Digitale Gelände-Modellierung ohne DGM (von 2003)

Beitrag zur Festschrift für Prof. Dr. Ernst Brunotte zum 60sten Geburtstag 2003 (Kölner Geographische Arbeiten, Band 80)

Digitale Geländemodellierung ohne Digitale Geländemodelle

Die Nachmodellierung der Erdoberfläche mit Hilfe des Computers wird mit immer größerem Aufwand und aus unterschiedlichen Anliegen heraus betrieben. Nur nebenbei geht es meistens um die Reliefbeschreibung als solche. Die eigentlichen Vorteile der digitalen gegenüber der analogen Gelände-Modellierung liegen darüber hinaus in ihrer Handhabbarkeit für Volumenberechnungen (im Ingenieurbau), für Flächenausgrenzungen (bei der Funknetzplanung) und Simulationen (z.B. im Rahmen von Erosionsstudien).

Grundlage für diese Anwendungen sind Digitale Geländemodelle (DGM), die das als Kontinuum verstandene Relief numerisch beschreiben – in Form meist unregelmäßig auf der Oberfläche verteilter Punkte (Diskreta) mit dreidimensionalen Koordinaten. Die x- und y-Koordinaten, welche die geographische Lage des Festpunktes beschreiben, werden ergänzt durch die z-Koordinate, mit der die lokale Höhe der Erdoberfläche über einer Bezugsfläche – meist einem Meeresspiegel – beschrieben ist.

Es gibt unterschiedliche Repräsentationen dieser Idee als Datei. Bei den Diskreta können neben punktförmigen Objekten wie z. B. Muldenpunkten auch Linienobjekte wie z. B. Gerippelinien Elemente der Modellierung sein. Das Kontinuum der Geländeoberfläche wird durch einen Oberflächengraphen beschrieben, der die diskreten Objekte auf bestimmte Weise flächenhaft miteinander in Beziehung setzt.

Aus dem auf unregelmäßig verteilten Ausgangsdaten beruhenden Digitalen Geländemodell (DGM) wird zumeist ein Digitales Höhenmodell (DHM; Digital Elevation Model, DEM) mit regelmäßig in einem Gitter verteilten Höhenpunkten umgerechnet. In diesem stehen zwar nicht mehr allein die originären Daten, dafür bietet die regelmäßige Punktanordnung aber ein einfacheres Datenmodell mit besserer Handhabung bei jeder Art von Rechenschritten. Digitale Höhenmodelle sind letztendlich nichts weiteres als lange Listen mit Koordinaten-Tripeln.^[1]

Durch Diskreta in Form dreidimensionaler Geo-Koordinaten und evtl. durch Interpolationsvorschriften zu ihrer Vermaschung wird also vereinfacht^[2] die kontinuierliche Erdoberfläche beschrieben. Dagegen ist weiter nichts einzuwenden – außer dass Original-DGM aus der Vermessung bzw. Fernerkundung nach wie vor so teuer gehandelt werden, dass ihr Erwerb für die eingeschränkte Nutzung der Reliefvisualisierung nicht sinnvoll erscheint. Um Landschaften realitätsgetreu virtuell zu modellieren, ist unter Umständen nur eine Teilmenge der als DGM niedergelegten Daten erforderlich. Selbst in den schon einfacher aufgebauten Digitalen Höhenmodellen (DHM) sind noch mehr Daten enthalten, als für eine Reliefvisualisierung unbedingt nötig sind – verzichtbar erscheinen für diesen Zweck nämlich Weltkoordinaten und absolute Höhenunterschiede.

Eine digitale Geländemodellierung ganz ohne Digitales Geländemodell ist also selbstverständlich schwer vorstellbar. Immer muss man auf Daten zurückzugreifen, die ursprünglich aus einem DGM des zu visualisierenden Reliefausschnittes stammen. Für die Errechnung ansprechender virtueller Landschaften benötigt man jedoch nur mittelbare – oft kostenlose – Folgeprodukte aus diesen Digitalen Geländemodellen.

Dieses spezielle Anliegen, die Formen der Erdoberfläche im Computer nur zu Anschauungszwecken nachzubilden, hat durchaus seine Berechtigung, vor allem – aber nicht nur – im Rahmen einer Didaktik der Geomorphologie. Bei der Wissensvermittlung, welche verschiedenen Formen die Erdoberfläche aufweist und welche Charakteristika dieser Formen in unterschiedlichen Betrachtungsmaßstäben erkennbar sind, ist die unmittelbare Geländeerfahrung wohl allen anderen Methoden überlegen. Doch aus vielerlei praktischen Gründen lässt sich nicht immer eine Landform von Interesse unmittelbar im Gelände betrachten und untersuchen. Zudem ist man selbst auf Exkursionen oft auf die gegebenen Blickwinkel beschränkt, die sich nicht beliebig variieren lassen – z.B. in die Vogelperspektive.

Abb. 1: Abschnitt „Berge auf der Karte“ aus dem Kartenkurs im Universalatlas DIERCKE DREI (Westermann, 2001), verkleinerter Ausschnitt der farbigen Atlasseite. Eine virtuelle Landschaft, basierend auf einem stark überhöhten und gefluteten Höhenmodell des Mount Saint Helens, soll in der Sekundarstufe I für die Arbeit mit physischen Karten das Höhenschichten-Verständnis bei den Schülern fördern.

Ein gekonnt am Computer nachmodellierter Ausschnitt der Erdoberfläche erlaubt diese Perspektivenwechsel jedoch, genau wie sich Möglichkeiten eröffnen, nicht nur das Relief mit seinen Unstetigkeiten abzubilden, sondern auch die Bodenbedeckung mit wiederzugeben oder auch die Einstrahlungsverhältnisse (optisch) nachzustellen.

Es ist so – vom Augenschein her – eine sehr realitätsnahe Nachempfindung charakteristischer Landschaften möglich, selbst wenn aus Datensicht bereits eine starke Generalisierung stattgefunden hat. Abb. 1 gibt in schwarz-weiß wieder, wie im Universalatlas Diercke Drei (für die Sekundarstufe I) mit Hilfe virtueller Landschaften in das Thema „Berge auf der Karte“ eingeführt wird. Die Bildabfolge zeigt eine virtuelle Vulkanlandschaft in zwei verschiedenen Ausgestaltungen (naturalistisch und kartographisch) und aus zwei Ansichten (Schrägansicht und Senkrechtaufsicht).

Auch das Modellprinzip 2½-dimensionaler Oberflächen (zu jeder x/y-Koordinate gehört genau ein z-Wert) behindert eine realistische Reliefwiedergabe meist nicht. Erst wenn wirklich dreidimensionale Aspekte der Erdoberfläche gezeigt werden sollen, also z.B. verschiedene Boden- und Gesteinsschichten, oder wenn es um die Darstellung von Überhängen bzw. Hohlräumen unter der Erdoberfläche geht, muss man sich aus dieser einfachen Modellwelt lösen und die Möglichkeiten der komplexeren 3D-Graphik nutzen, die auf der dreidimensionalen Modellierung von Objekten (statt nur einer gewellten Oberfläche) aufbaut.

Die einfachsten Formen, ein numerisches Digitales Geländemodell mit den Mitteln der Computergraphik zu visualisieren, bestehen in der Darstellung des Punktfeldes in der Aufsicht. Üblich waren und sind

· die unterschiedliche Einfärbung der Messpunkte – je nach Höhe – mit dem Ergebnis einer Punktstreuungskarte, die bei dichtem Punktefeld eine Höhenschichtenkarte optisch nachempfindet,

· die Interpolation von Höhenlinien in Höhenpunktfeldern mit regelmäßiger (grid) oder unregelmäßiger Punktverteilung (TIN) und deren Darstellung als (vektorielle) Höhenlinienkarte, bzw. mit nur wenig Mehraufwand als farbige Höhenschichtenkarte,

· die Errechnung automatisch geschummerter Reliefs (kartographisch verstanden) aus den Parametern Hangneigung und Exposition zu einer vom Bearbeiter festgelegten Beleuchtungsquelle. Diese analytischen Schummerungen können manuellen Schattenschummerungen ansatzweise nachempfunden werden, erreichen bislang aber oft nicht deren anschauliche Anmutung – aufgrund fehlender oder nur global wirkender Generalisierung (vgl. Abb.1).

Diesen zweidimensionalen Visualisierungen der DGM stehen pseudo-dreidimensionale Visualisierungen gegenüber, die immer häufiger eingesetzt werden: sei es als Computer-Blockbild, -Panorama oder Animation.

Die ältesten Computergraphiken zur Geländedarstellung mit 3D-Wirkung entstanden durch viele eng hintereinandergestaffelte, jedes Mal leicht schräg „nach hinten“ versetzte Profillinien. Ihre innovative Bedeutung ist in den Rechenverfahren zu sehen, welche die Ausblendung „perspektivisch“ verdeckter Linienabschnitte gewährleisten.

Daraus entwickelten sich umgehend Drahtgittermodelle, denn im einfachsten Fall brauchten die gestaffelten Profile ja nur noch „in Tiefenrichtung“ durch Zwischenlinien verbunden zu werden. Auch Triangulationen zwischen unregelmäßig verteilten Punkten lassen sich in Perspektivansicht als Netz- bzw. Maschenmodell visualisieren. Analog zu einem herkömmlichen Blockbild kann so die Geländeoberfläche schräg von oben gezeigt werden, wobei auch die Drahtgittermodelle auf optische Verdeckungssituationen Rücksicht nehmen, indem sie Reliefpartien ausblenden, die aus der gewählten Ansichtsperspektive nicht sichtbar sein können.

Innerhalb der Software, die zum Erzeugen von Drahtgitter-Blockbildern benutzt wird, können verschiedene Interpolationsverfahren zur Erzeugung einer kontinuierlichen Oberfläche gewählt werden. Um die anschaulichste Ansicht einzurichten, sind für die „Kamera“ die Parameter Horizontal- und Azimutalwinkel, sowie ihre Entfernung vom Modell einzustellen.

Ohne die Definition bzw. „Aufschmelzung“ einer Oberfläche zwischen den Gitterlinien ist eine solche Visualisierung eine reine Vektorgraphik-Anwendung – mit den damit verbundenen technischen Vorteilen kurzer Rechenzeiten, geringen Speicherbedarfs und unkomplizierter Ausgabe. Demgegenüber kann die Anschaulichkeit aber unbefriedigend sein, entsteht doch aus dem Gitternetz die eigentliche Geländeoberfläche nur als Illusion und zudem nur bei entsprechend flacher Perspektive.

Ob die Drahtgittermodelle einen realistischen Eindruck des Geländeausschnittes vermitteln können, hängt nicht nur von der Auflösung des DGM und der graphischen Umsetzung ab, sondern auch davon, ob das DGM noch als irreguläres Dreiecksnetz (TIN) vorliegt oder bereits als interpoliertes Höhenmodell auf regelmäßig verteilten Punkten beruht. Bei ersterer Modellierung kommt der Anschaulichkeit zugute, dass sowohl im Gelände erfasste Kamm- und Tiefenlinien als auch Bruchkanten und Wölbungslinien in der Visualisierung immer noch als Linie erkennbar sind. Bei Höhenpunktfeldern, die als regelmäßige Raster vorliegen, können diagonal zum Raster verlaufende Tälchen oder Kämme je nach Auflösung schon einmal zerrissen werden – ein Nachteil, der bei 3D-Visualisierungen besonders stört, aber auch schon die oben genannten 2D-Visualisierungen beeinträchtigt.

Überhaupt stehen Linienelemente, denen „im Gelände“ reale Geoobjekte entsprechen – wie z. B. bei mittleren und kleinen Maßstäben Flüsse und Bäche – in graphischer Konkurrenz zu den Linien des Drahtgittermodells, die ja nicht für reale Linienobjekte stehen, sondern lediglich die Geländeoberfläche approximieren.

Abb. 2: Blockbild der Kölner Bucht (Ansicht aus NNE, 10-fache Überhöhung), als Drahtgittermodell gerechnet in SURFER. Der gezeigte Ausschnitt umfasst 80 x 80 km. Datengrundlage: DHM500 (Punktabstand: 500m) des Landesvermessungsamtes NRW, auf 250m Rasterweite in SURFER verdichtet (Erörterung s. Kap. 5)

Einen Sonderfall der kartographischen 3D-Darstellung stellen extrudierte Höhenlinienkarten dar, die aber wohl nur dann als Methode gewählt werden dürften, wenn kein direkter Zugriff auf die Höhendaten eines DGM oder DHM (mehr) besteht, sondern nur Höhenlinien digital vorliegen. Das Höhenlinienbild lässt sich dann zur Erzielung einer Scheinperspektive vertikal stauchen, bzw. parallelogrammartig verzerren. Nach Festlegung eines Überhöhungsfaktors können die einzelnen Höhenlinien (besser: „Höhenplatten“) dann in unterschiedlichem Maße nach oben versetzt werden. Diese Stapelung von ausgefüllten Höhenlinien mutet nur dann dreidimensional an, wenn viele Höhenlinien in engem Abstand zueinander stehen. Zur direkten Reliefvisualisierung erscheint die Methode nicht so geeignet wie zur manuellen (aber computergestützt vorbereiteten) Herstellung traditioneller Blockbilder.

Am Beispiel der Drahtgittermodelle lässt sich erkennen, dass auch aufwändige Datenmodelle noch nicht zwingend zu überzeugenden Reliefvisualisierungen führen müssen. Die im Folgenden aufgezeigte Methode zur Erzeugung virtueller Landschaften baut dagegen nur auf Graustufenbildern als Höhenmodell (Greyscale DEMs, s. Kap. 4.1) auf. Diesem sehr simplen Datenmodell stehen allerdings sehr ausgefeilte Möglichkeiten der naturalistischen Darstellung virtueller Landschaften gegenüber.

Genau wie bei den Daten sollte auch der Aufwand bei der Software klein bleiben: Zum Einsatz kommt (neben einem kostenlosen rasterbasierten GIS) Software zur Errechnung virtueller Landschaften; diese Scenery Generators sind eine Unterkategorie der Raytracing Software aus der Welt der 3D-Graphik (s. Kap. 4.2).
Die gezeigten Abbildungen wurden mit Hilfe des Programms Terragen, Version 8.2.4,^[3] gerechnet. Neben dieser Freeware gibt es aber auch noch kommerzielle Programme mit ähnlichen Funktionalitäten wie Bryce von der Fa. Corel oder Natural Scene Designer von der Fa. Natural Graphics. Über die Möglichkeiten der kartographischen Reliefvisualisierung mit Bryce berichtet Patterson (1999).

Als Graustufenbilder niedergelegte Höhenmodelle sind ein Folgeprodukt – um nicht zu sagen: Abfallprodukt – der beschriebenen Digitalen Geländemodelle und auch Höhenmodelle. Man macht sich dabei den Aufbau eines Rasterbildes, einer Bitmap, zunutze, um vergröberte Höheninformation geordnet abzulegen.

Ein Rasterbild setzt sich aus Pixeln in m Spalten und n Zeilen zusammen, wobei jedem Pixel ein numerischer Farbwert bzw. Grauwert zugeordnet wird. Dieser Wert kann nur überschaubar viele Ausprägungen annehmen; bei GIF-Bildern sind es 256 (denn die sind in nur einem Byte codierbar)^[*]. Beim Graustufen-DHM wird der Grauwert eines Pixels als Höhenangabe verstanden, was in der graphischen Ausgabe dazu führt, dass die am tiefsten gelegenen Punkte des Modells schwarz erscheinen (Grauwert 0) und die am höchsten gelegenen weiß (Grauwert 255). Erkennbar ist, dass so nicht mehr jede beliebige Höhe codierbar ist – und dass es überhaupt auch keine absoluten Höhen mehr geben darf: in dem Moment, wo ein neuer tiefster oder höchster Punkt geschaffen oder einbezogen wird, muss die gesamte Höhenskala umdefiniert werden. Geographische Koordinaten gehen im Übrigen zunächst auch verloren und können – wie die realen Höhendaten auch – nur im Nachhinein noch auf anderem Wege wieder in die Modellwelt einfließen.

Graustufen-DHM werden trotz dieser Nachteile hergestellt und auch über das Internet verbreitet, weil sie sich z. B. als standardisierte Vorschau auf Datensätze mit Geländehöhendaten eignen. Sie selber aus anderen Digitalen Gelände- und Höhenmodellen herzustellen, ist mit freier Skript-Software oder mit manchen GIS-Programmen ebenfalls möglich. Das für Ausbildungszwecke entwickelte GIS LISA (Linder 1999) rechnet nach obigem Prinzip aufgebaute Graustufenbilder aus verschiedenartigen Höhenmodell-Dateien und erlaubt ihren Export als Bitmap^[4]. Programmen wie Terragen dient das importierte Graustufen-Höhenmodell zum Aufbau einer aus Vermaschungsdreiecken bestehenden reliefierten Geländeoberfläche, welche die Grundlage der Visualisierung im Raytracing-Verfahren bildet.^[5]

Beim Raytracing kommen Algorithmen der Strahlenverfolgung zum Einsatz, mit denen inzwischen oft verblüffend realistische Bilder erzeugt werden können. Der Weg von (ausgewählten) Lichtstrahlen wird unter Anwendung der zentralen optisch-physikalischen Gesetze berechnet, sodass Strahlenverläufe simuliert werden können. Um den ohnehin enormen Rechenaufwand dabei in Grenzen zu halten, erfolgt die Berechnung rückwärts – also nicht von den Lichtquellen ausgehend, sondern von der „Kamera“. Abhängig von den gerade zu berechnenden Bildpunkten wird ermittelt, woher ein Lichtstrahl kommt, der von diesem Punkt auf die Kamera zuläuft und welche Veränderungen er auf diesem Weg bereits erfahren hat. Von zentraler Bedeutung ist dabei die Errechnung der Schnittpunkte der Strahlen, die von der Kamera ausgehen (und eigentlich auf sie zulaufen ...), mit den Objekten – in unserem Fall hauptsächlich den Facetten des Geländemodells, aber auch virtuelle Wasseroberflächen und Wolken. Ebenso wichtig sind die Ausrichtung, Farbe und Rauheit dieser Facetten, um die Farbe und Helligkeit des von diesem Punkt zur Kamera gesendeten Lichtstrahles zu ermitteln. Verkompliziert werden diese grundsätzlichen Berechnungen durch die Einführung von variablen Lichtquellen, von Objekttransparenz (für das Wasser), von Schlagschatten (neben direkten Schattenseiten), von Refraktion (neben der Reflexion), von diffus gestreutem Licht (neben direkt reflektiertem) sowie von Wellenschlag, Wasserdampf, Aerosolen und dreidimensionalen Wolkengebilden.

Um bei der Blockbild-Errechnung den toten Eindruck eines Gipsmodelles zu vermeiden, ist es am wichtigsten, die Dreiecksfacetten des programminternen Höhenmodelles mit Farbe und/oder Struktur zu versehen. Um eine realitätsnahe virtuelle Landschaft zu erzeugen, muss eine Bodenbedeckung ausgearbeitet werden. Eine andere Möglichkeit ist die Einführung von Höhenschichten (vgl. Abb. 1 und 3) oder die Aufschmelzung eines Rasterbildes, also am besten einer Karte, eines Luft- oder Satellitenbildes (vgl. Abb.3).

Zur Erzeugung einer fiktiven Bodenbedeckung, bzw. einfach nur einer Oberflächengestalt, die die Modelloberfläche strukturieren hilft, dient die Surface Map. Diese Datei speichert zahlreiche benutzerdefinierte Parameter zur Auswahl und Verteilung von Farben und Rauheiten und ihre hierarchische Stapelung in Ebenen. Zweckmäßigerweise ist die Surface Map – wie in Terragen, s. Beispiele – in vielerlei Hinsicht frei konfigurierbar und somit recht komplex aufzubauen.

Die gewählten Oberflächen-Farben, ihre Anzahl, Verteilung und Überlagerung stehen zusammen mit den ihnen zugeordneten Oberflächen-Rauheiten für bestimmte Arten des Oberflächennahen Untergrundes bzw. für bestimmte Vegetation. Die „Bestreuung“ des Modells mit Farbpixeln (Surface Mapping) erfolgt zunächst nach fraktalen Prinzipien, ist aber durch zwei zentrale Einschränkungsmöglichkeiten – über die globale Bedeckungsdichte hinaus – steuerbar: Zum einen kann die Bedeckung von einer minimalen oder maximalen Geländehöhe abhängig gemacht werden, zum anderen von einer minimalen oder maximalen Hangneigung. Selbst wenn nicht in Realwelt-Koordinaten, Maßen und -Hangneigungen gemessen wird, erlauben diese Parameter einzeln und erst recht in Kombination die Nachmodellierung vieler realer reliefabhängiger Differenzierungen der Bodenbedeckung bzw. der Geländeoberfläche an sich. Ufersäume und höhengestaffelte Vegetation, die Baumgrenze, die Schneegrenze – all das ist in erster Linie höhenabhängig, durch Kombination mit der Hangneigungs-Beschränkung aber noch natürlicher zu gestalten. Felswände, Schutthalden, Stufenbildner und Schichtflächen, Strände sowie Ackerflächen sind weitere Beispiele für Erscheinungen, die sich mit der Hangneigungs-Beschränkung an den richtigen Stellen platziert charakterisieren lassen.

Statt das Geländemodell mit einer Surface Map zu bedecken, lassen sich auch Texturen auswählen, unter die auch Karten oder Senkrechtaufnahmen fallen. Das Aufschmelzen von Rasterbildern auf das „Objekt“ Geländemodell wird aus Sicht der 3D-Graphik auch als bump mapping bezeichnet. Die korrekte Einpassung z.B. georeferenzierter Orthophotos in eine Modellwelt ohne Realwelt-Koordinaten ist zwar etwas umständlich, letztlich aber doch möglich (vgl. Abb.3).

Abb. 3: Blockbild des mittleren Kinzigtals und des Brandenkopfes im nördlichen Schwarzwald, (10 x 10 km).
Links: Nahezu-Aufsicht mit Einfärbung nach Höhenschichtenskala, Beleuchtung konventionell aus NW
Rechts: Nahezu-Aufsicht mit aufgeschmolzenem LANDSAT-TM-Bild, realistische Beleuchtung aus SSW

Neben den Parametern, die vom Benutzer beim Surface Mapping eingestellt werden können, gibt es noch wesentlich mehr, die den Himmel, die Sonne (bzw. den Mond), die Atmosphäre und eventuell sichtbare Wasseroberflächen betreffen. Sie dienen allesamt dazu, realistische Landschaftseindrücke für alle Tageszeiten und Wetterlagen hervorzurufen. Es stellt sich die Frage, inwieweit diese Feinmodellierung bei der Reliefvisualisierung überhaupt nötig ist.

Soll die erzeugte virtuelle Landschaft wie ein Blockbild bzw. Blockmodell wirken (vgl. Abb. 3), sind in der Tat viele dieser Einstellungsmöglichkeiten überflüssig – obwohl auch dieses Beispiel die unterschiedliche Wirkung verschieden gewählter Einstrahlungswinkel der Sonne zeigt. Der freie Zugriff auf Azimutal- und Zenitalwinkel der Beleuchtungsquelle – sprich: der Sonne – ist sehr nützlich, um Ansichten zu schaffen, die eine vorteilhafte Schattenschummerung mit sich bringen, auch wenn diese nicht aus NW kommen muss. In Abb. 3b verstärkt sie Schatten, die bereits im Satellitenbild zu erkennen waren.

Abb. 4 zeigt in 4 Teilbildern einer Animation, wie unterschiedliche Azimutalwinkel der Sonne die markante Gliederung der Talhänge am Suiattle River in Oregon herauszupräparieren vermögen. Das Seitental im Vordergrund zeigt glaziale Übertiefung, die im ersten Bild am besten zu sehen ist. Der gegenüberliegende hohe und steile Hang weist viele Hangrunsen auf, die z.T. Bügeleisen-Strukturen erzeugt haben. Diese Hangcharakteristik wird aber nur bei seitlichem Lichteinfall deutlich – oder am besten in einer Animation aus mehreren Einzelbildern mit schnell umlaufender, nicht untergehender Sonne. Auch das kartographische Vorzeigeprodukt „Atlas der Schweiz – interaktiv“ bietet diese Funktionalität des Lichtumlaufs (um ein hochauflösendes DGM der Schweiz) dem Benutzer als eine multimedialen Erschließungshilfe an (Hurni & Kriz 2001).

Abb. 4: Mt. Baker National Forest (Oregon, USA): Blick über das Tal des Suiattle nach Nordosten,
Die vier Ansichten sind Teilbilder einer Animation mit einmal komplett umlaufender, nicht untergehender Sonne. Durch die veränderlichen Schattenwürfe erhöht sich die Erkennbarkeit der Formendetails.

Mit didaktischer Absicht können auch Hänge, die ihre ausschlaggebende Formung expositionsbedingt erhalten haben – wie bei gewissen asymmetrischen Tälern – in individuellen Szenerien „ins rechte Licht gerückt“ werden.

Die Bilder aus Abb. 4 zeigen auch, welche Bedeutung neben der Sonne den anderen erwähnten Parametern zukommt. Atmosphärischer Dunst erzeugt den Eindruck von Weite und versetzt einen somit vor Ort, statt einen in der eindeutigen Modellwelt zu belassen. Diesem Anliegen würden auch (hier nicht aufgerufene) Wolkenschatten dienen. Davon, welcher Realismus außerdem durch (weiter in den Vordergrund gebrachte) Wasserflächen zu erzielen ist, vermittelt die ansonsten unscheinbare Seefläche im Tal nur eine Ahnung: sie erstrahlt auf Bild a) durch direkte Sonnen-Reflexion.

Rendering bedeutet eigentlich nur Bildwiedergabe und ist der abschließende Prozess, in dem die Software das endgültige Rasterbild errechnet, das sich nach der Voreinstellung sämtlicher Parameter als Konsequenz ergibt. Dieser Vorgang ist hier nur deshalb noch einmal herausgestellt, um klarzumachen, dass es sich bei den virtuellen Landschaftsszenen um das Ergebnis höchst komplexer – weil in gegenseitiger Wechselwirkungen stehender – Berechnungen geht und weniger um das Ergebnis direkter künstlerischer Gestaltung. Der Einfluss des Bearbeiters/Autors endet bei der Auswahl numerischer Werte für die variablen Parameter.

Der Vorgang des Rendering dauert umso länger, je komplexer die Surface Map und die virtuelle Atmosphäre aufgebaut sind. Da unter Umständen einige Hunderttausend Relief-Facetten berechnet werden müssen, von denen jede einzelne zudem eine farblich inhomogene Ausfüllung haben kann, ist der Rechenaufwand auch nach heutigen Maßstäben recht hoch. Die Errechnung einer großformatigen Szene kann in der höchsten Detailstufe mehrere Stunden dauern.

Dennoch muss man anerkennen, dass durch Programme wie Terragen jedem PC-Besitzer Möglichkeiten an die Hand gegeben werden, die denen teurer Spezial-Software – die selbstverständlich auch über die geschilderten Funktionalitäten verfügt und darüber hinaus noch anderes vermag – kaum nachsteht. Für das Rendering derjenigen 3D-Ansichten, die zunehmend die Titel geoinformatischer Zeitschriften zieren, kann jedoch ein beträchtlicher Hard- und Software-Aufwand vorausgesetzt werden, der bei der hier geschilderten Vorgehensweise nicht vorgesehen ist.

Ob computergenerierte Blockbilder – als Drahtgittermodelle oder virtuelle Landschaften – überhaupt in der Lage sind, die Landformen, die aus Sicht der Geomorphologie von Interesse sind, aussagekräftig zu visualisieren, darf bezweifelt werden, muss aber von Fall zu Fall entschieden werden. Selten haben Digitale Geländemodelle eine so hohe Auflösung, dass sie gleichzeitig sowohl eine mesoskalige Form als auch ihre innere Differenzierung und eventuelle Ausstattung mit Klein- und Kleinstformen erfassen können. Zur Wiedergabe tektonisch oder geologisch bedingter Größt- und Großformen allein eignen sie sich üblicherweise schon eher, genau wie in mittleren Maßstäben zur Veranschaulichung der Reliefelemente beispielsweise von Gletschern oder von Formen innerhalb der gesamten glazialen Serie.

Abbildung 5 zeigt ein Modell-Beispiel aus dem kleinstmaßstäblichen Bereich neben einem aus dem großmaßstäblichen. Es wird deutlich, dass derartige 3D-Reliefvisualisierungen nicht nur für Übersichtsdarstellungen sinnvoll sind, sondern auch im Maßstabsbereich von Detaildarstellungen

Letztlich ist natürlich die Auflösung der zugrunde liegenden Digitalen Geländemodelle entscheidend. Aus der Luftbildfernerkundung vor allem mit Radar-Sensoren gehen auch hochauflösende Oberflächenmodelle zur Repräsentation von Kleinformen – z. B. für Erosionsstudien – hervor. Nur sind das meist keine Modelldaten, die über die jeweilige Fachanwendung hinaus Verbreitung finden (schon gar nicht günstig über das Internet wie die hier benutzten Geländemodelle bzw. die Graustufen-Höhenmodelle).

Mag die DGM-Auflösung für den Zweck der geomorphographischen Darstellung auch oft nicht ganz ausreichend erscheinen, bieten verschiedene Interpolationsverfahren immerhin noch die Möglichkeit, Zwischenpunkte in das Gitter oder Maschennetz hineinzurechnen. Deren errechnete Höhe ist zwar fiktiv, kommt aber je nach Interpolationsalgorithmus den durchschnittlichen realen Gegebenheiten an derartigen Relief-Facetten recht nahe. Dem Blockbild – ob es nun auf einem Drahtgitter beruht oder auf einer 3D-Szene mit Surface Map – sieht man (leider?) nicht mehr an, welche Punkte in ihrer Höhe real erhoben wurden und welche nur nachträglich dazwischengerechnet wurden. Bei amtlichen Geländemodellen sollte davon ausgegangen werden können, dass sie noch nicht um interpolierte Punkte erweitert wurden; bereits die Datenmatrizen der amtlichen Digitalen Höhenmodelle bestehen aber bereits weitestgehend aus interpolierten Punkten.

Abb. 5: Maßstabsspanne für virtuelle Landschaften: Bild a) zeigt Alaska als kleinstmaßstäbliche 3D-Ansicht; das zugrunde liegende Höhenmodell wurde aus einer farbigen WWW-Höhenschichtenkarte „zurückgerechnet“. Bild b) zeigt den Mount Hood (Oregon, USA), einen glazial überprägten Schichtvulkan; dementsprechende Erosionsformen weist die dem Betrachter zugewandte Südflanke detailreich auf.

Zum Beispiel liegt dem in Abb. 2 als Gitternetzmodell dargestellten Ausschnitt der Kölner Bucht ein amtliches Höhenmodell mit regelmäßiger Punktverteilung (ohne Strukturlinien) von nur 500m Auflösung zugrunde, welches nachträglich im Programm SURFER (Methode: kriging) zu einer Maschenweite von 250m verdichtet wurde. Dadurch entsteht zwar optisch fast schon eine kontinuierliche Oberfläche, mehr Genauigkeit lässt sich so aber selbstverständlich nicht erreichen.

Immerhin sind nicht übermäßig auffällige Reliefformen im Flachrelief wie die linksrheinische Hauptterrassenkante in diesem kleinen Maßstab noch gut zu erkennen. Zur Wiedergabe der kurzen und steilwandigen Täler des Bergischen Landes jedoch reicht die Auflösung nicht aus. Das äußert sich dort in einem „Buckelrelief“, welches optisch durch die Methode des Gitternetzmodells noch ungünstiger wirkt.

Am oberen Rurtal und den Braunkohlentagebauen ist zudem zu erkennen, dass gerade die steilen Tal-, Gruben und Haldenflanken bei der regelmäßigen Punktverteilung des Messgitters nicht durch genügend Punkte repräsentiert werden. Diese Formen wirken zudem „verwaschen“, weil dem reinen Höhenmodell Gerippelinien und Kantendefinitionen jedweder Art fehlen^[6]

Es ist also leicht nachzuvollziehen, dass eine durch unregelmäßig, aber sinnig verteilte Punkte modellierte Oberfläche im Sinne eines TIN zu einer morphologisch richtigeren Beschreibung des Reliefs führt. Döllner (2001) beschreibt, wie prinzipiell im Gitter vorliegende Höhendaten durch Integration ausgewählter TIN-Daten zu einem hybriden Geländemodell aufgewertet werden können, sodass die 3D-Visualisierung Feinstrukturen des Geländes sauberer wiedergibt.

Dem Wunsch nach möglichst akkurater Geländewiedergabe steht allerdings manchmal auch die Erfordernis kartographischer Generalisierung entgegen. Abhängig vom Maßstab sollten wenig relevante Feinstrukturen ja gerade verschwinden, um die geomorphologischen Zusammenhänge der nächsthöheren geographischen Dimension (Leser 2002) deutlicher hervortreten zu lassen. Wird zur Visualisierung einer Reliefform mit geomorphographisch-didaktischer Absicht eine virtuelle Landschaft statt beispielsweise eines Fotos gewählt, besteht die Chance ja gerade darin, genau wie bei einer gut generalisierten Kartendarstellung Charakteristika hervortreten zu lassen, störende Elemente (z.B. der Vegetation oder Bebauung) zu entfernen und die Reliefform unter Umständen optisch von ihrer Umgebung zu isolieren.

Von einem Programm, das noch stärker auf die Visualisierung geomorphologisch interessanter Sachverhalte zugeschnitten wäre, könnte man noch einige weitere Funktionalitäten erwarten:

Zur nachträglichen Bearbeitung selbst erzeugter oder eingeladener Reliefs müssten Werkzeuge zur Verfügung stehen, mit denen die Geländeoberfläche punktuell absichtlich erhöht oder erniedrigt werden kann. In Terragen existiert dafür eine Art Sprühdose, mit der auf dem Graustufen-DHM jedoch nur sehr grob gearbeitet werden kann.

Wichtiger noch wären weitere Beschränkungsmöglichkeiten für die Gestaltung der Surface Map – neben der Geländehöhe und der Hangneigung. Die sollten im Idealfall auch eine völlig freie Verteilung einzelner Oberflächenfarben „per Hand“ über die Modelloberfläche erlauben. Die bei der Surface Map jetzt schon mögliche Differenzierung der Oberflächen-Rauheit könnte bis zur Erzeugung eines optischen Vegetations-Eindrucks gesteigert werden.

Der Ableitung von Animationen aus gerenderten Einzelbildern sind schon jetzt wenig Grenzen gesetzt. Eine freie, vom Benutzer gesteuerte Echtzeit-Navigation durch die virtuelle Landschaft erscheint jedoch bei den heute üblichen Rechenleistungen nicht realistisch (Dickmann 2001). Nicht uRsonst findet man selbst in der Welt der Computerspiele noch keine Beispiele für geomorphologisch akzeptable Landschaftshintergründe.

Dem Betrachter kann aber bereits durch weniger aufwändige Interaktionsverfahren ein dynamischer Eindruck vermittelt werden: Frei navigierbare 360°-Panoramen – inmitten der virtuellen Landschaft „aufgenommen“ – erlauben eine Erkundung der scheinbaren Umgebung in alle Himmelsrichtungen. dazu kann das Heranzoomen interessanter Reliefausschnitte simuliert werden.^[7]

Jenseits aller visuellen Umsetzungsfragen ist dann natürlich nicht zuletzt wünschenswert, dass die unzähligen inzwischen schon vorliegenden „kostbaren“ Digitalen Geländemodelle freier verfügbar werden. Trotz immer größerer Datenmassen, die bei der Fernerkundung aus dem Weltraum und weitgehend automatisierter Stereo-Photogrammetrie anfallen, werden DGM z.T. gehandelt „wie von Hand vermessen“.

Bei leichterem Zugriff auf originäre Höhendaten erledigt sich die Notlösung (?) der Benutzung von datenreduzierten DGM-Folgeprodukten vielleicht bald schon. Das wäre insofern vorteilhaft, als die Qualität der Höhendaten dann wieder besser einzuschätzen wäre als bei jeder Art von abgeleiteten – und dabei vielleicht mehrfach umgerechneten oder lokal veränderten – Höhenmodellen.

Hinweis: Die in diesem Beitrag beleuchteten Bereiche der Computervisualisierung sind in schneller Weiterentwicklung begriffen und werden auf dem Stand leicht verfügbarer Technik Anfang 2003 beschrieben.

Bubenzer, O. & Wagner, A. (2002): Erstellung von mesoskaligen Geländemodellen und Reliefprofilen aus GTOPO30-Daten mit einem Desktop-GIS. – In: GIS 3/02: 27 - 29.

Buziek, G., Dransch, D., Rase, W.-D. (1999): Dynamische Visualisierung. Grundlagen und Anwendungsbeispiele für kartographische Animationen. – Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York: 234 S.

Dickmann, F. (2001): Web-Mapping und Web-GIS. – Das Geographische Seminar, Compass 1: 240 S., CD-ROM.

DIERCKE DREI Universalatlas (2001). – Westermann Schulbuchverlag, Braunschweig: 196 - 200.

Döllner, J. (2001): Informationsvisualisierung mit dynamischen, interaktiven 3D-Karten. – In: KN 4/2001: 180 - 185.

Hake, G. & Grünreich, D. (1994): Kartographie. – de Gruyter Lehrbuch, 7. Aufl.: 119 - 143 (Kartographische Modellbildung).

Hurni, L. & Kriz, K. (2001): Kartographie europäischer Hochgebirge. – In: KN 2/2001: 83 - 91.

Leser, H. (2002): Geomorphologie. – Das Geographische Seminar. 8. neu bearbeitete und erweiterte Auflage, Braunschweig: 410 S.

Linder, W. (1999): Geo-Informationssysteme. Ein Studien- und Arbeitsbuch. – Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York: 170 S. (CD-ROM mit GIS LISA).

Patterson, T. (1999): Designing 3D Landscapes. – In: Cartwright, W., Peterson, M.P., Gartner, G. (Hrsg.): Multimedia Cartography. – Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York: 343 S.

[1] Die Unterscheidung von DGM und DHM wird leider nach wie vor nicht einheitlich gehandhabt; dieser Artikel folgt den Begrifflichkeiten bei Hake & Grünreich (1994).

[2] Eine der Beschränkungen derartiger DGM ist, dass sie – wie manchmal zu lesen ist – eigentlich nur 2½-dimensional sind. Sie vermögen keine Partien der Erdoberfläche nachzubilden, wo zu einer x/y-Koordinate mehr als ein z-Wert gehört, was (mit jeweils mindestens 3 z-Werten) bei jeder Art von Überhängen und Bögen der Fall ist.

[3] Terragen steht auf der Webseite www.planetside.co.uk in der jeweils letzten Version gratis zum Download bereit und darf für nicht-kommerzielle Zwecke kostenlos eingesetzt werden.

[*] Bei GIFs mit 8 Bit (=1 Byte) Farbtiefe sind 256 verschiedene Höhenstufen als Graustufen codierbar; im GIS LISA, bei BMP- und anderen 16-Bit-Bildern sind es dagegen bereits 65536 Stufen, was die Höhenauflösung dann natürlich enorm verbessert (Hinweis W. LINDER).

[4] Auch das GIS LISA gibt es im WWW in der Basisversion zum freien Download für nicht-kommerzielle Zwecke: unter www.ipi.uni-hannover.de/lisa/

[5] In erster Linie ist bei Terragen das Erzeugen eigener fiktiver Höhenmodelle durch fraktale Algorithmen vorgesehen; der Import realer Höhendaten – als Graustufen-DHM, aber auch in anderen DGM-Formaten – ist nur eine Zusatzfunktion (Plugin).

[6] Dadurch werden übrigens auch Hangneigungen verfälscht, was aber hier durch die ohnehin starke Überhöhung nicht ins Gewicht fällt.

[7] Ein mit Hilfe eines Java-Applets rundum navigierbares Terragen- Panorama ist unter www.rschlimm.de/ terragen-photovista.html auszuprobieren.