Detaillierte, hybride, homogene und vollautomatisierte

Detaillierte, hybride, homogene und vollautomatisierte
Schummerungen großflächiger Gebiete
Anselm SCHMIEDER
Einleitung
Die moderne Web-Kartographie und der Trend zu weltweit eingesetzten, mobilen Geräten
mit Internet-Zugang erfordern heute homogene, möglichst weltweit verfügbare Kartensätze. Ein wesentlicher Bestandteil solcher 2D-Karten kann eine pseudo-3D-Darstellung der
Topographie in Form einer schattenplastischen Geländedarstellung, auch ‚Schummerung’
genannten Reliefdarstellung sein.
Während viele Desktop-Mapping-Programme zwar schon seit einigen Jahren automatisierte Schummerungen mittels bestimmter Parameter erzeugen können, gibt es jedoch Leistungsgrenzen bei großen Datenmengen und bei der Art und Flexibilität der Endprodukte
bezüglich des Daten- und Karteninhaltes.
Der bei Intermap Technologies entwickelte Hillshader (CSx-tool) kann nicht nur sehr große Mengen von hochaufgelösten, digitalen Höhenmodellen (DHM) verarbeiten, sondern
auch hybride Produkte durch die automatisierte Kombination der Schummerung mit anderen Raster- und/oder Vektordaten, z.B. Luftbildern oder Straßenvektoren erzeugen.
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Verschiedene Varianten zur schattenplastischen
Geländedarstellung
Vor Projektbeginn wurden bisherige teil-manuelle Prozesse im Hause sowie Lösungen von
verschiedenen, auf dem Markt erhältlichen Programmen zum Zwecke einer Machbarkeitsanalyse miteinander verglichen. Dabei stand die Qualität der Geländedarstellung, aber auch
die Produktflexibilität bei den Karteninhalten und den Software-Design-Möglichkeiten von
den verglichenen Varianten ESRI ArcGIS ArcView, Global Mapper, Golden SW Surfer
und Vimage im Vordergrund. Abbildung 1 zeigt die Ergebnisse nebeneinander. Die meisten kommerziellen Programme zeigen sehr ähnliches Verhalten bei der Schräglichtschummerung hochaufgelöster Geländemodelle. Die größten Unterschiede wurden nicht so sehr
in der Qualität der Schummerungen bei vergleichbaren Parametern gefunden, als vielmehr
in der Produktflexibilität und im Design. Eine gewisse Ausnahme machte dabei die Vimage-Anwendung, die durch ihre zahlreichen Schummerungsvarianten auffiel. Besonders die
Kombinationsschummerung aus Schräglicht- und Böschungsschummerung, ähnlich der
auch als ‚swiss method’ bezeichneten Variante, die die Vorteile der beiden Schummerungsarten kombiniert und topographische Details auch noch in Schatten und hellen Bereichen zeigt, fiel dabei positiv auf. Aufgrund der kaum vorhandenen Software-Einbindungsund Weiterentwicklungsmöglichkeiten für den Einsatz in der Massenproduktion für unsere
Zwecke stellte sie aber für uns keine Option dar. Nach dieser Analyse entschieden wir uns
für die Lösung mit dem besten Kosten-Nutzen-Verhältnis für die Entwicklung, was für uns
die erweiterte Global Mapper-Variante war.
A. Schmieder
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Abb. 1:
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Vergleich von Schräglichtschummerungen bei Wahl ähnlicher Parameter einiger
kommerzieller Programme. Von oben links nach unten rechts: ESRI ArcGIS
ArcView, Global Mapper, Golden SW Surfer und Vimage. Die fünfte Variante
ist ‚ausser Konkurrenz’ eine Kombinationsschummerung (Schräglicht mit
Böschungsschummerung) von Vimage.
Architektur und Funktionen des Hillshaders
Da es keine bereits vorrätige Lösung gab, die unseren Anforderungen entsprochen hätte,
lag die Entscheidung nahe, auf Basis einer existierenden Plattform eine Weiterentwicklung
durchzuführen. Daher wurde die Anwendung des Hillshaders speziell entwickelt, um große
Datenmengen in Form von hochaufgelösten DHM-Kacheln zu verarbeiten und somit Geländedarstellungen großflächiger Gebiete in hoher Qualität zu erzeugen. Die Firma Intermap Technologies nutzt hierzu mittels flugzeuggestützter Radarfernerkundung aufgenommene digitale Höhenmodelle.
Um von der Erfahrung anderer Anwendungen zu profitieren, wurde ein hybrider Entwicklungsansatz gewählt, indem auf dem Markt verfügbare mit im Hause entwickelten Komponenten kombiniert wurden.
Ein Schwerpunkt dieser Software-Entwicklung lag bei der vollen Automatisierung der
Produkterzeugung, um eine länder- und kontinentweite, lückenlose Verarbeitung der Daten
zeitnah zu gewährleisten.
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Die Hillshader-Architektur basiert zum großen Teil auf dem SDK (software development
kit) der Global Mapper Software, es werden dessen Schummerungs-Algorithmen verwendet. Daneben werden zur Daten-Konvertierung, -umsetzung und -verarbeitung die GDAL
(Geospatial Data Abstraction Library) und eine C-Bibliothek zur Shapefile-Verarbeitung
(Shapelib) angewendet. Die Integration der Module geschah in der Visual Studio 2005
Entwicklungsumgebung mit Hilfe von den MFC (Microsoft Foundation Classes), siehe
Abbildung 2.
Einen Überblick über den Hillshader-Prozessverlauf zeigt Abbildung 3. Je nach Produktwahl und gewünschten Spezifikationen können bis zu sieben verschiedene Datenquellen
verarbeitet werden. Die minimalen Eingaben sind das DHM, eine Grauwerte bzw. Farbschemadatei und die verwendete Kartenprojektion bei der Wahl des CSR (Color Shaded
Relief) Produktes. Dies kann entweder eine Schwarz-Weiß-Schummerung oder – bei Verwendung einer Farbschemadatei – auch eine Farbschummerung sein. Dabei kann jede beliebige Schwarz-Weiß- oder Farb-Skala verwendet werden, wobei sich sicherlich eine in
etwa der Natur entsprechende Höhenfarbkodierung anbietet, beispielsweise die ImhofSkala. Entscheidend ist dabei auch in jedem Falle, wie viel weitere Kartendaten im Prozessverlauf dazukommen und in wieweit das Hillshader-Endprodukt eventuell hinterher
noch weiterverarbeitet werden soll, das heißt ob und wie viel mehr an Karteninformationen
später hinzugefügt werden.
Falls das Eingabe-DHM gefiltert werden soll, kann ein Smoothing-Filter (Kernel-Größen
3 × 3 bis 9 × 9) angewendet werden. Die Basis-Parameter sind die drei Shading-Parameter
Beleuchtungsrichtung, -höhe und die z-Überhöhung.
Nach der Berechnung der Schummerung kann neben dem CSR auch eine hybride Schummerung, das ESI (Elevation Shaded Image) erzeugt werden. Dazu muss ein in gleicher
Projektion vorhandener Imagelayer vorhanden sein, der mindestens den Bereich des DHMs
abdecken sollte.
Abb. 2:
System-Architektur des CSx-tools (Hillshader)
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A. Schmieder
Dies kann ein beliebiges Luftbild, Satellitenbild oder auch eine Landnutzungsklassifikation sein. Dabei können Transparenzparameter
eingegeben werden, um die Sichtbarkeit der
beiden Ebenen zueinander zu steuern. Rein
technisch wäre auch ein ESI aus einem FarbCSR (z.B. mit farbkodierten Höhenwerten)
und einer Bild-Quelle möglich. Dies ist aber
in der Regel nicht empfehlenswert, da es sich
bei der Bildquelle zumeist um Farb-Szenen
handelt und sich somit die verschiedenen
Farbinformationen -bzw. quellen behindern
würden. Eine Ausnahme könnte ein ESI aus
einem Farb-CSR und Schwarz-Weiß-Luftbildern sein.
Bei Bedarf können im Anschluss noch (evtl.
beschriftete) Vektordaten „eingebrannt“ werden, zum Beispiel ein Straßendatensatz, wodurch letztendlich eine digitale Karte entstehen kann. Wenn das Endprodukt eine bestimmte Kachelung haben soll, die von den
Eingabe-DHM-Kacheln abweicht, kann mittels eines Kachelungsnetzes als Eingabe diese
Kachelung generiert werden (gridding). Um
einen bündigen Abschluss der Image-Daten
mit den DHM-Daten zu gewährleisten, können die überstehenden Daten schließlich noch
abgeschnitten werden (clipping). Das fertige
CSR oder ESI kann konvertierungsfrei in den
Formaten *.img, *.jpg, *.png und *.tif mit und
ohne LZW-Komprimierung ausgegeben werden. Durch detailliertes Logging wird die
abschließende Qualitätskontrolle auf ein Minimum beschränkt, da gezielt auf zu prüfende
Kacheln hingewiesen wird, z.B. bei eventuell
versehentlich fehlender Überlappung der Eingabedaten der Datensätze.
Abb. 3:
Überblick ProzessDesign des CSxtools (Hillshader)
Die Programm-Laufzeiten liegen bei einem
CSR bei etwa 30 Sekunden pro 7.5’ QuadratKachel, bei einem ESI sind es etwa 35 Sekunden, jeweils ohne zusätzliche Vektordaten,
gridding oder clipping.
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Beispiele der Ergebnisse
Mit dem Hillshader können neben Schwarz-Weiß- und Farbschummerungen beliebiger
Farbskalen (CSR) auch ESI-Szenen mit beliebigem Bildmaterial erstellt werden (z.B. Luftbild, Satellitenbild, Landnutzungsklassifikation). Abbildung 4 zeigt neben dem CSR das
ESI des gleichen Ausschnittes, d.h. die Schummerung in Kombination mit einem Farbluftbild, Abbildung 5 ein ESI mit einem Rapid-Eye-Satellitenbild. Ein ESI aus der Schummerung mit einer einfachen Landnutzungsklassifikation in der frei zugängliche Webanwendung MapQuest (digitale Online-Karte) ist schließlich in Abbildung 6 zu sehen.
Abb. 4:
CSR einer NEXTMap Deutschland DGM Kachel (links) und dessen ESI (rechts,
40 % Schummerung, 60 % Farbluftbild (GeoContentTM)) nähe Bad Reichenhall,
Bayern, Deutschland
Abb. 5:
ESI mit NEXTMap USA DOM (digitales Oberflächenmodell) und einer Rapid-Eye-Satellitenbildszene bei Fresno, Kalifornien, USA
A. Schmieder
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Abb. 6:
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MapQuest Internet-Karte mit Intermap’s ESI mit Landnutzungsklassifikation im
Zoomlevel 9 eines Gebietes in Utah, USA – http://www.mapquest.com/
Fazit und Ausblick
Die Stärke des Hillshaders liegt zum einen in der Flexibilität der Wahl der Eingangsdaten
und somit der Erzeugung der vielfältigsten Produkte. Bei Wahl einer hochaufgelösten
DHM-Quelle erlaubt er die Generierung von sehr detaillierten schattenplastischen Geländedarstellungen und hybriden Kartenprodukten für großflächige Gebiete und beseitigt
nahezu den abschließenden, manuellen Aufwand der Qualitätskontrolle durch sehr gezielte
Hinweise, die während der Laufzeit generiert werden, was bei großen Projekten eine erhebliche Kostenreduktion bewirkt. Zum anderen können diese Produkte damit vollautomatisiert und für sehr große Datenmengen und Gebiete erzeugt werden, wodurch die CSR- und
ESI-Massenproduktion für ganze Länder und Kontinente ermöglicht wird.
Für zukünftige Versionen und Erweiterungen des Hillshaders ist geplant, die Anwendung
zur verbesserten Parallelverarbeitung der Kacheln für noch schnellere Gesamtlaufzeiten in
eine neuartige „Factory“ zu migrieren und die Bedienung der Anwendung weiter zu flexibilisieren.
Literatur
BÖHM, R. (2010): Reliefschummerung: Die Vimage-Seite, Bad Schandau. –
http://www.reliefschummerung.de/.
GLOBAL MAPPER SOFTWARE LLC – Webseite (2010): Developers, SDK Features.
http://www.globalmapper.com/.
IMHOF, E. (1965): Kartographische Geländedarstellung. De Gruyter & Co., Berlin.
INTERMAP TECHNOLOGIES (2010): Product Sheet, Elevation Shaded Images. –
https://www1.vtrenz.net/imarkownerfiles/ownerassets/868/ESI%20-%20EMAIL.pdf.
MAPQUEST – Webseite (2010): MapQuest Maps, Driving Directions Map, MapQuest/AOL.
– http://www.mapquest.com/.