Visualisierung meteorologischer Daten

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1 Florian Schröder Visualisierung meteorologischer Daten Mit 107 Abbildungen, davon 7 in Farbe Springer

2 Inhaltsverzeichnis Teil I: Einführung Einleitung Wissenschaftlich-technische Visualisierung Visualisierung in der Meteorologie Aufgabenstellung und Zielsetzung der Arbeit Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse Gliederung und Struktur 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 für die Meteorologie Teil II: Stand der Technik 3 Visualisierungstechniken Klassifizierung verfügbarer Visualisierungstechniken Visualisierungstechniken für skalare Daten Zweidimensionale skalare Daten Dreidimensionale skalare Daten Visualisierungstechniken für Vektordaten Visualisierungstechniken für multivariate Daten 30

3 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-Universität IGS, MAP und Diagnose des DWD Triton i7 von Kavouras Accu Weather Nimbus von SINTEF / Metaphor Systems EarthWatch WEATHERproducer von WSI Weather News International Datenflußorientierte Application Builder ape AVS IRIS Explorer Khoros Diskussion 58 Teil III: Neuartige Verfahren und Aspekte 5 Interaktion in Visualisierangssystemen Interaktion als Hilfe zur Wahrnehmung Verstehen der Daten Semantische Interaktion in datenflußorientierten Systemen Interaktionstypen Konzept der semantischen Interaktion Der Eingabe-Anwort-Zyklus Die Visualization-Input-Pipeline Realisierung und Ergebnisse Zusammenfassung 72 6 Zeit in der Visualisierung Motivation für eine umfassende Zeitkontrolle Was ist Zeit? Modellierung der Zeit als 4. Dimension Konzepte zur Zeitkontrolle Mathematische Handhabung der Zeitkontrolle Abschätzung von Bildgenerierungszeiten Interpolation in der Zeit Zeitkontrolle durch den Anwender Austausch von einer Raum- und der Zeitachse Architektur und Schnittstelle 83

4 6.5.1 Das Animationsmodul Die Schnittstelle zum Visualisierungssystem Zusammenfassung und Ergebnisse 86 7 Kontextabhängigkeit der Visualisierung meteorologischer Daten Geographischer Kontext Berücksichtigung des geographischen Kontextes Bewältigung der Komplexität von digitalen Geländemodellen Zeitkontext Zielgruppe der Visualisierung 106 IX Teil IV: Visualisierung für Meteorologen und Laien Das Visualisierungssystem RASSIN Einführung 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 Berücksichtigung des Datenkontextes Geographischer Kontext Zeiüicher Kontext Realisierte Visualisierungstechniken Realisierte Verfahren für skalare Daten Realisierte Verfahren für Vektordaten Realisierte Verfahren für 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

5 X Das Visualisierungssystem TriVis Einführung Simulationsmodelle und Datentypen Meteorologische Daten Geographische Kontextdaten Interpolation Visualisierung meteorologischer Daten für Laien Hintergrundkarte Wolkenobjekte Farbtabellen für skalare Daten Dynamik Piktogramme Vektorfelder Weiterhin erforderliche wahrnehmungspsychologische Arbeiten Zweidimensionale Visualisierungsverfahren Satelliten- und Radardaten Skalare Daten Wolkendaten Niederschläge Zusätzliche Informationen Dreidimensionale Visualisierungsverfahren Satellitendaten Skalare Daten Realistische dreidimensionale Wolken Niederschläge und Gewitter Winddaten Zusätzliche Informationen Renderingtechniken Präsentationskonzepte für 3D TV-Wetter Ziele einer 3D TV-Wetterpräsentation Redaktionelle Konzepte Systemarchitektur Bedienungsoberfläche Anwendungen von TriVis Einsatz im TV-Bereich Einsatz bei Weather-on-Demand Zusammenfassung und Ausblick Teil V: Integration, Bedienung 10 Bedienungsoberflächen für meteorologische Visualisierungssysteme Ergonomische graphische Bedienungsoberflächen Aufgabenangemessenheit 191

6 Selbstbeschreibungsfähigkeit Steuerbarkeit Erwartungskonformität (Konsistenz) Fehlerrobustheit Modelle für Anwenderprofile und Systemanalysen Der VDI-Modellrahmen und seine Abstraktionsebenen Das Handlungsmodell Das Anwendungsmodell 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 Konzept einer optimalen Bedienungsoberfläche Spezielle Anforderungen Beschreibung des Konzeptes Aufbau der Bedienungsoberfläche Systemnavigation am Beispiel eines Visualisierungsschrittes Realisierung des Konzepts Zusammenfassung und Ausblick Das Rahmensystem zur Visualisierung meteorologischer Daten RASSIN und TriVis als Komponenten des Rahmensystems Ein offenes System Schnittstellen des offenen Rahmensystems XI Teil VI: Schlußbetrachtungen 12 Anwendung und Bewertung des Systems RASSIN TriVis Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis 225 Farbteil 237