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An increasing number of applications requires user interfaces that facilitate the handling of large geodata sets. Using virtual 3D city models, complex geospatial information can be communicated visually in an intuitive way. Therefore, real-time visualization of virtual 3D city models represents a key functionality for interactive exploration, presentation, analysis, and manipulation of geospatial data. This thesis concentrates on the development and implementation of concepts and techniques for real-time city model visualization. It discusses rendering algorithms as well as complementary modeling concepts and interaction techniques. Particularly, the work introduces a new real-time rendering technique to handle city models of high complexity concerning texture size and number of textures. Such models are difficult to handle by current technology, primarily due to two problems: - Limited texture memory: The amount of simultaneously usable texture data is limited by the memory of the graphics hardware. - Limited number of textures: Using several thousand different textures simultaneously causes significant performance problems due to texture switch operations during rendering. The multiresolution texture atlases approach, introduced in this thesis, overcomes both problems. During rendering, it permanently maintains a small set of textures that are sufficient for the current view and the screen resolution available. The efficiency of multiresolution texture atlases is evaluated in performance tests. To summarize, the results demonstrate that the following goals have been achieved: - Real-time rendering becomes possible for 3D scenes whose amount of texture data exceeds the main memory capacity. - Overhead due to texture switches is kept permanently low, so that the number of different textures has no significant effect on the rendering frame rate. Furthermore, this thesis introduces two new approaches for real-time city model visualization that use textures as core visualization elements: - An approach for visualization of thematic information. - An approach for illustrative visualization of 3D city models. Both techniques demonstrate that multiresolution texture atlases provide a basic functionality for the development of new applications and systems in the domain of city model visualization.
Spatio-temporal data denotes a category of data that contains spatial as well as temporal components. For example, time-series of geo-data, thematic maps that change over time, or tracking data of moving entities can be interpreted as spatio-temporal data.
In today's automated world, an increasing number of data sources exist, which constantly generate spatio-temporal data. This includes for example traffic surveillance systems, which gather movement data about human or vehicle movements, remote-sensing systems, which frequently scan our surroundings and produce digital representations of cities and landscapes, as well as sensor networks in different domains, such as logistics, animal behavior study, or climate research.
For the analysis of spatio-temporal data, in addition to automatic statistical and data mining methods, exploratory analysis methods are employed, which are based on interactive visualization. These analysis methods let users explore a data set by interactively manipulating a visualization, thereby employing the human cognitive system and knowledge of the users to find patterns and gain insight into the data.
This thesis describes a software framework for the visualization of spatio-temporal data, which consists of GPU-based techniques to enable the interactive visualization and exploration of large spatio-temporal data sets. The developed techniques include data management, processing, and rendering, facilitating real-time processing and visualization of large geo-temporal data sets. It includes three main contributions:
- Concept and Implementation of a GPU-Based Visualization Pipeline.
The developed visualization methods are based on the concept of a GPU-based visualization pipeline, in which all steps -- processing, mapping, and rendering -- are implemented on the GPU. With this concept, spatio-temporal data is represented directly in GPU memory, using shader programs to process and filter the data, apply mappings to visual properties, and finally generate the geometric representations for a visualization during the rendering process. Data processing, filtering, and mapping are thereby executed in real-time, enabling dynamic control over the mapping and a visualization process which can be controlled interactively by a user.
- Attributed 3D Trajectory Visualization.
A visualization method has been developed for the interactive exploration of large numbers of 3D movement trajectories. The trajectories are visualized in a virtual geographic environment, supporting basic geometries such as lines, ribbons, spheres, or tubes. Interactive mapping can be applied to visualize the values of per-node or per-trajectory attributes, supporting shape, height, size, color, texturing, and animation as visual properties. Using the dynamic mapping system, several kind of visualization methods have been implemented, such as focus+context visualization of trajectories using interactive density maps, and space-time cube visualization to focus on the temporal aspects of individual movements.
- Geographic Network Visualization.
A method for the interactive exploration of geo-referenced networks has been developed, which enables the visualization of large numbers of nodes and edges in a geographic context. Several geographic environments are supported, such as a 3D globe, as well as 2D maps using different map projections, to enable the analysis of networks in different contexts and scales. Interactive filtering, mapping, and selection can be applied to analyze these geographic networks, and visualization methods for specific types of networks, such as coupled 3D networks or temporal networks have been implemented.
As a demonstration of the developed visualization concepts, interactive visualization tools for two distinct use cases have been developed. The first contains the visualization of attributed 3D movement trajectories of airplanes around an airport. It allows users to explore and analyze the trajectories of approaching and departing aircrafts, which have been recorded over the period of a month. By applying the interactive visualization methods for trajectory visualization and interactive density maps, analysts can derive insight from the data, such as common flight paths, regular and irregular patterns, or uncommon incidents such as missed approaches on the airport.
The second use case involves the visualization of climate networks, which are geographic networks in the climate research domain. They represent the dynamics of the climate system using a network structure that expresses statistical interrelationships between different regions. The interactive tool allows climate analysts to explore these large networks, analyzing the network's structure and relating it to the geographic background. Interactive filtering and selection enables them to find patterns in the climate data and identify e.g. clusters in the networks or flow patterns.
Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen virtuelle 3D-Stadtmodelle, die Objekte, Phänomene und Prozesse in urbanen Räumen in digitaler Form repräsentieren. Sie haben sich zu einem Kernthema von Geoinformationssystemen entwickelt und bilden einen zentralen Bestandteil geovirtueller 3D-Welten. Virtuelle 3D-Stadtmodelle finden nicht nur Verwendung als Mittel für Experten in Bereichen wie Stadtplanung, Funknetzplanung, oder Lärmanalyse, sondern auch für allgemeine Nutzer, die realitätsnah dargestellte virtuelle Städte in Bereichen wie Bürgerbeteiligung, Tourismus oder Unterhaltung nutzen und z. B. in Anwendungen wie GoogleEarth eine räumliche Umgebung intuitiv erkunden und durch eigene 3D-Modelle oder zusätzliche Informationen erweitern. Die Erzeugung und Darstellung virtueller 3D-Stadtmodelle besteht aus einer Vielzahl von Prozessschritten, von denen in der vorliegenden Arbeit zwei näher betrachtet werden: Texturierung und Visualisierung. Im Bereich der Texturierung werden Konzepte und Verfahren zur automatischen Ableitung von Fototexturen aus georeferenzierten Schrägluftbildern sowie zur Speicherung oberflächengebundener Daten in virtuellen 3D-Stadtmodellen entwickelt. Im Bereich der Visualisierung werden Konzepte und Verfahren für die multiperspektivische Darstellung sowie für die hochqualitative Darstellung nichtlinearer Projektionen virtueller 3D-Stadtmodelle in interaktiven Systemen vorgestellt. Die automatische Ableitung von Fototexturen aus georeferenzierten Schrägluftbildern ermöglicht die Veredelung vorliegender virtueller 3D-Stadtmodelle. Schrägluftbilder bieten sich zur Texturierung an, da sie einen Großteil der Oberflächen einer Stadt, insbesondere Gebäudefassaden, mit hoher Redundanz erfassen. Das Verfahren extrahiert aus dem verfügbaren Bildmaterial alle Ansichten einer Oberfläche und fügt diese pixelpräzise zu einer Textur zusammen. Durch Anwendung auf alle Oberflächen wird das virtuelle 3D-Stadtmodell flächendeckend texturiert. Der beschriebene Ansatz wurde am Beispiel des offiziellen Berliner 3D-Stadtmodells sowie der in GoogleEarth integrierten Innenstadt von München erprobt. Die Speicherung oberflächengebundener Daten, zu denen auch Texturen zählen, wurde im Kontext von CityGML, einem international standardisierten Datenmodell und Austauschformat für virtuelle 3D-Stadtmodelle, untersucht. Es wird ein Datenmodell auf Basis computergrafischer Konzepte entworfen und in den CityGML-Standard integriert. Dieses Datenmodell richtet sich dabei an praktischen Anwendungsfällen aus und lässt sich domänenübergreifend verwenden. Die interaktive multiperspektivische Darstellung virtueller 3D-Stadtmodelle ergänzt die gewohnte perspektivische Darstellung nahtlos um eine zweite Perspektive mit dem Ziel, den Informationsgehalt der Darstellung zu erhöhen. Diese Art der Darstellung ist durch die Panoramakarten von H. C. Berann inspiriert; Hauptproblem ist die Übertragung des multiperspektivischen Prinzips auf ein interaktives System. Die Arbeit stellt eine technische Umsetzung dieser Darstellung für 3D-Grafikhardware vor und demonstriert die Erweiterung von Vogel- und Fußgängerperspektive. Die hochqualitative Darstellung nichtlinearer Projektionen beschreibt deren Umsetzung auf 3D-Grafikhardware, wobei neben der Bildwiederholrate die Bildqualität das wesentliche Entwicklungskriterium ist. Insbesondere erlauben die beiden vorgestellten Verfahren, dynamische Geometrieverfeinerung und stückweise perspektivische Projektionen, die uneingeschränkte Nutzung aller hardwareseitig verfügbaren, qualitätssteigernden Funktionen wie z.~B. Bildraumgradienten oder anisotroper Texturfilterung. Beide Verfahren sind generisch und unterstützen verschiedene Projektionstypen. Sie ermöglichen die anpassungsfreie Verwendung gängiger computergrafischer Effekte wie Stilisierungsverfahren oder prozeduraler Texturen für nichtlineare Projektionen bei optimaler Bildqualität. Die vorliegende Arbeit beschreibt wesentliche Technologien für die Verarbeitung virtueller 3D-Stadtmodelle: Zum einen lassen sich mit den Ergebnissen der Arbeit Texturen für virtuelle 3D-Stadtmodelle automatisiert herstellen und als eigenständige Attribute in das virtuelle 3D-Stadtmodell einfügen. Somit trägt diese Arbeit dazu bei, die Herstellung und Fortführung texturierter virtueller 3D-Stadtmodelle zu verbessern. Zum anderen zeigt die Arbeit Varianten und technische Lösungen für neuartige Projektionstypen für virtueller 3D-Stadtmodelle in interaktiven Visualisierungen. Solche nichtlinearen Projektionen stellen Schlüsselbausteine dar, um neuartige Benutzungsschnittstellen für und Interaktionsformen mit virtuellen 3D-Stadtmodellen zu ermöglichen, insbesondere für mobile Geräte und immersive Umgebungen.