II

Abbildungsverzeichnis   

Abb.  1: Benutzeroberfläche von Google Earth.  

Abb.  2: Einstellungen in Google Earth  

Abb.  3: Ebenenenfenster Google Earth  

Abb.  4: Import von GPS-Daten Google Earth  

Abb.  5: Echtzeit GPS Google Earth  

Abb.  6: Overlay durch Koordinateneingabe in Google Earth  

Abb.  7: Overlay durch Verschiebung des Orthobildes in Google Earth  

Abb.  8: Google Sketch Up Benutzeroberfläche mit Modell  

Abb.  9: Luftbild vom späteren Standort des Modells in Google Earth  

Abb.  10: Google Ansicht unter Modell in Google Sketch Up  

Abb.  11: Modell auf Bild referenziert  

Abb.  12: Modell in Google Earth importiert  

Abb.  13: Höhenmodell Gronau erzeugt aus Luftbildern  

Abb.  14: 3D Ansicht Höhenmodell Gronau in PCI Geomatica FLY  

Abb.  15: Höhenmodell Gronau als Bild Overlay in Google Earth  

Abb.  13: Benutzeroberfläche NASA World Wind 1.4  

Abb.  14: Layer Manager in NASA World Wind  

Abb.  15: I-Cubed ESAT World Landsat 7 Bild von New York  

Abb.  16: NLT Landsat 7 links Visible Color und rechts Pseudo Color Bilder  

Abb.  17: On Earth Landsat 7 links Visible Color und rechts Pseudo Color  

Abb.  18: Geocover Landsat 7 links Geocover 1990 und rechts Geocover  

Abb.  19: USGS Orthobild, links s/w 1 m/Pixel, rechts Farbe 0,25 m/Pixel  

Abb.  20: USGS Topo Map in Nasa World Wind  

Abb.  21: Waldbrände in Kalifornien 22.10.2007, 21:00 UTC, Aqua  

Abb.  22: Fenster GPSTracker in Nasa World Wind  

Abb.  23: Overlay in NASA World Wind  

Abb.  24: Verschiebungen an Bildübergängen in Virtual Earth  

Abb.  25: Benutzeroberfläche Virtual Earth 3D  

Abb.  26: Benutzeroberfläche Microsoft Virtual Earth 3DVIA  

Abb.  27: 3D Modell in Virtual Earth  

Abb.  28: Benutzeroberfläche Microsoft MapCruncher  

Abb  29: Überlagerung durch Orthobild in Microsoft Virtual Earth  

III

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Koordinatentransformation………………………………………………… 19 Abkürzungsverzeichnis HTML Hyper Text Markup Language DEM Digital Elevation Model GCP Ground Control Point GLOBE Global Learning and Observations to Benefit the Environment GPS Global Positioning System GSFC Goddard Space Flight Center KML Keyhole Markup Language MODIS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer NASA National Aeronautics and Space Administration NLT NASA Learning Technologies WFS Web Feature Service WGS84 World Geodetic System 1984 WMS Web Mapping Service SDK Software Development Kit SDSS Sloan Radar Sky Survey SRTM Shuttle Radar Topography Mission SVS Scientific Visualization Studio USGS United States Geologically Survey UTM Universal Transversal Mercator URL Uniform Resource Locator XML Extensible Markup Language

IV

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis   II

Tabellenverzeichnis III   

Abk  ürzungsverzeichnis.  III

1  Einleitung  1

2  Earth Viewer  2

3  Google Earth  3

3.1  Entwicklung  3

3.2  Datengrundlage  4

3.3  Systemvoraussetzungen  5

3.4  Geodätische Gesichtspunkte  5

3.5  Überblick  7

3.6  Grundfunktionen  8

3.6.1  Benutzeroberfläche  8

3.6.2  Einstellungen  10

3.6.3  Arbeiten mit Orten  11

3.6.4  Arbeiten mit Ebenen  12

3.7  Spezielle Funktionen  13

3.7.1  Overlays  13

3.7.2  Integration von 3D Modellen  14

3.7.3  Verwendung von GPS Geräten  15

3.7.4  Implementierung eigener Daten  18

3.8  Anwendungen  19

3.8.1  Erzeugen eines Bild Overlays  19

3.8.2  Erstellen und Implementieren eines 3D Modells mittels Sketch Up.  21

3.8.3  Implementieren eines aus Luftbildern erzeugten Höhenmodells  24

3.9  Vor- und Nachteile  26

4  Nasa World Wind  27

4.1  Entwicklung.  27

4.2  Datengrundlage  27

4.3  Systemvoraussetzungen.  28

4.4  Geodätische Gesichtspunkte  28

V

4.5  Überblick  29

4.6  Funktionen  30

4.6.1  Benutzeroberfläche  30

4.6.2  Suchfunktion und Ebenen  31

4.6.3  Satellitenbilder, Karten und Luftbilder  33

4.7  Spezielle Funktionen  37

4.7.1  Einbindung von Daten  37

4.7.2  Funktionserweiterungen  39

4.8  Anwendungen  40

4.8.1  Erzeugen von Overlays  40

4.9  Vor- und Nachteile  41

5  Microsoft Virtual Earth  42

5.1  Entwicklung  42

5.2  Datengrundlage  42

5.3  Systemvoraussetzungen  43

5.4  Geodätische Gesichtspunkte  44

5.5  Überblick  45

5.6  Grundfunktionen  46

5.6.1  Benutzeroberfläche  46

5.6.2  Suchfunktion, Wegbeschreibungen und Sammlungen  47

5.7  Spezielle Funktionen  48

5.7.1  Pfade und Polygone  48

5.7.2  Kartenüberlagerung und 3D Objekte  49

5.8  Anwendungen  50

5.8.1  Erstellen und implementieren eines 3D Modells  50

5.8.2  Kartenüberlagerung  52

5.9  Vor- und Nachteile  53

6  Zusammenfassung  54

7  Literaturverzeichnis  56

1

1 Einleitung

Die Erde aus dem Weltall sehen oder jeden Ort der Welt anfliegen und aus der Luft beobachten, all dies ist heutzutage, zumindest virtuell, für die Nutzer von Satelliten Software oder so genannten Earth Viewern (Erd Beobachtern) möglich. In dieser Beziehung hat sich in den letzten Jahren einiges getan. Spätestens seit der Veröffentlichung von Google Earth im Jahre 2005 begann ein regelrechter Wettlauf in Sachen Erdbeobachtungssoftware. Die Geoinformationsbranche wurde für die Masse zugänglich gemacht und entwickelt sich seitdem mit sehr hoher Geschwindigkeit. Geodaten können nun von jedem und von überall her über das Internet kostenlos genutzt werden. Innerhalb kürzester Zeit schritt die Entwicklung von verschiedenen Systemen voran, so dass es heute eine Vielzahl von Anbietern solcher Earth Viewer gibt. Ob Client Systeme oder Web Mapping Systeme, die unterschiedlichen Systeme bieten jede Menge Möglichkeiten für die verschiedensten Anwendungen.

Im Internet werden viele verschiedene Earth Viewer kostenlos angeboten und die Entwicklung geht ständig weiter. Die wohl bekanntesten dieser Earth Viewer sind Google Earth, NASA World Wind und Microsoft Virtual Earth. Alle drei haben etwas gemeinsam, sie bieten Bilddaten der Erde an und ermöglichen es dem Nutzer per Mausklick auf dem virtuellen Globus zu navigieren und somit jeden Ort der Welt zu erkunden, sofern es die Auflösung der Bilddaten zulässt. Sie bieten ihren Nutzern Informationen mit einem Ortsbezug, so genannte Geoinformationen. Aber jeder dieser Earth Viewer bietet verschiedene Funktionen und Datengrundlagen und es lassen sich unterschiedliche Anwendungen mit jedem von ihnen durchführen, so dass es gewisse Unterschiede zwischen ihnen gibt.

Im Rahmen dieser Studienarbeit sollen Google Earth, NASA World Wind und Microsoft Virtual Earth miteinander verglichen werden. Dabei wird auf die Datengrundlage, die verschiedensten Funktionen und die Anwendungsmöglichkeiten der einzelnen Earth Viewer eingegangen. Die einzelnen Funktionen werden zunächst beschrieben und einige davon später praktisch angewandt, so dass ein direkter Vergleich zustande kommt.

2

2 Earth Viewer

So genannte Earth Viewer, was soviel heißt wie Erd- oder Planetenbeobachter, sind computergestützte Programme und webbasierte Dienste, welche die Erdoberfläche mittels verschiedener Geodaten global visualisieren. Man unterscheidet die Earth Viewer in zwei verschiedene Systemtypen. Einmal die Web Mapping Systeme, welche die Betrachtung der räumlichen Daten mit einem aktuellen Webbrowser ermöglichen ohne ein zusätzliches Programm zu installieren. Und zum anderen die Client Systeme, für welche die Installation eines Software Clients auf dem Rechner erforderlich ist. Google Earth und NASA World Wind sind solche clientbasierten Earth Viewer, während Microsoft Virtual Earth eine Web Mapping Anwendung ist. Das heißt um Google Earth und NASA World Wind nutzen zu können, muss erst die entsprechende Software, welche in der Regel kostenlos zu Verfügung gestellt wird, herunter geladen und installiert werden. Microsoft Virtual Earth hingegen kann direkt genutzt werden indem man die Adresse http://maps.live.com/ in die Adresszeile eines Webbrowsers eingibt und auf diese Seite wechselt. Jeder dieser Earth Viewer visualisiert Satellitenbilder, Luftbilder, Straßendaten und einiges mehr, also einen globalen Datenbestand über das Internet. Web Mapping Systeme haben den Vorteil, dass man sie an jedem Rechner, welcher über eine Internetverbindung verfügt, nutzen kann ohne etwas installieren zu müssen. Client Systeme setzen zwar die Installation der Client Software voraus, jedoch verfügen sie in der Regel über zusätzliche Funktionen welche die Web Mapping Anwendungen nicht anbieten.

3

3 Google Earth

3.1 Entwicklung

Der Ursprung von Google Earth liegt in dem Unternehmen Keyhole Corp. welches 1996 von Michael T. Jones gegründet wurde. Dieses Unternehmen hatte eine Software mit dem Namen „Keyhole“ (Schlüsselloch) entwickelt. Das Programm Keyhole 2, welches ab 2004 für 70 $ pro Jahr genutzt werden konnte, nutzte Satellitenbilder der US-amerikanischen Spionagesatelliten Keyhole als

Datengrundlage. Im Jahr 2004 kaufte Google Inc. die Firma Keyhole auf und entwickelte auf dem Grundgerüst der Keyhole Software schließlich Google Earth. Zunächst wurden die Kosten für das Programm gesenkt und seit Ende Juni 2005 ist die Software von Google Earth für den privaten Gebrauch kostenfrei zugänglich.

Mittlerweile bietet Google verschiedene Versionen dieses Earth Viewers an. Zum einen die derzeitige Basisversion Google Earth 4.2 beta welche kostenlos zugänglich ist und keine Registrierung erfordert. Mit ihr wird die Reise auf dem virtuellen Globus ermöglicht, man kann navigieren, suchen und Entfernungen ausmessen. Es lassen sich auch verschiedene Karteschichten ein- und ausblenden und Punktkoordinaten abspeichern. Auch die Darstellung von 3D Modellen wird unterstützt. Des Weiteren gibt es die Version Google Earth Plus, welche für 20$ pro Jahr genutzt werden kann und über zusätzliche Funktionen gegenüber der Basisversion verfügt. Diese Version bietet einen verbesserten Netzwerkzugang und dadurch höhere Arbeitsgeschwindigkeiten, sie ermöglicht das anschließen von GPS Geräten, so dass eine Positionsbestimmung in Echtzeit möglich wird, oder die Einbindung von bereits vorhandenen GPS Daten. Weiterhin ermöglicht diese Version das Einbinden von Tabellen, womit es möglich ist bis zu 100 Koordinaten aus CSV-Dateien zu importieren. Und Ausdrucke lassen sich mit einer höheren Auflösung, als der Bildschirmauflösung ermöglichen. Die Druckauflösung beträgt 1400 Pixel während die Bildschirmauflösung nur 1000 Pixel beträgt.

Die leistungsfähigste Version ist die Version Google Earth Pro, diese kann für 400$ pro Jahr genutzt werden und ist für den professionellen Einsatz gedacht. Google Earth Pro ermöglicht den Import von bis zu 2500 Koordinaten und Adressen aus CSV-Dateien, die Druckauflösung und der Export von Bildern liegt bei 4800 Pixeln.

4

Es sind Tools für Flächen und Kreismessungen integriert und zusätzliche Module können für je 200$ dazu gekauft werden. Wie zum Beispiel das GIS-Daten-Import-Modul welches den Import von shapefiles oder TAB - Formaten ermöglicht oder das Movie Making Module mit welchem man Videos im wmv-Format exportieren kann. Die Version Google Earth Enteprise wurde ausschließlich für Geschäftskunden entwickelt, sie besitzt einen umfangreichen Datenbestand und besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten. Einmal aus Google Earth Fusion, welche Raster-, GIS-, Punkt-, und Geländedaten in den wichtigsten Formaten integriert. Dann aus Google Earth Client, welche die Daten an die Client Software überträgt. Und aus Google Earth Enteprise Client welche das Betrachten, Drucken und Austauschen der Daten ermöglicht.

3.2 Datengrundlage

Google Earth basiert auf dem Format Keyhole Markup Language (KML), dieses entspricht dem XML-Format, welches ein Standard für die Erstellung von maschinen-und menschenlesbaren Dokumenten in Form einer Baumstruktur ist (Metadaten). Das KML-Format ermöglicht die Erfassung von verschiedenen georeferenzierten Informationen und den Austausch zwischen seinen Nutzern. Da KML eine Markupsprache ist wie HTML (Hyper Text Markup Language), steuert diese lediglich die Bildschirmausgabe. Google Earth dient dabei als Browser für KML-Dateien, so wie der Internet Explorer als Browser für HTML-Dateien dient. Google Earth verwendet sowohl Rasterdaten als auch Vektordaten. Rasterdaten werden in Form von Pixeln verwaltet. Die Satellitenbilder und Luftaufnahmen in Google Earth sind also Rasterdaten, während Vektordaten zur Definition von Punkten, Linien und Polygonen verwendet werden. Vektordaten sind zum Beispiel das Verkehrsnetz, die Ortschaften und die Ländergrenzen. Die Vektordaten können in Google Earth mit den Rasterdaten verknüpft werden. Für seine Bilddatenbank verwendet Google Earth eine einfache Zylinderprojektion (Plattkarte) mit dem globalen Bezugssystem WGS84. Die einfache Zylinderprojektion ist eine einfache Kartenprojektion, hierbei sind Längen- und Breitengrade abstandstreue, gerade parallele Linien, die sich jeweils im rechten Winkel kreuzen. Man schätzt den Umfang der Google Earth Datenbank auf 150 Terrabyte, wobei den größten Anteil an diesen Daten die Bilddaten einnehmen und den geringeren Anteil die dazugehörigen

5

Indexdateien. Die Satellitenbilddaten stammen hauptsächlich von der NASA und vor

allem  von dem 1999 gestarteten Satelliten Landsat 7. Blendet man im Ebenenfenster  

im  Ordner „Mehr“ die DigitalGlobe-Abdeckung ein werden die Bildausschnitte mit  

ihrem  Aufnahmedatum im 3D Viewer angezeigt. Die hochaufgelösten Bilder in  

Google  Earth sind Luftbilddaten. Diese werden für Deutschland von der Firma  

Geocontent  GmbH im Auftrag von Google hergestellt.  

Weiterhin  stellt Google Earth ein digitales Höhenmodell zur Verfügung, dieses wird  

auch  als DEM (Data Elevation Model) bezeichnet. Es wird durch die Einblendung der  

Gel  ändeebenen aktiviert. Hierbei werden jedem Pixel drei Koordinaten zugeordnet,  

einmal  der Rechtswert, dann der Hochwert und die Höhe. Das Geländemodel  

welches  von Google Earth verwendet wird, arbeitet mit einer Genauigkeit von  

ungef  ähr 30 m.  

3.3  Systemvoraussetzungen  

Google  Earth lässt sich auf Windows PC’s, Mac’s und Linux Computern installieren  

und  lässt sich auf der Seite http://earth.google.com kostenlos downloaden. Die  

Installationsdatei  der aktuellen Version hat eine Größe von 12,7 MB. Neuere  

Versionen  können einfach über ältere Versionen installiert werden, so bleiben die  

eigenen  Daten erhalten. Jedoch müssen für die neueste Version Google Earth  4.2

folgende  Systemvoraussetzungen für die einzelnen Betriebssysteme erfüllt sein.  

Verwendung  auf einem Windows PC:  

  - Betriebsystem: Windows 2000, Windows XP, Windows Vista  

  - CPU: 500 MHz, Pentium  3

  - Systemarbeitsspeicher (RAM): 128 MB RAM  

  - Festplatte: 400 MB  frei

  - Netzwerkgeschwindigkeit: 128 Kb/s  

  - Grafikkarte: 3D-fähige Videokarte mit 16 MB VRAM  

  - Bildschirm: 1024x768, 16-Bit-High-Color-Bildschirm  

6

Verwendung auf einem Mac: - Betriebssystem: Mac OS X 10.4 oder höher - CPU: G3 500 MHz - Systemarbeitsspeicher (RAM): 256 MB RAM - Festplatte: 400 MB frei - Netzwerkgeschwindigkeit: 128 Kb/s - Grafikkarte: 3D-fähige Videokarte mit 16 MB VRAM - Bildschirm: 1024 x 768, "Tausende Farben" Verwendung auf einem Linux Computer: - Kernel 2.4 oder höher - glibc 2.3.2 mit NPTL oder höher - XFree86-4.0 oder x.org R6.7 oder höher - CPU: 500 MHz, Pentium 3 - Systemarbeitsspeicher (RAM): 128 MB RAM - Festplatte: 400 MB frei - Netzwerkgeschwindigkeit: 128 Kb/s - Grafikkarte: 3D-fähige Videokarte mit 16 MB VRAM - Bildschirm: 1024x768, 16-Bit-High-Color-Bildschirm Diese Systemvoraussetzungen sind die Mindestvoraussetzungen um mit Google Earth arbeiten zu können. Bessere Voraussetzungen ermöglichen schnelleres arbeiten und eine höhere Qualität in Google Earth.

3.4 Geodätische Gesichtspunkte

Google Earth verwendet eine einfache Zylinderprojektion für seine Bilddatenbank mit dem Bezugssystem WGS 84 (World Geodetic System 1984). Längen- und Breitengrade sind dabei abstandstreue, gerade parallele Linien. Diese kreuzen sich jeweils im rechten Winkel. WGS 84 ist dabei das Datum und Referenzellipsoid. Bei der Zylinderprojektion handelt es sich um eine Mercatorprojektion, d.h. eine Zylinderprojektion entlang des Äquators. Dabei werden die abgebildeten Flächen mit zunehmendem Abstand vom Äquator größer. Google löst dieses Problem mit einer dynamischen Anpassung des Maßstabes.

Die Bilddaten in Google Earth sind Sattelitenbilddaten des Landsat 7 Projektes mit einer Auflösung von 15 m/Pixel und Luftbilder welche durch überfliegen der Gebiete

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erzeugt wurden. Dabei werden so genannte True Orthofotos erzeugt, diese haben in Google Earth eine maximale Auflösung von 0,1 m/Pixel. Das digitale Geländemodell in Google Earth ist nur gering aufgelöst und hat eine Genauigkeit von ca. 30 m. Dadurch kommt auch keine genaue Verschneidung mit 3D Objekten, welche man implementieren kann, zustande. Die Bilddaten besitzen unterschiedliche Qualitäten und beim Übergang von unterschiedlichen Bilddaten kann man teilweise Verschiebungen feststellen. So weisen die Bilddaten Lageungenauigkeiten auf, die bis zu 150 m betragen können.

3.5 Überblick

Google Earth ist ein Earth Viewer mit zahlreichen Funktionen. Vor der Benutzung muss man jedoch die Software installieren, da Google Earth ein Client System ist. Nach der Installation wird die freie Navigation auf dem virtuellen Globus ermöglicht und somit kann jede Stelle der Erde betrachtet werden. Der Benutzer kann Karten, Satelliten- und Luftbilder betrachten, außerdem wird ein digitales Geländemodell geboten und das Betrachten von 3D-Objekten ermöglicht. Position und Höhe werden angegeben und über Ebenen lassen sich zahlreiche Kartenelemente oder interessante Punkte einblenden. Über eine Suchfunktion lassen sich Adressen und Branchen suchen und anzeigen, Routenplanungen durchführen und anschließend virtuell abfliegen. In der neuesten Version von Google Earth wurde nun auch der Blick in die Sterne ermöglicht. Als spezielle Funktionen werden die Speicherung von Orten und Wegbeschreibungen und das Markieren und Veröffentlichen von Punkten geboten. Die Satelliten- und Luftbilder lassen sich in allen gängigen Formaten speichern und das Bild, die aktuelle Ansicht oder eine selbst erstellte Ortsmarke direkt per E-Mail versenden. Auch das Messen einer Strecke oder eines Pfades ist in Google Earth möglich. Man kann auch eigene Daten implementieren, beispielsweise Karten oder Bilder als Overlays oder über Web Mapping Services (WMS) einfügen und Daten von GPS Geräten implementieren. 3D Objekte lassen sich über das Google Warehouse herunterladen oder über Google Sketch Up erzeugen und dann direkt in Google integrieren. Google Earth überzeugt durch eine einfache Bedienbarkeit und schnelles laden der Daten.

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3.6 Grundfunktionen

3.6.1 Benutzeroberfläche

Startet man Google Earth, so hat man die in Abbildung 1 dargestellte Benutzeroberfläche vor sich über welche man die verschiedensten Funktionen ausführen kann.

Abb. 1: Benutzeroberfläche von Google Earth [Google Earth]

Im Hauptfenster dem so genannten 3D Viewer sieht man den virtuellen Globus auf dem man nach Belieben navigieren kann. Weiterhin befindet sich in der linken oberen Ecke des 3D Viewers die Übersichtskarte welche weitere Perspektiven der Erde zeigt. Oben rechts befinden sich die Navigationsbedienelemente mit welchen sich das Bild verschieben, neigen, zoomen und um den Ansichtspunkt drehen lässt. Die Navigation kann jedoch auch über die Maus oder die Tastatur erfolgen. Unten im 3D Viewer befindet sich die Statusleiste, diese zeigt die Koordinaten, die Geländehöhe, die aktuelle Sichthöhe und Statusinformationen zur Bildübertragung