Visualisierung von Geoobjekten

• Visualisierung als wichtige Erkenntnis- und Kommunikationsmethode

• Computergraphik– Graphische Semiologie– Werkzeuge für Computergraphik – Koordinatensysteme– Farbmodelle– Geometrische Modellierung– Anwendungsbereiche

• GeoVIS

Menschliches Sehvermögen = wichtige Hilfe beim Erkundenund Verstehen räumlicher Strukturen und Prozesse.

Menschliches Sehvermögen = wichtige Hilfe beim Erkunden und Verstehen räumlicher Strukturen und Prozesse.

Visuelle Darstellung von Geodaten für – Analyse und Interpretation räumlicher Zusammenhängen

und Veränderungen.

– Unterstützung von Modellierung und Entscheidungsfindung

"Ein Bild sagt mehr als tausend Worte."

Historisches Beispiel: Cholera-Ausbruch Mitte des 19. Jahrhunderts in

London. Dr. John Snow zeichnete die Wohnorte von 500 Cholera-Opfern in eine Karte ein=> Hinweise auf einen Zusammenhang zwischen Wasserversorgung und Auftreten der Krankheit.

Aktuelles BeispielVisuelle Analyse eines Windereignisses

Visualisierung =

mit am frühesten benutzte und am häufigsten eingesetzte Erkenntnis- und Kommunikationsmethode des Menschen.

Erkenntnisgewinn und Kommunikation mittels Visualisierung geschieht häufig intuitiv.

=> Nutzung von semiotischen Regeln und Metaphern (Sinnbilder, sprachliche Bilder), um reale Objekte oder abstrakte Begriffe intuitiv verstehbar darzustellen.

Visualisierungstypen

- Externe Visualisierung Sichtbarmachen von Daten und ihren Strukturen => Informationserschließung

- Interne Visualisierung Erzeugung gedanklicher bildhafter Vorstellungen => Wissensgewinnung

Visualisierung (im Sinne der Informatik) ist die Transformation von Daten in ein sichtbares Bild

zur Unterstützung der

– Exploration (Erkundung), Kognition (Erkennen),

– Verifikation (Überprüfen)

– Explanation (Erklärung), Kommunikation

von Strukturen und Prozessen.

Visualisierung = wichtige Methode für– wissenschaftlichen Erkentnisprozess und zur– verständlichen Kommunikation komplexer

Informationen zwischen Wissenschaft und Praxis.

Unterstützung des gesamten geowissenschaftlichen Forschungsprozesses

Exploration

Confirmation

Synthesis

Presentation

“Die Revolution des Optischen”

“Vorwärts zu den Bildern zurück”

“Computer-Visualisierung,die zweite Computer-Revolution”

“Die kommende Zeit wird visuell bestimmt sein. Dabei entsteht ein neuer Typ von Bildern, der neue Blicke verlangt.”

Gestiegene Bedeutung der Visualisierung zeigen Schlagworte wie

Computer spielen für Visualisierung wichtige Rolle und verändern traditionelle kartographische Darstellung:

• Schnelle Aufbereitung und Darstellung großer Datenmengen.

• Interaktives Ändern der Sicht auf die Daten.• Sichtbarmachen von Attributen, die für den

Menschen normalerweise nicht sichtbar sind (z.B. Kaltluftflüsse in Tälern).

• Dynamische Darstellung von räumlichen Prozessen, zeitliches Raffen oder Ausdehnen möglich.

• Dreidimensionale Darstellungen der Landschaft, abstrakt - photorealistisch

VisualsierungVisualization in Scientific Computing = ViSC.Scientific Visualisation, Wissenschaftliche Visualisierung

= neues Forschungsgebiet zwischen Kognitionsforschung, Informatik, Psychologie und Kommunikationsforschung

Inhalt: Entwicklung von Methoden, Werkzeugenund Software-Systemen zur computergestützten Visualisierung von Daten

GeoVis - (Forschungs)Kontext

GeoVis

Geowiss. Fragestellungen

Computer Graphik/Visualisitik

Mensch-Computer-Interaktion

KognitionSemiotik

Raumbezogene Arbeitsprozesse

TelekommunikationDatenhandling/modellierung

KommunikationHandlung

Forschungs- und Anwendungsbereiche der computergestützten Visualisierung:

• Computergraphik, grafische Datenverarbeitung,

• multimediale Systeme,

• rechnergestützte Animation,

• Virtuelle Realität, Augmented Reality

• Computer-Kartografie,

• digitale Bildverarbeitung

• etc.

Computer-Grafik (grafische Datenverarbeitung) Computergestützte Visualisierung (alpha-) numerischer Daten für

beliebige Objekte (z.B. Wahlergebnisse, Arbeitslosenstatistiken).

Entscheidend! Graphische Umsetzung von Daten mittels grafischer Darstellungsmethoden so durchzuführen, dass der Betrachter die in den Daten enthaltenen Informationen schnell und eindeutig erkennt.

(--> Kartographie-Vorlesung!)

Beispiel

alphanumerischen Daten:

• Geografie 552;• Landschaftsökologie 736; • Geologie 368;• Geoinformatik 184

Grafische Semiologie (Syntax, Semantik, Pragmatik von graphischen Zeichen) = grundlegende Theorie der grafischen Darstellung zweidimensionaler Objekte. BERTIN (1967).

Systemkomponeten: Geometrische Dimensionen

- Punkt - Linie - Fläche

Hinzu kommtPosition in der Ebene

Grafische Variablen zur Modifikation gemäß der zu vermittelnden Information: - Größe - Helligkeit - Muster - Farbe - Richtung - Form

System der Graphischen Variablen(Bertin 1967)

Syntaktische Beziehung der graphischen Variablen

Farb-Muster-Variable• Form• Richtung• Farbe (T) / Farbe (K)• Korn• Helligkeitswert• Größe

Syntaktische Beziehungqualitativ qualitativqualitativ / ordnendordnendordnendquantitativ

Beispiel

alphanumerischen Daten:

• Geografie 552;• Landschaftsökologie 736; • Geologie 368;• Geoinformatik 184

Grundaufgabe der Computer-Grafik = Transformation formaler Objekte (Daten) in eine bildhafte Darstellung. Im Vordergrund des Interesses steht Bild-Synthese.

(im Unterschied zur Bild-Analyse z.B. bei der Merkmalsextraktion aus gescannten Bildern).

Werkzeuge für die Computer-Grafik

Grafik-Softwaresysteme mit

• Funktionen zum Zeichnen geometrischer Primitive (wie Punkte, Linien, Polygone, Oberflächen, Text, Bitmaps usw.),

• Funktionen zur Zuweisung graphischer Attribute (wie Farbe, Größe, Form, Textur usw.)

• Funktionen zur Handhabung von Farbmodellen, Betrachterstandort ("Kamera-Position"), Animation u.v.m

Koordinatensysteme

Zur Positionierung grafischer Objekte werden unterschiedliche Koordinaten-Systeme verwendet:

• Welt-Koordinaten: beschreiben die Lage der grafischen Objekte aus der Sicht des Anwenders (z.B. UTM)

• Geräte-Koordinaten: beschreiben die Lage der grafischen Objekte auf dem spezifischen Ausgabegerät (z.B. Anzahl der Bildpunkte in Zeilen- und Spaltenrichtung)

Farbmodelle

Farbe = wesentliches Element in der Computergrafik. Zu unterscheiden:– Farbtiefe, – Farbmodelle

Farbtiefe (farbliche Differenzierung):• 4-bit-Darstellung in 16 Farben Minimal-Farbpalette beim

PC, reicht für einfache Grafiken aus

• 8-bit-Darstellung in 256 Farben wird für anspruchsvollere Grafiken und einfache Farbbilder benötigt

• 24-bit-Darstellung in ca. 16,7 Millionen Farben wird für sog. true-colour-Bilder benötigt

Farbmodelle Erzeugung unterschiedlicher Farben mittels verschiedener

Farbmodelle:

RGB-Farbmodell = gebräuchlichstes Modell. Farben werden aus der additiven Überlagerung der drei Sekundärfarben Rot, Grün und Blau erzeugt.

Die drei Farben RGB bilden die Koordinaten-Achsen des Farbwürfels; der Farbanteil jeder Farbe kann zwischen 0 bis 1reichen. Jedem Punkt (Farbvektor) im Farbwürfelwird genau eine Farbkombination (r,g,b)zugeordnet. RGB(1,1,1) entspricht der Farbe Weiß.

• CMY-Farbmodell Subtraktives Farbmodell, Farben werden durch Subtraktion

der Primärfarben Cyan, Magenta und Yellow erzeugt.

• IHS-Farbmodell Farben werden aus Farbton (Hue), Farbsättigung (Saturation) und Helligkeit (Intensity) erzeugt.

(Wichtig bei Farbverwendung unterschiedlicher Geräte!)

Geometrische Modellierung

Unterscheidung in

- Vektorgraphiken - Rastergraphiken

Vorteile Vektorgraphik• sehr genaue Darstellung der

Grafik-Primitive und der daraus zusammengesetzten Grafiken

• einfache Transformation der grafischen Objekte (z.B. Streckung, Rotation)

• kleine Datenmengen • entspricht der Zeichentechnik

von Stiftplottern

Vorteile Ratsergraphik• gut geeignet für die Darstellung

von Foto-ähnlichen Bildern und flächenfüllenden Darstellungen mit Farbverläufen

• Operationen auf Pixel-Basis (z.B. Retuschieren, Farbe ändern) einfach durchführbar

• entspricht der Darstellungsweise am Monitor und der Druckart von Laserdruckern

Wichtige Anwendungsbereiche der Computer-Grafik

• Business-Grafik:Grafische Darstellung aller Arten von Diagrammen und einfachen Kartogrammen. = Repräsentationsgrafik zur visuellen Unterstützung bei Berichten, Publikationen, Vorträgen etc

• Computer Aided Design (CAD): Computerunterstütztes Konstruieren als Nachfolger des Technischen Zeichnens; wegen hoher Genauigkeitsanforderungen stets als Vektor-Grafik; Neben grafischen Grundfunktionen auch spezielle CAD-Funktionen wie z.B. Konstruktionshilfen, automatische Längen-, Flächen- und Volumenberechnung und Bemaßung;

• Digitale Bildverarbeitung: Nachbearbeitung gescannter Analogbilder (z.B. Fotos, Videos) oder originaler Scannerdaten (z.B. Satellitenbilder, digitale Kameras) mit Funktionen der Rastergrafik, z.B. Schattieren von 3D-Objekten, Texturierung von Objekten

• Virtuelle Realität: Interaktive Bewegung des Anwenders in virtuellen (scheinbaren) 3D-Räumen ("Cyberspace") mit automatischer Generierung von perspektivischen Ansichten (z.B. Architektur).

• Computerspiele

• Kartographie, Geoinformationssysteme GeoVis

GeoVisAnwendung der Computergraphik

in Kartographie und Geoinformationssystemen

Computer-Visualisierung zur Exploration raumbezogener Daten

Visuelle Analyse von Information

= Visuelles Denken durch Musterbildung

Ergänzung statistisch-mathematischer Analysemethoden durch graphische Datenexploration

Beispiele

Visuelle Analyse von räumlichen Prozessen Beispiel

Visuelle Analyse vonräumlich-statistischenDaten Beispiel

Visuelle interaktive Analyse von ParameterwertenBeispiel

Buziek, Dransch, Rase 2000

Computer-Visualisierung zur Präsentation raumbezogener Daten

Realitätsnahe, dynamische, erläuterte Darstellungen

=> Verbesserung der Kommunikation wissenschaftlicher Ergebnisse

=> schnellere Praxisumsetzung

Beispiele

• Lenkung der AufmerksamkeitBeispiel I (Linse)Beispiel II (Hannover)

• KombinationText und Bild

• Prägung mentaler ModelleBeispiel I (Hannover)Beispiel II (Ozon)Beispiel III (Tour de France)