Entwicklung von Arbeitsabläufen zur automatischen Erstellung von interaktiven, vektorbasierten topographischen 3D-Karten

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1 Research Collection Doctoral Thesis Entwicklung von Arbeitsabläufen zur automatischen Erstellung von interaktiven, vektorbasierten topographischen 3D-Karten Author(s): Terribilini, Andrea Publication Date: 2001 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 DISS. ETH Nr Entwicklung von Arbeitsabläufen zur automatischen Erstellung von interaktiven, vektorbasierten topographischen 3D-Karten ABHANDLUNG Zur Erlangung des Titels DOKTOR DER TECHNISCHEN WISSENSCHAFTEN der EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZÜRICH vorgelegt von Andrea Terribilini Dipl. Kult. Ing. ETH geboren am 27. März 1973 von Vergeletto/TI Angenommen auf Antrag von: Prof. Dr. Lorenz Hurni, Referent Prof. Dr. Alessandro Carosio, Korreferent 2001

3 Zusammenfassung 1 ZUSAMMENFASSUNG Die vorliegende Arbeit ist am Institut für Kartographie der ETH Zürich unter der Leitung von Prof. Dr. Lorenz Hurni entstanden. Ziel des Projektes war die Erforschung und Entwicklung von Arbeitsmethoden zur Erstellung von sogenannten «topographischen 3D-Karten» mit hochstehender kartographischer Qualität sowie die Implementierung eines Softwaresystems für Desktop-Computer zur automatisierten Generierung und zur interaktiven Visualisierung solcher Topographischer 3D-Karten. Die Vorteile einer interaktiven Topographischen 3D-Karte sind offensichtlich. Solche Karten kennen keine thematischen, räumlichen und zeitlichen Grenzen. In einer traditionellen topographischen Karte wird die Information dem Kartenleser im Grundriss präsentiert. Es handelt sich für die meisten Kartenleser um eine eher ungewohnte Art, die Landschaft zu betrachten. Es ist schwierig für den Kartenleser, den Inhalt einer traditionellen topographischen Karte mit der Realität zu verknüpfen. Der Grund liegt in der völlig unterschiedlichen Blickgeometrie (Blickpunkt und Projektion), welche in den beiden Darstellungen zur Anwendung kommen. Topographische 3D-Karten erlauben dank der frei wählbaren Betrachterposition, die Landschaft in einer für unser Wahrnehmungssystem gewohnten dreidimensionalen Form und aus einer optimalen Position zu betrachten. Aus diesem Grund sind sie intuitiver und leichter zu verstehen als traditionelle topographische Karten. Sie bieten aber nicht nur Vorteile. In einer 3D-Karte ist immer mit Verdeckungen, welche die Sichtbarkeit begrenzen, und Verzerrungen, welche das direkte Ablesen von Grössen und Proportionen erschweren, zu rechnen. Diese Arbeit ist in zwei Teile strukturiert. In den Kapiteln 1 bis 8 werden die theoretischen Grundlagen vermittelt, um das entwickelte TINx-System zur Modellierung und Visualisierung von Topographischen 3D-Karten zu verstehen. Es werden die verschiedenen Arbeitsmethoden zur Erstellung von Topographischen 3D-Karten analysiert und die Grundlagen zur Modellierung von dreidimensionalen Geodaten sowie die Grundlagen der räumlichen Wahrnehmung aufgezeigt. Die verschiedenen Techniken der 3D-Visualisierung werden ebenfalls ausführlich behandelt. Ziel dieses ersten Teils ist die Analyse der möglichen Techniken zur Erstellung von Topographischen 3D-Karten, sowie die Entwicklung eines optimierten Verfahrens, um qualitativ hochstehende Karten zu erstellen. Dabei wird die Geländeoberfläche in Geo-Objekte mit eigener Geometrie und Thematik organisiert. Das «Aussehen» (Farbe, Form, Orientierung, usw.) jedes Geo-Objektes wird erst bei der Visualisierung, entsprechend den gestellten Anforderungen, definiert. Die Trennung zw i- schen Datenbestand und Symbolisierung erlaubt eine flexible Gestaltung der Karten. Aus demselben Datenbestand lassen sich somit beliebige, anwendungsspezifische Karten erstellen. Im zweiten Teil der Arbeit werden verschiedene Aspekte des implementierten TINx- Systems beschrieben. Es werden vor allem die technischen Aspekte behandelt, welche zur Entstehung eines effizienten Systems beigetragen haben. Das System läuft auf Desktop Computer ohne spezielle Hardware- oder Software-Anforderungen. Es erlaubt eine objekt-

4 Zusammenfassung 2 basierte Modellierung der Geländeoberfläche, die Erstellung von qualitativ hochstehenden Topographischen 3D-Karten und die Möglichkeit interaktiv durch das Kartenmodell zu navigieren. Das System wurde für grosse Gebiete der Schweiz getestet. Dafür sind die zweidimensionalen Landschaftsmodelle VECTOR25 und VECTOR200 sowie das digitale Geländemodell der Schweiz DHM25 des Bundesamt für Landestopographie verwendet worden. In Kapitel 9 werden die erzielten Ergebnisse präsentiert und kommentiert sowie Schlussfolgerungen und Ausblick auf mögliche weitere Entwicklungen gegeben.

5 Abstract 3 ABSTRACT The following project was conducted at the Institute of Cartography of the Swiss Federal Institute of Technology Zurich under the guidance of Prof. Dr. Lorenz Hurni. The project s objectives consisted in investigating and developing methods to generate high quality topographic three-dimensional maps as well as in implementing a software system for desktop computers to automatically generate such maps and to allow their interactive visualization. The advantages of interactive topographic three-dimensional maps are self-evident. Quite contrary to traditional maps, they are not subject to any thematic, spatial or temporal restrictions. Traditional maps present themselves as ground plans from a bird s eye view which is a quite unfamiliar perspective to perceive a landscape for the unaccustomed reader. Establishing the connection between a traditional topographic map s content and reality is a major obstacle for the reader, originating in the very different geometry of observation (viewer position and projection) that characterize the two representation methods. By allowing the reader to chose the point of observation, topographic threedimensional maps offer the possibility to grasp the landscape from an ideal angle and in a way that comes very close to human spatial perception, making understanding easier and more intuitive than traditional topographic maps. Disadvantages of three dimensional topographic maps are restricted visibility, resulting from occlusions and distortions which make it hard to interpret sizes and proportions. This report is divided into two parts. Chapters 1 through 8 present the basic theoretical knowledge that is necessary to understand the developed TINx-system to generate topographic three-dimensional maps. The different working methods to generate such maps are analyzed and foundations of three-dimensional data modeling, visualization techniques as well as a basic human perception concepts are presented. The objective of this first part is the analysis of possible techniques to create topographic three-dimensional maps and the development of an optimized procedure to produce high quality maps. The terrain surface has been organized into objects that have their own geometry and theme. The appearance (color, form, orientation etc.) of each object will not be determined until the visualization phase has been reached and has to correspond to the specified demands. The separation between data set and symbolization allows a flexible map design. Different maps can be created from the same set of data in accordance to the envisioned use of the map. The second part of the study treats various technical aspects of the developed TINxsystem. The emphasis is on the description of these aspects that contributed to the deve l- opment of an efficient system, running on desktop computers without specific hardware or software requirements. The system allows an object-based modeling of the terrain surface, the creation of high quality topographic three dimensional maps and the possibility to interactively navigate through the map model. So far it has been tested for large areas in Switzerland using two-dimensional landscape models (VECTOR25 and VECTOR200 and the digital terrain model of Switzerland DHM25 from the Swiss Federal Office of Topo-

6 Abstract 4 graphy). Chapter 9 presents and comments on the results of the study, draws conclusions and pursues possible further development in the near future.