nasa world wind cache einstellung

Die digitale Erd-Google als neues GIS-frontend –
Integration von externen GIS Daten als Mehrwert
für 3D-Geowerkzeuge
Thomas EBERT, Andreas MALLINGER-HOHENSINN und Peter SYKORA
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Einführung
“I believe we need a ‘Digital Earth’. A multi-resolution, three-dimensional representation
of the planet, into which we can embed vast quantities of geo-referenced data.” (GORE,
1998)
Spätestens seit der Veröffentlichung von Googles „Earth“ Applikation im Mai des letzten
Jahres hat sich diese Vision vom damaligen US Vizepräsident Al Gore in die Wirklichkeit
umgesetzt. Mit 3D-Applikationen wie Google Earth, NASAs World Wind, Microsofts
Virtual Earth und anderen, gelang es erstmals, eine breite Öffentlichkeit für die GIS-Welt
zu begeistern. Die bisherigen Web Anwendungen waren offensichtlich zu statisch, zu wenig performant oder einfach zu komplex für einen Vielzahl der Internetnutzer. Die Idee die
Erdkugel als Schnittstelle für verschiedenste räumliche Informationen zu nutzen, gepaart
mit der hohen Interaktionsmöglichkeit, sowie dem dynamischen Nachladen von Daten,
wird möglicherweise ein neues Zeitalter im Internet einläuten.
Doch der unerwartete 3D Hype der in so kurzer Zeit entstanden ist, wird bald wieder abflauen, wenn es nicht möglich ist, hochqualitative Basis- oder Fachdaten in diese Systeme
zu integrieren.
In den folgenden Kapiteln werden neben den webbasierenden 3D-Viewer Google Earth und
World Wind auch die, im ArcGIS-Desktop enthaltenen, 3D-Viewer von ESRI auf ihre
Funktionalität und Einsatzbereich beleuchtet.
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ArcScene und ArcGlobe von ESRI
2.1 Allgemeine Beschreibung
Bis zur Einführung von ArcGIS-Desktop konnten 3D-Visualisierungen mit der Werkzeugpalette von ESRI nur in kleinerem Rahmen mit dem 3D-Analyst in der jeweiligen Version
von ArcView durchgeführt werden.
In der Softwareumgebung von ArcGIS-Dektop stehen mittlerweile zwei Werkzeuge für
3D-Visualisierungen zur Verfügung: ArcScene für projizierte Daten und ArcGlobe für
Darstellungen auf dem Spheroid. Der Schwerpunkt von ArcScene liegt vor allem in der
Berechnung unveränderlicher 3D-Szenen. Mit ArcGlobe steht ein Werkzeug zur Verfügung, welches die variable Darstellung großflächiger Rasterdaten ermöglicht (z.B. für
Überflüge). Aufgrund der Projektion auf dem Spheroid ergibt sich eine vorherige Transformation der visualisierten Daten nach WGS84.
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Da die vorliegenden Geodaten meistens in planaren Projektionen vorliegen stellt die Transformation vor allem Rasterdaten und stellt in den meisten Fällen einen nicht unbeträchtlichen Aufwand dar.
Durch den schwerpunktmäßigen Einsatz von ESRI-Produkten bei der OÖ-Landesverwaltung wurden in der Vergangenheit viele Projekte mit den oben beschriebenen Werkzeugen durchgeführt. Die unten angeführten Screenshots sind Beispiele aus derartigen
Arbeiten.
2.2 Datenhaltung und Hardwarevoraussetzungen
Zusätzlich zur rasanten Entwicklung von Soft- und Hardware in den letzten Jahren stieg mit
der zunehmenden Verfügbarkeit großflächiger und hochauflösender Rasterdaten die Anforderung diese Daten in 3D-Visualisierungen einzusetzen.
Dieser Anforderung begegnete ESRI mit der Einführung des Data Cachings. Mit Hilfe
dieser Funktion stehen vor allem große Rasterdatenmengen performanter und ressourcenschonender im Zugriff.
Eine Einstellung welche generell den Einsatz von ArcGIS-Desktop betrifft, ist die Aufteilung der lokalen Festplatten auf möglichst viele Partitionen und der gleichgehenden Aufteilung des virtuellen Arbeitsspeichers. Darüber hinausgehend stellt die Grafikkarte eine nicht
unwesentliche Hardwarekomponente dar. Für Belange der 3D-Visualisierung bewährt sich
vor allem Hardware für den 3D-Spielesektor.
2.3 Standards und offene Schnittstellen
Grundsätzlich besteht in ArcScene und ArcGlobe die Möglichkeit zur Einbindung von
Daten über ESRI-propriätere Schnittstellen zu ArcIMS- oder ArcGIS-Servern oder zu offene Schnittstellen wie z.B. WMS-Dienste. Derartige Dienste wurden jedoch grundsätzlich
für 2D-Applikationen konzipiert. In diesem Sinne, sind sie für eine Integration in 3DViewern wie ArcSene oder ArcGlobe nur bedingt integrierbar. Fehlende Funktionen sind
vor allem ein Tiling oder Caching von geladenen Daten.
2.3.1 Rendering
Im Gegensatz zu webbasierten 3D-Viewern steht in ArcScene bzw. ArcGlobe ein Fülle an
Symbolisierungsmöglichkeiten zur Verfügung. Für Visualisierungen im konstruktiven
Bereich kann diese Palette durch die Einbindung von VRML-Objekten erweitert werden.
Wie oben erwähnt stellt ArcGlobe das idealere Werkzeug zur Berechnung von variablen
3D-Szenen dar. Durch die Notwendigkeit der Skalierbarkeit wurde in ArcGlobe die Funktionalität der Überblendung von Datenschichten im Zuge eines kontinuierlichen Wechsels
des Betrachterstandortes integriert. Diese, an sich sehr eindrucksvolle Funktionalität, ist
leider sehr schlecht dokumentiert. Eine bessere Dokumentation und eine dringende Überarbeitung der Menüführung in einem weiteren Release wären wünschenswert.
2.3.2 AddOns
Auch mit der Einführung von ArcGIS blieb ESRI seiner Tradition treu, die Basisfunktionalität der einzelnen Softwareprodukte durch ausprogrammierte AddOns oder Scripts zu er-
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weitern. Durch seine Stellung als Weltmarktführer und einer entsprechend großen
Usergroup gibt es für auch ArcGIS viele nützliche AddOns bzw. Scripts zum Download.
Im Falle der unten dargestellten Arbeiten wurden AddOns im Bereich Labeling und des
Exports in Videoformate verwendet.
2.4 Fazit
Der Vorteil von Werkzeugen wie ArcScene oder ArcGlobe besteht in erster Linie durch die
Möglichkeit der individuellen Einbindung diverser Geodaten und deren spezifische Symbolisierung. Wie oben erwähnt, liegt der Focus der verfügbaren Werkzeuge vor allem in der
Erstellung von Videos oder lokalen Präsentationen.
Die Möglichkeit einer Publizierung im Web ist mit der derzeitigen Funktionalität nicht
gegeben. Als Antwort auf freie 3D-Viewer im Web ist seitens ESRI die Ankündigung des
neuen ArGIS-Explorers zu werten.
Nur beschränkt geeignet sind die oben genannten Werkzeuge jedoch zur fotorealistischen
Darstellung großflächiger Bauprojekte wie z.B. Straßenprojekten, welche eine komplexe
Verknüpfung von großflächigen und hochauflösenden Rasterdaten, hochauflösenden digitalen Gelände/Oberflächenmodellen und konstruktiven Elementen wie z.B. Brücken oder
Tunnelportalen ermöglichen.
Zusammenfassend bieten die beschriebenen Werkzeuge eine Fülle an Funktionalität. Um
jedoch den stark steigenden Ansprüchen an 3D-Visualisierungen entgegenzukommen,
müsste eine intensivere Softwareentwicklung einsetzen als dies derzeit beobachtbar ist.
Abb. 1:
Ausschnitt aus einer Animation des Durchbrowsens von einer globalen Sicht bis
zu einem Veranstaltungsort. Realisierung mit ArcGlobe.
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Abb. 2:
Ausschnitt aus einer Darstellung der Topographie überlagert mit den Waldfunktionen. Realisierung mit ArcGlobe.
Abb. 3:
Ausschnitt einer photorealistischen Aufbereitung eines Straßenprojektes als
Bürgerinformationssystem. Realisierung mit Viewtec.
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WorldWind von NASA
3.1 Allgemeine Beschreibung
Das Projekt WorldWind wurde ursprünglich von NLT (NASA Learning Technologies)
gestartet, einer Plattform der NASA für die Entwicklung von Unterrichtsapplikationen. Erst
2004 wurde das Projekt veröffentlicht und unter die Open Source Lizenz GPL gestellt. Die
offene Entwicklung von WorldWind wird groß geschrieben und beschränkt sich nicht nur
auf die Programmierung selbst. Alle integrierten (GIS-)Schnittstellen, Konfigurationen und
Datenformate basieren auf etablierten Standards und/oder XML. Dokumentiert und entwickelt wird ebenfalls auf einem für jeden zugänglichen Wiki System. So wie bei vielen ande-
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ren Open Source Projekten auch, hat diese Philosophie große Vorteile, vor allem für jene,
die an einer Integration eigener Daten und der Erweiterbarkeit des Systems an sich interessiert sind. Im Gegensatz zu den andern vergleichbaren proprietären 3D-Viewern liegt das
Anwendungsgebiet daher eher im wissenschaftlichen, als im kommerziellen Bereich.
3.2 Standards und offene Schnittstellen
Bis dato gibt es keine offenen Standards die eine performante Integration von Rasterdaten
in die neue Generation der 3D-Viewer zulassen. WorldWind behilft sich mit der WMS
(web map server) Schnittstelle, die zwar ausschließlich für 2D Applikationen konzipiert
wurde, aber durchaus auch in der 3D-Welt Verwendung finden kann. Im Vektorbereich
geht WorldWind ebenfalls in Richtung OGC Standards. Eine Implementierung der WFS
(web feature server) Schnittstelle ist in Bearbeitung. Prinzipiell sind alle Konfigurationen in
WorldWind über XML realisiert. Mit jedem einfachen Texteditor können so beispielsweise
neue Layer angelegt, Daten integriert und symbolisiert oder Scripts zur Animation erstellt
und validiert werden.
3.2.1 WMS Integration
WorldWind bietet eine direkte Schnittstelle für die Integration von WMS Diensten an.
Zwar ist die Einbindung von WMS bei GE über die sogenannten „Network Links“ möglich,
aber leider sehr fehleranfällig und schlecht in der Performance. WorldWind hat einen Weg
gefunden mit dem sich diese Dienste sehr einfach einbinden, und bei entsprechender Cache
Größe, auch schnell anzeigen lassen. Im Gegensatz zu den Network Links in GE lädt
WorldWind Kacheln mit gleicher Ausdehnung vom WMS, und legt diese im Cache ab.
Dabei werden die Daten in das DirectDraw Surface Format (DDS) konvertiert. Dieses Rasterdatenformat wurde von Microsoft speziell für die DirectX SDK entwickelt. Es war ursprünglich für die Verwendung in Echtzeit-Renderingapplikationen wie beispielsweise 3DSpielen gedacht. DDS bietet allerdings keine Kompressionsmöglichkeiten wodurch die
Daten im Cache sehr schnell ein nicht unerhebliches Ausmaß erreichen.
3.2.2 Einbindung lokaler Geodaten
Ab der neuen Version 1.3.4 ist es nun auch möglich, lokal vorliegende Geodaten zu integrieren. Ein Shapfile Importer ermöglicht ein rudimentäres Einbinden und Symbolisieren
von ESRI Shapefiles. Die Symbolisierung wird über eine XML Schnittstelle definiert, wobei die Struktur und die Möglichkeiten sehr einfach und beschränkt sind. In Hinblick auf
die WFS Integration wäre es wünschenswert, wenn diese in Zukunft mittels SLD (styled
layer descriptor) oder eines ähnlichen OGC Standards definiert werden könnten. Momentan
wird die Symbolisierung in den jeweiligen 3D-Viewer proprietär beschrieben, da es bis
jetzt noch keinen kartographischen Standard gibt, der für solche Anwendungen geeignet
wäre. Der SLD ist für diese Zwecke nicht optimal, da er noch zu stark an den WFS gebunden ist. Das OGC arbeitet allerdings momentan an einer vollständigen Überarbeitung dieser
Schnittstelle was für die Zukunft hoffen lässt.
Auch KML ist eine proprietäre Schnittstelle, die unter anderem nun auch von WorldWind
zum Teil unterstützt wird. Die „Placemarks“ werden mit den Google eigenen Symbolen in
die Karte gesetzt.
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T. Ebert, A. Mallinger-Hohensinn und P. Sykora
3.2.3 Plug-Ins – AddOns
Eine der ganz großen Stärken von WorldWind ist seine Erweiterbarkeit durch Plug-Ins oder
AddOns. Viele Funktionalitäten die in GE kostenpflichtig sind, wie zum Beispiel eine GPS
Anbindung oder der Export von Filmen, wurden von der Open Source Gemeinde in Form
von Plug-Ins zur Verfügung gestellt.
3.2.3.1 Scripts
WorldWind Scripts ermöglichen das Definieren von Animationen. Sämtliche Parameter,
von der Position bis hin zu den darzustellenden Daten und der zeitlichen Steuerung, können
hier definiert werden. In Kombination mit dem Plug-In „MovieRecorder“ ist es möglich,
Einzelbilder zu erzeugen und diese in einen Film umzuwandeln.
3.2.3.2 Fazit
WorldWind zeigt vor wie Open Source Projekte aussehen sollen. Eine aktive Community
treibt dieses Projekt voran und forciert dabei die vorhandenen Standards die für eine derartige Applikation sinnvoll erscheinen.
Abb. 4:
Blick auf Linz, mit und ohne überlagertem WMS-Orthophoto
Abb. 5:
Aktuelle Wetterdaten eines WMS Dienstes als transparenter Layer
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GoogleEarth
4.1 Allgemeine Beschreibung
GoogleEarth ist ein freier „3D-Geobrowser“ der Google Inc. der ursprünglich von der Keyhole Corp. entwickelt wurde. Diese Firma wurde im Oktober 2004 von Google aufgekauft.
Im Februar 2005 hat Google den Dienst GoogleMaps gestartet und im Juni 2005 dann
GoogleEarth. Seither vergehen kaum Wochen, ohne dass unterschiedlichste Medien – von
Fachzeitschriften bis zu TV-Sendungen – über diese 3D-Visualisierungssoftware berichten.
Mit dieser Software können Satelliten- und Luftbilder unterschiedlicher Auflösung mit
Geodaten überlagert und auf einem digitalen Höhenmodell dargestellt werden. Es bestehen
darin umfangreiche Navigations- und Suchmöglichkeiten, die bereits in der kostenlosen
Basisversion enthalten sind. Daneben gibt es mit GooglEarthPlus und GoogleEarthPro zwei
kostenpflichtige Varianten, die zusätzliche Import- und Export-Funktionalitäten beinhalten.
Eine Enterprise Version (inkl. Serverfunktionalitäten) für Geschäftskunden rundet das Angebot ab.
Mit dem Auftritt von Google am Geoinformationsmarkt hat das öffentliche Interesse an
Geodaten und -diensten enorm zugenommen. Vor allem stieg damit auch die Nachfrage
nach qualitativ hochwertigen Geodiensten auf Basis offener Schnittstellen rasant an, da die
in GoogleEarth verfügbaren Datengrundlagen zumeist unterschiedlichster Auflösung, Aktualität, Qualität und räumlicher Vollständigkeit sind. Dies sind u.a. die Stärken der nationalen Geodateninfrastrukturen der Länder. Daher ist die Integration benutzerdefinierter
Inhalte aus unterschiedlichen Quellen auf Basis internationaler Standard von großem Interesse. Damit kann der Nutzen wesentlich gesteigert werden.
4.2 Standards und offene Schnittstellen
Ebenso wie bei WorldWind gibt es bis dato bei GoogleEarth keine offenen Standards, die
eine performante Integration von Rasterdaten zulassen. Zwar ist über sogenannte Reflektorscripts die Einbindung von WMS-Diensten möglich, jedoch ist dabei nur eine sehr eingeschränkte 3D-Navigation möglich, da jede Änderung der Perspektive ein Nachladen der
Daten über den WMS-Dienst erforderlich macht. Das Datenaustauschformat von
GoogleEarth ist eine XML-basierte MarkupLanguage (KML), die sich auch in komprimierter Form als KMZ (zip) speichern lässt. Damit werden nicht nur die Geometrie und der
Raumbezug der Objekte beschrieben (ähnlich GML), sondern auch zusätzliche Informationen über die Darstellung bzw. Symbolisierung der Objekte gespeichert.
4.2.1 WMS Integration
Die Einbindung von WMS ist wie oben beschrieben bei GoogleEarth über sogenannte Reflektorscripts als „Network Link“ möglich, aber äußerst schlecht in der Performance, da
WMS-Dienste in erster Linie für 2D-Abfragen ausgelegt sind. Dabei wird von der Ausgabe
des WMS-Servers ein Script angestoßen, das den WMS-Output in KML/KMZ konvertiert
und an GoogleEarth zur Darstellung weitergibt. Diese OGC konformen WMS müssen
WGS84 als Referenzsystem unterstützen.
Im Gegensatz zu WorldWind ist kein „intelligentes“ WMS-Caching (Tiling) realisiert,
sodass auch keine Offline-Visualisierung von Daten der WMS-Network-Links möglich ist.
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4.2.2 Einbindung lokaler Geodaten
Lokale Geodaten (Punkte, Linien, Flächen) können in der kostenlosen Basisversion als
KML/KMZ-Files oder als GPX/LOC(GPS-Logfiles) direkt in GoogleEarth visualisiert
werden. Auch ist der Import von Image-Files (JPG/TIF/PNG/etc.) möglich. Diese sind
jedoch für eine Verwendung erst zu georeferenzieren. Die kostenpflichtigen Versionen
ermöglichen u.a. auch den Import von ESRI Shape-Files.
Mit frei verfügbaren Scripts ist es aber auch möglich aus diversen GIS-Programmen
KML/KMZ-Files zu exportieren und in GoogleEarth darzustellen bzw. auch noch weiter zu
bearbeiten (z.B. Änderung der Symbolisierung, Flächen- und Liniendarstellung etc.). Im
Gegensatz zu WorldWind ist es möglich, aus 3D-Programmen wie z.B. Studio Max 3DObjekte (z.B. Gebäude) in KML zu exportieren.
4.2.3 Plug-Ins – AddOns
Mit den kostenpflichtigen Versionen GoogleEarthPlus und GoogleEarthPro stehen dem
Benutzer für $20,– bzw. $400,– zusätzliche Funktionen wie GPS-Support, Import von Shape-Files, Exportieren von Touren als Video-Datei, Speichern von hochauflösenden Images,
etc. zur Verfügung. Diese Funktionalitäten bietet WorldWind als kostenlose AddOns.
4.3 Fazit
GoogleEarth belebt den Geoinformationsmarkt mit seinem Geobrowser enorm, bietet aber
für eine profesionellen Einsatz im GIS-Umfeld einerseits (noch) zuwenig Positionsgenauigkeit, andererseits fehlen neben offenen Schnittstellen grundlegende Analyse- und Visualisierungsmöglichkeiten (Selektion, Puffer, etc.).
Für die Veröffentlichung von Geodaten scheint eine mehrgleisige Strategie sinnvoll zu
sein; denn mit der größeren Verbreitung von diversen Planeten-Browsern wie GoogleEarth,
WorldWind, ESRI ArcGIS Explorer (angekündigt für Mitte 2006 mit ArcGIS 9.2) etc. stieg
auch das Interesse, aktuelle Geobasis- und Geofachdaten entsprechend aufbereitet zur Verfügung zu haben.
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Abb. 6:
Linz-Marathon-Strecken 2006 mit Farborthophotos des Landes Oberösterreich
(http://doris.ooe.gv.at/marathon/)
Abb. 7:
KML-Linkgenerator für alle Gemeinden Oberösterreichs mit Verlinkung zum
bestehenden Internetangebot und Mapping-Anwendungen des Landes Oberösterreich (http://doris.ooe.gv.at/gemeinden/codegenerator_google.asp)
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5
Ausblick
Die heißen Diskussionen die in der Fachwelt nun losgebrochen sind, zeigen, dass die Entwicklungen rund um diese 3D-Browser sehr ernst genommen werden. Auch für uns als
Dienstleister für Geodaten und -services stellt sich die Frage wie man darauf reagieren soll
oder muss. Durch die jetzt schon große Verbreitung dieser Applikationen entsteht ein gewisser öffentlicher Druck, auch für diese neue Technologie Daten und Services anzubieten.
Mithilfe von offenen Schnittstellen aus dem Web Bereich (WMS, WFS) und proprietärer,
aber dennoch textbasierter Formate (KML, Scripts für WorldWind, ...) lassen sich jetzt
schon mit relativ wenig Aufwand externe Daten in diese Systeme integrieren. Auch wenn
damit wesentliche Einbußen in der Performance einhergehen, ist es doch ein notwendiger
Schritt um dem Anwender vor Augen zu führen, dass solche Systeme auf Daten aus anderen Quellen angewiesen sind. Jedes GIS ist nur so gut wie dessen Daten, dies gilt natürlich
auch im 3D-Bereich. Selbst Google wird es nicht schaffen alle Geodaten dieser Welt aufzukaufen, zu aktualisieren und harmonisieren. Auch diese Unternehmen werden in Zukunft
auf externe Quellen angewiesen sein und hoffentlich bald in geeignete offene Schnittstellen
investieren.
Literatur
GORE, A. (1998): The Digital Earth: Understanding our planet in the 21st Century.
http://www.digitalearth.gov/VP19980131.html.
WILK, C (2005): Welt in Händen – Arbeiten mit Google Earth und World Wind. In: iX,
Heft 12, S. 50-62.
Internetverweise
DDS, http://www.modwiki.net/wiki/DDS_(file_format)
ESRI ArcGIS Explorer, http://www.esri.com/software/arcgis/explorer/index.html
GoogleEarth, http://earth.google.com/
GoogleEarth Community, http://bbs.keyhole.com
Land OÖ Geoinformation – DORIS (Beispielanwendungen für GoogleEarth):
• Linz-Marathon-Strecke: http://doris.ooe.gv.at/marathon/
• Oberösterreichs Almen: http://doris.ooe.gv.at/almanach/almen.kml
• Gemeinde-Infos: http://doris.ooe.gv.at/gemeinden/codegenerator_google.asp
NASA World Wind, http://worldwind.arc.nasa.gov/
OpenGIS documents, http://www.opengeospatial.org/specs/
World Wind Wiki, http://www.worldwindcentral.com/wiki/3.2