Beitdige zur Graphischen Datenverarbeitung. Herausgeber: Zentrum fur Graphische Datenverarbeitung e.y. Darmstadt (ZGDV)

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1 Beitdige zur Graphischen Datenverarbeitung Herausgeber: Zentrum fur Graphische Datenverarbeitung e.y. Darmstadt (ZGDV)

2 Springer Berlin Heidelberg New York Barcelona Budapest Hongkong London Mailand Paris Santa Clara Singapur Tokio

3 Florian Schroder Visualisierung meteorologischer Daten Mit 107 Abbildungen, davon 7 in Farbe Springer

4 Reihenherausgeber ZGDV, Zentrum fur Graphische Datenverarbeitung e. V. WilhelminenstraBe 7, D Darmstadt Autor Florian Schroder Fraunhofer-Institut fiir Graphische Datenverarbeitung Projektbereich Visualisierung Abt. Visualisierung und VR WilhelminenstraBe 7, D Darmstadt Diese Ausgabe enthlilt die im Jahr 1996 an der Technischen Hochschule in Darmstadt, Fachbereich Informatik, unter dem Titel Ein offenes Rahmensystem zur Visualisierung meteorologischer Daten genehmigte Dissertation (Hochschulkennziffer 017). ISBN-13: Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Schroder, Florian: Visualisierung meteorologischer DatenlFIorian Schroder. - Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hongkong ; London; Mailand ; Paris; Santa Clara; Singapur ; Tokio; Springer, 1997 (Beitriige zur graphischen Datenverarbeitung) ISBN-13: e-isbn-13: DOl: / Dieses Werkist utheberrechtiich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entuahme von Abbildungen und Tabe\len, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der VervielfaItigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfiiltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urlteberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zullissig. Sie ist grundslitzlich vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnarnen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dab solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden diirften. Satz: Reproduktionsfertige Vorlage vom Autor Umschlagmotiv: Hessischer Rundfunk Umschlaggestaltung: design & production GmbH, Heidelberg SPIN / Gedruckt auf sliurefreiem Papier

5 Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand wahrend meiner Tatigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fraunhofer-Institut fiir Graphische Datenverarbeitung. An dieser Stelle m6chte ich mich bei all denen bedanken, die am Gelingen dieser Arbeit beteiligt waren. Mein besonderer Dank gilt dabei Herrn Professor Dr. J. L. Encarnacrao fur das Uberlassen des interessanten Themas sowie fur seine fachliche und moralische Unterstiitzung. Herrn Professor Dr. GroG danke ich fur die Ubernahme des Korreferats. Ferner gilt mein Dank Herrn H. J. Koppert yom Deutschen Wetterdienst fiir die stiindige qualifizierte Begleitung des Projektes und fiir die Unterstiitzung in meteorologischen Fragen. Auch bei den Kollegen im Fraunhofer-Institut fur Graphische Datenverarbeitung, im Zentrum fur Graphische Datenverarbeitung und im Fachgebiet Graphisch Interaktive Systeme der Technischen Hochschule Darmstadt mochte ich mich fiir die gute Zusammenarbeit bedanken. Besonders hervorheben mochte ich hierbei meinen ehemaligen langjahrigen Abteilungsleiter Herrn Dr. M. Gobel sowie meine Kollegin Frau H. Aftahi, die beide einen sehr wesentlichen Teil zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Mein Dank gilt auch den Kollegen Herrn Dr. G. Sakas und Frau M. Lux fiir ihre wertvolle Hilfe. Des weiteren danke ich allen Studenten, die im Rahmen von Praktika und Diplomarbeiten oder als wissenschaftliche Hilfskriifte meine Arbeit wesentlich unterstutzt haben: S. Ak, M. Bock, P. Fritzen, U. Kaiser, P. RoGbach und J. Weidenhausen. Die Daten zu den Abbildungen in dieser Arbeit stammen yom Deutschen Wetterdienst, Abteilung Entwicklung und Anwendung (ehemals Referat W3) des Zentralamtes in Offenbach. Meinen Eltern bin ich dankbar fiir alles, was sie fiir meine Bildung getan haben und mein besonderer Dank gilt natiirlich auch Ute fur ihre Unterstiitzung und Geduld. Vieles wurde dadurch leichter. Florian Schrooer Darmstadt, im Oktober 1996

6 Inhaltsverzeichnis Teil I: Einfiihrung 1 Einleitung 1.1 Wissenschaftlich-technische Visualisierung 1.2 Visualisierung in der Meteorologie Aufgabenstellung und Zielsetzung der Arbeit Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse Gliederung und Struktur 7 2 Meteorologische Daten und Simulationsmodelle Eingangsdaten Modelle Das Globalmodell Das Europamodell Das Deutschlandmodell Physikalische Parametrisierung Das Modellgitter des Europamodells Horizontale Gitteraufteilung Vertikale Gitteraufteilung Berechnete und abgeleitete Daten Bedeutung der Computergraphik fur die Meteorologie 19 Teil II: Stand der Technik 3 Visualisierungstechniken Klassifizierung verfiigbarer Visualisierungstechniken Visualisierungstechniken fiir skalare Daten Zweidimensionale skalare Daten Dreidimensionale skalare Daten Visualisierungstechniken fur Vektordaten Visualisierungstechniken fur multivariate Daten 30

7 VIII 4 Visualisierungssysteme Monolithische Turnkeysysteme ISVAS3 und ICV des Fraunhofer-IGD McIDAS der University of Wisconsin-Madison VIS5D der University of Wisconsin-Madison MeteoVis der Tsinghua-Universitat IGS, MAP und Diagnose des DWD Triton i7 von Kavouras Accu Weather Nimbus von SINTEF / Metaphor Systems Earth Watch WEA THERproducer von WSI Weather News International DatenfluBorientierte Application Builder ape AVS IRIS Explorer Khoros Diskussion 58 Teil III: Neuartige Verfahren und Aspekte 5 Interaktion in Visualisierungssystemen Interaktion als Hilfe zur Wahmehmung Verstehen der Daten Semantische Interaktion in datenfluborientierten Systemen Interaktionstypen Konzept der semantischen Interaktion Der Eingabe-Anwort-Zyklus Die Visualization-lnput~Pipeline Realisierung und Ergebnisse Zusammenfassung 72 6 Zeit in der Visualisierung Motivation fur eine umfassende Zeitkontrolle Was ist Zeit? Modellierung der Zeit als 4. Dimension Konzepte zur Zeitkontrolle Mathematische Handhabung der Zeitkontrolle Abschatzung von Bildgenerierungszeiten Interpolation in der Zeit Zeitkontrolle durch den Anwender Austausch von einer Raum- und der Zeitachse Architektur und Schnittstelle 83

8 IX Das Animationsmodul Die Schnittstelle zum Visualisierungssystem Zusammenfassung und Ergebnisse 86 7 Kontextabhangigkeit der Visualisierung meteorologischer Daten Geographischer Kontext Beriicksichtigung des geographischen Kontextes Bewiiltigung der Komplexitiit von digitalen Gelandemodellen Zeitkontext Zielgruppe der Visualisierung 106 Teil IV: Visualisierung fur Meteorologen und Laien 8 Das Visualisierungssystem RASSIN EinfUhrung Simulationsmodelle und Datentypen Skalare Daten Vektordaten Multivariate Daten Modellgitter Berechnung der horizontalen Koordinaten Berechnung der Vertikalkoordinaten Datenverwaltung Interne Datenklassen Das zentrale Datenverwaltungsmodul Schnittstellen des Datenverwaltungsmoduls Beriicksichtigung des Datenkontextes Geographischer Kontext Zeitlicher Kontext Realisierte Visualisierungstechniken Rea1isierte Verfahren fur skalare Daten Realisierte Verfahren fur Vektordaten Realisierte Verfahren fur multivariate Daten Darstellung des Datengitters Benutzerschnittstelle und Interaktion Laden der Daten Zugriff auf die Parameter der Visualisierungstechniken Interaktive Navigation im Datenraum Wahl des Kontextes Werkzeug zur wissenschaftlich-technischen Animation Benutzerschnittstelle Benutzerinformationen Umfassende Zeitkontrolle Zusammenfassung und Ergebnisse 144

9 X 9 Das Visualisierungssystem TriVis 9.1 EinfUhrnng 9.2 Simulationsmodelle und Datentypen Meteorologische Daten Geographische Kontextdaten 9.3 Interpolation 9.4 Visualisierung meteorologischer Daten fur Laien Hintergrundkarte Wolkenobjekte Farbtabellen fur skalare Daten Dynamik Piktogramme Vektorfelder Weiterhin erforderliche wahmebmungspsychologische Arbeiten 9.5 Zweidimensionale Visualisierungsverfahren Satelliten- und Radardaten Skalare Daten Wolkendaten Niederschliige Zusiitzliche Informationen 9.6 Dreidimensionale Visualisierungsverfahren Satellitendaten Skalare Daten Realistische dreidimensionale Wolken Niederschliige und Gewitter Winddaten Zusiitzliche Informationen Renderingtechniken 9.7 Priisentationskonzepte fur 3D TV-Wetter Ziele einer 3D TV-Wetterpriisentation Redaktionelle Konzepte 9.8 Systemarchitektur 9.9 Bedienungsoberfliiche 9.10 Anwendungen von TriVis Einsatz im TV-Bereich Einsatz bei Weather-on-Demand 9.11 Zusarnmenfassung und Ausblick Teil V: Integration, Bedienung Bedienungsoberfliichen fur meteorologische Visualisierungssysteme Ergonomische graphische Bedienungsoberfliichen Aufgabenangemessenheit

10 XI Selbstbeschreibungsfahigkeit Steuerbarkeit Erwartungskonformitiit (Konsistenz) Fehlerrobustheit 10.2 Modelle fur Anwenderprofile und Systemanalysen Der VDI-Modellrahmen und seine Abstraktionsebenen Das Handlungsmodell Das Anwendungsmodell 10.3 Anwendung der Modelle bei meteorologischen Applikationen Visualisierungsaufgaben im operationellen Betrieb des DWD Das Benutzermodell im operationellen Betrieb des DWD Das Handlungsmodell im operationellen Betrieb des DWD 10.4 Konzept einer optimalen Bedienungsoberflache Spezielle Anforderungen Beschreibung des Konzeptes Autbau der Bedienungsoberflache Systemnavigation am Beispiel eines Visualisierungsschrittes Realisierung des Konzepts 10.5 Zusammenfassung und Ausblick 11 Das Rahmensystem zur Visualisierung meteorologischer Daten 11.1 RASSIN und TriVis als Komponenten des Rahmensystems 11.2 Ein offenes System 11.3 Schnittstellen des offenen Rahmensystems Teil VI: Schlu8betrachtungen 12 Anwendung und Bewertung des Systems 12.1 RASSIN 12.2 TriVis 13 Zusammenfassung und Ausblick 14 Literaturverzeichnis Farbteil