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«Speicherung raum-zeitlicher Daten und deren Visualisierung Bachelorarbeit vorgelegt von: Markus Bradke Zum Erlangen des akademischen Grades ...»

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Die Darstellung der zeitlichen Veränderung von Objekten der realen Welt ist eine der wesentlichsten Aufgaben eines 4D-GIS, um raum-zeitliche Variabilitäten von Geoobjekten für den Nutzer zu veranschaulichen. Aufgrund dessen sollen in diesem Kapitel Möglichkeiten der Visualisierung temporaler 3D-Objekte aufgezeigt werden. Dabei werden sowohl Geoinformationssysteme als auch Game-Engines bezüglich ihrer Datenbankanbindung an Oracle, der Verarbeitung drei- bzw. vierdimensionaler Daten und der Visualisierung zeitabhängiger Prozesse analysiert und in die Betrachtung mit einbezogen.

7.1 Geoinformationssysteme 7.1.1 ESRI ArcGIS 9.3 ArcGIS ist die Bezeichnung für verschiedene aufeinander abgestimmte GISSoftwareprodukte der Firma ESRI. Als Marktführer im Bereich GIS bietet ArcGIS eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Visualisierung zeitabhängiger 3D-Geodaten. In diesem Abschnitt wird Bezug auf die Bachelorarbeit „Visualisierung raum-zeitlicher Dynamik“ [GS09] genommen, in der 'ZhE Z und ^,hD, Z aufgezeigt haben, dass es mithilfe der vorhandenen Desktoperweiterungen von ArcGIS 9.3 möglich ist, die raum-zeitliche Variabilität eines Geoobjekts zu berücksichtigen.

7.1.1.1 Datenbankanbindung

ArcGIS unterstützt verschiedene Geodatenmodelle. Dabei wird grundsätzlich zwischen dateibasierter und datenbankbasierter Verwaltung unterschieden. Die dateibasierte Verwaltung (z.B. Shapefiles und Coverages) führt allerdings eine Reihe von Nachteilen mit sich (vgl. Kapitel 3: Datenbanksysteme). Für die effiziente Verwaltung großer Datenmengen erlaubt ArcGIS daher die Nutzung von externen relaVisualisierung 72 tionalen DBMS wie Oracle. Der Zugriff erfolgt über den ArcSDE7-Geodatenserver, der es ermöglicht das Spatial-Format von Oracle zu übersetzen. ArcSDE ist Bestandteil der ArcGIS-Server Version und liegt in drei verschiedenen Lizenzen vor.

Für die Nutzung von Oracle ist die Enterprise Edition erforderlich. Aufgrund fehlender Ressourcen der Hochschule konnte die Datenbankverbindung aber nicht getestet werden.

7.1.1.2 Verarbeitung und Visualisierung von 3D/4D-Daten

ArcGIS bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Verarbeitung dreidimensionaler Datenbestände. Mithilfe des 3D-Analyst können dreidimensionale Daten analysiert und dargestellt werden. Des Weiteren lassen sich TIN’s und Volumenkörper berechnen und analysieren. Die Verwaltung temporaler Aspekte erfolgt durch die Einführung eines zusätzlichen Attributs , in der ein benutzerdefinierter Zeitstempel für das jeweilige Objekt abgelegt ist. Dadurch lassen sich aber weder Gültigkeitsnoch Transaktionszeit des Objekts beschreiben und keine temporalen Beziehungen (vgl. Abschnitt 4.2.3: TSQL2 Datenmodell) aufbauen und analysieren.

Allerdings bietet ArcGIS sehr gute Ansätze zur Visualisierung von raum-zeitlichen Veränderungen. So können mithilfe von Time-Layer-Animationen (Animation Tool) die Modifikationen von Punktkoordinaten durch Einblenden von Verschiebungsvektoren graphisch repräsentiert werden. Die Darstellung von sich verändernden Volumenkörpern kann durch arithmetische Operationen (Addition, Subtraktion) von Teilkörpern erfolgen. Eine ausführliche Beschreibung zur graphischen Darstellung der raum-zeitlichen Variabilität von Geoobjekten findet sich in [GS09]. ArcGIS bietet einen ersten Ansatz zur Visualisierung von zeitabhängigen 3D-Daten, auch wenn es aufgrund fehlender temporaler Strukturen nicht als 4D-GIS bezeichnet werden kann.

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7.1.2 Autodesk AutoCAD Map 3D 2010 AutoCAD Map 3D ist ein Softwareprodukt der Firma Autodesk, das auf der neuesten Version von AutoCAD basiert und um eine Reihe GIS-spezifischer Funktionen und Werkzeuge erweitert wurde. Map 3D vereinigt demnach alle Vorteile eines CAD- und eines GIS-Programms. Der Zusatz „3D“ im Produktnamen lässt zudem auf eine vollständige 3D-Funktionalität schließen, sodass eine Untersuchung der Software auf 4D-Funktionalitäten zweckgemäß wäre.

7.1.2.1 Datenbankanbindung

AutoCAD Map 3D nutzt für den Zugriff auf externe relationale Datenbanken die unter LGPL stehende FDO8 Datenzugriffstechnologie. FDO stellt eine API zur Verfügung, mit der räumliche Daten manipuliert, beschrieben und analysiert werden können [FDO07]. Abbildung 7.1 beschreibt die Architektur der FDO-Technologie.

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7.1.2.2 Verarbeitung und Visualisierung von 3D/4D-Daten Der Vorteil der FDO-Technologie ist, dass sich dreidimensionale Geodaten direkt aus der Datenbank visualisieren lassen. Die dargestellten Geometrien und in der Tabelle gespeicherten Sachdaten lassen sich ohne weiteres editieren und in die Datenbank zurück schreiben. Dreidimensionale Geometrien lassen sich allerdings und Dhd/^K nur im zweidimensionalen Raum editieren. Volumenkörper (^K/ / ) lassen sich zwar in AutoCAD erstellen, können aber nicht in der Datenbank gespeichert werden. Die in der Datenbank gespeicherten Volumenkörper werden nicht unterstützt. AutoCAD bietet sehr gute Möglichkeiten zur Auswertung und Visualisierung dreidimensionaler Geometrien. Allerdings bietet die Software keine Möglichkeit der Animation. Temporale Strukturen lassen sich zur graphischen Repräsentation nicht berücksichtigen, sodass AutoCAD als Basis für ein 4D-GIS nicht in Frage kommt.





7.2 Game-Engines

Die Möglichkeiten, die Game-Engines bei der Visualisierung zeitabhängiger Daten bieten, sind natürlich weit aus größer als bei klassischen Geoinformationssystemen. Die Motivation zum Einsatz von Game-Engines liegt u.a. in Anwendungen begründet, in denen photorealistische Darstellungen von 3D-Objekten gefordert sind.

7.2.1 Blender Blender ist eine unter GPL stehende Software zur Erstellung von 3D-Graphiken.

Sie enthält Funktionen zur Modellierung dreidimensionaler Körper sowie Werkzeuge zur Texturierung. Weiterhin lassen sich mit der Software aufwändige Animationen generieren.

7 Visualisierung 75 7.2.1.1 Datenbankanbindung Eine standardmäßige Datenbankschnittstelle zu relationalen Datenbanken wie in den zuvor beschriebenen Geoinformationssystemen ist in Blender nicht vorhanden.

Allerdings lässt sich eine entsprechende Datenbankverbindung durch die in Blender verwendete Skriptsprache Python programmieren.

7.2.1.2 Verarbeitung und Visualisierung von 3D/4D-Daten

Blender verfügt als Game-Engine von Hause aus natürlich nicht über die Fähigkeiten bei der Analyse und Auswertung räumlicher Daten. Allerdings lässt sich der Funktionsumfang durch entsprechende Programme erheblich erweitern und auf die Anforderungen für ein 4D-GIS anpassen. So sind z.B. in Python programmierte Pakete zur Beschreibung von topologischen Beziehungen (9-Intersection-Modell) oder Kollisionsprüfungen verfügbar. Darüber hinaus kann Blender als Game-Engine seine Stärken im Bereich Animation und Visualisierung ausspielen. Für die Animation werden zumeist Key-Frame-Animationen verwendet, d.h. dass zu festgelegten Zeitpunkten die Positionen des zu animierenden Objekts gespeichert werden. Diese Methode eignet sich daher sehr gut zur Visualisierung raum-zeitlicher Dynamik.

Eine entsprechende erste Umsetzung auf Basis eines objektorientierten Ansatzes findet sich in [Hill09].

7.2.2 Autodesk 3ds Max 2009 3ds Max ist eine kommerzielle Software der Firma Autodesk zur Erstellung von 3DGraphiken und Animationen. Die Software findet v. a. im Bereich der Computerspiel- und Filmindustrie sowie in Architektur- und Designbüros seine Anwendung.

7.2.2.1 Datenbankanbindung

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de Datenbankverbindungen in der objektorientierten Programmiersprache C# zu entwickeln. Hinreichende Klassen stehen in C# bereits zur Verfügung.

Eine Alternative zur Eigenentwicklung würde die Implementierung der in Abschnitt 7.1.2.1 vorgestellten FDO Datenzugriffstechnologie in 3ds Max darstellen. In Softwarelösungen im Bereich GIS (AutoCAD Map 3D) und 3D-Stadtmodelle (Autodesk LandXplorer) ist diese bereits verfügbar.

7.2.2.2 Verarbeitung und Visualisierung von 3D/4D-Daten

Die Analyse und Auswertung raumbezogener Daten gestaltet sich schwierig, da die Software nicht als Informationssystem sondern als Modellierungs- und Animationswerkzeug konzipiert wurde. Durch entsprechende anwendungsspezifische Programmierungen kann der Funktionsumfang aber auch bei 3ds Max erweitert werden, was aber zu einem erheblichen Mehraufwand führt. Die Stärken der Software sind aber auch in diesem Fall in der photorealistischen Modellierung und Visualisierung von Objekten der realen Welt sowie deren Animation zu sehen. So lässt sich die Dynamik von 3D-Objekten sehr gut mithilfe von Key-Frame-Animationen visualisieren.

7.3 Zusammenfassung

Der Einsatz von Geoinformationssystemen und Game-Engines für die Visualisierung zeitabhängiger Prozesse hängt stark vom spezifischen Anwendungsgebiet ab.

GIS eignen sich sehr gut zur Analyse und Auswertung räumlicher Daten. Darüber hinaus bieten viele GIS standardmäßige Datenbankschnittstellen zu relationalen Datenbankmanagementsystemen. Für Anwendungen, in denen photorealistische Darstellungen gefordert sind, stellen vorhandene GIS allerdings keine zufrieden stellende 3D-Graphik zur Verfügung. In diesen Fällen wäre der Einsatz von GameEngines eine Alternative, sofern auf etwaige Analysefunktionen verzichtet werden kann. Darüber hinaus wäre der zu betreibende Programmieraufwand relativ hoch, um Game-Engines um zwingend erforderliche Analysefunktionen zu erweitern.

8 Diskussion 77

8 Diskussion

Die Entwicklung eines 4D-GIS, das alle Anforderungen und Aspekte von der Datenhaltung, über die Analyse bis hin zur Visualisierung gleichermaßen umfasst und berücksichtigt, ist eine interessante, aber vor allem anspruchsvolle Aufgabe für die weitere Forschung. Der Hauptschwerpunkt der vorliegenden Arbeit wurde auf die effiziente Speicherung raum-zeitlicher Daten gelegt. Da relationale und objektrelationale Datenbankmanagementsysteme noch unzureichende Mittel zur Verwaltung temporaler Daten besitzen, wurde das vorgestellte 4D-Datenmodell auf Basis zweier Datenbanktechnologien entwickelt: TimeDB und Oracle. Das vorgestellte relationale topologische 4D-Datenmodell bietet dabei einen Ansatz zur Verwaltung zeitabhängiger 3D-Geodaten. Darüber hinaus wird aufgezeigt, wie sich räumliche und thematische Eigenschaften von Geoobjekten mit temporalen Aspekten miteinander in Beziehung setzen lassen. Es lassen sich alle zeitlichen Zustandsänderungen von Geoobjekten beschreiben. Aufwändige Raum-Zeit-Analysen lassen sich hingegen nur über komplexe Anfragen herleiten. Es bedarf daher weiterführender Arbeiten im Bereich der spatio-temporalen Datenbankentwicklung. Dabei können verschiedene Ansätze verfolgt werden.

Eine mögliche Weiterentwicklung betrifft die Integration der räumlichen Datentypen, Zugriffsmethoden sowie Funktionen und Operatoren von Oracle Spatial (vgl. Abschnitt 5.1: Oracle Spatial 3D) mit der temporalen Datenbank TimeDB. Mit der Realisierung eines spatio-temporalen DBMS auf Basis von Oracle Spatial und TimeDB wäre auch die Entwicklung einer geeigneten raum-zeitlichen Abfragesprache für die Analyse spatio-temporaler Daten umgesetzt. Ein anderer Ansatz wäre die Erweiterung des Sprachstandards SQL3 um temporale Funktionen und Operatoren. Der Vorteil dieser Lösung ist v. a. in der flexiblen Einsatzfähigkeit in verschiedenen DBMS zu sehen. Eine entsprechende Standardisierung in Form vom SQL/Temporal ist bereits seit mehreren Jahren angedacht. Darüber hinaus werden multidimensionale Indexierungsverfahren benötigt, um leistungsfähige Zugriffe auf große Datenmengen sicherzustellen. Derartige Ansätze könnten in entsprechenden Forschungsprojekten an der Hochschule bearbeitet werden.

8 Diskussion 78 Neben einer effizienten Datenhaltung und der Durchführung raum-zeitlicher Analysen ist die Visualisierung der zeitlichen Veränderungen von 3D-Objekten ein zentraler Aspekt bei der Entwicklung eines 4D-GIS. Entsprechende Möglichkeiten wurden bereits in Kapitel 7 diskutiert. Eine Alternative würde eine Eigenentwicklung darstellen, in der sich die Anfrageergebnisse direkt in einem 3D-Fenster visualisieren lassen. In ersten prototypischen Implementierungen könnte bei der graphischen Darstellung zunächst auf statische Repräsentationen zurückgegriffen werden.

Es bedarf somit noch einiger Untersuchungen und Studien für die Entwicklung eines flexibel und effizient einsetzbaren 4D-GIS, das alle in Abschnitt 2.2 definierten Anforderungen gleichermaßen abbildet. Mittelfristig ist ein entsprechendes 4D-GIS nach Meinung des Autors aber nicht absehbar.

Abkürzungsverzeichnis 79 Abkürzungsverzeichnis

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A API Application Programming Interface ATSQL2 Applied Temporal SQL2; angewandte temporale Erweiterung des SQL-92 Standards B BCDM Bitemporal Conceptual Data Model C CAD Computer-Aided Design; rechnergestützter Entwurf CSG Constructive Solid Geometry D DB Datenbank DBMS Datenbankmanagementsystem DBS Datenbanksystem DDL Data Definition Language; Datendefinitionssprache von SQL DML Data Manipulation Language; Datenmanipulationssprache von SQL E EPSG European Petroleum Survey Group; EPSG-Schlüssel dienen der Identifikation räumlicher Bezugssysteme ESRI Environmental Systems Research Institute Inc.; Sitz: Redlands, CA EVAP Eingabe, Verarbeitung, Analyse, Präsentation (4 Komponenten eines GIS)

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G GIS Geoinformationssystem I IQL Interactive Query Language; Interaktive Abfragesprache von SQL ISO International Organization for Standardization L (L)GPL GNU (Lesser) General Public Licence M MBR Minimal Bounding Rectangle; minimal umgebendes Rechteck P Pixel Kunstwort, zusammengesetzt aus Picture und Element S SDE Spatial Data Engine; Geodaten-Server von ESRI SDO Spatial Data Option SQL Structured Query Language SRID Spatial Reference Identifier; ID eines räumlichen Bezugssystems SVVM Single Vector Value Map T TGIS Temporales Geoinformationssystem TIN Triangulated Irregular Network TSQL2 Temporal SQL; temporale Erweiterung des SQL-92 Standards

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Literaturverzeichnis [Allen83] Maintaining Knowledge about Temporal Intervals. James F. Allen.



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