zu denen dieVisualisierung der Daten mittels Computersoftware gehrt.

    In dieser Bachelorarbeit wird eine 3-D-Visualisierung ozeanographischer Daten entwi-ckelt. Diese wird in die Web-Anwendung OceanTEA eingebunden. Bercksichtigt werdendabei verschiedene Datentypen, zu denen die Oberflchenstruktur des Meeresbodensund das zeitabhngige Verhalten von Strmungen gehren. Die Visualisierung wird mitverschiedenen Hilfsfunktionen ausgestattet, um dem Nutzer das Ablesen der Daten unddamit seine Forschungsttigkeit zu erleichtern.

    Nach der Implementierung wird das entstandene System evaluiert, wobei qualitativeExperteninterviews herangezogen werden. Ziel der Evaluation ist es, die Eignung derAnwendung fr die wissenschaftliche Arbeit zu berprfen. Dabei werden Mitarbeiterdes GEOMAR Helmholtz-Zentrum fr Ozeanforschung Kiel zu ihrem Nutzungserlebnisbefragt. Im Ergebnis lsst sich feststellen, das das hier entwickelte System bereits frdie Anwendung in der ozeanographischen Forschung geeignet ist. Die Evaluation ergibtdarber hinaus Hinweise fr die Weiterentwicklung der Software in der Zukunft.

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  • Inhaltsverzeichnis

    1 Einleitung 11.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

    1.2.1 Ziel 1: Entwicklung einer 3-D-Visualisierung fr ozeanographischeDaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

    1.2.2 Ziel 2: Evaluation der implementierten Anwendung . . . . . . . . . . 21.3 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

    2 Grundlagen und Technologien 32.1 OceanTEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2 Three.js . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3 3-D-Computergrafik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    2.3.1 Aufbau dreidimensionaler Objekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3.2 Transformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3.3 Das Koordinatensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

    3 Entwicklung des Konzepts 133.1 Die Einbindung in OceanTEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.2 Sichtbarmachen des Koordinatensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.3 Der Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.4 Die Messstationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.5 Darstellung der Strmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

    3.5.1 Visualisierung durch Pfeile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.5.2 Zeitliche Abhngigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.5.3 Steuerung durch den Nutzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

    4 Implementierung der 3-D-Visualisierung 174.1 Aufbau der Webseite und Beschreibung der Funktionen . . . . . . . . . . . . 174.2 Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.3 Implementierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    4.3.1 Die Slider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.3.2 Die erste Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.3.3 Das User-Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.3.4 Die show()-Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.3.5 Die Lookup-Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.3.6 Die Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

    v

  • Inhaltsverzeichnis

    4.3.7 Das sichtbare Koordinatensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.3.8 Platzierung der Messstationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.3.9 Die Pfeile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.3.10 Der Ozeanboden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.3.11 Die Checkboxen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

    5 Evaluation 515.1 Ziel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.2 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

    5.2.1 Teilnehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525.2.2 Prsentierte Fragen und Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525.2.3 Beschreibung der Durchfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    5.3 Ergebnisse und ihre Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.3.1 Usability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.3.2 Nutzbarkeit fr wissenschaftliche Zwecke . . . . . . . . . . . . . . . . 555.3.3 Vorschlge fr Verbesserungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

    5.4 Bedrohungen der Validitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.4.1 Anzahl der Probanden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.4.2 Zeitliche Beschrnkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

    6 Verwandte Arbeiten 596.1 Fledermaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596.2 ExplorViz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

    7 Fazit und Ausblick 637.1 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

    Bibliografie 65

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  • Kapitel 1

    Einleitung

    1.1. Motivation

    Die Erhebung von Daten in der ozeanographischen Forschung geschieht unter anderemdadurch, dass Informationen zur topologischen Gestalt des Ozeanbodens oder zum zeitab-hngigen Verhalten von Strmungen an einem relevanten Standpunkt gesammelt werden.Diese sind Basis fr weitere wissenschaftliche Untersuchungen.

    Um wissenschaftliche Untersuchungen zu erleichtern, knnen Hilfsmittel zur Visuali-sierung von gesammelten Daten eingesetzt werden. Zu diesen Hilfsmitteln zhlen Com-puterprogramme [Telea 2007]. Sie helfen dabei, wesentliche Eigenschaften der Datenstzeherauszuarbeiten. Wissenschaftlich relevante Entwicklungen innerhalb der Daten werdenfr den Nutzer eines solchen Programms leichter zugnglich.

    Es gibt verschiedene Mglichkeiten, Software fr die Datenvisualisierung zu nutzen.Neben unmittelbar auf dem Rechner installierten Programmen ist es auch mglich, denWeb-Browser fr die Darstellung zu verwenden. OceanTEA (Oceanographic Time SeriesExploration and Analysis)1 stellt ein System fr die wissenschaftliche Datenvisualisierungim Browser dar [Johanson u. a. ohne Datum]. OceanTEA erlaubt es, Daten aus der Ozeano-graphie mittels moderner Web-Technologien interaktiv zu erforschen und zu analysieren.Relevant werden dabei durch das GEOMAR Helmholtz-Zentrum fr Ozeanforschung Kiel2

    (kurz: GEOMAR) ermittelte Datenmengen.Die vorliegende Bachelorarbeit leistet einen Beitrag zu OceanTEA in Form einer 3-

    D-Visualisierung bestimmter ozeanographischer Daten. Zu diesen Daten gehren dieDarstellung der Oberflchenstruktur des Ozeanbodens einer ausgewhlten Region und diezeitabhngige Visualisierung der dort zu findenden gemessenen Strmungen. Auf dieseWeise soll die raumbezogene Analyse der Daten untersttzt werden.

    1.2. Ziele

    Fr diese Bachelorarbeit setzen wir uns einige Ziele, die wir im Laufe der Entwicklungerreichen mchten:

    1http://maui.se.informatik.uni-kiel.de:9090.2http://www.geomar.de.

    1

  • 1. Einleitung

    1.2.1. Ziel 1: Entwicklung einer 3-D-Visualisierung fr ozeanographi-sche Daten

    Fr die Entwicklung einer Web-Anwendung mit einer dreidimensionalen Darstellung ozea-nographischer Daten soll das JavaScript-API Three.js eingesetzt werden. Das entwickelteProgramm soll die zu visualisierenden Daten vom Server erhalten und diese in geeigneterWeise verarbeiten. Die Visualisierung soll die Auswahl verschiedener Regionen ermgli-chen. Nach der Auswahl einer Region durch den Nutzer erscheinen die Visualisierung derOberflchenstruktur des Bodens, die zeitabhngige Darstellung von Strmungen sowiedie Darstellung von Messstationen, mit deren Hilfe diese Strmungen ermittelt wurden.Auerdem soll die Anwendung die Mglichkeit zur Interaktion bieten. Der Nutzer sollsich durch die Darstellung bewegen knnen. Er soll einzelne Elemente verndern knnen,wenn er den Wunsch hat, bestimmte Daten abzulesen.

    1.2.2. Ziel 2: Evaluation der implementierten Anwendung

    Die Implementierung soll einer Evaluation unterzogen werden. Zu diesem Zweck werdenExperten befragt, die die Software ausprobieren und ihre Mei