Teachlet zur Digital Terrain Model (DTM) Visualisierung
Das Teachlet zur DTM Generierung und Visualisierung illustriert den Prozess der Erstellung eines Digital Terrain Model (DTM) aus einer Menge von Punkten im Raum (einer Punktwolke). Im einzelnen wird folgendes betrachtet:
- Beschreibung der verwendeten Algorithmen
- Manuelle Erstellung einer Punktwolke
- Einlesen der Punktdaten aus einer eigenen Datei
- Schrittweise Triangulation der Daten
- Verschiedene Visualisierungsmöglichkeiten
Auf jeder Seite des Teachlets befindet sich ein Link, um zum nächsten Abschnitt zu gelangen. Auf manchen Seiten muss jedoch erst der dortige Inhalt geladen werden, um diesen zu aktivieren. Außerdem können Sie zurück navigieren, um Inhalte nochmal zu lesen oder neue Daten zu laden. Benutzen Sie einen der beiden folgenden Links, um das Teachlet zu starten:
Hinweis: zur Benutzung des Teachlets ist ein WebGL fähiger Browser notwendig.
Gliederung des Teachlets
- Digital Terrain Model
- Delaunay-Triangulation
- DTM Visualisierung
- Punktwolke
- Triangulation
- Shading
Digital Terrain Model [1]
[1]
Das Digitale Geländemodell, auch Digital Terrain Model (DTM), ist eine digitalisierte Beschreibung der Erdoberfläche. Im Gegensatz zum Digitalen Oberflächenmodell (DSM) werden dabei weder künstliche Bauwerke noch Vegetation berücksichtigt.
Die Punktverteilung kann dabei entweder als reguläres oder als unregelmäßiges Gitter erfolgen. Zusätzlich können weitere morphologische Strukturinformationen eingebracht werden, z.B. Geländekanten, Geripplinien oder markante Einzelpunkte. Eine reguläre Speicherung erlaubt eine einfachere Datenverarbeitung, bei letzterem können Geländestrukturen meist genauer wiedergegeben und effizienter gespeichert werden.
Wird kein reguläres Gitter verwendet muss die erfasste Punktwolke anschließend zur Erzeugung einer digitalen Oberfläche trianguliert werden. Dabei werden Einzelpunkte durch Dreiecke zu einem Triangulated Irregular Network vermascht. Dazu kann u.a. die Delaunay-Triangulation genutzt werden.
Delaunay-Triangulation [2]
Die Delaunay-Triangulation wird benutzt, um aus einer Menge von Punkten ein Dreiecksnetz zu erstellen. Alle Dreiecke dieses Netzes haben dabei die Delaunay-Bedingung zu erfüllen: der Umkreis eines jeden Dreiecks D in dem Netz von Dreiecken beinhaltet keine weiteren als die Eckpunkte von D selbst.
Es gibt verschiedene Algorithmen zur Erstellung der Triangulation einer Punktmenge nach dieser Methode. Der hier verwendete Ansatz ist inkrementeller Natur - ausgehend von einem initialen Dreieck, welches alle einzufügenden Punkte umfasst, werden einzeln weitere Punkte eingepasst. Dabei wird zuerst das Dreieck gesucht, welches den einzufügenden Punkt beinhaltet. Aus diesem werden nun drei Dreiecke gebildet, wobei der neue Punkt einer der Eckpunkte eines jeden neuen Dreiecks ist. Anschließend wird geprüft, ob die entstandenen Dreiecke die Delaunay-Bedingung noch erfüllen. Ist das nicht der Fall, werden die besagten Dreiecke korrigiert, indem die gemeinsame Kante getauscht wird - ein sogenannter Flip. Die Abbildung unten veranschaulicht die Delaunay-Bedingung sowie den Flip einer Kante.
Dreiecke vor Flip, Delaunay-Bedingung verletzt [A]
Dreiecke nach Flip [B]
- [A] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c1/Delaunay_before_flip.png
- [B] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a7/Delaunay_after_flip.png
Delaunay am Beispiel
Erstellen Sie manuell eine zweidimensionale Punktwolke indem Sie mit der Maus in die schwarze Zeichenfläche klicken. Die dabei entstehende Punktmenge wird direkt mittels Delaunay-Triangulation vermascht. Wählen Sie dabei das Feld Circumcircle aus, um sich die Umkreise der entstehenden Dreiecke anzeigen zu lassen. Durch einen Betätigung von Löschen können alle eingefügten Punkte wieder gelöscht werden.
Punktwolke laden
Laden Sie eine Datei mit Einzelpunkten, um diese als Punktwolke zu visualisieren.
Die Datei sollten als ASCII Textdatei mit drei Punktkoordinaten je Zeile oder als
ASCII STL Datei vorliegen.
Anschließend können die Punktinformationen trianguliert und als TIN Netz angezeigt werden.
Wenn keine eigene Datei zur Verfügung steht können Sie auch die Beispieldatei laden.
Benutzen Sie die Maus und die Tastatur, um im WebGL Fenster zu navigieren.
- Rotation: bewegen der Maus bei gedrückter linker Maustaste
- Verschieben: bewegen der Maus bei gedrückter mittlerer Maustaste
- Zoomen: scrollen mit dem Mausrad
DTM Triangulation
Delaunay-Triangulation der geladenen Punktwolke. Die Triangulation kann in Einzelschritten oder vollständig durchgeführt werden.
Hinweis: Wenn eine STL-Datei geladen wurde, wird nicht mittels Delaunay trianguliert, da die Datei bereits Triangulationsinformationen enthält.
Shading [3]
[4]
Zur besseren räumlichen Darstellung des triangulierten Modells wird mittels Shading eine künstliche Beleuchtung der Szene berechnet.
Für jedes Dreieck (Polygon) wird die Oberflächennormale ermittelt. Die Helligkeit des Polygons berechnet sich aus dem Winkel zwischen Oberflächennormale und Lichtquellenvektor (Directional Light). Zusätzlich kann noch eine allgemeine Beleuchtung berücksichtigt werden (Ambient Light), um die Grundhelligkeit der Szene zu bestimmen.
Obwohl im digitalen Modell mehrere gerichtete Lichtquellen berechnet werden können, wird für DTM Szenen meist mit einer einzelnen gearbeitet, um die Position der Sonne zu simulieren.
Referenzen
- [1] Robert J. Fowler and James J. Little: Automatic extraction of Irregular Network digital terrain models. SIGGRAPH Comput. Graph. Volume 13, Issue 2, August 1979, Pages 199-207
- [2] L. De Floriani, B. Falcidieno and C. Pienovi: Delaunay-based representation of surfaces defined over arbitrarily shaped domains, Computer Vision, Graphics, and Image Processing, Volume 32, Issue 1, October 1985, Pages 127-140
- [3] Bui Tuong Phong: Illumination for computer generated pictures. Commun. ACM Volume 18, Issue 6, June 1975, Pages 311-317
- [4] Jürgen Döllner, Konstantin Baumman, and Klaus Hinrichs: Texturing techniques for terrain visualization. In Proceedings of the conference on Visualization '00 (VIS '00). IEEE Computer Society Press, Los Alamitos, CA, USA, 2000, Pages 227-234