Abbildung

Visualisierung von Höhendaten

Die Abbildung bzw. Visualisierung von Höhendaten ist aus vielfältigen Gründen sinnvoll und entscheidend für das Verständnis und die Analyse unserer Umwelt. Wesentliche Gründe dafür sind:

Verständnis des Geländes: Durch die Visualisierung werden Höhenunterschiede, Geländeformen wie Hügel, Täler und Gebirgskämme sowie die allgemeine Topographie eines Gebiets veranschaulicht und leichter verständlich gemacht. Dies hilft, die physischen Eigenschaften der Landschaft zu erfassen und wie sie geformt wurde.
Vereinfachung komplexer Daten: Rohdaten von Höhenmessungen, wie Punktwolken, können überwältigend und schwer direkt interpretierbar sein. Visualisierungen, wie z. B. digitale Höhenmodelle (DEMs), digitale Oberflächenmodelle (DSMs) oder digitale Geländemodelle (DTMs), sowie traditionelle Methoden wie Höhenlinien (Konturlinien), machen diese komplexen Informationen zugänglich und ermöglichen es, sie sofort zu erfassen.
Unterstützung bei Analysen: Visualisierte Höhendaten sind die Grundlage für verschiedene geografische Analysen. Sie ermöglichen Geländeanalyse, die Identifizierung von Mustern und Trends und die Berechnung von Oberflächeneigenschaften.
Breite Anwendungspalette: Die Visualisierung ist entscheidend für zahlreiche praktische Anwendungen und Entscheidungsprozesse in verschiedenen Bereichen wie Hydrologie, Infrastruktur- und Verkehrsplanung, Stadt- und Regionalplanung, Umweltmanagement, Katastrophenmanagement, Ressourcenmanagement, Kartographie und Bildverarbeitung, Geologie und Geomorphologie und Archäologie.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Visualisierung von Höhendaten unerlässlich ist, um die Erdoberfläche zu verstehen, komplexe räumliche Analysen durchzuführen, fundierte Entscheidungen in Planung und Management zu treffen und Informationen effektiv zu kommunizieren.

Höhenschichtlinien

Höhenschichtlinien, auch Isohypsen oder Niveaulinien genannt, sind Linien, die Punkte gleicher Höhe über einem Bezugsniveau (Meeresspiegel) miteinander verbinden. Eine Schar von Höhenlinien zusammen bildet das Höhenprofil eines Gebiets.

Die Interpretation von Höhenschichtlinien ermöglicht Rückschlüsse auf die Geländetopografie. Die Form und der Abstand der Linien geben Aufschluss über das Relief. Liegen die Höhenlinien eng beieinander, deutet dies auf steiles Gelände hin, während ein größerer Abstand flaches Gelände anzeigt. Geschlossene Höhenlinien stellen Kuppen oder Gipfel dar, wenn die Höhe nach innen zunimmt. Gleichmäßig gebogene Linien, die hintereinanderliegen, kennzeichnen oft eine Senke oder ein Tal.

Höhenschichtlinien haben vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Sie dienen als quantitative Darstellung des Geländes und ermöglichen die Ableitung von Geländeneigung, Höhenunterschieden und der Steilheit. Höhenlinien werden oft in Kombination mit anderen Darstellungsformen wie der Schummerung verwendet, um einen besseren räumlichen Eindruck des Reliefs zu vermitteln.

Grafik zur Veranschaulichung von Äquidistanz und Höhenlinien.

Grafik von Jeffdelonge (CC BY-SA 3.0, Wikipedia) zur Veranschaulichung von Äquidistanz (h) und Höhenlinien.

Das Erscheinungsbild der Höhenschichtlinien wird durch den Parameter Äquidistanz gesteuert. Die Äquidistanz bezeichnet den konstanten Höhenunterschied zwischen zwei benachbarten Höhenlinien auf einer Karte. Höhenlinien verbinden Punkte gleicher Höhe.

Bei Höhenschichtlinien mit sehr kleinen Äquidistanzen, insbesondere im Nahbereich, können auch geringe Höhenunterschiede und feine Geländestrukturen detailliert dargestellt werden. Moderne digitale Geländemodelle (DGM1) ermöglichen die Ableitung von Höhenschichtlinien mit sehr geringen Äquidistanzen, beispielsweise 0.5 Meter. Dies erlaubt eine sehr präzise Darstellung des Geländes. Allerdings kann die Darstellung in sehr steilem Gelände bei kleinen Äquidistanzen unübersichtlich werden, da die Linien sehr dicht zusammenrücken.

Eingabe: Aus den Koordinaten eines Referenzpunkts wird die Kachel (1x1 km) abgeleitet, für die die Höhenschichtlinien erstellt werden. Mögliche Eingabeformate:

Lon/Lat-Koordinaten (WGS84, EPSG:4326)
UTM-Koordinaten (EPSG:25832 / EPSG:25833)

Ausgabe: Erzeugt werden Höhenschichtlinien im GeoJSON-Format. Dabei wird jede Höhenschichtlinie durch Koordinaten repräsentiert, die dem gewählten Eingabeformat entsprechen. Mögliche Ausgabeformate:

Lon/Lat-Koordinaten (WGS84, EPSG:4326)
UTM-Koordinaten (EPSG:25832 / EPSG:25833)

Höhenschichtlinien für einen Kartenausschnitt am Langenberg (NRW).

Höhenschichtlinien für eine Datenkachel am Langenberg (NRW) mit einer Äquidistanz von 5.0 Metern.

Die Höhenlinien auf dieser Webseite sind in erster Linie für die Nutzung im Nahbereich gedacht. Es lassen sich Höhenlinien für jeweils eine Kachel von 1x1 km abrufen. Durch das Wiederholen des Vorgangs können die Höhenlinien für einen lokalen Bereich angezeigt werden. Prinzipbedingt entstehen durch dieses Vorgehensmodell am Rand zwischen benachbarten Kacheln geringfügige, unvermeidbare Artefakte.

Schummerung

Die Schummerung ist eine zentrale Technik in der Kartographie und Geovisualisierung, um die Geländetopographie anschaulich darzustellen. Sie erzeugt einen räumlichen Eindruck von Höhenunterschieden, indem sie Licht- und Schatteneffekte simuliert, so als würde das Gelände von einer imaginären Lichtquelle beleuchtet. Dies hilft, die Formen des Geländes wie Hügel, Täler, Bergrücken, Kuppen und Senken leichter zu erkennen und zu verstehen.

Ähnlich wie bei Höhenlinien, die absolute Höhen durch Linien gleicher Höhe verbinden, visualisiert die Schummerung das relative Relief und die Neigung des Geländes. Sie ist eine qualitative Methode, die keine exakten Höhenwerte liefert, aber ein intuitives Bild der Landoberfläche vermittelt.

Schummerung für eine Datenkachel am Edersee (Hessen).

Wesentliche Aspekte und Vorteile der Schummerung sind:

Verbessertes Geländeverständnis: Durch die Simulation von Licht und Schatten werden dreidimensionale Formen auf einer zweidimensionalen Karte sichtbar gemacht, was das Verständnis der Topographie erheblich erleichtert.
Hervorhebung von Strukturen: Die Schummerung kann selbst subtile Geländemerkmale hervorheben, die in anderen Darstellungen möglicherweise nicht so deutlich erkennbar sind.
Grundlage für Karten: Oft wird die Schummerung als Hintergrundebene in thematischen Karten verwendet, um den räumlichen Kontext für andere dargestellte Informationen zu bieten.
Ergänzung zu anderen Methoden: In Kombination mit anderen Visualisierungen wie Höhenlinien oder Farbhöhenschichten bietet die Schummerung einen umfassenderen und anschaulicheren Eindruck des Geländes. Höhenlinien liefern die quantitativen Höheninformationen, während die Schummerung das visuelle Relief hinzufügt.

Die wichtigsten Parameter, die das Erscheinungsbild der Schummerung steuern, sind:

Azimut der Lichtquelle: Dieser Parameter gibt die horizontale Richtung an, aus der das Licht kommt, gemessen in Grad im Uhrzeigersinn von Norden (0°). 0° bedeutet Licht aus dem Norden, 90° aus Osten, 180° aus Süden und 270° aus Westen. Der Standardwert ist oft 315°, da eine Beleuchtung aus Nordwesten für das menschliche Auge am natürlichsten und anschaulichsten wirkt und das Relief am besten hervorgehoben wird. Eine Beleuchtung aus Nordwesten (315°) beleuchtet Nordwesthänge hell und lässt Südwesthänge im Schatten liegen, was ein plastisches Bild erzeugt.
Höhe der Lichtquelle: Dieser Parameter bestimmt den vertikalen Winkel der Lichtquelle über dem Horizont, gemessen in Grad (0° ist Horizont, 90° ist senkrecht von oben). Eine niedrigere Höhe (z. B. 0°) erzeugt längere Schatten und betont subtilere Geländefunktionen, kann aber auch zu starken Schattenwürfen führen. Eine höhere Höhe (z. B. 90°) beleuchtet das Gelände gleichmäßiger, wodurch weniger ausgeprägte Schatten entstehen. Ein üblicher Standardwert ist 45°.
Vertikale Überhöhung: Mit diesem Faktor wird die Höhe des Geländes vor der Berechnung der Schummerung multipliziert. Ein Wert größer als 1 überhöht das Relief künstlich und lässt auch in flacheren Gebieten stärkere Schatten entstehen, was die Sichtbarkeit des Geländes verbessern kann. Ein Wert von 1 bedeutet keine Überhöhung.
Algorithmus (Horn | ZevenbergenThorne): Wählt den Algorithmus zur Berechnung der Steigung und Ausrichtung, die für die Schummerung verwendet werden. Horns Algorithmus wird oft für raueres Gelände empfohlen, während ZevenbergenThorne für glattere Landschaften besser geeignet sein kann.
Schummerungsvarianten:
- regular: Klassisch, basierend auf einer einzigen Lichtquelle, gut für schnelle Übersicht.
- multidirectional: Verbessert die Detailerkennung durch mehrere Lichtquellen, ideal für detaillierte Reliefkarten. Hinweis: Der Wert für den Azimut der Lichtquelle wird ignoriert.
- combined: Fokus auf Kombination von Neigung und Beleuchtung, kann spezifische visuelle Effekte hervorheben.
- igor: Erzeugt eine weichere, subtilere Schummerung, die sich gut als Hintergrund für weitere Kartenebenen eignet. Hinweis: Der Wert für die Höhe der Lichtquelle wird ignoriert.

Eingabe: Aus den Koordinaten eines Referenzpunkts wird die Kachel (1x1 km) abgeleitet, für die die Schummerung erstellt wird. Mögliche Eingabeformate:

Lon/Lat-Koordinaten (WGS84, EPSG:4326)
UTM-Koordinaten (EPSG:25832 / EPSG:25833)

Ausgabe: Abhängig vom Eingabeformat werden unterschiedliche Ausgabeformate erzeugt:

PNG in der Projektion EPSG:3857 (Webmercator) mit expliziter Georeferenzierung durch Lon/Lat-Koordinaten (WGS84, EPSG:4326)
GeoTIFF in der Projektion der DGM1-Ausgangsdaten (EPSG:25832 / EPSG:25833) mit impliziter Georeferenzierung in den Metadaten

Die Nutzung der Schummerung auf dieser Webseite ist in erster Linie für den Nahbereich gedacht. Es lässt sich die Schummerung für jeweils eine Kachel von 1x1 km abrufen. Durch das Wiederholen des Vorgangs kann die Schummerung für einen lokalen Bereich angezeigt werden.

Kombination von Höhenschichtlinien und Schummerung

Schummerung + Höhenschichtlinien für eine Datenkachel am Edersee (Hessen).

Die Stärke der kombinierten Darstellung liegt in der Verbindung der jeweiligen Vorteile beider Methoden:

Verbessertes räumliches Verständnis: Höhenlinien allein vermitteln oft kein unmittelbares räumliches Gefühl für das Gelände. Die Schummerung fügt die notwendige visuelle Plastizität hinzu und ermöglicht eine intuitive Erfassung von Geländeformen wie Hügeln, Tälern und Senken.
Erhöhte Lesbarkeit und Interpretation: In Bereichen mit geringen Höhenunterschieden oder sehr dicht liegenden Höhenlinien kann die Übersichtlichkeit leiden. Die Schummerung hilft, auch subtile Reliefdetails hervorzuheben und die Lesbarkeit der Karte insgesamt zu verbessern.
Quantitative und qualitative Information: Die Kombination liefert sowohl exakte Höhenwerte (durch Höhenlinien) als auch einen anschaulichen qualitativen Eindruck der Geländeform (durch Schummerung). Dies ermöglicht eine umfassendere Analyse und Interpretation des Geländes.
Ansprechende Kartengestaltung: Die Integration von Schummerung macht Karten visuell attraktiver und intuitiver nutzbar. Sie trägt dazu bei, dass die Aussagekraft des dargestellten Inhalts besser zur Geltung kommt.