Universität Freiburg Arbeitsbericht 39-2004 KOMBINATION VON GIS, SIMULATION UND e 3D-VISUALISIERUNG ZUR DARSTELLUNG VON WALDSTRUKTUREN UND i m WALDSTRUKTURENTWICKLUNGEN o - Instrument für die „erweiterte“ forstliche Planung - n o Kai Fischer k ö t s r o F r ü f t u t i t s n I Der vorliegende Arbeitsbericht beruht auf der Dissertation des Verfassers, die im Oktober 2003 am Institut für Forstökonomie der Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg eingereicht wurde. Die Arbeit wurde durch Prof. Dr. B. Koch (Abteilung Fernerkundung und Landschaftsinformationsysteme) und Prof. Dr. G. Oesten (Abteilung Forstökonomie) betreut und durch das Ministerium Ländlicher Raum Baden-Württemberg (MLR) finanziell gefördert. Freiburg i. Brsg. Februar 2004 „Durch seine Beziehung auf den Menschen gewinnt das Landschaftsbild erst seine Vollendung.“ Peter Joseph Lenné I Inhalt Inhaltverzeichnis I Ausführliches Inhaltsverzeichnis II Abbildungsverzeichnis V Tabellenverzeichnis VII Zusammenfassung IX 1. Einleitung 1 2. Ansprüche an ein technisches „kommunikatives“ Visualisierungskonzept für die forstliche Praxis 10 3. Grundlagenwissen zur 3D-Visualisierung von Waldstrukturen 29 4. Material und Methodenauswahl 62 5. Lösungsansätze zur Visualisierung von Waldstrukturen und ihrer Entwicklung 86 6. Diskussion 133 7. Literatur 173 8. Anhang 183 II Ausführliches Inhaltsverzeichnis Inhaltverzeichnis I Ausführliches Inhaltsverzeichnis II Abbildungsverzeichnis V Tabellenverzeichnis VII Zusammenfassung IX 1. Einleitung 1 2. Ansprüche an ein technisches „kommunikatives“ Visualisierungskonzept für die forstliche Praxis 10 2.1 Grundvoraussetzungen für eine Verfahrensentwicklung („Grundanforderungen“) 14 2.2 Spezifische Anforderungen an ein kommunikatives Verfahren 16 2.2.1 Allgemeine Anforderungen an ein ethisch verantwortliches und effizientes kommunikatives Verfahren („Kommunikation“) 16 2.2.2 Spezielle Anforderungen an ein computergestütztes Verfahren („Computertechnik“) 17 2.2.3 Anforderungen hinsichtlich der zu vermittelnden Inhalte („Inhalt“) 20 2.3 Bewertung der Kriterien und Anforderungen in Bezug auf die geplanten Einsatzgebiete („Anwendung“) 24 3. Grundlagenwissen zur 3D-Visualisierung von Waldstrukturen 29 3.1 Existierende Ansätze zur 3D-Visualisierung von Waldstrukturen im forstlichen Bereich 29 3.2 Waldstruktur- und Waldwachstumssimulation 36 3.3 Techniken zur dreidimensionalen Darstellung von Vegetationsdaten 40 3.3.1 Techniken zur flächenbezogenen 3D-Visualisierung von Vegetationsdaten 40 3.3.2 Einfache 3D-Objekte zur Darstellung der Vegetation 42 3.3.3 Grammatische Systeme zum Erstellen von 3D-Objekten 43 3.3.4 Weitere Ansätze zur Erstellung von 3D-Baummodellen 46 3.3.5 billboards zur Darstellung der Vegetation 47 3.3.6 Schichtmodelle 49 3.4 Spezialprogramme zur 3D-Landschaftsvisualisierung 50 III 4. Material und Methodenauswahl 62 4.1 Referenzgebiet 62 4.2 Datengrundlage 63 4.2.1 Rasterdaten und ihre Aufbereitung 63 4.2.2 Vektordaten und ihr Verwendungszweck 67 4.2.3 Sachdaten und ihr Verwendungszweck 70 4.3 Verwendete Software 70 4.3.1 Geografische Informationssysteme 70 4.3.2 Auswahl der externen (Referenz-)3D-Visualisierungsumgebung 72 4.3.3 Waldwachstumssimulator 73 4.3.4 Programmierwerkzeuge 74 4.3.5 Weitere eingesetzte Grafikprogramme 76 4.4 Methode der Stratenbildung 77 4.5 Eingesetzte Methoden für die 3D-Visualisierung 79 4.5.1 MultiPatches 79 4.5.2 Extrusion 79 4.5.3 Texturierung (texture mapping) 80 4.5.4 „level of detail“ (LOD) 82 4.6 Auswahl der Vegetationsdarstellungsform 83 5. Lösungsansätze zur Visualisierung von Waldstrukturen und ihrer Entwicklung 86 5.1 GIS-SILVA-Interface 89 5.2 3D-Visualisierung von Waldstrukturen und ihrer Entwicklung auf der Basis von GIS 99 5.2.1 3D-Geländedarstellung 99 5.2.2 3D-Darstellung der Waldstrukturen innerhalb von GIS 100 5.2.3 3D-Darstellung anthropogener Landschaftsmerkmale 103 5.2.4 Weitere Möglichkeiten zur Aufwertung der visuellen Darstellung im GIS 108 5.2.5 Möglichkeiten der GIS-gestützten 3D-Darstellung von Waldstrukturentwicklungen 109 5.2.6 Präsentationsmöglichkeiten im GIS 112 5.2.6.1 Navigation in der 3D-Szene 112 5.2.6.2 Export nach VRML 112 5.2.6.3 Präsentation in GIS-Kiosksystemen 113 5.3 3D-Visualisierung von Waldstrukturen und ihrer Entwicklung in dem externen Referenzsystem Enviro 117 5.3.1 3D-Geländedarstellung mit Enviro 118 5.3.2 Einzelbaumbezogene 3D-Darstellung der Waldstrukturen mit Enviro 120 5.3.3 3D-Darstellung anthropogener Landschaftsmerkmale mit Enviro 123 5.3.4 Weitere visuelle Aufbereitungsmöglichkeiten in Enviro 128 5.3.5 Möglichkeiten der Darstellung von Waldstrukturentwicklungen mit Enviro 129 5.3.6 Präsentationsmöglichkeiten mit Enviro 132 IV 6. Diskussion 133 6.1 Übergreifende Diskussion des entwickelten Systems - „Systemvergleich“ 133 6.2 Diskussion der Datengrundlage 136 6.3 Bewertung der GIS-Software ArcGIS als zentraler Bestandteil der entwickelten Lösungsansätze 138 6.4 Kritische Stellungnahme zum GIS-SILVA-Interface 141 6.5 Diskussion der Ergebnisse zur 3D-Visualisierung 144 6.5.1 Vegetationsdarstellungsformen als (ein) Kernproblem der 3D-Visualisierung von großen Landschaftsausschnitten 144 6.5.2 Gegenüberstellung der beiden (entwickelten) Lösungsansätze zur GIS-gestützten (3D-)Visualisierung 146 6.5.3 Bewertung der Lösungsansätze in Bezug auf die Anwendungsziele der (erweiterten) forstlichen Planung 152 6.5.4 Zusammenfassende Bewertung 158 6.6 Diskussion zum Einsatz von 3D-Visualisierungs-Verfahren auf der Basis von GIS im Kommunikationsbereich der Forstwirtschaft 160 6.7 Ausblick 168 7. Literatur 173 Anhang 183 A.1 Eingesetzte Geräte 183 A.2 Ermitteln der größten Standortseinheit je Bestand 184 A.3 Übertragen der BI-Mittelwerte in die FE-Tabelle Bestand 185 A.4 AVENUE-Skripte 186 A.5 Übersicht über die SILVA-Steuerdateien 188 A.6 Beispiel einer Schlüsseldatei für die Waldentwicklungstypen 194 A.7 Beispiel einer Standortsigeldatei 194 A.8 Beispiel einer Baumarten-Schlüsseldatei 196 A.9 VBA-Funktion zum Reimport von SILVA-Baumlisten in das GIS 197 A.10 VBA-Funktion zum Erzeugen von MultiPatch-X-billboards 204 A.11 VTP-Dateiformate 207 A.12 VB-Code für VF-Export 208 A.13 Enviro Baumarten-Schlüsseldatei (species.xml) 210 A.14 Anwendungsbeispiel zur RasterClipping-Erweiterung 211 V Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Grafische Darstellung der technischen Komponenten einer integrierten GIS-Lösung und der Anbindung eines „externen“ 3D-Referenzsystems 7 Abb. 2: Darstellungen von ViWa 30 Abb. 3: Landschaftsansicht erzeugt mit L-VIS (aus PRETZSCH u. SEIFERT 2000) 31 Abb. 4: Bestandesdarstellungen mit TREEVIEW 32 Abb. 5: Bestandesaufrisszeichnung von AUFRISS 32 Abb. 6: Benutzeroberfläche des SVS 33 Abb. 7: Landschaftsdarstellung mit EnVision 34 Abb. 8: 3D-Darstellung – Bestände über Mittelhöhe extrudiert; Volumen über Rotton kodiert (je dunkler der Rotton, desto höher das Volumen) 41 Abb. 9: Geländemodell, links ohne, rechts mit eingerechneten Einzelbaumhöhen 42 Abb. 10: 3D-Pfahldarstellung der Bestände auf Einzelbaumebene 42 Abb. 11: Darstellung der Vegetation über geometrische Grundformen (Primitive) 43 Abb. 12: Erzeugen einer Schneeflockenstruktur über Textersetzungsregeln (L-Systeme) 44 Abb. 13: Prinzip von „echten“ billboards 47 Abb. 14: Verwendung von gekreuzten Rahmen als Vorbereitung zur realistischen 3D-Darstellung von Bäumen 48 Abb. 15: Texturdarstellung von 3D-Bäumen auf gekreuzten Rahmen 48 Abb. 16: Abbildungen aus JAKULIN 2000 49 Abb. 17: Vegetationsdarstellung in SiteBuilder 3D 54 Abb. 18: Landschaftsdarstellungen in K2Vi. Links 3D-Bäume, rechts mit Verwendung von Texturbildern 55 Abb. 19: Landschaftsbilder erzeugt mit VistaPro. Links großräumige Ansicht, rechts Einzelbäume 57 Abb. 20: „Weltansicht“ in Enviro; links Totalansicht, rechts gezoomt 58 Abb. 21: 3D-Landschaftsansicht in Enviro; links ohne, rechts mit 3D-Landschafselementen 58 Abb. 22: Spielemodus von Blender 59 Abb. 23:Ausschnitt einer mit Blender erstellten Animation 60 Abb. 24:Einordnung des Untersuchungsgebietes „Forstamt Schluchsee“ im Landesüberblick (BaWü) 62 Abb. 25: Erzeugen eines plastisch wirkenden DGM 64 Abb. 26: „aspect“ und „slope“ 65 Abb. 27: Prinzip der imagefusion 66 Abb. 28: Extrusion von 2D-Daten zur Darstellung in 3D 80 Abb. 29: Übertragung eines Texturbildes auf ein 3D-Objekt 81 Abb. 30:Verschiedene Texturabbildungen; links Einfachdarstellung, Mitte Kachelung, rechts Randwerte der Textur 82 Abb. 31: AMAP-Bäume in der 3D-GIS-Ansicht 84 Abb. 32: Modulares Konzept des Lösungsansatzes VisTree3D; Bereiche mit eigener Programmierung sind durch einen roten Blitz gekennzeichnet 87 Abb. 33: Programmierter Hauptdialog zur Erstellung der SILVA-Steuerdateien 91 Abb. 34: Programmierter Dialog zur Eingabe benutzerdefinierter SILVA-Parameter 93 Abb. 35: Dialog zur Bestätigung des Prognosestarts 95 Abb. 36: boundary eines Bestandes 97 VI Abb. 37: Verschieben der SILVA Stammfußkoordinaten in den Gauß-Krüger-Koordinatenbereich des Bestands 98 Abb. 38: Duplizierung der SILVA-Stammfußkoordinaten zum Füllen der Bestandes- boundary 98 Abb. 39: Verwerfen der Baumstandpunkte, die außerhalb der Bestandesgeometrie liegen 99 Abb. 40: TIN mit überlagertem Fusionsbild 100 Abb. 41: Zuweisung von aufbereiteten Bildtexturen zu MultiPatches 102 Abb. 42: 3D-GIS-Szene mit einer Vegetationsdarstellung auf Einzelbaumebene über X-billboards 103 Abb. 43: Blockmodell der Stadt Schluchsee erstellt aus ALK-Grunddaten 105 Abb. 44: Darstellung des TINs vor (links) und nach (rechts) der Einbeziehung der Gebäudegrundrissgeometrien 105 Abb. 45: TIN mit eingerechneten Gebäudestrukturen (links ohne, daneben mit Oberflächentexturbild). 106 Abb. 46: 3D-Modell des Riesenbühlturms 107 Abb. 47: 3D-Modell eines „schwebenden“ Zeppelins in der 3D-GIS-Szene 108 Abb. 48: Himmel im 3D-GIS 109 Abb. 49: Nebel und Dunst im 3D-GIS 109 Abb. 50: Bewegung von 3D-Objekten im 3D-GIS 109 Abb. 51: Darstellung der Waldwachstumsentwicklung im 3D-GIS 111 Abb. 52: Dialogfenster zum Anpassen der Menü- und Symbolleisten 113 Abb. 53: GIS-Funktionalität im 3D-Visualisierungsmodul 115 Abb. 54: 2D-Orientierung bei 3D-Navigation 115 Abb. 55: 3D-Darstellung im VisTree-viewer 116 Abb. 56: Benutzerdialog zum Export der Geodaten-Basis in die VTP-eigene Dateiformate 118 Abb. 57: Darstellung des Geländes in Enviro. Links mit Standardfarben, rechts mit Geländetexturbild 120 Abb. 58: Visualisierung der Waldstrukturen in Enviro 122 Abb. 59: Blick auf die billboards von Enviro aus der „Vogelperspektive“ 122 Abb. 60: Blockmodell des Ortes Schluchsee in Enviro 126 Abb. 61: Darstellung des Riesenbühlturms mit Foto-Textur innerhalb von Enviro 126 Abb. 62: Darstellung eines „fliegenden“ 3D-Modells in Enviro 127 Abb. 63: 3D-Modell eines Schiffes auf dem Schluchsee, dargestellt mit Enviro 127 Abb. 64: 3D-Modell einer Brücke über dem Schluchsee, dargestellt mit Enviro 128 Abb. 65: Enviro 3D-Szene mit aktiviertem Nebel 129 Abb. 66: Dialog zum Speichern und Laden von Betrachterpositionen in Enviro 130 Abb. 67: Darstellung der Waldentwicklung in Enviro 131 Abb. 68:Unrealistische Farbwiedergabe bei kleinen Objekten nach der imagefusion 137 Abb. 69: Selektion von Einzelbäumen und Abfrage der Bauminformationen im 3D-GIS 147 Abb. 70: Vergleich der Darstellungsqualität des Geländetexturbildes: links im GIS; rechts in Enviro 149 Abb. 71: Blick von oben auf die billboard-Bäume im GIS (links) und in Enviro (rechts). 150 Abb. 72: Berechnung der Flächengröße im Field Calculator 184 Abb. 73: Attributwahl im Geoprocessing Wizard 185 Abb. 74: Benutzerdialog der ArcGIS-Erweiterung „Clip Raster with a Rectangle“ 211