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

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

Geodaten

GeoInformationsSystem(GIS)

Wissenschafliche Daten

Rendering WerkzeugeFokus auf maximierter Qualität der Darstellung, sehr rechenintensiv,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 MessdatenRealzeit-Verfolgung des Honshu 2011 Tsunami

7

11 März 2011 11:17 Uhr

NOAA Tsunami-Boye.Quelle: NOAA

Partizipative PlanungBeispiel:SendemastenStandort-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(GIS)

GIS-gestützteGloben

Webbrowser-PluginGloben

(„Globusbrowser“)

Integrierte Geodaten-

haltung

IntegrierteGeodaten-

haltung

Lokale Daten

OnlineDaten

Standalone-Globen

Lokale Daten

OnlineDaten

Lokale Daten

OnlineDaten

Lokale Daten

OnlineDaten

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

Datenanfragen

ZeitkritischerVisualisierungs- Datenstrom

$$$

KMLKML

Datei

Externe Datenprovider

Kommerzielle Server-Infrastruktur

Kommerzieller Globus-Browser

Massive Geodatenhaltung

Externe (wissenschaftliche) Datenquellen

Keyhole Markup Language (KML)

● Auszeichnungssprache („eher HTML statt XML“)

● Geometrie + Visualisierungsfunktion● OGC Standard seit 2008

● Erzeugung von KML leicht mit ogr/gdal möglich (aus ESRI Shape, etc.) → Raster-Pyramidisierung

● (zip-)Komprimiertes KML: KMZ

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?><kml xmlns="http://www.opengis.net/kml/2.2"><Document> <Placemark> <name>Zürich</name> <description>Zürich</description> <Point> <coordinates> 8.55,47.3666667,0 </coordinates> </Point> </Placemark></Document></kml>

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: Wikipediahttp://de.wikipedia.org/wiki/Mip_Mapping

Lösungsansatz GoogleEarthUniversal 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.

●

Grafiken: http://www.realityprime.com/articles/how-google-earth-really-works

MIP MIP

Clip

Hintergrundinformation zu ClipmapsDetaillierte Beschreibung des ClipMap-Ansatzes in: ● Tanner, Migdal, Jones (SGI): The

Clipmap: A virtual Mipmap

Grafiken aus Tanner,Migdal, Jones: The Clipmap: A virtual Mipmaphttp://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● 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 ● 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.● Rechen- und Speicherintensiv● Szenengestaltung, Kamera- und Lichtquellen werden

durch Steuerskripte definiert.

●

● http://hof.povray.org/images/bigthumb/TopMod_StarBall.jpg

POV-Ray Demo-Szene

Wikipedia: POV-Ray

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: – Export von Oberflächenkarte und– Geländemodell

GIS

Rendering ToolKartographie

Vorstufe: RaycastingRaycasting 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-Steuerdateien für POV-Ray: Teilweise Kapselung der Rendering-Expertise

● Zeitaufwand für erste Beispiele:● Selbststudium (bei installierter

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

● Vorstufe zur Visualisierung von Globen

Spearfish, South Dakota

Mount St. Helens

Trentino (M. Neteler 2004)

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-realistische Darstellung

thematischerInformation

Irreale Darstellungen

Pseudo-realistische Darstellung

thematischerInformation

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 (A0) für die Postererstellung.

Atmosphäreneffekte

Ausgangsdaten

Zusätzlicherblauer Schleier

Atmosphärenschicht

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

Ausführung in ArcGlobe GFZ-CEGIT(M.Schroeder), 2011

Ausführung in POV-Ray 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