Heft 74/2001

Schriftenreihe
des Instituts für Geodäsie



Heft 74/2001

NEUDECK, Stefan

Zur Gestaltung topografischer Kartren für die Bildschirmvisualisierung

Dissertation
III, 132 S.,
mit CD-ROM als Beilage

Auflage:  400

ISSN:  0173-1009

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung und Ausblick



Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen der Universität der Bundeswehr München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation.

Promotionsausschuss  
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Reinhardt
1. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Caspary
2. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Kurt Brunner

Die Dissertation wurde am 1. März 2001 bei der Universität der Bundeswehr München eingereicht.

Tag der mündlichen Prüfung:  11. Juni 2001
 



Inhaltsverzeichnis

1  Einleitung und Problemstellung 1
 
2  Grundlagen 5
    2.1  Charakteristik kartografischer Darstellungen 5
           2.1.1  Raumbezug 5
           2.1.2  Sachlicher Bezug -
                     topografische und thematische Karten

5
           2.1.3  Zeitlicher Bezug 6
           2.1.4  Maßstabsbereiche 6
    2.2  Kartografisches Zeichensystem 7
           2.2.1  Grafische Triviale, zusammengesetzte Zeichen und
                     grafische Gefüge

7
           2.2.2  Schrift 7
           2.2.3  Grafische Variable 7
    2.3  Kartografische Gestaltungsmittel 10
    2.4  Perzeptive Schwellen 10
           2.4.1  Auflösungsvermögen des Auges 11
           2.4.2  Mindestzeichengröße in Abhängigkeit vom
                     Betrachtungsabstand

11
           2.4.3  Kartografische Mindestgrößen und -abstände
                     für normalen Leseabstand

12
           2.4.4  Kartografische Mindestmaße bei größerem
                     Betrachtungsabstand

13
    2.5  Gedruckte Karten 14
           2.5.1  Papier 14
           2.5.2  Auflagendruck 14
           2.5.3  Kommunikationssituation bei gedruckten Karten 15
    2.6  Kartografische Darstellungen am Bildschirm 16
           2.6.1  Auflösung und Bildpunkt 16
           2.6.2  Datentypen 16
           2.6.3  Anwendungsarten 17
 
3  Bildschirm- und Projektionstechnik 19
    3.1  Grafikkarte 19
    3.2  Kathodenstrahlröhren 20
           3.2.1  Bilderzeugung 20
           3.2.2  Typen 21
           3.2.3  Technische Spezifikation 23
           3.2.4  Neue Entwicklungen 24
    3.3  Flüssigkristallbildschirme 24
           3.3.1  Bilderzeugung 25
           3.3.2  Aktivmatrix- und Passivmatrixverfahren 25
           3.3.3  Technische Spezifikation 26
           3.3.4  Neue Entwicklungen 27
    3.4  Plasmabildschirme 27
           3.4.1  Bilderzeugung 27
           3.4.2  Technische Spezifikation 28
    3.5  Weitere Bildschirmtechniken 29
           3.5.1  Feldemissions-Bildschirme 30
           3.5.2  Fotokathoden-Bildschirme 30
           3.5.3  OLED-Bildschirme 31
           3.5.4  Elektrolumineszenz-Bildschirme 31
           3.5.5  MIM-Bildschirme 31
           3.5.6  PALC-Bildschirme 32
           3.5.7  LEP-Bildschirme 32
    3.6  Kleinformatige Bildschirme 32
    3.7  Projektoren 33
           3.7.1  Bildübertragung 33
           3.7.2  Technische Spezifikation 35
    3.8  Ergonomische Aspekte 35
           3.8.1  Bildschirme 35
           3.8.2  Projizierte Bilder 36
    3.9  Überstrahlung 36
 
4  Rastergrafik 37
    4.1  Aliasing 37
    4.2  Rasterkonvertierung von Vektordaten und Schriften 38
           4.2.1  Rasterkonvertierung von Linien und Punkten 38
           4.2.2  Rasterkonvertierung von Kreisen 40
           4.2.3  Erzeugung breiter grafischer Triviale 42
           4.2.4  Rasterkonvertierung von Schrift 43
           4.2.5  Füllen von Polygonen 44
    4.3  Rasterkonvertierung von Rasterdaten 45
    4.4  Bildstörung 46
           4.4.1  Überblick 46
           4.4.2  Bildstörung bei Strichgrafik 47
           4.4.3  Bildstörung bei Punkten 48
           4.4.4  Bildstörung bei Vergrößerung 49
           4.4.5  Bildstörung bei Schrift 49
           4.4.6  Bildstörung bei Rasterdaten 50
    4.5  Allgemeine Bildverbesserung durch Antialiasing 50
           4.5.1  Bereichsmittelwerte 51
           4.5.2  Erhöhung der Auflösung 51
           4.5.3  Einschätzung und Beispiele 51
    4.6  Bildstörung durch Antialiasing 53
    4.7  Vergrößern und Verkleinern der Grafik 53
           4.7.1  Techniken 53
           4.7.2  Maßstabsänderung von Vektordaten 54
           4.7.3  Maßstabsänderung von Rasterdaten 56
    4.8  Verschiebung der Grafik 57
           4.8.1  Verschiebung von Vektordaten 57
           4.8.2 Verschiebung von Rasterdaten 57
 
5  Kartengestaltung für die Bildschirmvisualisierung 59
    5.1  Kartografische Mindestgrößen 60
           5.1.1  Bisherige Untersuchungen 60
           5.1.2  Mindestgrößen im Bildpunktmaß 62
           5.1.3  Richtungsabhängige Maße 64
           5.1.4  Auswirkung der allgemeinen Bildverbesserung
                     auf die Mindestmaße

65
           5.1.5  Mindestmaße für größeren Betrachtungsabstand 68
    5.2  Gestaltung 69
           5.2.1    Farbe und Tonwert 69
           5.2.2    Siedlungsdarstellung 71
           5.2.3    Gewässerdarstellung 74
           5.2.4    Darstellung der Bodenbedeckung 76
           5.2.5    Darstellung von Verkehrswegen 78
           5.2.6    Darstellung von Anlagen der Kommunikation
                       und Versorgung

82
           5.2.7    Darstellung von Einzelobjekten 82
           5.2.8    Darstellung des Reliefs 84
           5.2.9    Grenzen 86
           5.2.10  Schrift 86
    5.3  Gesamtheit der kartografischen Darstellung 90
           5.3.1  Großmaßstäbige Karte 92
           5.3.2  Karte mittleren Maßstabs 93
           5.3.3  Kleinmaßstäbige Karte 94
           5.3.4  Kleinstmaßstäbige Karte 96
           5.3.5  Stadtplan 96
           5.3.6  Grafische Variation 97
    5.4  Grafische Dichte 98
    5.5  Gestaltung des Kartengrundes für thematische Karten 99
           5.5.1  Zweifarbiger Kartengrund 99
           5.5.2  Einfarbiger Kartengrund 99
    5.6  Drehung der kartografischen Darstellung 100
    5.7  Bearbeitung von Rasterdaten 100
           5.7.1  Online-Karten 101
           5.7.2  Digitalisierte Landeskartenwerke 101
           5.7.3  Erzeugung von Rasterkarten aus konventionellen
                     Vorlagen

101
    5.8  Luft- und Satellitenbildkarten für die Bildschirmvisualisierung 102
           5.8.1  Unterschiede zur Karte 102
           5.8.2  Bildkarten 103
           5.8.3  Luft- und Satellitenbilder und Bildkarten in der
                     Bildschirmvisualisierung

103
 
6  Kartografische Interaktion 105
    6.1  Begriffsbestimmung 105
    6.2  Interaktive Wahl von Position und Maßstab 107
           6.2.1  Maßstabsbereich bei statischen Karten 107
           6.2.2  Intelligentes Zoom 107
           6.2.3  Weitere Formen der Vergrößerung 108
           6.2.4  Orientierungshilfsmittel 110
    6.3  Legendengestaltung 111
           6.3.1  Legendenfenster 112
           6.3.2  Temporäre Legendeninformation 112
           6.3.3  Parallele Nutzung beider Legendenformen 113
    6.4  Gewinnung von Zusatzinformation 114
    6.5  Nutzerspezifische Gestaltung 115
    6.6  Produktbeispiele 116
           6.6.1  Encarta-Weltatlas 117
           6.6.2  The National Atlas of Canada 117
           6.6.3  Interaktiver Atlas der Schweiz 118
           6.6.4  Electronical Chart Display and Information System
                     (ECDIS)

119
    6.7  Kommunikationssituation bei Karten in der Bildschirm-
           visualisierung

119
 
7  Zusammenfassung und Ausblick 121
 
Literaturverzeichnis 123
 
Lebenslauf 131
Dank 131
 
Informationen zum Datenträger
 
132

 
Zusammenfassung und Ausblick

Kartentechnik und kartografische Visualisierung befinden sich in einem Umbruch. Digitale Verfahren der Kartenherstellung zum einen und die Möglichkeiten der weitreichenden Verfügung über Karten in digitaler Form zum anderen begründen die Veränderungen. Als Nebeneffekt für die Kartografie ergibt sich, dass Kartengestaltung und -herstellung individuell durch eine einzelne Person erfolgen können. Motor für die Entwicklungen sind Fortschritte im Bereich der elektronischen, speziell der grafischen Datenverarbeitung. Die zu erwartende zukünftige Praxisreife einiger neuer Bilddarstellungstechniken und neue Wege der Datenübertragung werden auf dem Gebiet des Einsatzes von Karten in mobilen Geräten die Entwicklung weiter beschleunigen.

Die Ausführungen der vorliegenden Arbeit konzentrieren sich auf die Gestaltung von Karten für die Bildschirmvisualisierung. Intensiv wurde behandelt, dass der Bildpunkt des Monitors das sichtbare grafische Grundelement jeder Darstellung ist. Die Eigenschaften des Bildpunktes sind zu berücksichtigen, damit die Kartengestaltung mit dem Ziel der visuellen Unterscheidung zwischen Kartenzeichen durch Nutzung grafischer Variationen erfolgen kann. Die Arbeit mit dem Bildpunkt, die Festlegung notwendiger Mindestgrößen im Bildpunktmaß, die Berücksichtigung der auf dem sichtbaren Bildpunkt beruhenden Restriktionen sind wesentliche Unterschiede zur Gestaltung konventioneller Karten. Das grafische Grundelement bedingt aber auch, dass der Maßstab, in dem die Karte am Monitor angezeigt wird, von Größe und Auflösung des Bildschirm abhängig ist. Darin liegt eine Beschränkung, die vor allem bei der Visualisierung von Rasterdaten beachtet werden muss.

Die Gestaltung der Karte für die Bildschirmvisualisierung mit geeigneten Mitteln ist der wichtigste Schritt zur Förderung der Lesbarkeit der Darstellung. Belegt werden konnte, dass einige konventionelle Gestaltungsmittel nicht auf die Darstellung am Bildschirm übertragen werden können. Für sie müssen Alternativen gefunden werden, die vom Kartenleser erkannt werden und von ihm nachvollziehbar sind. Andere Gestaltungsmittel, die in gedruckten Karten kaum verwendet werden oder simuliert werden müssen, eignen sich für die Bildschirmvisualisierung dagegen besonders. Die für das Auge kaum wahrnehmbare Bildstörung bei der Verwendung von Halbtönen fördert die Nutzung von Gestaltungsmöglichkeiten und gesamter Darstellungen, die überwiegend oder ganz aus Halbtönen bestehen. Die Visualisierung von Unschärfe und die Verwendung von Luftbildern, die eine Alternative zur Nutzung topografischer Karten sein kann, sind dafür Beispiele.

Des Weiteren wurde gezeigt, dass die spezielle Bildverbesserung den Grad der Lesbarkeit der Karte erheblich erhöhen kann. Mit diesem Gestaltungsmittel wird die Lage einzelner Kartenzeichen in der Bildpunktmatrix festgelegt. Sie hat den Erhalt dieser Lage bei Verschiebung der Darstellung zum Ziel. Ihre Mittel sind auch auf andere Grafik übertragbar und fördern so die garfische Qualität des auf elektronischen Bildträgern angezeigten Bildes. Die spezielle Bildverbesserung ist ein zweiter Schritt zur Entwicklung einer geeigneten Kartengestaltung.

Ein dritter Schritt ist die Bearbeitung der Karte mit Antialiasing. Dies ist eine allgemeine Bildverbesserung, mit der das Erscheinungsbild der gesamten Darstellung verändert wird.

Die Gestaltungsvarianten für die Darstellung topografischer Karten zur Bildschirmvisualisierung sind eingeschränkt. Der Bildträger lässt vor allem grafische Variationen von Form, Richtung und Muster kaum zu. Ein vertrautes Kartenbild kann dennoch weitgehend erhalten bleiben, wenn der Qualitätsumschlag, vor allem der von linearer Signatur zu Linie, der bereits in mittleren und großen Maßstäben erfolgt, und die Arbeit mit Linien und Flächen an Stelle der mit Linien- und Flächensignaturen als Erfordernisse akzeptiert werden.

Ein anstehender, weiterer Forschungsbedarf ist die Suche nach Möglichkeiten, mit denen die Gestaltung von Kartengegenständen, deren Visualisierung am Bildschirm mit Defiziten verbunden ist, verbessert werden kann. Es wurde verdeutlicht, dass bei topografischen Karten vor allem die Reliefdarstellung durch Höhenlinien unter den Eigenschaften der Bildpunktmatrix leidet. Geometrische Genauigkeit und Anschaulichkeit (Höhenlinien, Felszeichnung) gehen weitgehend verloren. Für die Wiedergabe des Reliefs im Speziellen ist festzustellen, inwiefern dreidimensionale Visualisierungen die im Kartenbild teilweise fehlende Anschaulichkeit wieder herstellen können und wie diese mit der Situationsdarstellung in geeigneter Weise zu verbinden sind.

Die erarbeiteten Gestaltungsvorschläge beschränken sich auf den Inhalt topografischer Karten. Die thematische Kartografie verfügt neben Gestaltungsmitteln, die in den vorsteheden Kapiteln beschrieben wurden, über weitere Ausdrucksmittel und zahlreiche darzustellende Thematiken. Für sie sind ebenso geeignete Darstellungsmittel zu entwickeln. Möglichkeiten der Visualisierung von Karten komplexen Inhalts, man denke zum Beispiel an geologische oder geomorphologische Karten, sind zu erproben. Ob die beschriebene interaktive Funktionalität (Ebenenkombination) die Wahrnehmung komplexer Zusammenhänge unterstützt, ist zu untersuchen.

Nach MORRISON (1994), HARBECK (1996) und PETERSON (1999) befindet sich die Kartografie in einem Paradigmawechsel. Nach Ansicht dieser Autoren resultiert dieser Wechsel daraus, dass inzwischen nicht mehr die topografische Karte, sondern digitale Datenbanken die primäre Informationsquelle in der Kartografie sind. Digitale Datenbasen liegen bereits für alle Maßstabsbereiche abstrahiert vor. Die Ableitung kartografischer Darstellungen aus ihnen wird deshalb in Zukunft noch größere Bedeutung erlangen als dies heute bereits der Fall ist. Für solche Karten sind ebenfalls geeignete Gestaltungsvorschläge zu erarbeiten. Die in der vorliegenden Arbeit aufgestellten Vorschläge können zwar genutzt werden, die dann zu verwendenden Linienstärken, Schrift- und Signaturgrößen sind jedoch in diesem Fall, im Unterschied zu den Betrachtungen der vorliegenden Arbeit, an die vorhandene Geometrie der Daten gebunden. Die Bildschirmvisualisierung lässt Darstellungsprobleme erwarten, die durch Maßnahmen der kartografischen Generalisierung zu lösen sind. Die Entwicklung von Gestaltungsvorschlägen für die Verwendung digitaler Datenbasen in der kartografischen Bildschirmvisualisierung ist eine weitere Forschungsaufgabe.

Letztendlich ist es notwendig, die Eigenschaften des Bildträgers, die aich daraus ergebenden Erfordernisse für die Bildschirmvisualisierung von Karten und kartenverwandter Darstellungen und die wachsenden Erkenntnisse über die Eignung bestimmter Gestaltungsmittel in eine Theorie umzusetzen, die sich später in Lehrbüchern wieder findet. HÄBERLING (2000) fordert dies bereits für topografische 3D-Karten.
 


 
Literatur:

HÄBERLING, C. (2000): „Topographische 3D-Karten“: Konzeption und Gestaltungsvariablen. In: SCHMIDT, B. und C. UHLENKÜKEN (Hrsg. 2000): Visualisierung raumbezogener Daten: Methoden und Anwendungen. Beiträge zum 3. GeoViSC-Wokshop, 25. September 2000, Münster, Westfalen. Ifgi prints, Band 8. Institut für Geoinformatik, Münster, S. 59-76.

HARBECK, R. (1996): Anspruch und Stellung der Kartographie in der GIS-Welt. In: Kartographie im Umbruch - neue Herausforderungen, neue Technologien. Beiträge zum Kartographiekongress, Interlaken, S. 27-34.

MORRISON, J. L. (1994): The Paradigm Shift in Cartography: the Use of Electronic Technology, Digital Spatial Data, and Future Needs. In: WAUGH, T. C. und R. G. HEALEY (Hrsg.): Advances in GIS Research. Proceedings of the Sixth International Symposium on Spatial Data Handling, Band 1. Taylor & Francis, London, S. 1-15.

PETERSON, M. P. (1999): Elements of Multimedia Cartography. In: CARTWRIGHT, W., u. a. (Hrsg.): Multimedia Cartography. Springer, Berlin, S. 31-40.
 


 
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