Vorlesung ‚Geoinformatik A—

Vorlesung „Geoinformatik A“ 

Prof. Dr. Volker Hochschild, WS 2003/2004

Volker Hochschild – Vorlesung „Geoinformatik A“ 

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Vorlesung „Geoinformatik A“ 

21.10.03 Was ist ein Geographisches Informationssystem ? 

28.10.03 Methoden und Konzepte räumlicher Diskretisierung 

04.11.03 Datenerfassung 

18.11.03 Vektordaten 

25.11.03 Rasterdaten 

02.12.03 Räumliche Analyseverfahren 

09.12.03 Interpolation, TINs, 2,5 – 3D-Datenmodelle 

16.12.03 Visualisierung 

13.01.04 GIS-Anwendungen: Standortfindung, Entscheidungsunterst. 

20.01.04 Geodatenbasen, Metadaten, Datenaustausch, etc. 

27.01.04 Zukunft von GIS-Systemen: Web-GIS, GIS im Internet, etc. 

03.02.04 Klausur


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Visualisierung 

- Digitale Kartographie 

- Visualisierung von Geoobjekten 

• Beispiele Schadstoffausbreitung, 3D-Stadtmodelle 

- Visualisierungsmöglichkeiten in der Praxis 

• Photorealistische Wiedergabe 

• Augmented Reality 

• Landschaftsvisualisierung (Virtual Reality) 

• Flythrough Jena

Ergebnisse 

• Simulation der Gully-Erosion über die 

letzten 15 Jahre (Interpolation zwischen 

den Bildern von 1984, 1996 und der 

Geländeaufnahme 1998) 

• Erfassen der Erosionsklassen mit 

Vegetationsindizes aus Satellitenbildern 


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Identifizierung von Gully-Erosion 

Erfassung der Bodenerosion 

• Erkennung der wichtigsten Erosionsgebiete 

(Quellgebiete des Sedimenttransports) 

• Multitemporale Luftbildinterpretation in 

Kombination mit hochaufgelösten DGMs 

• Exakte Geländevermessung und 

Berechnung des Sedimentvolumens zur 

Bestimmung des Bodenverlustes 

Methodik 

• Kartierung 5 verschiedener Erosionsklassen 

• Flächendeckendes 1:30 000er DGM der 

Testgebiete 

• Exakte photogrammetrische Aufnahme des 

Gully-Systems durch Positionierung von 

Meßpunkten entlang der Erosionskanten 

und spätere Interpolation


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Datenausgabe und Präsentation 

• Karte = visuelle Repräsentation räumlicher Information 

• “Eine Karte sagt mehr als 1000 Worte” 

• Karte unterstützt das Erkennen von Raummustern 

• Kartenlesen ist Grundlage für Hypothesenbildung 

• Auch (leichte) Kartenproduktion mit GIS sollte bewusst erfolgen! 

Kartographische Kommunikation: 

Kartograph Karte Kartenleser/in


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Digitale Kartographie 

Aufgabe der Digitalen Kartographie (desktop mapping) ist die 

computergestützte graphische Darstellung der Eigenschaften, 

räumlichen Verteilung und Veränderung von Geoobjekten in 

(digitalen) Karten auf der Basis von Geodaten 

In den ersten Jahren der computergestützten Kartographie zielte der 

Computereinsatz nur auf die rechnerische Unterstützung beim 

Kartenentwurf und auf das automatische Zeichnen der Karten 

(Computerkartographie) 

Heute werden mit Hilfe von digitalen Kartographiesystemen bereits 

gesamte Kartenwerke auf der Basis von Geodaten rein digital erzeugt 

und in kartographischen Datenbanken bzw. Geoinformationssystemen 

verwaltet


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Beispiel aus der amtlichen Kartographie in Deutschland: 

Zeichenvorschriften festgelegt im “Musterblatt” (hier: TK25) 

jektklasse 

adt 

adtteil 

lief 

gonometrischer 

nkt 

ießgewässer 

Darstellung 

Großbuchstaben, 

5mm = 50 bis 

100 Tsd. Einw. 

Kursive 

Buchstaben 

Isohypsen, braun 

Dreieck mit 

zentralem Punkt 

blaue Linie mit 

Pfeil


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...umfasst folgende Arbeitsbereiche: 

1. Konzeptionelle Modellierung des Ausschnittes der realen Welt 

bzw. der fachlichen Informationen (z.B. DLM bei ATKIS) 

2. Erfassung der relevanten Daten (Geometrie,Topologie, Thematik 

und gegebenenfalls Dynamik 

3. Speicherung und Verwaltung dieser Daten mittels geeigneter 

konzeptioneller Datenschemata in Geodatenbanken und GIS 

4. Konstruktion und Gestaltung der topographischen oder 

thematischen Karte (inkl. Symbol-Modellierung) am Bildschirm 

(z.B. DKM bei ATKIS) 

5. Ausgabe der digitalen Karte in verschiedenen Kartenprodukten, 

z.B. als Datenbankauszug, Multimedia-Produkt oder analoge 

Karte 

6. Ständige Nachführung der Geometrie und Aktualisierung der 

Sachdaten


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Digitales Landschaftsmodell 

B51067 01074SDG V4.0 B SDG BSPO F 

FORTFUEHRUNG 510676 8801 

980923 0 

L 

EDBS00640000BKRT000000 0000IBENKRT 25560 

47937000000025562 8 214880801580 

EDBS05520000BSPE000020 0000ULOBNN 000100 

00000057090050002000125561 7 

00000057395011000600011012101B002UBF 

000000011012101 B00333F 001 

0000000011094107B002UE0 001 0 

000000011094107 B00334P 001 000000 

011167106B002UAJ 001 0 00000001116 

B0032PG 001 000000000000125561 7 

00508057489011000300011012111B002UC6 

000000011043101B002UE1 001 0 00000 

B002UE0 001 00000000000010001104310101LB 

40428 0001000144 KNNNNN 

0000 

Charakteristik: 

• objektbasiert 

• vektorformatiert 

• abfragefähig 

• verknüpfbar


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Die Vorteile der digitalen gegenüber der konventionellen Kartographie 

beschränken sich nicht nur auf die schnellere technische Herstellung 

insbesondere von Farbkarten mit Vektor- und Rasterplottern: 

- weitgehend freie Wahl von Kartenprojektion und Maßstab (allerdings 

unter Beachtung der Maßstabsbindung bei der Datenerhebung 

- flexible Gestaltungsmöglichkeiten für die Karteninhalte: Der Anwender 

sucht sich die ihm wesentlich erscheinenden Themen selbst aus 

- Möglichkeit des Datenaustausches mit anderen Systemen 

(Datenbanken, GIS, Bildverarbeitungssystemen, etc.)


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- Verbesserte technische Möglichkeiten der Visualisierung, z.B. 

• „dynamic maps“, die sich veränderten Daten automatisch 

anpassen 

• „animated maps“ mit Darstellung zeitlicher Veränderungen 

• Drei-dimensionale Darstellungen (Pseudo-3D und neue 3D- 

Bildschirm-Technologien) 

• Nutzung von Methoden der virtuellen Realität zur 

Kartendarstellung


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Computergraphik - Digitale Kartographie 

• Die Computergraphik visualisiert 

Eigenschaften praktisch beliebiger 

Objekte (z.B. Wahlergebnisse, 

Flächennutzung, 

Einkommensverteilung) 

• Transformation der Daten in visuelle 

Repräsentation (Bildsynthese) steht im 

Vordergrund 

• Die Digitale Kartographie nutzt die 

Verfahren der Computergraphik als 

Basistechnologie 

• Sie stellt einen Ausschnitt der 

Erdoberfläche und die darin 

interessierenden Geoobjekte 

maßstabsgerecht (aber generalisiert) und 

geometrisch möglichst lagegenau dar 

• Der Kommunikationsaspekt steht im 

Mittelpunkt 

Da es in der Praxis vielfältige Mischformen von Zeichnungen, 

Diagrammen, Bildern und Karten gibt (z.B. Kartogramme), sind 

die Grenzen zwischen Computergraphik und Digitaler Kartographie fließend


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Visualisierung von Geoobjekten 

• Das menschlische Sehvermögen bietet eine wichtige Hilfe beim 

Erkunden und Verstehen räumlicher Strukturen und Prozesse. Die 

Darstellung von Geodaten in visueller bildhafter Form besitzt daher 

eine wesentliche Bedeutung für die Analyse und Interpretation von 

Zusammenhängen und Veränderungen. 

• Modellierung und Entscheidungsfindung werden wirkungsvoll 

unterstützt: 

„Ein Bild sagt mehr als tausend Worte“


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• Ein bekanntes historisches 

Beispiel, das den Nutzen der 

Visualisierung für die 

raumbezogene Analyse 

demonstriert, ist der Cholera- 

Ausbruch Mitte des 19. 

Jahrhunderts in London. Dr. 

John Snow zeichnete die 

Wohnorte von 500 Cholera- 

Opfern in eine Karte ein und 

gewann somit Hinweise auf 

einen Zusammenhang zschen 

Wasserversorgung und 

Auftreten der Krankheit.


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• Visualisierung (im Sinne der Informatik) ist die Transformation von 

Daten in ein sichtbares Bild zur Unterstützung der Exploration 

(Erkundung), Kognition (Erkennen) und Explanation (Erklärung) von 

Strukturen und Prozessen. 

• Visualisierung ist damit eine wichtige Methode für den 

wissenschaftlichen Erkenntnisprozess und zugleich ein Verfahren zur 

raschen Übermittlung komplexer Informationen zwischen 

Wissenschaft und Praxis.


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Computer und die dazugehörigen grafischen Ein- und Ausgabegeräte 

spielen dabei aus mehreren Gründen eine wichtige Rolle: 

• Große Datenmengen (z.B. Satellitenbilder) können rasch aufbereitet 

und visuell dargestellt werden. 

• Interaktives Arbeiten am Bildschirm ermöglicht eine einfache und 

rasche Änderung der Sicht auf die Daten (z.B. Veränderung der 

Perspektive). 

• Mit Hilfe der computergestützten Visualisierung können Attribute 

sichtbar gemacht werden , die für den Menschen normalerweise nicht 

sichtbar sind (z.B. Kaltluftflüsse in Tälern). 

• Zeitliche Änderungen räumlicher Prozesse können zeitlich gerafft 

oder gedehnt werden (z.B. Diffusion von Schadstoffwolken). 

• Dreidimensionale Darstellungen der Landschaft können simuliert und 

mit zusätzlichen Attributen überlagert werden (z.B. 

Niederschlagsverteilung im Gebirge).


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Schadstoffausbreitung in den ersten Minuten 

(nach Buckley, PMR)

(nach Buckley, PMR) 


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Verlauf der Schadstoffausbreitung 

eines simulierten Nuklearunfalls



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Karte der Schadstoffkonzentration 

eines simulierten Nuklearunfalls



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Karte der Grenzwerte möglicher 

Gesundheitsschädigungen


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Kartographisch orientierte Visualisierungssysteme (2D) 

Beispielhafte kartographische Visualisierung 

aus der Kartographie-Software PCMap


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3D-Visualisierung in Geographischen Informationssystemen 

• Ermöglichen primär eine attributbezogene perspektivische 

Darstellung der im GIS abgelegten Geodaten 

• Besondere Stärke der GIS-gestützten 3D-Visualisierungen liegt in der 

einfachen Übernahme bzw. Transformation der bereits im GIS 

vorliegenden Datensätze sowie in der Erhaltung der Verbindung 

zwischen Geometrie- und Sachdaten 

• Zumeist sind nur abgeleitete Größen wie Volumina oder 

Sichtbarkeitsbereiche abfragbar, währenddessen beispielsweise 

komplexe Volumen-Verschneidungen den Spezialsystemen aus 

anderen Bereichen (z.B. Lagerstätten-Exploration) vorbehalten sind 

• Die Zeit-Domäne wird auch heute noch in kaum einem System 

explizit als 4. Dimension verwaltet


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Beispiel für die 3D-Visualisierung 

3D-Blockdarstellung 

eines Stadt und 

Landschaftsmodells 

auf Basis eines dem 

digitalen 

Geländemodell 

angepassten 

Luftbild-Mosaiks 

(Umsetzung mit 

dem ArcView 3D- 

Analyst)


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3D-Stadtmodelle 

Beispiel: New York 

Luftbild Manhattan 

11.06.99 

©NOAA 

Modelle der Gebäudehöhen: 

Luftbilder Stereophotogrammetrie 

LIDAR (Light Detection and Ranging)


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Beispiel: New York 

GIS-Anwendungen 

nach dem 11. Sept. `01 

• 3D-Gebäudehöhen 

• zerstörte Gebäude 

• beschädigte Gebäude 

• Absperrzone 

• Geländehöhen 

© ESRI


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Manhattan, 27.09.01 

© CARSI Center, Hunter College New York 

LIDAR 

• kann Rauch durchdringen 

• berechnet Höhe aus Laufzeit 

Höhenmodell als 3D-Ansicht 

Rot: unterhalb Straßenniveau 

Braun: Straßenniveau 

Grün/Blau: Gebäude 

Unterstützung der Aufräumarbeiten 

• Schuttvolumen 

• Kranhöhen 

• Deponieflächen


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Ground Zero 

© CARSI Center, Hunter College New York 

Höhenmodell als 3D-Ansicht 

Rot: unterhalb Straßenniveau 

Braun: Straßenniveau 

Grün/Blau: Gebäude 

Unterstützung der Aufräumarbeiten 

• Schuttvolumen 

• Kranhöhen 

• Deponieflächen


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Photorealismus in der Planung 

• Präsentation geplanter Maßnahmen und Zielvorstellungen durch 

photorealistische Darstellungen 

• Neben der Abbildung von Landschafts-, Stadt- oder 

Architekturelementen sind zur Steigerung des Realitätsgrades häufig 

atmosphärisch-optische Effekte nutzbar 

• Viele der in diese Gruppe fallenden Applikationen (z.B. das World 

Construction Set, Genesis II oder 3D Studio) nutzen zur Erzeugung 

natürlich wirkender Strukturen die Techniken der fraktalen Geometrie 

• Allen Produkten gemein ist die (zeit-) aufwendige Erstellung 

perspektivischer Ansichten durch Rendering Methoden und die damit 

verbundene Einschränkung auf nicht interaktive Bilder bzw. 

Bildsequenzen. Animationen können somit auch die zeitliche Dynamik 

geowissenschaftlicher Prozesse wiedergeben


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• Beispiel für die photorealistische Wiedergabe alternativer Planungsszenarien 

bzw. Zielvorstellungen (Szenen generiert mit Alias Wavefront)


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Echtzeit Rendering mit Terrain-Viewern 

• Echtzeit- 

Interaktion mit 

visualisierten 

D-Geoobjekten 

• Ermöglicht auf 

Kosten des 

Realitätsgrades 

eine Echtzeit- 

Navigation in 

den 3D-Szenen 

Snapshot aus einem Terrain Viewer mit 2D-Übersichtskarte, 

Navigationselementen und Echtzeit-Geländedarstellung im 

separaten 3D-Fenster (Terrain Viewer Software der Firma IQ-Media)


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Hochdimensionale explorative Geodatenvisualisierung 

Aus dem ViSC-Umfeld 

(Visualization in Scientific 

Computing) kamen im letzten 

Jahrzehnt Impulse, die zur 

Entwicklung neuer Strategien und 

Techniken für die interaktive 

visuelle Exploration 

umfangreicher wissenschaftlicher 

Datensätze führten. 

Das Matterhorn mit einem auf 

das Bergmassiv bezogenen ‚level 

of detail‘-Filter, der die 

Umgebung wesentlich gröber 

(Einsparung von Rechenzeit und 

Speicherplatz), die momentan 

wesentlichen Bildteile jedoch 

genauer darstellt


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Der Sprung in die virtuelle Realität 

• Immersive Umgebungen (Illusion des vollständigen „Eintauchens“) 

physikalisch begehbare 

Cave-Umgebungen, in 

denen auf Wände und 

Boden stereoskopische 

Bilder projiziert werden


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Augmented Reality 

Technologien mit dem Ziel der visuellen Überlagerung realer und 

virtueller Räume werden zur Zeit im Arbeitsgebiet der Augmented 

Reality (AR) untersucht, wobei auch Anwendungen im Bereich der 

Geowissenschaften (z.B. Einblenden von Katasterdaten in die reale 

Geländeansicht vor Ort) denkbar sind


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Landschaftsvisualisierung (3D-Rendering) 

Integration existierender Technologien 

- Kommerzielle GIS-Software 

hat begrenzte Möglichkeiten der 

realistischen 3-D Visualisierung 

- Wissenschaftliche Visualisierungssoftware 

ist bereits vorhanden, aber lediglich im 

Status des Prototyps 

- Virtual Reality-Techniken werden immer 

mehr in der Spiele- und Filmindustrie 

genutzt 

Innovative GIS-Technologien 

- 3D-Objekt-Rendering (Bäume, Böden, 

Gebäude) 

- Kartenanimationen (2-D und 3-D) 

- Links zwischen Videos/Photos und Karten 

3-D Object Rendering (USFS SVS, 6/97


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Bildüberlagerung (Image 

Draping) 

SportsTracker (MapTrek, 9/98) 

Ist eine etablierte GIS-Technologie. 

Die Überlagerung einer 

opographischen oder einer 

hematischen Karte über eine 3Dberfläche 

hängt von Farben, 

chattierungen und Symbolen ab. 

Die Überlagerung eines 

atellitenbildes oder eines digitalen 

rthophotos resultiert in einer guten 

berflächentextur und generiert 

ealitätsnahe Vegetationsmuster. 

Trotzdem kann die Volumentruktur 

von Objekten nicht 

erwirklicht werden und grobe 

ixelstrukturen erscheinen im 

ordergrund. 

10m SPOT using ArcTIN (ESRI, 6/95) 

3-D Analyst (ESRI, 9/98)


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GIS-Technologie bietet eine neue Umgebung zur Beschreibung der 

Landschaftscharakteristik und –bedingungen, wesentlich mehr als die 

kartographische “Abstraktion der Realität” 

3D Rendering ermöglicht den 

Nutzern Forstinventardaten zu 

visualisieren und zu simulieren 

„was sein könnte“ 

Videokartierung ermöglicht die 

Aufnahme des aktuellen 

Istzustandes: „was ist“

3-D Visualization Approaches 

(continued) 

Geometric Video Imaging -- 

-- combines video-imaging imaging techniques 

with geometric registration, typically undertaken within a GIS. It's rarely used 

on a production basis, due to the difficulty in accurately geo-referencing the 

photographic video image with the 3-D 3 D perspective framework (wire-frames) 

generated by the GIS system. 

Geometric Modeling -- 

builds a 3-D geometric 

representation of individual 

landscape features, such as trees, 

represented as geometric objects 

(simple cones or complex tree 

shapes). The individual objects are 

assembled to create a forest stand 

or landscape view depicting the 

perspective from a given viewpoint. 

3-D Rendering utilizes GIS 

inventories of tree types and 

densities. 

“Virtual Reality” 

Virtual Forest (Innovative Gis, , 9/98)

3-D Rendering: Tree Design 

…1) 3-D D object design (trees) 

The Tree Designer is 

The 

is 

used to build custom 3-D 3 D tree 

symbols that represent forest 

components, such as different 

species, multi-age trees, 

seasonal effects, shrubs, and 

snags 

3-D D trees with several sun angles are 

created and stored as bit mapped images for 

polygon rendering

Landscape Visualization (Rendering 

Technique) 

“Laying the Carpet” 

Step 1) 3-D 3 D Terrain 

Surface 

Step 4) Tree Objects 

Step 2) Polygon 

Containers 

Step 5) Final 

Composition 

Step 3) Surface 

Texture 

Step 6) Atmospheric 

Effects

Tree Symbol 

%Maturity 

#Trees

Landscape Visualization (GIS Rendering)

Landscape Visualization (GIS Rendering)

Visualizing Forest Conditions 

Summer 

…changing 

the 

landscape’s 

carpet and 

objects 

Before Fire 

After Fire 

After Snowfall

Landscape Visualization (Case Study 1) 

…with classified forest 

polygons 

Darker boundary lines 

identify forest parcels 

used for 3-D 3 D rendered 

scenes 

! Species 

! Stocking 

! Height/age 

! Ground Cover


This is a general image of the watershed surrounding the primary lake showing 

harvest blocks. Texture Mapping is used to provide a realistic sky and lake 

surface as well as underlying colors for the blocks. Note the different species in 

the foreground stands (bottom left). This represents a multi-species stand. 

Target 

Observer


Atmospheric effects have been added to the view. Parameters are user defined 

that can adjust the level of haze that is desired. 

Target 

Observer


This view provides a ridge viewpoint overlooking the lake and adjoining harvest 

blocks. Note that there is little distinction in density of trees for the t 

non- 

productive stands that cap the ridge areas compared to stands classified as 

productive on the hillsides. A rock slide also appears in this view v 

in the lower 

right. 

Target 

Observer


Trees have been reduced by 50% and re-planted for the non-productive stands 

that cap the ridges. Different textures have also been applied to the non- 

productive stands and the harvest blocks to aid in their distinction. tion. Note the 

different underlying colors for the blocks in the valley at the end of the lake and 

the non-productive, less dense stands on the higher elevations. 

Target 

Observer


This image presents a 'boat' viewpoint from the middle of the lake. The 

viewpoint is directly above the primary lake looking down the valley towards the 

harvest blocks. 

Observer 

Target

3-D Rendering Summary 

Animation provides an added dimension to 3-D 3 D visualization… 

movement in space and time 

Model Output -- In this 

example, output from a 

fire behavior model is 

superimposed on a 

terrain surface with a 

draped satellite image for 

reference 

3-D D Rendering -- In this 

example, sticks (level one 

branching = tree trunks) 

were used for a ‘rough” 

visualization indicating 

positioning and density 

of trees 

Data Characterization -- 

In this example, the 

relative amount of 

biomass is shown as 

changes in the Z axis 

(high altitude = higher 

biomass)

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