Dossier Kartographie

Kartographie und GIS: Beispiele aus der Praxis (Geomatik Schweiz 12/2007)

Atlas der Schweiz 2 (Geomatik Schweiz 1/2005)

Wie die Kartographie an die ETH kam (VPK10/2000)

Das Institut für Kartographie in den Jahren 1965-2000 (VPK 10/2000)

Neuedition Atlas der Schweiz (VPK 10/2000)

Die Redaktionsarbeiten für den Schweizer Weltatlas (VPK 10/2000)

Die Implementierung kartographischer Funktionen für DTP-Software (VPK 10/2000)

Kartennetzberechnung online (VPK 10/2000)

Estompage assisté par ordinateur (MPG 10/2000)

GIS-Funktionen in Multimedia-Atlanten (VPK 10/2000)

Gewässernetze in Bildschirmkarten: Qualitätssteigerung durch Adaptives Zooming (VPK 10/2000)

Neue Entwicklungen in der Web-Kartographie (VPK 10/2000)

Topographische 3D-Karten: Nur Zukunftsmusik? (VPK 10/2000)

 

Wie die Kartographie an die ETH kam

Das Fach Kartographie hat sich an der ETH Zürich bereits sehr früh als eigenständiger Forschungs- und Lehrbereich etabliert. Der Artikel schildert die ersten hundert Jahre kartographischer Aktivitäten, welche durch die Professoren Wild, Imhof und Becker geprägt waren und 1925 zur Gründung des «Kartographischen Instituts» führten.

Viola Imhof

Fridolin Becker schrieb 1916: «(...) die Ingenieure (...) mussten daher in ihre Zeichnungen aufnehmen, was überhaupt im Massstab 1:50 000 darstellbar und diesem Massstab sinngemäss entsprach. (...) Die Topographen fertigten auch die sog. Stecherpausen, die Vorlagen für die Übertragung der Zeichnung auf die Druckplatte zur Ausführung des Stiches selber an, (...)». Diesen Satz habe ich unlängst zufällig gelesen. Ob diese Forderung von Becker, Wild oder einer anderen Persönlichkeit in das Berufsbild des Topographen/Kartographen eingebracht wurde, weiss ich nicht. Er scheint mir auszusprechen, welche Überlegungen dazu geführt haben, für diese Berufe eine Hochschulausbildung vorzusehen, die neben dem Vermessen, auch Zeichnen, graphisches Gestalten, Generalisieren, Geologie, Geographie sowie eine genügende Kenntnis der Reproduktionstechnik zum Inhalt haben sollte. Dieser Satz erklärt meines Erachtens, «warum die Kartographie an die ETH kam». Doch nun zum «wie?».

Das «Kartographische Institut» existiert seit 1925. Eduard Imhof hat damals seine neuen Arbeitsräume an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) so benannt, die er im oberen Stockwerk des Hauptgebäudes beziehen konnte. Er war sich damals wohl kaum bewusst, dass er damit das weltweit erste Hochschulinstitut für Kartographie gegründet hatte. Dass er seine Arbeitsräume aber nicht als Plan- und Kartensammlung anschrieb, halte ich für eine bewusste Überlegung. Er wollte nicht nur Pläne und Karten von andern sammeln, sondern selber solche herstellen und lehren, wie man Karten produziert. Imhof wurde 1919 infolge der Erkrankung seines Lehrers Prof. Fridolin Becker Hilfslehrer (Assistent). Am 1. Oktober 1925 wurde er zum ausserordentlichen Professor an der ETH berufen. Sein Lehrgebiet ist im Berufungsschreiben ausführlich umrissen: «(...) Plan- und Kartenzeichnen, Topographie und verwandte Fächer. Die Lehrverpflichtung umfasst das Plan- und Kartenzeichnen, Vorlesungen und Übungen aus dem Gebiet der Topographie und Kartographie und des Vermessungswesens. (...) Dazu kommt im weiteren die Verpflichtung zur Mithülfe bei den Übungen in Feldmessen des Professors für Topographie und Geodäsie und die Leitung der Sammlung für Plan- und Kartenzeichnen (...)». Die Kartographie stand also vorläufig nur in einem Nebensatz. Bis sie aus dem Nebensatz verschwand, dauerte es 24 Jahre. Erst die Ernennung zum «ordentlichen Professor ad personam» auf den 1. April 1950 lautete: «(...) für Plan- und Kartenzeichnen, Topographie und Kartographie».

Imhof hielt aber seine erste Vorlesung «Kartographie» bereits im Sommersemester 1923. Er leitete sie folgendermassen ein: «Die Kartographie nimmt eine eigentümliche Zwischenstellung ein zwischen Wissenschaft und Kunst und Technik. Ihre Bausteine liefert die Vermessungstechnik (Topographie); ihre Darstellungsmittel sind bedingt durch die manuelle zeichnerische Fertigkeit und die Reproduktionstechnik; den tiefen inneren Sinn, ihre eigentliche Seele erhält sie durch die Erkenntnisse geographischer Wissenschaft und durch ein gewisses Mass von Kunst-Empfinden, das die verschiedenen zeichnerischen Elemente gegeneinander abzuwägen hat.»

Imhofs Vorlesungen in Kartographie blieben neben den anderem Fächern regelmässig im Stundenplan, sie wurden ergänzt durch kartographische Praktika, Exkursionen. Ab Wintersemester 1953/54 wurden sie erweitert durch «thematische, angewandte Karten» und schliesslich ab Wintersemester 1958/59 abwechselnd durchgeführt im Winter als Vorlesungen und Übungen: Kartographie I (topographische Karten) und im Sommer Kartographie II (thematische Karten). Dies widerspiegelt die Entwicklung, die auch durch Imhofs kartographische Arbeiten belegt ist: Neben die Schul- und Schulwandkarten gesellen sich 1948 die Neubearbeitung des «Schweizerischen Mittelschulatlas», 1951 der «Atlas zur Geschichte des Kantons Zürich» und vorbereitende Arbeiten für den «Atlas der Schweiz».

Was hat aber eigentlich Imhof selbst im Unterricht an der ETH über die Kartographie gelernt, und wie haben seine beiden Vorgänger, Johannes Wild (1814-1894) und Fridolin Becker (1854-1922), den Hochschulunterricht in diese Bahn geleitet?

Der erste Vertreter im Fach, das zur «Kartographie» geführt hat, war Johannes Wild , Professor von 1855 bis 1889 an der neu gegründeten Hochschule. Zu seinen Verpflichtungen gehörten: «Topographie und Geodäsie mit praktischen Übungen auf dem Felde und im topographischen Zeichnen», sowie «(...) den nöthigen praktischen und graphischen Übungen» (für den Unterricht im Strassen-, Eisenbahn-, Brücken- und Wasserbau). Anders ausgedrückt wurden also sowohl Plan- und Kartenzeichnen wie auch topographisches Zeichnen von der ersten Stunde an unterrichtet. Dass Wild Gewicht auf gutes, durch Kunstverständnis geschultes graphisches Gestalten legte, zeigt ein Brief von ihm von 1836, mit dem er sich um die Aufnahme in die königliche Akademie der bildenden Künste in München bewarb und worin er schreibt, er möchte in diese Schule eintreten: «(...) wo die Kunst einen ungleich höhern Grad an Vollkommenheit erlangt hat» (als an seiner bisherigen Schule, der Universität Zürich). Er hat sich dann in München und Wien entsprechend ausgebildet. Schönster Beweis für die kartographische Kunst von Johannes Wild ist «Die Karte des Kantons Zürich 1:25 000», die sowohl in der Aufnahmetechnik wie auch der «Kartographie», also der Bildgestaltung, der Generalisierung, und schliesslich der gewählten Reproduktionstechnik so vorbildlich war, dass sie als Vorbild für die spätere «Siegfriedkarte» genommen wurde. Mit wachsender Schülerzahl, Vergrösserung der Schule und des Lehrangebotes, teilte sich Wild den Unterricht mit anderen Professoren, behielt aber den Zeichenunterricht, also Plan- und Kartenzeichnen und topographisches Zeichnen immer bei.

Sein Assistent und Nachfolger, Fridolin Becker , wurde dann nur noch zum Unterricht in Planzeichnen, Kartenzeichnen, Topographie und verwandten Fächern, sowie zur Mithilfe bei den Feldübungen verpflichtet. Fridolin Becker, (Studium 1873–1878), Assistent bei Wild ab 1884, begann ab 1889 zu unterrichten, und zwar die gleichen Fächer wie Wild, aber ohne Geodäsie, dazu gab er Vorlesungen an der Militärabteilung. Das erste Mal kündigte Becker im Wintersemester 1902/03 eine Vorlesung «Kartographie» an, es folgen aber zunächst keine weiteren Ankündigungen dieser Vorlesung.

An der ETH haben sich also schon um 1890 die Fachbereiche Geodäsie/Vermessung und die Kartographie getrennt und eigenständig – aber auch wo angebracht gemeinsam – Unterrichts- und Forschungsarbeiten durchgeführt. Diese Gepflogenheit wurde übrigens folgerichtig weitergeführt und mündete 1930 in eine eigene Professur für Photogrammetrie. In dieser sehr frühen Aufteilung auf selbständige Professuren liegt wohl ein entscheidender Unterschied zu vergleichbaren Hochschulinstituten.

1915 schrieb sich Eduard Imhof an der ETH ein, zusammen mit sechs weiteren Vermessungsingenieuren, einer Vertiefungsrichtung, die ab WS 1909/10 erstmals im Stundenplan gesondert ausgewiesen wird. Für diese Gruppe las Becker, es sind seine letzten Semester, im Sommersemester 1918 und im Wintersemester 1918/19 Kartographie für Vermessungsingenieure (für das 6. und 7. Semester). Leider sind von einer Nachschrift Imhofs nur Bruchstücke erhalten. Wie weit sie ihn beeindruckt haben, ist schwer zu sagen. Becker erkrankte 1919 schwer, und Imhof übernahm aushilfsweise dessen Unterricht. Er führte angefangene Arbeiten (z. B. am Volksschulatlas) für ihn fort und war auch der Familie behilflich. Den grossen Respekt, der ihm Beckers Werk einflösste, ist aus dem Nachruf zu erkennen. Vor allem die Beckerschen Reliefkarten hat Imhof hoch geschätzt.

Fridolin Becker schrieb viel, u. a. auch über Probleme bei der Reproduktion von farbigen Karten, ausführlich über die Karte des Kantons Glarus. Auch terrestrische Photogrammetrie betrieb Becker um 1910 am Mürtschenstock. Nach den von ihm aufgenommenen Höhenkurven hat Imhof 1922 ein Relief 1:10 000 modelliert.

Auch für Imhof stand die kartographische Lehre nicht nur im Zusammenhang mit dem Aufnahmematerial, der topographischen oder geographischen Kartierung und deren sinngemässer Vereinfachung für das Kartenbild, sondern immer auch in Beziehung mit der späteren Wiedergabe im Druck, mit der Reproduktionstechnik. Das bezeugen die vielen von ihm bearbeiteten Karten und Atlanten. Hier können nur sehr wenige Abbildungen gezeigt werden, es sei aber verwiesen auf die verschiedenen Imhof-Bücher und Karten, sowie den Beitrag im Internet «Eduard Imhof, Kartograph und Künstler», welcher etwa 100 Bilder und Karten zeigt und durch ein Werkverzeichnis ergänzt ist. Abbildungen von Karten von Wild und Becker findet man zahlreich in der ETH-Bibliothek und gut reproduziert in der Zeitschrift «Cartographica Helvetica».

Im Verlaufe der hier besprochenen 100 Jahre hat sich die «ETH-Kartographie» entwickelt und die ihr gestellten Probleme zu lösen versucht: Topographische Landeskartierung, Grundbuchvermessung und -pläne, schliesslich thematische Kartographie. Noch wichtiger aber ist, dass alle drei Professoren, Wild, Becker und Imhof, neben ihrer guten mathematischen Befähigung auch graphisch und künstlerisch hoch begabt waren. Sie haben es verstanden, dieses Talent in ihrer wissenschaftlichen kartographischen Lehre und Forschung bewusst einzusetzen.

 

dipl. Geogr. Viola Imhof
Im Allmendli 23
CH-8703 Erlenbach

Vollständige Version siehe VPK 10/2000
Bestellung VPK: verlag@geomatik.ch

 

Das Institut für Kartographie in den Jahren 1965-2000

Im folgenden Artikel beschreiben die beiden Institutsvorsteher die Entwicklung des Instituts in den letzten 35 Jahren. Die Periode ist geprägt von einem grossen technologischen Wandel der Kartographie, welcher sich sowohl auf die Forschungsaktivitäten wie auch auf die Lehre auswirkt.

Ernst Spiess, Lorenz Hurni

Im Oktober 1965 konnte der neue Vorsteher ein Institut mit einem internationalen Renommee übernehmen, das sich im übrigen sehr bescheiden präsentierte. Dem Institut waren zwei Assistentenstellen zugeordnet, die sowohl Unterrichts- , Forschungs-, als auch Sekretariatsarbeiten wahrzunehmen hatten. Räumlich umfasste es 165 m 2 , verteilt auf drei Zimmer, diese aber in schönster Aussichtslage im ETH-Hauptgebäude. Darin untergebracht war eine ansehnliche, wohlgeordnete, auf Lehre und Forschung ausgerichtete Sammlung von Fachliteratur, Karten, Atlanten, Diapositiven und Reliefs. Der jährliche Kredit für spezielles Zeichenmaterial und Anschaffungen betrug Fr. 3000.–.

Die übernommenen Aufgaben in der Lehre bestanden in einem einführenden Kurs «Planzeichnen» mit vier Wochenstunden für rund 200 Studierende des Bau-, Kultur- und Vermessungsingenieurwesens. Auf ausdrücklichen Wunsch der Kollegen wurden diese Zeichenübungen stärker auf die bautechnische Thematik (Strassenprojektierung, Schalungsplan, Armierungsplan) ausgerichtet, immer aber ergänzt mit topographischen Elementen. Ein voll ausgebautes Nebenfach «Kartographie», an dem auch die Geographen partizipierten, wurde im Studienplan für die Vermessungsingenieure angeboten (Spiess et al. 1980). Im Umkreis von 600 km existierte damals keine vergleichbare universitäre Ausbildung in Kartographie. Der Fächerkanon konnte im Laufe der Jahre sukzessive umgebaut und erweitert werden. Er umfasste im Jahre 1980 total 620 Stunden, 35 % Vorlesungen und 65 % praktische Übungen, aufgeteilt in

  • Kartographie Grundzüge
  • Topographische Kartographie
  • Thematische Kartographie
  • Kartenentwurf und Kartentechnik
  • Kartenreproduktionstechnik
  • Kartenprojektionen
  • Computergestützte Kartographie
  • Ortsnamenkunde
  • sowie einen Vertiefungsblock und ein Praktikum

Die theoretischen Grundlagen in der Forschung basierten einerseits auf dem richtungsweisenden Lehrgebäude zur Kartengraphik von Eduard Imhof. Andererseits gab der Ansatz «sémiologie graphique» von Jacques Bertin neue Impulse, der aber für die Umsetzung in die kartographische Praxis noch einer weitergehenden Ausgestaltung bedurfte. Die generelle Zielsetzung war, den Standard der graphischen Gestaltung von thematischen Karten zu heben und die darin enthaltenen wesentlichen Aussagen für den Kartenbenützer spontan verständlich zu machen. Daneben wurde bereits in der Einführungsvorlesung, aufgrund von 8 Jahren praktischer Berufserfahrung, die These aufgestellt und illustriert, dass die Herstellungs- und Reproduktionstechniken einen wesentlichen Einfluss auf die graphische Ausprägung der Karten ausüben. Mit der Schaffung der Stelle eines Reprophotographen und der Einrichtung eines kleinen Reprolabors wurden die Voraussetzungen geschaffen, um in den Übungen, den Praktika und in Forschungsarbeiten mit Kartenproben experimentieren zu können, die zu gültigen druckfertigen Resultaten führten. Als ein grosses Hindernis erwies sich dabei der grosse Zeitaufwand für die manuelle Erstellung jeder einzelnen Probe, sowie die Kosten für den Farbdruck, ohne den eine Bewertung kaum möglich ist.

Als ein Hoffnungsschimmer in dieser Hinsicht galt die «Automation der Kartographie», die ab Mitte der 60er Jahre mit Hilfe der Computertechnik realisiert werden sollte. Nach den ersten Erfahrungen wurde man begrifflich bescheidener und sprach fortan nur noch von «Computergestützter Kartographie». In ersten eigenen Versuchen (Spiess 1968) überliessen wir die Berechnung von Diagrammen auf der Basis von statistischen Ausgangsdaten dem Computer, was nun erlaubte, mit den Darstellungsparametern zu experimentieren bis eine optimale Lösung gefunden war. Die damalige Plottertechnik ergab aber keine publikationsreife Qualität. Wir suchten deshalb in verwandten Anwendungsbereichen nach besseren Werkzeugen. 1974 konnte im alten Physikgebäude mit 3 Mitarbeitern ein computerbasiertes Graphiksystem mit Digitizer, Speicherbildschirmen und einer Präzisionszeichenmaschine mit Lichtprojektor in Betrieb genommen werden. Damit konnten verschiedenste Kartentypen entworfen und einwandfreie, druckfertige Filme erstellt werden, allerdings nur mit linearen Elementen und einfachen Signaturen. Flächenfarbtöne wurden anschliessend manuell und mit herkömmlichen Kopiertechniken realisiert. Auf dieser Anlage wurden während 14 Jahren für zahlreiche Anwendungen Software und Arbeitsabläufe entwickelt und erprobt sowie konkrete Projekte durchgeführt, so u.a. Entwürfe und druckfertige Filme für viele statistische Karten des Atlas der Schweiz, für Luftfahrtshinderniskarten, für zahlreiche Illustrationen in Fachaufsätzen, weiter die Berechnung und Erstellung von Filmplots von Kartennetzen, transfomierten Kartenvorlagen, Diagrammen und einer grossen Zahl spezieller Kopierraster mit Flächenmustern sowie die Platzierung von abertausenden von Wirtschaftssignaturen für den Schulatlas. Den Bedürfnissen der Kartographie nach spezifischer Software kamen die Hersteller nur sehr zögernd entgegen. In den Jahren 1986-88 verhandelten wir mit drei Firmengruppen über die Beschaffung eines, alle wesentlichen Erfordernisse abdeckenden Graphiksystems. Wir entschieden uns für eine geschlossene Intergraph-Lösung, welche das Editieren sowohl von Vektor- wie auch von Rasterdaten sowie das Scannen von Vorlagen und das Plotten druckfertiger Farbauszüge auf einem Laserrasterplotter in einwandfreier Qualität ermöglichte, und das auch für speicherintensive Projekte.

Bereits im Jahre 1967 war ein Vorentscheid über den Umzug auf den Hönggerberg gefallen. Der Neubau wurde anfangs April 1976 bezogen. Wir erhielten für die damalige Situation funktionell angeordnete und gut eingerichtete Räumlichkeiten. Die flächenmässige Erweiterung war dringend notwendig, um die drei verstreuten Gruppen, das endlich bewilligte Sekretariat und das ins Institut zurückkehrende Redaktionsbüro Atlas der Schweiz zu einer Einheit zusammenzuführen. Bald darauf wurden zudem für die Redaktionsarbeiten an den Schulatlanten drei zusätzliche Mitarbeiter eingestellt (siehe Beitrag «Die Redaktionsarbeiten für den Schweizer Weltatlas»). Die engeren Kontakte unter allen am Institut Tätigen, deren Zahl in dieser Periode bis auf 19 anwuchs, förderte den Erfahrungsaustausch und die Zusammenarbeit in manchen Projekten.

Die laufenden organisatorischen Reformen im ETH-Bereich hatten keine einschneidenden Auswirkungen auf das Institut. Die Pflicht zur Formulierung eines Institutsreglementes und zur Mitwirkung der Institutsangehörigen nahmen wir zum Anlass, in einem Zweckartikel unsere Aufgaben selber festzuschreiben und von der Schulleitung genehmigen zu lassen. Neben der generell gehaltenen Verpflichtung zu Lehre und Forschung stipulierten wir die Pflege von Beziehungen zu anderen kartographischen Institutionen und wissenschaftlichen Fachgesellschaften, sowie die Möglichkeit Dienstleistungsaufträge zu bearbeiten und machten davon ausgiebig Gebrauch. Institutsmitglieder engagierten sich in nationalen und internationalen Fachgremien (SGK, SGPBF, IKV, ISP, OEEPE), StAGN, UNGEGN) mit intensiver Mitarbeit. Wir bemühten uns um das Zustandekommen von zwei internationalen Lehrbüchern, im Rückblick eine eher undankbare, dornenvolle Aufgabe. Der Institutsvorsteher bestritt als Gastdozent im Institut de cartographie de l'Université Laval in Québec einen dreiwöchigen Blockkurs und lehrte an zwei Sommerkursen der Kartographen der nordischen Länder. Er wirkte als Präsident der Schweiz. Gesellschaften für Photogrammetrie resp. Kartographie, der Geographisch-Ethnographischen Gesellschaft Zürich, der IKV-Kommission für Kartentechnik und Kartenproduktion und einer OEEPE-Kommission, mit der er einen grossangelegten Nachführungsversuch durchführte. Zu erwähnen ist auch ein langjähriges Engagement für unser Land in Gremien zur Schreibung geographischer Namen (UNGEGN, StAGN). In diesem Zusammenhang wurden durch das Institut auch verschiedene internationale Symposien und Arbeitstagungen organisiert. Den ausübenden Kartographen und für Statistikfachleute wurden mehrere Weiterbildungskurse angeboten, die immer gut besucht waren, nicht zuletzt dank der bescheidenen Kosten für die Teilnehmer. Das Institut wurde auch häufig für fachliche Beratung und Unterstützung bei kartographischen Problemen in Projekten Dritter beansprucht (siehe Abbildung 1). Diese vielseitigen Kontakte, wie auch die grösseren Dienstleistungsaufträge, waren oft Anstoss und Anregung zu weiterführenden, an der Praxis orientierten Forschungs- und Entwicklungsprojekten. Als ein Beispiel seien abschliessend die Ansätze und kritischen Bemerkungen zu wissensbasierten Systemen für die Kartographie erwähnt (Spiess 1989 und Hutzler/Spiess 1993), welche auf den langjährigen Erfahrungen mit der computergestützten Erstellung thematischer Karten aufbauen.

Mit der Neubesetzung der Professur für Kartographie im Jahre 1996 ergaben sich auch für das Institut einige fachliche, personelle und organisatorische Neuerungen. Die Kartographie ist in den letzten 10 Jahren einem technischen und inhaltlichen Wandel immensen Ausmasses ausgesetzt gewesen (Spiess et al. 1980 sowie Hurni 1990, 1996 und 1999). Während man in den 70er und 80er Jahren noch mit teuren und teilweise unhandlichen Grosssystemen die manuelle Kartenherstellung nachzuempfinden suchte (Spiess et al. 1980 und 1990) hat insbesondere der Einsatz von Desktop Mapping Systemen den Kartenproduktionsprozess wesentlich erleichtert und beschleunigt (Hurni 1995 und Hurni/Christinat 1996). Zudem wurde mit dem Aufkommen der Geo-Informationssysteme auch der Trend weg von der reinen Papierkarte zu neuen multimedialen Kartenprodukten stimuliert. Leider werden dabei – durch nicht kartographisch ausgebildete Systementwickler – Automatismen eingebaut, welche zu eigentlich längst bekannten kartographischen Fehlern in den Endprodukten führen können.

In der Lehre wird deshalb versucht, die Anwendung des tradierten kartographischen Wissens und jüngerer Erkenntnisse auch auf neue Produktionsmittel zu vermitteln. Im Rahmen einer Studienplanänderung des Studiengangs Geomatik werden zurzeit die Vorlesungs- und Übungsgefässe in Kartographie neu konzipiert:

  • Kartographie Grundzüge (4. Semester): Quellen, Bezugssysteme und Kartenprojektionen, Gestalterische Grundsätze, Inhalt und Darstellung topographischer Karten, Analoge und digitale Kartenproduktion, Druckvorstufe
  • Kartographie und Geodaten (5. Semester, erstmals im Wintersemester 2000/2001): Datenerfassung, GIS-Datenübernahme in kartographische Systeme, Grundzüge der thematischen Kartographie, Layout und Gestaltung mit Desktop Mapping Systemen
  • Digitale Kartographie (6., im neuen Kreditzug Geoinformatik): Digitale Kartenproduktionsmethoden und -technologien.
  • Labor Digitale Kartographie (6. Semester, Wahlfach): Ergänzende praktische Übung zur Vorlesung Digitale Kartographie
  • Multimedia-Kartographie (8. Semester, im Kreditzug Geoinformatik): Konzipierung, Umsetzung und Programmierung interaktiver Karten auf CD-ROM und Web-Basis
  • Vertiefungsblock Kartographie (8. Semester): Gruppen-Semesterarbeit mit freier Themenwahl
  • Kartographie Kolloquium (9. Semester): Diskussion von Kartenbeispielen aller Art, Prüfungsvorbereitung
  • Praktikum in Kartographie (9. Semester, Wahlfach): Einzel-Semesterarbeit mit freier Themenwahl, Vorbereitung auf Diplomarbeit
  • Diplomarbeit in Kartographie (10. Semester)

Die meisten Veranstaltungen können sowohl von Geomatikingenieur- und Erdwissenschaft-Studenten der ETH und von Geographie-Studenten der Universitäten (im Nebenfach) als auch fachweise als eingeschriebener Hörer besucht werden.

Die neusten Entwicklungen und Bedürfnisse haben natürlich auch einen entscheidenden Einfluss auf die Forschung am Institut für Kartographie. Die aktuellen Aktivitäten können in drei Bereiche eingeteilt werden:

  • GIS und Kartographie: Basisdaten zur Kartenproduktion werden vermehrt nicht mehr speziell für die jeweilige Karte erarbeitet, sondern aus bestehenden GIS-Datenbanken übernommen. GIS- und Kartographie-Datenmodelle sind jedoch oft nicht miteinander kompatibel. Beigezogene Datenquellen sind zudem vielfach inhaltlich, geometrisch und gestalterisch schlecht aufeinander abgestimmt. Diese Bedürfnisse haben zur Entwicklung einer Reihe kartographischer Softwaremodule geführt, welche in zwei separaten Artikeln dieser Sondernummer vorgestellt werden (siehe Beiträge «Kartennetzberechnung on line» und «Die Implementierung kartographischer Funktionen für DTP-Software»).
  • Kartographische Gestaltung und Visualisierung: Wie bereits angedeutet, messen moderne Geo-Informationssysteme etablierten kartographischen Gestaltungsregeln eher geringe Bedeutung zu. In verschiedenen Projekten wird deshalb die Umsetzung solcher Regeln sowohl zur Produktion von gedruckten Karten als auch bei der Entwicklung multimedialer Kartensysteme untersucht (siehe Beiträge «Topographische 3D-Karten: Nur Zukunftsmusik?» und «Estompage assisté par ordinateur»).
  • Multimedia-Kartographie: Ausgehend von den Erfahrungen bei der Entwicklung des «Atlas der Schweiz» wird die Erforschung der interaktiven Funktionen für Bildschirmkarten konsequent weitergeführt. So werden «klassische» GIS Funktionen auf Ihre Verwendbarkeit in solchen Systemen untersucht (siehe Beitrag « GIS-Funktionen in Multimedia-Atlanten »). Die Aktivitäten haben auch in ein EU-Projekt gemündet, bei welchem heterogene vulkanologische, geologische, geophysikalische, geochemische, geodätische und topographische Daten in einem kartographischen Informations- und Warnsystem graphisch und mathematisch korreliert werden können (siehe www.geowarn.org ).

Wie bereits mehrfach erwähnt, ist das Institut seit 1961, also seit rund 40 Jahren, durch einen Bundesratsbeschluss mit den Redaktionsarbeiten für den «Atlas der Schweiz», des thematischen Landesatlasses, betraut (Hurni/Sieber 1998). Zurzeit wird der Atlas von der gedruckten in eine kombinierte Multimedia- und Print-Version überführt. Eine detaillierte Beschreibung des Projektes findet sich im Artikel «Neuedition Atlas der Schweiz».

Dem Institut steht zur Erfüllung seiner Vorhaben eine gut ausgebaute Infrastruktur mit etwa 35 UNIX-, Windows- und Macintosh-Workstations, mehreren Servern, einem grossformatigen Optronics Trommelscanner/Laserrasterplotter, einem Flachbettscanner, einem A0+-Inkjet-Plotter, einem Reprolabor samt Kamera, einer Bibliothek, einer Relief- und Kartensammlung, einem Studentenlabor sowie einem kleinen Hörsaal zur Verfügung. Und last but not least kann das Institut auf rund 20 gut ausgebildete und motivierte Mitarbeiter zählen, welche durch ihren grossen Einsatz massgeblich zum Erfolg in Forschungs- und Lehrprojekten beitragen.

Prof. Dr. h. c. Ernst Spiess
Langacherstrasse 4b
CH-8127 Forch
e-mail: spiess@karto.baug.ethz.ch

Prof. Dr. Lorenz Hurni
Institut für Kartographie
ETH Hönggerberg
CH-8093 Zürich
e-mail: hurni@karto.baug.ethz.ch

Vollständige Version siehe VPK 10/2000
Bestellung VPK: verlag@geomatik.ch

 

Neuedition Atlas der Schweiz

Der «Atlas der Schweiz», ein thematischer Nationalatlas, wird in den nächsten zehn Jahren nach einem neuen dualen Konzept erscheinen. Mit der Neuedition will das Institut für Kartographie der ETH Zürich neue, multimediafähige Kartentypen entwickeln, aber auch eine breite Palette von spannenden Themen präsentieren. Dieser Beitrag gibt Einblicke in die Entstehungsgeschichte der Neuedition, den aktuellen Stand des Projektes und einen Ausblick in die zukünftige Entwicklung des anspruchsvollen Kartenwerks.

Redaktionsteam «Atlas der Schweiz»

Das neue duale Konzept

Mit grossem Erfolg konnte im Februar 2000 der thematische Nationalatlas als «Atlas der Schweiz – interaktiv» auf CD-ROM als erstes Produkt nach neuem Atlaskonzept publiziert werden. Die Idee, anstelle des bisherigen qualitativ hochwertigen, gedruckten Atlaswerks eine multi-mediale Neuedition zu lancieren, liess sich somit verwirklichen.

Das neue Gesamtkonzept berücksichtigt die markanten Veränderungen im Informatikbereich und die hohen Ansprüche des Zielpublikums. Die Neuedition ist deshalb auf unterschiedlichste Interessen und Bedürfnisse ausgerichtet. Diese breit gefächerten Ansprüche von privaten Anwendern bis zu Wissenschaftern können heute nur durch einen Atlas erfüllt werden, der die Informationen mit Hilfe verschiedener Medien, also multi-medial, vermittelt.

Die Neuedition basiert auf einer dualen Publikationsform: Sie ist in einen Print-Teil und einen Multimedia-Teil gegliedert, die sich zu einem Gesamtwerk ergänzen. So können die Themen optimal präsentiert werden. Inhaltlich werden Themen neu aufgegriffen oder ausgebaut, verknüpft und Querbezüge aufgezeigt. Das Zauberwort aber heisst Interaktion: Der handelnde Mensch mit seinen Bedürfnissen steht vermehrt im Mittelpunkt, er kann gezielt mit den kartografischen Darstellungen interagieren um neue Erkenntnisse zu gewinnen.

Wichtige Meilensteine 1995-2000

In einer ersten Projektphase zur Lancierung der Neuedition sind 1995 im Rahmen des ETH-Forschungsprojekts «Interactive Multimedia Atlas Information Systems» speziell für den Multimedia-Teil verschiedene Konzeptskizzen mit dem Ziel erstellt worden, den interaktiven Umgang mit Karten und 3D-Darstellungen am Bildschirm benutzerfreundlich zu gestalten (Abb. 1a und 1b).

In einer zweiten Projektphase zwischen 1996 und 1998 stand die Entwicklung von Modulen zur Darstellung und interaktiven Behandlung von statistischen Karten und 3D-Topografie im Vordergrund. Verschiedene Prototyp- und Ausstellungs-Versionen dienten dazu, die konzeptionellen und grafischen Vorgaben sowie die technischen Ansätze zu verfeinern. Daneben galt es, erste thematische Schwerpunkte zu setzen, Daten zu akquirieren und integrieren.

In der dritten Projektphase zwischen 1999 und 2000 lag der Schwerpunkt beim Testen und Feinabstimmen des digitalen Atlas (Abb. 1c). Nach intensiven Tests mit verschiedenen Benutzergruppen wurden die Datensätze sowie die technischen Abläufe bereinigt und zur Produktion der CD-ROM «Atlas der Schweiz – interaktiv» Version 1.0 bereitgestellt. Der Verkauf von über 10'000 Exemplaren innert sechs Monaten hat die Erwartungen bei weitem übertroffen.

Der Projektablauf 2000-2009

Bereits während der Entwicklungs- und Realisierungsphase der ersten digitalen Version des «Atlas der Schweiz» wurde ein Aktionsprogramm und ein Businessplan erstellt, um die Weiterführung des Atlas zu sichern. Das Projekt «Neuedition Atlas der Schweiz» wurde 1999 vom Eidgenössischen Departement des Innern bewilligt und ist nun für die nächsten zehn Jahre, von 2000 bis 2009, gesichert.

Ein Steering Committee unter Führung des ETH-Rates und die Atlas-Kommission begleiten und beraten das Atlas-Team. Produktionspartner sind das Bundesamt für Statistik und das Bundesamt für Landestopographie.

Mit dieser langfristig gesicherten Unterstützung der Forschung kann der «Atlas der Schweiz» weiterentwickelt werden. Das Publikationsprogramm sieht vor, dass alle zwei bis drei Jahre eine thematisch erweiterte Lieferung nach dualem Konzept mit Multimedia- und Print-Teil in vier Sprachen erscheinen wird (Abb. 2).

Die Zusammenarbeit mit den Institutionen und Fachleuten läuft in einem interdisziplinären, iterativen Prozess ab: Als erstes erfolgt die gemeinsame Sichtung und Beurteilung der aktuellen Themen und der Datenlage. In einem zweiten Schritt liefern die Experten Testdaten und Multimedia -Elemente (Texte, Bilder usw.) . Danach werden die Daten nach ihren Einsatzmöglichkeiten beurteilt und notwendige grafische und funktionelle Erweiterungen entwickelt. Nun folgen Redigierung, Prüfung sowie Integration der Testdaten und Beiträge in den Print- oder Multimedia-Prototyp. Dieser Prototyp wird anschliessend den Datenherren und Experten präsentiert. Korrekturen und Verbesserungsvorschläge fliessen in die nächste Testversion ein. Nach der endgültigen Bereinigung werden die Daten, die Grafik und die Programmmodule in den Atlas eingebaut.

Die Themenpalette

Die aktuelle Version «Atlas der Schweiz – interaktiv» umfasst über 250 statistische Karten zu den Themenkreisen Bevölkerung, Wirtschaft, Staat und Politik, Schweiz und Europa sowie einen attraktiven 3D-Topografie-Teil.

In den folgenden zehn Jahren werden schrittweise neue Themenbereiche in den «Atlas der Schweiz» integriert und bestehende Kartenthemen aktualisiert. Im Vordergrund stehen Themen, die räumliche, politische und sozioökonomische Zustände und Prozesse in der Schweiz beschreiben. Der Atlas will aber nicht nur nationale Themen darstellen, sondern die Beziehungen der Schweiz mit ihren Nachbarländern und zur Europäischen Union aufzeigen. Deshalb wurden bereits in der ersten Version des Atlas einige statistische Themen europaweit dargestellt. Dreidimensionale Höhenmodelle werden im «Atlas der Schweiz – interaktiv» zur Darstellung thematischer, topografiebezogener Informationen verwendet. Ihr Einsatz ermöglicht eine realitätsnahe Visualisierung und dient der Veranschaulichung komplexer Sachverhalte. Themenmässig erfolgt für die nächste Version vor allem ein starker Ausbau in den Bereichen Natur und Umwelt (Tabelle 1).

Bisher beschränkten sich Atlanten meist darauf, Gegebenes darzustellen. Mit dem Einsatz multimediafähiger Kartentypen ist es nun möglich, Themen darzustellen und zu verknüpfen, welche einer räumlichen oder zeitlichen Variation unterworfen sind. So lassen sich etwa die Veränderungen der Waldgesellschaften oder Permafrostböden aufgrund der globalen Erwärmung simulieren.

Geplant ist weiter der Ausbau der Basiskarte mit zusätzlichen detaillierteren Informationen, einem grösseren Massstabsbereich und alternativen Geländedarstellungen mit Satellitenbildern (Abb. 3).

Die grafische Gestaltung

Seit Beginn des Projekts bildet die grafische Gestaltung des Atlas und seiner Karten einer der Eckpfeiler des Konzepts und Teil des "magischen Dreiecks": Die Symbiose zwischen Grafik, Kartografie und Multimediatechnik hat sich als ein wesentliches Element des Erfolgs herausgestellt. Dabei übt die Grafik in erster Linie eine Klammerfunktion aus; sie dient als verbindendes Element zwischen Print- und Multimedia-Teil, Inhalt und Karte, Karte und Benutzer.

Angestrebt wird eine durchgängige, mediumsgerechte Gestaltung des Gesamtwerks (s. Abb. 1 und 2).

Vor allem im Multimediabereich beeinflussten Überlegungen für einen möglichst direkten Zugang und einen interaktiven Umgang mit kartografischen Darstellungen die Gestaltung der Benutzeroberfläche (Graphic User Inerface, GUI). In Zukunft wird es mit dem Ausbau der Funktionalität noch wichtiger sein, dass das GUI für verschiedene Benutzergruppen klar strukturiert bleibt und seine Bedienungselemente je nach Anspruchsniveau erweitert werden können.

Die Kartengestaltung für Druck und Bildschirm soll aus den gleichen Datengrundlagen abgeleitet werden. Bildschirmkarten verlangen aber eine andere grafische Gestaltung der Kartenelemente und eine andere Farbgebung als gedruckte Karten. Ein Schwerpunkt der Weiterentwicklung der Atlaskarten liegt daher in der Erforschung multimediafähiger Kartenelemente.

Die technische Entwicklung

In technischer Hinsicht sind Funktionen von Interesse, die bisher für ausschliesslich für Experten von Geografischen Informationssystemen (GIS) reserviert blieben (s. auch Beitrag B. Schneider).

Ausgehend vom geplanten Themenschwerpunkt «Natur und Umwelt», der eine Vielzahl von punktuell erhobenen Messungen und Zählungen oder rastermässig erfassten Daten beinhaltet, steht die Entwicklung eines Moduls zur Bearbeitung und Visualisierung von Punkt- und Rasterdaten im Vordergrund. Dazu gehören Funktionen zur Interpolation von Punktdaten, zur Berechnung von Isolinien und zur Modellbildung durch Kombination verschiedener Themen.

Bei statistischen Karten drängt sich ein Ausbau der Darstellungsformen auf. Zukünftig sollen Kombinationen von Punktsymbolen mit flächenhaften Darstellungen (Abb. 4) sowie eine erweiterte Auswahl von Diagrammtypen möglich sein.

Im 3D-Bereich sollen neben den topografischen Elementen auch Themen wie Geologie, Vegetation, Böden usw. dargestellt und interaktiv angesprochen werden können. Dies bedingt eine Erweiterung des Datenmodells, damit sowohl Vektor- wie auch Rasterdaten visualisiert werden können.

Zur Diskussion stehen ferner Erweiterungen im Bereich der Navigation von 3D-Darstellungen. Dynamische, fokussierbare Referenzkarten sollen den Konflikt statischer Referenzkarten zwischen Überblick und Präzision mindern. Neben den aufwändig gerenderten 3D-Ansichten ist längerfristig ein interaktiv steuerbarer Überflugsmodus in Echtzeit geplant. Virtuelle Flüge – ein wenig Spielerfahrung hilft – können die Navigation erleichtern, schnelle Vorschau bieten und nicht zuletzt eine dynamische Raumerfahrung vermitteln.

Die Öffnung des Atlas

Digitale Atlanten sind typischerweise das letzte Glied einer Kette, das sich nach der Erfassung und Bearbeitung mit der Visualisierung der Daten befasst. Diese Situation ist insofern unbefriedigend, als ein digitaler Atlas selbst als Datenlieferant für statistische Daten als auch für Karten zur weiteren grafischen Bearbeitungen dienen kann. Noch ungelöst ist diesbezüglich die rechtliche Seite für die weitere Nutzung der Daten.

Auch eine Öffnung für externe Daten wird zur Zeit diskutiert: Benutzer sollen ihre eigenen Daten in den Atlas portieren und visualisieren können. Im Prototyp-Stadium befindet sich gegenwärtig die Internet-Anbindung für statistische Karten, die ein Update der Daten oder die Aufnahme neuer aktueller Themen in den Atlas ermöglicht.

Externe Projekte

Die für den Atlas entwickelten Programmmodule finden auch in Projekten mit externen Partnern Verwendung. Eine Multimedia-Produktion mit den Firmen «Interaktion» (Zürich) und «Duplex» (Basel) für das Bergführermuseum St. Niklaus VS integriert den Panoramateil des Moduls «3D-Topografie». Den Panoramaansichten wurden für dieses Projekt Hyperlinks unterlegt, welche die Navigation zwischen 3D- und 2D-Teil sicherstellen. Abbildung 5 zeigt einen Screenshot mit Panorama und Navigationselementen.

In Vorbereitung befindet sich zur Zeit auch eine Gemeinschaftsproduktion mit dem Bundesamt für Statistik für das Statistische Jahrbuch der Schweiz. Der Kartenviewer für statistische Daten auf CD-ROM ist als eigenständiger Browser konzipiert, der via Internet aktualisiert und erweitert werden kann und auch den Zugriff auf eigene Daten unterstützt.

Das Atlas-Team

Hinter jedem Projekt steht ein Team. Dabei ist wichtig, dass die Mitglieder nicht nur formal ein Team bilden, sondern eine Gruppe, die von der Idee beseelt ist und die Innovationen gemeinsam umsetzen will. Um neue Lösungen zu entwickeln braucht es aber auch Mitarbeiter, die unterschiedlich an Problemlösungen herangehen. Neben dem Kernteam (Abb. 6) tragen auch weitere Mitarbeiter des Instituts für Kartographie zum Atlas bei.

Redaktion «Atlas der Schweiz»
Institut für Kartographie
ETH Hönggerberg
CH-8093 Zürich
atlasinfo@karto.baug.ethz.ch
www.atlasderschweiz.ch

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Die Redaktionsarbeiten für den Schweizer Weltatlas

Für die Bearbeitung des neuen Schulatlas wurde in erheblichem Umfang von den stetig erweiterten Möglichkeiten der computergestützten Kartographie Gebrauch gemacht. Das Institut hat zur Entwicklung der Verfahren und zur Realisierung des Werkes Wesentliches beigetragen.

Ernst Spiess

Im Jahre 1975 trat Eduard Imhof als Chefredaktor des Schweizerischen Mittelschulatlas zurück. 48 Jahre lang hatte er diese Aufgabe als Privatauftrag betreut (Imhof 1990). In seinem Demissionsschreiben an die Konferenz kantonaler Erziehungsdirektoren (EDK) machte er den Vorschlag, mich als Vorsteher des Instituts für Kartographie der ETH Zürich mit der Weiterführung dieser Aufgabe zu betreuen. Mir war nicht verborgen geblieben, dass die Lehrerschaft auf eine Erneuerung des Atlas drängte. Deshalb verlangte ich in den Verhandlungen mit der Atlaskommission der EDK, dass der Atlas nicht nur laufendzuhalten, sondern mit jeder Auflage 20 % des Inhaltes vollständig zu erneuern wäre. Die Antwort auf diesen Vorschlag liess auf sich warten. In dieser Phase ergriff, unabhängig von diesen Verhandlungen, die Interkantonale Lehrmittelzentrale die Initiative und bestellte eine Konzeptkommission zur Schaffung eines neuen Atlas. Mit dem Einverständnis der EDK konnte ich an diesen Arbeiten mitwirken und – als einziger Vertreter der Kartographie in diesem Gremium von Lehrkräften der Geographie – auch kartographische Überlegungen einbringen.

Als wichtigste Randbedingung erwies sich die Beschränkung auf einen einzigen Atlas, mit je einer Ausgabe in den drei Amtssprachen, für alle Schulstufen. Diese Forderung hatte auch die Lehrerschaft der Sekundarstufe I gestellt; sie wollten sich nicht mehr mit der dünneren Ausgabe abfinden. Sie argumentierten sogar, dass ihre Schüler gegenüber den Mittelschülern diskriminiert worden seien. Die finanziellen Überlegungen der Atlaskommission der EDK liefen parallel mit diesen Forderungen. Das Grobkonzept wurde in über 20 eintägigen Sitzungen erarbeitet und 1977 bei den Kantonen in Vernehmlassung gegeben. Nach dem Eingang der überwiegend positiven Reaktionen konnten ein Inhaltsverzeichnis und eine Maquette erstellt und Richtofferten für den ganzen Herstellungsprozess eingeholt werden. Die Schulleitung der ETH Zürich erteilte mir auf Anfrage die Bewilligung zur Übernahme dieses Auftrages und zur Einrichtung des Redaktionsbüros am Institut. Der zuständige Bundesrat gab seiner Freude Ausdruck, dass der Bund auf diese Weise auch einen Beitrag an die Herstellung dieses wichtigen Bildungsmittels werde leisten können. Ein direkter finanzieller Beitrag des Bundes, wie er für frühere Auflagen ausgerichtet worden war, kam nicht mehr in Frage, da der Bereich Bildung inzwischen vollumfänglich an die Kantone übergegangen war. Ein Gesuch an den Nationalfond um Gewährung eines namhaften Beitrages zur Unterstützung der Forschungsarbeiten zur Entwicklung neuer Kartentypen wurde abschlägig beantwortet, hingegen ein bescheidener Betrag für die Durchführung von Schulversuchen mit verschiedenen Varianten von Wirtschaftskarten im Rahmen von Lizenziats- und Doktorarbeiten gesprochen. Somit verblieb die Finanzierung der Neuerstellung den Kantonen. Im Dezember 1979 bewilligte die EDK einen Betrag von 4,8 Mio. Franken.

Inzwischen drängte die Zeit bis zum Termin, auf den eine nächste Auflage für die Schulen bereitzustellen war. Für diese Zwischenauflage 1981 im bisherigen Format konnten 56 Karten neu erstellt werden, alle übrigen wurden nur nachgeführt (Spiess 1982). Für die Erstellung der Neuauflage musste längerfristig geplant werden. Mit dem grösseren Format und dem um 28 Kartenseiten erweiterten Umfang vergrössterte sich die gesamte Kartenfläche gegenüber den bisherigen Auflagen um 50 %. Sämtliche Karten wurden auf der Basis von aktuellem Quellenmaterial komplett neu aufgebaut. Einzig die wertvollen Relieforiginale der Länder- und Kontinentkarten konnten übernommen werden. Sie wurden wenn erforderlich mit dem Verfahren von Bormann-Vozikis auf die neuen Projektionsnetze transformiert und wo nötig lokal angepasst (Spiess 1988).

Für die Redaktionsarbeiten der 362 neuen Karten wurden im Zeitraum von 1980 bis 1992 sukzessive 12 Mitautoren rekrutiert, Geographielehrer, Geographen und Ingenieure, die über eine kürzere oder längere Periode teilzeitig oder vollzeitig am Institut angestellt wurden. Zudem waren praktisch sämtliche übrigen Institutsangehörigen in dieser oder jener Form zeitweise in dieses Projekt involviert, mit Kartenentwürfen, Netzkonstruktionen, Datenaufbereitung, Filmbelichtung, Reproduktionsarbeiten, Datenerfassung oder Sekretariatsarbeiten. Ingesamt erforderten die Entwurfsarbeiten ca. 60000 Arbeitsstunden oder 32 Mannjahre, den Zeitaufwand des Chefredaktors nicht eingerechnet. Die Übersetzungsarbeiten übernahmen zum einen Teil Mitarbeiter mit italienischer oder französischer Muttersprache, zum anderen Teil externe Übersetzerinnen. 42 externe Fachleute unterstützten die Redaktion mit der Lieferung von Quellenmaterial, Rohentwürfen oder Informationen und mit der Überprüfung der Entwürfe. Für verschiedene Kartentypen wurden Musterkarten und Spezifikationen entwickelt und erprobt, welche dann für die weiteren Entwürfe verbindlich waren. Bei manchen Detailkarten waren die Mitautoren hingegen weitgehend autonom mit Bezug auf den Inhalt und die graphische Gestaltung. Die Farben waren aus einer Farbtafel auszuwählen, welche in Zusammenarbeit mit dem Kartographiebetrieb Orell Füssli in Zürich, welche den Vertrag für die kartographische Ausführung der druckfertigen Vorlagen und für den Druck zugeschlagen erhalten hatte, entwickelt worden war. Gegenüber den bisherigen Ausgaben mit 12 Druckfarben beschränkte man sich dabei auf 6, nämlich auf die übliche Vierfarbenskala, aber mit einem Rot statt Magenta, ergänzt durch ein Braun für die Situationszeichnung und ein Reliefgrau.

Die Beschaffung von aktuellen Kartengrundlagen gestaltete sich oft sehr aufwändig. Um eine Karte von Brasília zu besorgen, schalteten wir nach mehreren Misserfolgen die Schweizer Botschaft ein. Drei Karten basieren auf einer photogrammetrischen Stereoauswertung durch den Chefredaktor, wobei in einem Falle die Einpassgrundlagen in einer Polizeistation mit einer versteckten Kamera beschafft wurden. Für die Länderkarten, die durchwegs auf neuen Grundlagen aufbauen, mussten die Quellenkarten transformiert werden, früher eine zeitraubende und ungenaue, manuelle Übertragung von Netz zu Netz. Diese Problemstellung machte Christoph Brandenberger zum Thema seiner Dissertation. Er entwickelte Verfahren, welche diese Arbeit enorm erleichtern und eine präzise Lokalisierung garantieren (Brandenberger/Spiess 1988). Mit dieser Methode wurden unter anderem ab den 18 GEBCO-Blättern die Tiefenkurven in sämtlichen Weltmeeren erfasst und für die verschiedenen Länder-, Kontinent- und Meereskarten transformiert. Sämtliche Kartennetze wurden mit dem weiterentwickelten KAPRO-Programm berechnet und auf der Zeichenmaschine als druckfertige Filme belichtet. Für die Berechnung und Belichtung von Diagrammkarten und Wirtschaftsdiagrammen und von Kopierrastern mit zufallsverteilten Flächenmustern wurden die von Ernst Hutzler am Institut entwickelten Programme DIAMANT und THEMAP eingesetzt. Auch die Platzierung von Tausenden von Signaturen in den 41 Wirtschaftskarten war eine sinnvolle Anwendung für das interaktive Graphiksystem, in verschiedener Hinsicht eine enorme Erleichterung gegenüber der damals noch üblichen Klebemontage. Ab 1988 kam schliesslich noch das für die Operateure anspruchsvolle Intergraph-System zum Einsatz. Der Weltatlas diente quasi als Pilotprojekt. Verschiedenartige Karten wurden vom Entwurf bis zum Endprodukt am Institut erstellt, nicht ohne Anfangsschwierigkeiten, aber mit wachsender Befriedigung über die Resultate. Als z.B. alle Bemühungen zur Beschaffung von Material über das Dniepr-Stauwehr scheiterten, wechselten wir im letzten Moment zu einer Karte der Völker Russlands. Innert 5 Tagen erstellte Daniel Staub auf dem neuen Graphiksystem den druckfertigen Farbauszug. Diese wenigen Beipiele zum Einsatz der Graphiksysteme für den Atlas mögen erläutern, wie der Zwang zur Lösung gewisser konkreter Entwurfsarbeiten die Entwicklung neuer Verfahren anregte.

Sämtliche Namen sind in den drei Sprachen und in ihrer amtlichen Form in einer Datenbank erfasst, welche wiederum als Basis für die Erstellung des alphabetischen Namenregisters dient. Ebenso wurden im Sekretariat alle Legendentexte in einer Datenbank gespeichert, was bei Wiederholungen die Übersetzungsarbeit erleichtert. Da auch sämtliche Rasterspezifikationen abgespeichert sind, kann wo erforderlich eine einheitliche Farbgebung für gleiche Objekte über alle Karten hinweg sichergestellt werden.

Die Erstellung der Druckvorlagen aufgrund der Entwürfe und unserer Instruktionen wurde bei Orell Füssli noch überwiegend nach konventionellen Verfahren durchgeführt. Für manche Karten umfasst das Aufbaumaterial mehr als 50 Filme und Teiloriginale. Nur einige wenige Aufträge wurden ab 1989 auf ihrem Intergraphsystem abgewickelt. Insgesamt wurden 82000 Stunden aufgewendet, die reproduktionstechnischen Arbeiten nicht inbegriffen. Ende April 1993 war die Neuausgabe in einer Auflage von 86000 Atlanten deutsch, 12000 französisch und 2000 italienisch bei der Zürichsee Druckereien AG in Stäfa gedruckt. Der Absatz lief so gut, dass schon 1994 eine weitere, nachgeführte Auflage herausgebracht werden musste und die nächste im Jahr 1997.

Nach einer umfassenden Abklärung über das weitere Vorgehen gab der Vorstand der EDK im Juli 1998 grünes Licht für eine um 16 Seiten erweiterte nächste Auflage. Der Auftrag umfasst neben der Nachführung auch die Digitalisierung aller Karten und als Begleitmaterialien eine CD-ROM und einen Kommentarband. Die umfangreichen kartographischen Arbeiten wurden an drei Kartographiebetriebe vergeben, an Orell Füssli Kartographie, Wäger+Partner und Bernhard Thomi Kartographie. Die ganzseitigen Übersichtskarten und Wirtschaftskarten werden auf dem Intergraphsystem bearbeitet. Für die Erfassung der zahlreichen, thematisch recht unterschiedlichen Detailkarten werden PowerMacs und Freehand-Software eingesetzt. Bezüglich erreichbarer Qualität und Speicherplatz lassen diese Desktop-Systeme kaum mehr Wünsche offen. Hingegen könnte die Kartenerstellung mit einigen Ergänzungen im Softwarebereich immer noch verbessert und erleichtert werden. Die Einarbeitung von Nachträgen und die Redaktion für die 40 neuen Karten liegt nun ausschliesslich beim Chefredaktor. Ich bearbeite die Entwürfe überwiegend auf dem Bildschirm und ebenfalls mit Freehand. Als Hintergrundsbilder dienen gescannte grössermassstäbliche Karten und Entwurfsskizzen, Pixelkarten und aktuelle Satellitenbilder. Ein ernsthafter Problembereich, in dem ich gegenwärtig experimentiere, ist die Gestaltung der Schnittstelle zu den kartographischen Betrieben. In manchen Fällen geht die generalisierende Umarbeitung oder Vorgabe der Redaktion so weit, dass nur noch wenig Aufwand übrig bleibt bis zur druckfertigen Karte. Die Dienste des Institutes nehme ich immer noch gerne in Anspruch für die Berechnung von Kartennetzen, für Netztransformationen und Datenkonversionen. Auch auf die Reprokamera bin recht häufig angewiesen. Die Entwicklung der atlasbegleitenden CD-ROM möchten wir in enger Anlehnung an die Verfahren und Erfahrungen des Instituts mit «Atlas der Schweiz – interaktiv» realisieren. Abschliessend glaube ich feststellen zu dürfen, dass die EDK gut beraten war, in dieser Phase des technologischen Umbruchs die Redaktion des Schweizer Weltatlas im Institut anzusiedeln.

Stumme Karten vom Schweizer Weltatlas können unter folgender Adresse als Unterrichtshilfen heruntergeladen werden: http://www.educeth.ethz.ch/geographie/weltatlas

Prof. Dr. h.c. Ernst Spiess
Langacherstrasse 4B
CH-8127 Forch
spiess@karto.baug.ethz.ch

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Die Implementierung kartographischer Funktionen für DTP-Software

Im Beitrag werden Software-Eigenentwicklungen des Instituts für Kartographie vorgestellt, welche als Plugin in bestehende Desktop Publishing (DTP) Programme integriert werden können. Funktionale Mängel von herkömmlichen Geoinformationssystemen hinsichtlich intuitiver Bedienbarkeit und kartographischer Symbolisierung können damit umgangen werden.

Ernst Hutzler, Lorenz Hurni

Die kartographische Aufbereitung und Visualisierung von Geodaten ist nach wie vor ungenügend gelöst. Bisher entwickelte, spezifisch kartographisch ausgerichtete Software-Pakete haben alle gravierende Nachteile. Sie sind teuer in Beschaffung und Wartung, nur gering verbreitet, wenig flexibel punkto individuellem Ausbau und meist umständlich zu bedienen. Da es sich meist um Programme in kleiner Stückzahl handelt, welche von kleinen Firmen produziert werden, besteht nur ein geringes Entwicklungspotential. Die Software ist daher oft schnell veraltet und ist meist sehr speziell ausgerichtet. Zudem verfügt sie meist nicht über die zur interaktiven Bearbeitung und kartographischen Symbolisierung notwendige WYSIWYG-Funktionalität («What You See Is What You Get»).

Weit verbreitete Desktop Publishing (DTP) Pakete wie Freehand, Illustrator, Corel Draw, etc. weisen die obigen Mängel nicht auf und unterstützen aber in idealer Weise das intuitive, interaktive kartographische Gestalten (Hurni/Christinat 1996). Sie haben aber gegenüber Geoinformationssystemen eindeutig ein Defizit im Bereich der topologischen Konsistenzerhaltung, im exakten Konstruieren, in der Datenbankanbindung und der Unterstützung verschiedener Koordinatensysteme.

Die gewünschten kartographischen Funktionen können in den meisten DTP-Paketen in Form von Plugins von den Anwendern selbst geschrieben und integriert werden. Dazu sind jedoch meist Kenntnisse in höheren Programmiersprachen wie C++ und eine relativ lange Einarbeitungszeit erforderlich. Kleinere und repetitive Aufgaben lassen sich auch mit einfacheren Skript-Programmen lösen.

Da die Graphik-Software Freehand der Firma Macromedia inzwischen als Standard-Software des Instituts in Forschung und Lehre eingesetzt wird, sind in den letzten Jahren in folgenden kartographischen Bereichen Plugins (Xtras) erstellt worden:

  • Datenimport und Datenexport: In Excel Tabellen gespeicherte GIS-Datenattribute werden den einzelnen kartographischen Funktionen (Plugins) verfügbar gemacht, resp. können diese kartographische Operationen die GIS-Attribute verändern oder sogar generieren. Diese können dann wiederum in Excel Tabellen oder in Textfiles festgehalten werden.

  • Datenbereinigung: Nach einer Vektorisierung weisen die erfassten Daten oft verschiedene Unzulänglichkeiten auf: Grenzen verlieren z. B. ihre typisch kantige Form, Elemente fallen stellenweise zusammen, Seen werden nicht geschlossen. Mit speziellen Funktionen können die gewünschten Eigenheiten wieder hergestellt oder wenigstens verbessert werden. Dazu können eine grosse Zahl von auftretenden Situationen mittels Parameterwahl behandelt werden

  • Datenharmonisierung: Daten aus verschiedenen Quellen bedürfen einer Harmonisierung. Mit Hilfe von Filter- und Interpolationsmethoden kann die Charakteristik der Daten aneinander angepasst werden. Auch hier kann das Ergebnis wiederum sehr stark durch den Operateur mittels interaktiver Parameterwahl gesteuert werden.

  • Symbolisierung: Das kartographische Erscheinungsbild von Punkt-, Linien- und Flächen-Elementen kann automatisiert zugeordnet und gewechselt werden. Eine Spezialität ist die halbautomatische Erstellung von Felsdarstellungen nach der Gerippelinienmethode (siehe Abbildung).

  • Thematische Kartierung mittels Diagramm- und flächenhaften Darstellungen. GIS-Daten und Statistiken werden in topographische und thematische Elemente, wie Signaturen, Diagramme, Mosaiken, etc., umgesetzt.

  • Generalisierung: Hier beschränken sich die bis jetzt erstellten Programme auf das Vereinfachen und die Selektion kartographischer Elemente.

Weitere Informationen:
http://www.karto.ethz.ch/research/research1.html
http://www.karto.ethz.ch/research/research3.html
http://www.karto.ethz.ch/research/research12.html
Die am Institut neu entwickelten Plugins werden laufend auf der ftp-Site ftp://ftp.karto.ethz.ch/pub/xtras zur Verfügung gestellt. Sie sind zurzeit nur unter der Windows-Version von Freehand 8 lauffähig.

Prof. Dr. Lorenz Hurni
dipl. Ing. Ernst Hutzler
Institut für Kartographie
CH-ETH Hönggerberg
8093 Zürich
hurni@karto.baug.ethz.ch
hutzler@karto.baug.ethz.ch

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Kartennetzberechnung online

Über Internet werden heutzutage vermehrt Möglichkeiten zur Berechnung von geographischen Kartennetzen und zur Transformation von Daten in beliebige Netzentwürfe angeboten. Seit kurzem offeriert auch das Institut für Kartographie (IKA) der ETH Zürich auf seiner Homepage www.karto.ethz.ch einen derartigen Service.

Christoph Brandenberger, Andreas Neumann

Programmsystem KAPRO für Netzberechnungen und Transformationen

Als Grundlage dient ein in Pascal-Code abgefasstes KArtenProjektionsPROgramm (KAPRO). Dieses wurde seit mehr als 20 Jahren vom IKA gepflegt und weiterentwickelt. Sein modularer Aufbau erlaubt die Berechnung von geographischen Netzen, die Transformation von in geographischen Koordinaten eingelesenen Daten, sowie die Analyse von Netzverzerrungen. KAPRO läuft unter DOS im Batch-Betrieb, wobei die projektionsspezifischen Parameter wie auch die zu transformierenden Daten in Form von Datenfiles zu übergeben sind. Zur Zeit umfasst die KAPRO-Batchversion mehr als 140 verschiedene Abbildungsmöglichkeiten. Weitere lassen sich schnell und einfach integrieren. Für viele Netzberechnungen dient die Kugel als mathematische Berechnungsgrundlage.

Online Version und Verarbeitungsfluss

Für die Internet-Version wurde KAPRO in ein CGI-Script eingebunden. Die notwendigen Projektionsparameter wie u. a. der nach geographischen Koordinaten zu spezifizierende Abbildungsbereich, die Abbildungsparameter (Projektionsart, längentreue Parallelkreise, Mittelmeridiane, Nullpunkte), sind in einer Eingabemaske festzulegen und werden via HTML dem ausführenden CGI-Script übergeben. Die zu transformierenden Daten müssen in einem bestimmten Fileformat vorliegen, wobei zur Zeit nur das "Arc/Info ungenerated" Datenformat unterstützt wird. Unter den WWW-Adressen http://crusty.er.usgs.gov/coast/getcoast.html und http://www.maproom.psu.edu/dcw sind verschiedene public domain Daten in diesem Format abrufbar. Per Perl-Script wird das Datenfile vorerst in ein einfaches ASCII-Datenformat überführt. Anschliessend wird die Verarbeitung ausgeführt. Ein zweites Perl-Script wandelt das zunächst in einem ASCII-Format vorliegende Resultatfile in ein PDF-File um, das über FTP zum Client transferiert werden kann (Abb. 1). Das PDF-Format ist ein gängiges Datenformat, das von zahlreichen Desktop-Programmen (Freehand, Corel Draw, Illustrator etc. als Importfilter unterstützt wird. Für einen raschen Überblick kann auch der Acrobat Reader eingesetzt werden. Das Resultatfile steht dem Benutzer auf der FTP-Site des Instituts zur Verfügung und kann auch auf das eigene System heruntergeladen werden. Nach Ablauf einer Stunde wird es automatisch gelöscht.

Erfahrungen, Schlussfolgerungen und Ausblick

Die oben beschriebene Möglichkeit zur Netzberechnung hat ihre "Feuertaufe" in den Übungen zur Vorlesung "Grundzüge der Kartographie" in diesem Sommersemester bestanden. Es hat sich allerdings gezeigt, dass es noch einige Unzulänglichkeiten auszumerzen gilt, insbesondere die Verhinderung der Eingabe von unmöglichen Parameterwerten und Datenformaten. Es ist vorgesehen, dieses Serviceangebot sukzessiv auszubauen, indem u.a. die Anzahl von zur Zeit 22 wählbaren Projektionen erhöht, die Verarbeitung von unterschiedlichen Datenformaten zugelassen und die Visualisierung der vorhandenen Netzverzerrungen in Form von Verzerrungsellipsen ermöglicht wird. Für das IKA waren dies erste Erfahrungen mit einem über Internet angebotenen Rechendienst. Sie sind überaus positiv ausgefallen. Der Service hat weitherum Beachtung gefunden und wird sicherlich noch neue Benützerkreise ansprechen. Weitere Angebote in dieser Richtung sind geplant.

Dr. Christoph Brandenberger
Institut für Kartographie
ETH Hönggerberg
CH-8093 Zürich
brandenberger@karto.baug.ethz.ch

cand. Geogr. Andreas Neumann
Institut für Karographie
ETH Hönggerberg
CH-8093 Zürich
neumann@karto.baug.ethz.ch

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Estompage assisté par ordinateur

L'estompage est un moyen de visualisation du relief en cartographie, produit de manière traditionnelle (dessin manuel) ou par des calculs informatiques. Dans le cadre d'un travail de diplôme, un prototype d'un logiciel pour l'estompage assisté par ordinateur a été développé. Le prototype reprend certaines techniques et étapes de travail développées pour l'estompage par dessin manuel. L'utilisateur peut, par exemple, délimiter des régions à l'intérieur desquelles les paramètres pour les calculs peuvent être adaptés.

Bernhard Jenny

Estompage traditionnel

En combinant l'estompage avec les autres éléments de la carte, le cartographe cherche à la fois à mettre en évidence les éléments caractéristiques de moindre taille ( Kleinformen ) et à faire ressortir les grandes structures du relief ( Grossformen) . Le relief doit donc subir une généralisation cartographique par agrandissement et accentuation des formes importantes, tandis que les formes peu intéressantes sont réduites en taille ou même omises. Un excellent moyen pour accentuer certaines formes caractéristiques sont les adaptations locales de la direction de la lumière et des tons gris en fonction de l'altitude du terrain. En effet, ces changements locaux constituent le savoir-faire et l'art du cartographe spécialisé. Le contraste de l'image est augmenté en fonction de l'altitude, le point le plus élevé montrant en principe le contraste le plus fort. Les différences entre les faces exposées au soleil et celles se trouvant à l'ombre sont accentuées.

Estompage assisté par ordinateur

Le prototype pour l'estompage assisté par ordinateur se base sur un modèle numérique de terrain. Le programme détermine pour chaque pixel de l'image l'orientation du terrain par rapport à une source lumineuse fictive. L'orientation ainsi trouvée est transformée par un modèle mathématique dans un ton gris. Un modèle souvent utilisé et très simple est celui de Lambert, attribuant à chaque pixel le cosinus de l'angle entre le vecteur normal du terrain et la direction de la lumière.

Les estompages analytiques calculés par les logiciels de DAO (dessin assisté par ordinateur) traditionnels se distinguent des dessins manuels par leur manque d'adaptations locales. Par analogie avec la technique traditionnelle, le programme permet d'effectuer des changements locaux des différents paramètres utilisés lors des calculs. Dans un environnement WYSIWYG (« What you see is what you get. ») le cartographe digitalise un périmètre à l'écran pour lequel les paramètres suivants peuvent être adaptés : la direction de la lumière, l'exagération verticale du modèle numérique de terrain, la luminosité, le contraste de l'image finale et les tons de gris des plaines. Afin d'éviter des transitions brusques aux limites des périmètres digitalisés, le logiciel construit un deuxième polygone à l'intérieur du premier et interpole les paramètres entre ces deux contours. Une comparaison des figures 1 et 2 montre l'effet d'un polygone délimitant une colline dont la direction principale coïncide avec la direction globale de la lumière (nord-ouest). Un «petit soleil» permet de corriger la direction d'éclairage de la colline (sud-ouest).

Résultats et conclusion

La figure 3 montre un estompage calculé sans adaptations locales, tandis que la figure 4 illustre le résultat de toute une série de changements. Une comparaison avec la figure 5 montre que le résultat obtenu à l'aide du prototype n'atteint pas l'excellent niveau artistique du relief manuel. En effet, la qualité d'un estompage calculé est directement liée au niveau de détail du modèle numérique de terrain.

Néanmoins, après la réduction du contraste de l'image nécessaire pour la carte finale et en combinaison avec les autres éléments cartographiques, les différences entre un estompage «manuel» et un estompage calculé restent quasiment imperceptibles. Le logiciel proposé montre donc un moyen possible d'adaptation interactive d'estompages analytiques.

Ing. dipl. Bernhard Jenny
Institut für Kartographie
ETH Hönggerberg
CH-8093 Zürich
jenny@karto.baug.ethz.ch

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GIS-Funktionen in Multimedia-Atlanten

GIS-Funktionen beinhalten ein grosses Potential für die Entwicklung von Multimedia-Atlanten, denn sie ermöglichen einem breiten Kreis von Benutzer/innen den Einblick in komplexe räumliche Zusammenhänge. Dieser Beitrag veranschaulicht anhand einiger ausgewählter Beispiele, wie analytische GIS-Funktionen in leicht verständlicher Weise dem Publikum eines Multimedia Atlas zugänglich gemacht werden können.

Barbara Schneider

Einleitung

Wer räumliche Daten analysieren will, benutzt dazu im Allgemeinen ein Geografisches Informationssystem (GIS). Obwohl die heute existierenden GIS zunehmend einfacher zu bedienen sind, setzen sie doch einiges an Fachwissen und Einarbeitungszeit voraus. Zudem müssen die Daten meist vorverarbeitet werden, bevor sie überhaupt analysiert werden können. Im Rahmen einer Dissertation wird untersucht, wie auch Nicht-Experten/innen komplexe räumliche Analysen durchführen können. Als Werkzeug sollen ihnen einfach und intuitiv zu bedienende GIS-Funktionen zur Verfügung stehen. Dazu wird ein Prototyp entwickelt, der in die nächste Ausgabe des «Atlas der Schweiz» integriert wird (siehe auch Beitrag «Neuedition Atlas der Schweiz»).

Anforderungen an GIS-Funktionen in Multimedia-Atlanten

In Tabelle 1 sind die wesentlichsten Unterschiede zwischen Geografischen Informationssystemen und Multimedia-Atlanten aufgeführt. Aus dieser Tabelle lassen sich gewisse Bedingungen ableiten, die GIS-Funktionen erfüllen müssen, wenn sie erfolgreich in Multimedia-Atlanten integriert werden sollen.

Wie oben bereits erwähnt, liegt der zentrale Punkt in einer bedienungsfreundlichen Oberfläche: die Anwender/innen sollen die Funktionen intuitiv und ohne detaillierte Erklärung ausführen können. Zudem müssen die Daten massstäblich und thematisch aufeinander abgestimmt sein, bevor sie in den Atlas aufgenommen werden. Weiter muss sichergestellt sein, dass gewisse Aktionen, die zu unsinnigen Resultaten führen oder die Daten verfälschen, gar nicht zugelassen werden. Es macht z.B. keinen Sinn, eine Bodenkarte mit der Verteilung der Arbeitslosigkeit zu vergleichen. Schliesslich sollen die Rechenzeiten kurz sein, um dem Atlaspublikum lange Wartezeiten zu ersparen.

Implementierung der GIS-Funktionen im Prototypen

Anhand einiger ausgewählter Beispiele soll nun veranschaulicht werden, wie die im obigen Abschnitt genannten Anforderungen in die Praxis umgesetzt werden könnten. Es ist anzumerken, dass sich alle GIS-Funktionen auf zweidimensionale Vektor-Daten beziehen. Als Haupt-Datensatz wird die digitale Version der Bodeneignungskarte der Schweiz 1:200'000 verwendet (Frei et al., 1980). Die Datenbank der Bodeneignungskarte beinhaltet die Attribute «Haupt-Bodentyp», «Neben-Bodentypen» sowie sechs verschiedene Bodeneigenschaften (siehe auch Abb. 1).

Einfache thematische Abfragen: Wenn sich der Mauszeiger über einer bestimmten Karteneinheit befindet, werden die entsprechenden Attribute im Info-Panel am unteren Kartenrand angezeigt (siehe Abb. 1). Zudem wird die aktuelle Karteneinheit sowohl in der Karte als auch in der Legende farblich hervorgehoben und schwarz umrandet.

Logische thematische Abfragen: Um in einem GIS thematische Datenbank-Abfragen durchzuführen, muss die SQL-Sprache (Structured Query Language) mit den logischen Ausdrücken und, oder, nicht etc. bekannt sein. Sobald mehrere Abfragen miteinander kombiniert werden, sind diese Ausdrücke kompliziert und ineinander verschachtelt. In meinem Prototypen habe ich ein Abfragewerkzeug entwickelt, dessen Bedienung keine SQL-Kenntnisse voraussetzt. Im Abfragefenster in Abbildung 2 sind alle Attribute der Bodenkarte sowie deren Werte auf einen Blick ersichtlich. Die Haupt-Bodentypen «Rendzina» und «Neutraler Rohboden» sind ausgewählt. Diese Kombination entspricht einem logischen oder. Ein logisches und hingegen würde beispielsweise einer zusätzlichen Auswahl der Gründigkeit «sehr flach» entsprechen. Dabei ist zu beachten, dass die in leicht aufgehellter Schrift gedruckten Attributwerte nicht ausgewählt werden können. Auf diese Weise werden Abfragen verhindert, die zu keinem oder zu einem unsinnigen Resultat führen.

Reklassierungen: Bei einer Reklassierung werden die Attributwerte in der Datenbank verändert. Diese Aktion darf folglich nur von Experten/innen durchgeführt werden. Um in einem Atlas eine Verfälschung der Daten zu verhindern, muss erstens vorgegeben werden, welches Attribut reklassiert werden darf und zweitens, welche Werte in welchem Sinne abgeändert werden können. In der Bodeneignungskarte macht vor allem die Reklassierung des Attributs «Haupt-Bodentyp» Sinn. Das hierfür entwickelte Reklassierungswerkzeug ist in Abbildung 3 zu sehen. Die Haupt-Bodentypen können je nach gewünschtem Detaillierungsgrad in übergeordnete Klassen zusammengefasst oder in Untergruppen aufgegliedert werden. Anzumerken ist, dass im ersten Fall (Zusammenfassung) keine Information verloren geht. Sobald die Werte neu klassiert sind, werden Karte und Legende neu gezeichnet.

Geometrische Verschneidung mehrerer Ebenen: Werden zwei Ebenen miteinander verschnitten, wird aus den zwei Ausgangskarten eine neue Ebene mit neuen Geometrien gebildet. Dieser Vorgang ist komplex und in der Regel sehr zeitaufwändig. Die Rechenzeit kann verkürzt werden, wenn vorgängig die Linien durch das Eliminieren von Stützpunkten geglättet werden. Falls nach dieser Bearbeitung der Prozess immer noch lange dauert, kann die Wartezeit kurzweiliger gestaltet werden, indem die Andwender/innen in den Rechenprozess miteinbezogen werden. Schritt für Schritt können sie nachvollziehen, welche Prozesse bei der Verschneidung von zwei Kartenebenen ablaufen: Zuerst werden die Schnittpunkte zwischen den Linien beider Ebenen berechnet und in der Karte mit einem roten Punkt gekennzeichnet. Anschliessend werden die alten Polygone gelöscht. Fortlaufend werden nun die neuen Polygone gebildet und sogleich gezeichnet.

Ausblick

Die GIS-Funktionen im Prototypen sind auf die Attribute der Bodeneignungskarte abgestimmt. Alle Techniken sind jedoch erweiterbar und lassen sich mit geringem Aufwand auch auf andere physisch-geografische Datensätze übertragen, wie z.B. auf Geologie- oder Vegetationsdaten. Nach der Fertigstellung des Prototyps Ende dieses Jahres werden die GIS-Funktionen in die neue Version des Atlas der Schweiz integriert.

Weitere Informationen:
www.karto.ethz.ch/research/research11.html

Dipl. Geogr. Barbara Schneider
Institut für Kartographie
ETH Hönggerberg
CH-8093 Zürich
schneider@karto.baug.ethz.ch

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Gewässernetze in Bildschirmkarten: Qualitätssteigerung durch Adaptives Zooming

Die digitale Kartografie bietet heute völlig neue Möglichkeiten zur flexiblen Visualisierung von Geodaten am Bildschirm. Dabei werden jedoch längst bekannte Grundsätze aus der klassischen Kartografie nur ungenügend beachtet und umgesetzt. Durch die Technik des Adaptiven Zoomings können Bildschirmkarten wieder auf ein qualitativ hohes Niveau gehoben werden. Am Beispiel einer Applikation zur Darstellung von Gewässerdaten am Bildschirm werden das Prinzip, die Klassierung, Codierung sowie Bereinigung der Vektordaten erläutert.

Daniel Stähli

Adaptives Zooming

Der digitalen Kartografie bieten sich heutzutage weit mehr Möglichkeiten bei der flexiblen Visualisierung von Geodaten am Bildschirm an als der klassischen Kartografie mit gedruckten Karten. Neben anderen modernen Einsatzmöglichkeiten wie «Visualisierung dynamischer Prozesse», «3D-Visualisierungen» oder «benutzerspezifische Thematik» (map on demand) sollen Interaktionstechniken dem Benützer ermöglichen, aus standardisierten digitalen Basisdatensätzen kartografische Darstellungen in unterschiedlichen Massstabsbereichen abzubilden. Dabei geht es mehr als um die Definition von Massstabsstufen, wie sie aus GIS-Systemen bekannt sind. Vielmehr soll der Benützer, währenddem er sich mit einer digitalen Karte auseinandersetzt und dabei diese vergrössern oder verkleinern kann, kaum bemerken, dass sich der Detaillierungsgrad und damit die Kartenqualität verändert. Um das zu erreichen, stellt das Prinzip des sogenannten Adaptiven Zoomings sicher, dass unabhängig vom gewählten Massstab die Datendichte pro sichtbare Fläche nahezu unverändert bleibt. Erste Entwicklungsansätze dafür sind am Institut für Kartographie der ETH Zürich anhand des vektorbasierten Gewässernetzes der Schweiz aus VECTOR25 (Bundesamt für Landestopographie, Wabern) sowie in einer laufenden Diplomarbeit mit kleinmassstäblichen Strassendaten programmiert worden.

Klassierung und Codierung

Grundsätzlich stellt sich die Frage, welche Parameter entscheiden, ob ein Element (z.B. ein Flussabschnitt) dargestellt oder weggelassen wird. Deshalb sind Klassifikationskriterien nötig, die Antwort auf die obige Frage bieten können. Diese Klassifikation ist abhängig von der Thematik der Daten. Bei Siedlungen wäre beispielsweise das Kriterium die Einwohnerzahl oder die Flächenausdehnung. In der Hydrologie bieten sich dafür die gebräuchlichen Klassierungsverfahren nach Strahler oder Horton an. Diese werden für verschiedene hydrologische Anwendungen verwendet. Nach den Regeln von Strahler wird jedem Quellfluss die Zahl «1» zugeordnet. Wo sich Flussabschnitte mit derselben Strahler-Nummer vereinigen, erhöht sich die Nummer flussabwärts um eins. Bei Horton gilt dasselbe, ausser dass auch der längste Flussarm bis zu seiner Quelle mit der erhöhten Zahl versehen wird (vgl. Abb. 1).

Applikation zur Nummerierung von Flussnetzen

Die am IKA entwickelte Applikation zur automatischen Nummerierung von Flussnetzen nach den Regeln von Strahler und Horton stellt nur minimale Anforderungen an den Datensatz: Die Reihenfolge der Polylinienpunkte der Flussabschnitte muss in Fliessrichtung zeigen, und alle Zusammenflüsse oder Flussverzweigungen sind Start- bzw. Endpunkte von Flussabschnitten. Seeflächen bleiben in der Berechnung unberücksichtigt. Es wird allein die Seeachse herangezogen. Eine besondere Herausforderung sind mäandrierende Flüsse. Hier muss der Hauptarm des Stromes unabhängig von der Anzahl Seitenarme richtig nummeriert werden. Mit Hilfe der beiden Parameter «Strahler-Nummer» und «Horton-Nummer» und durch empirische Untersuchungen werden nun Regeln bezüglich der Kartendarstellung formuliert. Diese Regeln hängen nicht nur vom Flussnetz, sondern auch von anderen in der Karte dargestellten Elementen ab. Ein zweites Augenmerk gilt der Datendichte bei dargestellten Elementen. Die erwähnten Ausgangsdaten von VECTOR25 sind im Massstab 1:1 vorhanden. Es kommt vor, dass Nachbarpunkte in Flussabschnitten nur wenige Meter auseinander liegen. Viele Stützpunkte von Polylinien werden durch geeignete Algorithmen (z.B. Douglas-Peucker) so eliminiert, dass der geometrische Charakter der Elemente beibehalten, die Datenmenge aber so stark wie nötig verringert wird.

Die heutigen Benützer von elektronischen Medien stellen sehr hohe Ansprüche. Vor allem Wartezeiten sollen so gering wie möglich gehalten werden. Im Voraus berechnete und mit den geometrischen Elementen verknüpfte Parameter helfen, möglichst einfach und schnell durch die verschiedenen Massstäbe einer Karte zu navigieren. Allgemein gesehen muss die Art der Parametrisierung für Adaptives Zooming der jeweiligen Thematik angepasst werden. Je nach Thematik können deshalb auch manuell klassierte Werte miteinbezogen werden (z.B. Flussnamen, Strassenklassierung). Man muss sich jedoch bewusst sein, welche Mehranforderungen damit an einen Datensatz gestellt werden und welchen Mehraufwand dies bedeutet, wenn nicht schon zuverlässige Quellen vorhanden sind.

Anwendung und Ausblick

Ein optimaler Einsatz von Adaptivem Zooming wird dadurch erreicht, dass nicht nur bei der Darstellung von Gewässernetzen sondern auch bei anderen Kartenelementen wie Siedlungen, Verkehrsnetz oder Bodenbedeckung die Zoomingübergänge individuell erfolgen. Zukünftige Karten am Bildschirm (CD-ROM, Internet) werden dann nicht mehr bis zur Unleserlichkeit überladen sein oder mit nur wenigen dünnen Vektorlinien grafisch sehr dürftig erscheinen. Mit Hilfe des Adaptiven Zoomings können die sogenannten «map-sites» des Internets in Zukunft ihrem Namen voll gerecht werden.

Weitere Informationen:
www.karto.ethz.ch/research/research11.html
http://www.seven-r.ch/eastereggs/zooming

Dipl. Ing. Daniel Stähli
Grünenfelder und Partner AG
Denter Tumas 6
CH-7013 Domat/Ems
d.staehli@gruenenfelder.ch

Vollständige Version siehe VPK 10/2000
Bestellung VPK: verlag@geomatik.ch

 

Neue Entwicklungen in der Web-Kartographie

Das Internet ist seit vielen Jahren bevorzugtes Kommunikationsmittel von Wissenschaftlern an Universitäten und Forschungseinrichtungen sowie für militärische Zwecke. Mit der Einführung des WWW 1991 und seiner Möglichkeit, Texte und einfache Graphiken in einer strukturierten, weltweit verfügbaren und vernetzten Form zur Verfügung zu stellen, schaffte das Internet den Durchbruch und ist seit einigen Jahren auch in der Wirtschaft und in den heimischen Wohnzimmern anzutreffen. Seit der Einführung kommen laufend neue Protokolle, Standards und technische Verbesserungen hinzu, die es nunmehr auch erlauben, kartographisch hochqualitative Darstellungen im WWW zu veröffentlichen. Im Rahmen der Internet-Forschungsprojekte des Instituts werden aktuelle Standards und Techniken auf ihre Brauchbarkeit für die Kartographie untersucht und einzelne Prototypen entwickelt. Dabei wird ausschliesslich auf offene Standards und v.a. auf Open-Source-Software gesetzt und auf den Einsatz von proprietären Entwicklungen verzichtet.

Andreas Neumann

Aktuelle Basisstandards

XML als Basis aller Web-Standards

In den frühen Jahren der WWW-Entwicklung wurden die Standards stark von den beiden grossen Browserherstellern geprägt. Man führte eigene proprietäre Konzepte ein, die im jeweils anderen Browser nicht funktionierten, um sich von der Konkurrenz abzuheben. Dem dadurch entstehenden Wildwuchs im HTML-Standard (Hyper Text Markup Language, der derzeit wichtigste Standard bei der Gestaltung von Websites) soll mit dem neuen XML-Standard (Extensible Markup Language) ein Riegel vorgeschoben werden: es wird hier strikt zwischen Inhalt, Struktur, Syntax und Formatierung getrennt, man geht also zurück zur ursprünglichen Idee von SGML (Standard Generalized Markup Language) und HTML. Die Daten werden hierbei in XML-Files, die Syntax und Struktur mittels DTD's (Document Type Definitions) abgelegt und auf ihre Korrektheit überprüft. Die Formatierung wird in sogenannten XSL-Files (Extensible Stylesheet Language) definiert. Durch diese Technik kann auf einfache Art und Weise, aufbauend auf der gleichen Datenbasis, für verschiedene Ausgabemedien produziert werden. XML bietet zudem die Grundlage für alle weiteren, oft fachspezifischen Erweiterungen (2D, 3D, Mathematik, Chemie, etc.) und wird in Form von XHTML HTML ablösen. XML wird in Zukunft sämtliche proprietäre Austauschformate aus den Bereichen Graphik, Office oder Datenbanken ablösen.

DOM, Scripting und clientseitige Programmierung

Das DOM (Document Object Model) bietet mittels hierarchischer Struktur sprachunabhängigen Zugang zu allen Elementen einer WWW-Seite. So kann beispielsweise ein Pushbutton innerhalb eines Frames und eines CSS-Layers (Cascading Style Sheets, Formatierung von HTML Elementen) eindeutig über den Pfad «window.frame.document.csslayer.form.button» angesprochen werden und via Script verändert werden. Für das clientseitige Scripting im Webbrowser ist die bekannteste und weitverbreitetste Sprache Javascript, weitere Möglichkeiten sind Vbscript (nur Microsoft), Perl und Python. Komplexere Anwendungen werden am besten in der plattformunabhängigen Sprache Java geschrieben, die in einer eigenen «Virtual Machine» im Kontext des Webbrowsers als Applet, oder im Kontext des Betriebssystems als eigene Applikation läuft. Dabei stehen dem Programmierer reichhaltige Programmierbibliotheken und Schnittstellen aus den Bereichen 2D- und 3D-Vektorgraphik, Bildverarbeitung, Multimedia, Kommunikation, Datenbanken, Statistik, Mathematik und User-Interfaces zur Verfügung. Alle Interaktionen, die unmittelbar auf User-Eingaben (wie mouse-move, mouse-click oder key-press) reagieren sollen, müssen entweder über Scripting oder Applets realisiert werden.

Dynamisch generierte Seiten aus Datenbanken, CGI- und serverseitigen Applikationen

Dieser Bereich ist aus dem WWW-Bereich nicht mehr wegzudenken. Die Anwender verlangen tagesaktuelle und auf ihre eigenen Bedürfnisse zugeschnittene Informationsseiten. Die CGI-Schnittstelle (Common Gateway Interface) erlaubt die Übertragung von Parametern zwischen Client und Server. Auf dem Server können entsprechend der benutzerspezifischen Parameter Programme ausgeführt und das Resultat dem Client anschliessend in aufbereiteter Form übermittelt werden. Dabei können beliebige Programme zum Einsatz kommen, die sich über Shell-Scripts oder Programmierbibliotheken steuern lassen. Die CGI-Anwendung kann ebenfalls in einer beliebigen Programmiersprache geschrieben werden. Populär sind in diesem Bereich Perl, PHP, Python und C, unter Windows auch Visual Basic. Eine derartige Perl-CGI-Anwendung - das «Kapro Projection Tool» - kann etwa unter http://www.karto.ethz.ch/cgi-bin/projection.pl ausprobiert werden. (siehe dazu auch den Beitrag «Kartennetzberechnung online»)

Datenbankanwendungen und daraus generierte dynamische Web-Anwendungen setzen sich im WWW immer mehr durch. Grössere Portalseiten oder auch Sites, die aktuelle, recherchierbare und plattformunabhängige (Geo)-Daten anbieten wollen, werden um den Einsatz von Datenbanken kaum herumkommen. Schnittstellen zum WWW sind entweder CGI-Scripte oder Java Servlets. Auch beim experimentellen Projekt «Internet-Atlas der Schweiz» ( http://www.karto.ethz.ch/atlas/ ) werden zum Teil Datenbanken eingesetzt. [Neumann / Richard, 1999] Dynamisch generierte Seiten haben den Vorteil, dass nie die Originaldaten direkt ausgeliefert werden, sondern nur daraus abgeleitete, auf den Benutzer zugeschnittene Folgeprodukte.

Vektorgraphik

Vektorgraphik war lange Zeit ein Stiefkind innerhalb der Web-Standards. Nichtsdestotrotz war immer ein grosses Bedürfnis diesbezüglich vorhanden, dies vor allem wegen der Filegrösse, der Rendering-Qualität, der Interaktion und der Manipulierbarkeit. Aus genau diesen Gründen kam es zu einem Wildwuchs an proprietären Datenformaten und Plugins. SVG (Scalable Vector Graphics) ist nun ein vom W3C offiziell unterstützter XML-Standard, der in das DOM von Webseiten integrierbar und scriptingfähig ist, Animationen erlaubt und aus graphischer Sicht alle Stücke spielt, die Graphiker aus Anwendungen wie CorelDRAW oder Adobe Illustrator kennen. Referenzen, Tutorials, Links und ein detaillierter Artikel zum Einsatz von SVG in der Kartographie können unter [Neumann / Winter, 2000] und beim W3C Konsortium ( http://www.w3.org/ ), ein interaktives Beispiel zur Visualisierung statistischer Daten unter http://www.karto.ethz.ch/~an/cartography/vienna/ (vgl. Abb. 1), gefunden werden. Derzeit benötigt man zur Darstellung der SVG-Graphiken ein eigenes Plugin, das von Adobe unter http://www.adobe.com/svg/ bezogen werden kann. Innerhalb der nächsten Browser-Generation wird SVG mit Sicherheit als Basis-Technologie automatisch mitgeliefert werden. Schliesslich sei in diesem Zusammenhang noch erwähnt, dass sich vom Open-Gis-Consortium ein neuer XML-Standard, GML (Geography Markup Language) in Ausarbeitung befindet, der Feature-Types, Attributierung, Georeferenzierung und Projektionssysteme unterstützt und für die Rendering-Komponente auf SVG aufsetzen wird.

Alternativ zu SVG kann man auch eigene Java2-Applets programmieren. Die Java2D-Programmierbibliotheken bieten aus graphischer Sicht die gleichen Möglichkeiten wie SVG. Die Erstellung eines Applets verlangt jedoch einiges mehr an Know How als das Erstellen von SVG-Files. Interaktionen, Events und Animationen müssen vielfach selbst ausprogrammiert werden. Dafür steht den Programmierern die volle Flexibilität, Plattformunabhänigkeit und die Einbindung in komplette Applikationen zur Verfügung. Sicherheitsaspekte können ebenfalls berücksichtigt werden. Das Java2 Framework beinhaltet auch Multimedia-, 2D-, 3D-, Datenbank- und Netzwerk-Schnittstellen. Prototyp-Beispiele von Java2-Kartographie-Anwendungen stehen unter http://www.karto.ethz.ch/~dmoser/ [Moser, 2000] und http://www.karto.ethz.ch/~dwinkler/ [Winkler, 2000] zur Verfügung. Sie erfordern entweder das Java2-Plugin von Sun oder den Einsatz von Netscape 6.

3D-Visualisierung

3D-Anwendungen sind von jeher Blickfänge in der Kartographie und die Bedürfnisse und Ansprüche der Anwender werden durch die boomende Spiele-Industrie noch zusätzlich geschürt. Auch im Netz sind 3D-Anwendungen prinzipiell möglich. Sie verlangen entweder den Einsatz von VRML (Virtual Reality Modelling Language) in Kombination mit Plugins, oder die Programmierung eines Java3D-Applets. Das Institut hat sich im Rahmen von Diplomarbeiten und Vertiefungsblöcken mit dem VRML97-Standard beschäftigt, und Prototypen erstellt, die das Explorieren und die freie Navigation in 3D-Welten, sowie Interaktion mittels Sensoren erlaubt. VRML basiert auf einem hierarchischen Szenegraph, in dem die Geometrie und deren Eigenschaften definiert sind. Es können Materialeigenschaften festgelegt, Lichtquellen gesetzt und Sensoren (Mouse-Events, Koordinatenregistrierung, Dragging) eingebettet werden. Objekte können auch animiert werden. Der bestehende Szenegraph ist zur Laufzeit manipulierbar, d.h. es können beispielsweise aus Datenbanken heraus dynamisch Objekte hinzugefügt oder entfernt werden oder deren Eigenschaften verändert werden. Anwendungen zu VRML können unter http://www.karto.ethz.ch/~hm/methana/ (Touristisches Informationssystem) [Mundle, 1999], http://www.karto.ethz.ch/~an/caving/cis/ [Almeder / Neumann, 1999] (vgl. Abb. 2) und http://www.karto.ethz.ch/~schmidc/ [Müller / Schmid, 2000] (Höhleninformationssysteme) eingesehen werden, sind jedoch auf den Einsatz von Netscape 4.x mit dem Plugin «Cosmo-Player» oder «Cortona» und aufs Betriebsystem «Windows», beschränkt.

VRML Implementierungen weisen zwar häufig einen hohen Grad an Interaktionsmöglichkeiten auf, haben aber z.T. Schwachstellen in den Bereichen Performance und Stabilität. Ausserdem ist VRML keine fix installierte Browsertechnologie und noch nicht XML-basiert. Deswegen ist ein Nachfolgestandard, X3D, in Ausarbeitung, der viele Schwachstellen von VRML ausmerzen soll (vgl. http://www.web3d.org ). X3D Rendering-Engines bestehen aus einer Kernkomponente und optional nachrüstbaren Erweiterungen. Laut Web3D-Consortium soll der X3D/VRML97 Merge im Jahr 2002 abgeschlossen sein.

Ausblick

Es kündigen sich in nächster Zeit eine grosse Zahl neuer, spannender Standards an, deren kleinster gemeinsamer Nenner XML ist. Für den Kartographen ist es nicht immer einfach, sich an die «(B)le(e/a)ding Edge of Technology» zu begeben und neue Dinge auszuprobieren, zumal er sich oft in einem «produktiven» Rahmen bewegen muss. Eines steht jedoch heute schon fest: Sämtliche heute bestehenden Daten und Anwendungen werden in Zukunft auch auf dem WWW verfügbar sein. Ob und wann die Kartographen sich an diesem Trend in grösserem Stile beteiligen werden, hängt nicht zuletzt von deren Informatik-Know How und dem Willen ab, neue Techniken zu lernen. In diesem Sinne hoffen wir, dass sich auch die zukünftige Ausbildung der Kartograph/innen stets an den aktuellen technischen Möglichkeiten orientieren wird.

cand. Geogr. Andreas Neumann
Institut für Kartographie
ETH Hönggerberg
8093 Zürich
www.karto.ethz.ch/~aneumann/
neumann@karto.baug.ethz.ch

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Topographische 3D-Karten: Nur Zukunftsmusik?

Die heute zur Verfügung stehenden digitalen Höhenmodelle (DHM) sowie die vielschichtigen, vektoriell abgelegten Datensätze zur Beschreibung von Oberflächenobjekten können zur Generierung von sogenannten «Topographischen 3D-Karten», also perspektivischen Schrägansichten von Geländeausschnitten mit integrierter topographischer Information, genutzt werden. Im folgenden Beitrag sollen neben den konzeptionellen und technischen Überlegungen zur Entwicklung dieser kartenverwandten Darstellungen auch deren Einsatzbereich und die sich daraus ergebenden Anwendungsmöglichkeiten dargelegt werden.

Christian Häberling, Andrea Terribilini

Einleitung

Wer kennt sie nicht, die handgemalten Panorama- und Vogelschaukarten von Tourismusregionen in Werbeprospekten? In diesen oft sehr kunstvoll gestalteten Bildern sind die Landschaft mitsamt ihren Siedlungsstrukturen und Verkehrswegen, ihrer Bodenbedeckung sowie erklärendem Text – kurz die gesamte topographische Information - sehr naturalistisch wiedergegeben. Allerdings ist die manuelle Konstruktion der Geländedarstellung zeitlich sehr aufwendig und die feingliedrige Ausgestaltung der Landschaft erfordert hohes künstlerisches Talent.

Heutzutage sind wir aber in der Lage, mit flächendeckenden digitalen Höhenmodellen (DHM) und geeigneter Visualisierungssoftware virtuelle Landschaften in Sekunden zu generieren. So können beim unlängst herausgegebenen «Atlas der Schweiz – interaktiv» (2000) ein Teilgebiet der Schweiz ausgewählt, diverse Betrachtungsfaktoren eingegeben und der Landschaftsausschnitt nach eigenem Ermessen mit Beleuchtungs- und atmosphärischen Effekten versehen als Blockdiagramm oder Panoramaansicht dargestellt werden (vgl. Abb. 1).

Hingegen stösst man bezüglich der Integration topographischer Informationen bislang aber noch an Grenzen. Bei den aktuell angebotenen Karten- und Atlasprodukten mit abrufbaren 3D-Darstellungen werden den perspektivischen Ansichten meist nur Rasterdaten (eingescannte Karten, Satellitenbilder) überlagert. Diese Darstellungen vermitteln zwar in anschaulicher Weise den Zusammenhang zwischen Gelände und den topographischen Objekten. Doch leider bleibt der Karteninhalt unverändert, sodass die Sicht- und Erkennbarkeit je nach Orientierung, Betrachtungseinstellungen und Ausschnittsgrösse häufig nicht zu befriedigen vermag (Abb. 2).

Forschungsgegenstand «Topographische 3D-Karte»

Gegenwärtig werden am Institut für Kartographie der ETH Zürich in diversen Forschungsprojekten Verfahren und Grundsätze entwickelt, wie vektoriell vorliegende Geodaten mit einem DHM kombiniert und - geeignet symbolisiert - zu sogenannten «Topographischen 3D-Karten» gestaltet werden können [Häberling 1999, Terribilini 1999].

Zur Begriffsklärung: Unter «Topographische 3D-Karte» soll eine bildhafte Darstellung eines Geländeausschnittes in perspektivischer Schrägansicht mit topographischer Oberflächeninformation verstanden werden. Es handelt sich dabei nach wie vor um eine kartenverwandte Darstellung, sind doch verschiedene für eine Karte notwendige Kriterien wie konstante Massstäblichkeit, Messbarkeit oder uneingeschränkte Objektlokalisierung im Kartenbild nach wie vor nicht erfüllt.

Daten

Zur Entwicklung dieser neuen Darstellungstypen werden komplementäre Datensätze für die Geländeinformation und für die topographische Information in vektorieller Form benötigt. Die Daten sollten sich vom Massstab, vom Generalisierungs- wie auch Detaillierungsgrad entsprechen. Demzufolge fiel die Wahl auf das Digitale Höhenmodell DHM25 sowie auf den schon weit entwickelten Datensatz VECTOR25, beide vom Bundesamt für Landestopographie (L+T), Wabern.

Entwicklung einer Topographische 3D-Karte

Zur automatischen Generierung von 3D-Karten hoher kartographischer Qualität wird am IKA ein dreistufiges Verfahren entwickelt (Abb. 3).

Datenmodellierung

Mit der Datenmodellierung wird ein sogenanntes 3D-Modell erzeugt, welches den gesamten Karteninhalt (Geometrie und Topologie) im Vektorformat enthält und die Basis zur Generierung der 3D-Karten bildet. Zur Datenmodellierung gehören folgende drei Schritte:

  • Fusion der Daten: Daten aus verschiedenen Quellen und mit verschiedenen Eigenschaften (Genauigkeit, Vollständigkeit) müssen kombiniert werden, um ein einziges und vollständiges Modell zu erhalten.

  • Generalisierung und Reduktion der Daten: Das DHM wird in einem ersten Schritt generalisiert. Dies ist notwendig, um eine korrekte kartographische Visualisierung (minimale Grössen) zu ermöglichen und um die Datenmenge zu reduzieren (Abb. 4). Für die Generalisierung wird ein für Flächen erweiterter Douglas-Peuker-Algorithmus angewendet. Die Datenreduktion wird durch eine sehr kompakte Beschreibungsweise (adaptive Triangulation) erreicht.

  • Bildung der 3D-Geländeoberfläche: Durch die Verschneidung des DHM mit dem Datenlayer «Primärflächen» (Bodenbedeckung) entsteht den objektorientierter Datensatz zur Beschreibung der Erdoberfläche. Die einzelnen Objekte besitzen eine eigene unabhängige Geometrie. Die topologischen Relationen zwischen den Objekten bleiben gewahrt. Dies erlaubt uns, Analysen und Abfragen innerhalb des Modells durchzuführen.

Symbolisierung

Zur Festlegung der optischen Erscheinung des Geländes und der topographischen Objekte gilt es eine Vielzahl von Betrachtungsfaktoren und graphischen Gestaltungsvariablen zu berücksichtigen. So werden zur optimalen Raumerkennung und -gestaltung das Blickfeld, die Beleuchtungsfaktoren als auch atmosphärische Gestaltungseffekte gewählt. Auch müssen bei der Objektgestaltung neben den aus der 2D-Kartographie bekannten graphischen Variablen wie Form, Grösse, Füllung, Tonwert, Farbe, Orientierung oder Position auch Schattierungen und Formveränderungen wegen perspektivischen Verzerrungen bestimmt werden.

Visualisierung

Bei der Visualisierung wird schliesslich der Karteninhalt auf ein 2D-Ausgabemedium unter Verwendung der vorher spezifizierten Symbolisierung projiziert. Ein besonderes Problem bei 3D-Karten ist ihr fehlender globaler Massstab innerhalb der Darstellung. Die verschiedenen Objekte müssen in Abhängigkeit ihres lokalen Massstabes generalisiert und dargestellt werden. Dies wird durch Kachelung des gesamten Modells berücksichtigt. Der Inhalt muss demzufolge für mehrere Massstäbe vorbereitet sein (Generalisierungsgrad). Das implementierte Visualisierungssystem übernimmt die Funktion, anhand des mittleren lokalen Massstabes jeder Kachel den Inhalt mit dem passenden Generalisierungsgrad zu wählen und auf dem Ausgabemedium zu visualisieren. Zur korrekten Wahrnehmung des Karteninhalts müssen die Projektionsart sowie die Faktoren zur Geländebetrachtung sorgfältig gewählt werden.

Nutzen

Der Einsatz von Topographischen 3D-Karten wird nicht nur auf touristische Zwecke beschränkt bleiben. Interaktiv selektier- und manipulierbare Kartenausschnitte liessen sich explorativ auch in Bereichen wie Planung, Schule oder Wissenschaft einsetzen. Anzustreben ist demzufolge auch, dass sich in solche Kartensysteme weitere thematische Daten integrieren und mit der topographischen Basisinformation darstellen lassen. Auch Funktionen für eine georeferenzierte Analyse der Daten in Abhängigkeit der Geländeparameter wie Höhe, Orientierung oder Neigung ermöglichen interessante Perspektiven.

Ausblick

Die Realisierung von Topographischen 3D-Karten, die vollständig auf Vektordaten basieren, wird intensiv vorangetrieben. Ebenso wird an Symbolisierungskonzepten zur Ableitung von möglichen Standards für diese neuen Kartentypen gearbeitet. Wann interaktive Topographische 3D-Karten auch für die Schweiz als marktreife Produkte erhältlich sein werden, bleibt noch offen. Wichtig scheint dabei, dass die Informationsbedürfnisse der Benützerinnen und Benutzer gebührend berücksichtigt werden und die Handhabung so einfach als möglich gestaltet wird. Denn nur so werden diese innovativen Kartenprodukte vom Publikum akzeptiert und können die bisherigen Landeskarten in sinnvoller Weise ergänzen.

Weitere Informationen:
http://www.karto.ethz.ch/research/research8.html
http://www.karto.ethz.ch/research/research13.html

dipl. Geogr. Christian Häberling
dipl. Ing. Andrea Terribilini
Institut für Kartographie
ETH Hönggerberg
CH-8093 Zürich
haeberling@karto.baug.ethz.ch
terribilini@karto.baug.ethz.ch

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Bestellung VPK: verlag@geomatik.ch

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