Reliefdarstellung war hier ja immer wieder mal ein Thema, nachdem ich einige neue Methoden der Reliefdarstellung kennengelernt habe, möchte ich hier mein Wissen kurz zusammenfassen und auf einige sehr interessante QGIS-Plugins hinweisen. Im Wesentlichen dreht es sich dabei um Varianten der Schummerung – also der schattenplastischen Reliefdarstellung. Mac-Nutzer können vieles in der Software Eduard ausprobieren, wo auch eine KI-basierte manuelle Schummerung implementiert ist.

Plugins zur Reliefdarstellung in QGIS

Die hier vorgestellten Schummerungen sind mit QGIS bzw. QGIS-Plugins erstellt. Die Plugins Karika und Terrain Shading lassen sich direkt aus QGIS heraus als Erweiterungen installieren. Die Terrain Shader Toolbox muss manuell installiert werden und benötigt ein weiteres Pythonmodul. Die Installation ist hier erklärt, daneben findet sich noch eine Variante für ArcGIS Pro. Hier zum besseren Überblick eine Auflistung:

  • Terrain Shading – Visualisierung von Geländemodellen
  • Terrain Shader Toolbox – Generalisierung und Visualisierung von Geländemodellen mit vielen verschiedenen Algorithmen
  • Karika – Generalisierung von Geländemodellen

Als Beispiel habe ich mir ein Geländemodell aus der Sammlung von Vergleichsbeispielen herausgesucht und mich für Churfisten in der Schweiz mit der Auflösung von 10 Metern entschieden. Die Details habe ich zunächst mit dem Plugin Karika reduziert, was bei den Schweizer Faltengebirge bestens funktioniert. Die Beispielvisualisierungen entsprechen den Standardvisualisierungen im QGIS und sind nicht angepasst. Zum Schluss zeige ich kurz, wie man alles zusammen kombinieren und visualisieren kann, was schon wieder ein Blogbeitrag für sich ist.

Schummerung

Ganz klassisch lässt sich eine Schräglichtschummerung und eine Böschungsschummerung im QGIS berechnen. Die Böschungsschummerung entspricht der Neigung und wird so dargestellt, dass eine größere Neigung dunkler erscheint. Die Schummerung ist meist nach der Formel von Horn implementiert:

Horn, B. K. P. 1981. “Hill Shading and the Reflectance Map.” Proceedings of the IEEE 69 (1): 14–47. doi:10.1109/PROC.1981.11918.

Schatten

Schatten erzeugen den Eindruck von Tiefe, sodass wir besser das Relief verstehen. Der Unterschied zur Schummerung ist, dass es sich dabei nicht um eine gedachte, sondern um eine simulierte Beleuchtung handelt. Üblich ist die Nutzung einer Lichtquelle von links oben, die relativ niedrig angebracht wird, um möglichst viel Schatten zu erzeugen. Das Ergebnis allein sieht meist etwas merkwürdig aus, lässt sich aber gut mit einer Schummerung kombinieren. Der Schattenwurf kann auch dazu genutzt werden, einen bestimmten Sonnenstand zu simulieren.

Sky View Factor und Sky Model

Die Ambient Occlusion oder auch Sky View Factor genannt, beschreibt als Wert zwischen Null und Eins, wie viel Prozent des Himmels für ein Pixel sichtbar sind. Je größer der Wert, desto offener bzw. ebener ist die Umgebung. Je kleiner der Wert, desto abgeschlossener die Umgebung durch umliegende Erhebungen. Das Ergebnis eignet sich gut zur Hervorhebung von Tälern, die scheinbar mit „Dunst“ gefüllt sind. Hier die Publikationen dazu:

Yokoyama, Ryuzo, Mlchlo Shlrasawa, Richard, and Pike. 2002. “Visualizing Topography by Openness: A New Application of Image Processing to Digital Elevation Models.” Photogrammetric Engineering and Remote Sensing 68: 257–266.

Zakšek, Klemen, Kristof Oštir, and Žiga Kokalj. 2011. “Sky-View Factor as a Relief Visualization Technique.” Remote Sensing 3 (2): 398–415. doi:10.3390/rs3020398.

Das Sky Model ist eine Abwandlung von Sky View Factor – es wird eine Beleuchtung mit verschiedenen Lichtquellen am Himmel simuliert. Im Grunde das Prinzip Sky View Model also umgekehrt. Dafür werden verschiedene Lichtquellen an einem virtuellen Himmel positioniert, wobei die meisten Lichtquellen im Nordwesten analog zur Schummerung angebracht werden.
Das Geländemodell wird dunkler, je weniger Licht an einer Stelle ankommt. Empirische Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Art der Visualisierung besser verständlich ist als eine klassische Schummerung.

Kennelly, Patrick J., and A. James Stewart. 2014. “General Sky Models for Illuminating Terrains.” International Journal of Geographical Information Science 28 (2): 383–406. doi:10.1080/13658816.2013.848985.

Wer sich immer mal über beeindruckende neue Reliefdarstellungen gewundert hat, die einen quasi anspringt, so handelt es sich dabei oft um das Sky Model in Kombination mit dem Textur Shading mit einer recht deutlichen Überhöhung des Geländes.

Topographic Position Index und Textur Shading

Bei der Topographic Position Index (TPI) handelt es sich um eine 3×3 Filtermatrix, bei der zunächst der Mittelwert aller Zellen ermittelt und anschließend die Differenz zum zentralen Pixel berechnet wird. Negative Werte des TPI entstehen in Tälern, positive Werte auf den Bergrücken. Dementsprechend lassen sich damit Täler bzw. Grat im Geländemodell gut hervorheben.

Das Ergebnis des Textur Shading sieht meist ähnlich aus und ist daher hier eingeordnet. Dabei handelt es sich um eine Fouriertransformation des Geländes in Wellen und anschließende Analyse der Wellenlänge. Dabei werden Höhenunterschiede bzw. Geländekanten herausgearbeitet und sichtbar gemacht. Mehr Informationen finden sich auf der Webseite des Erfinders.

Für eine gute Visualisierung nimmt man sich hier am besten nur den negativen oder positiven Wertebereich und stellt diesen jeweils als einen Grauverlauf dar. Damit kann man ausgezeichnet feinsteuern, ob man Kanten, Täler oder Grate hervorheben möchte. Eigentlich ist es keine schattenplastische Darstellung des Geländes, lässt sich aber bestens mit diesen kombinieren.

Zusammenfassung

Mit ein wenig Muse und Geduld kann man sich selbst eine schöne Reliefdarstellung aus den verschiedenen Schummerungsvarianten zusammenstellen. Wie man diese kombiniert, sei jedem selbst überlassen. Je nach Maßstab und Anwendungszweck sollte man die Darstellung anpassen und auf die übrigen Kartenelemente abstimmen, um einen optimalen Reliefeindruck zu erzielen. Die QGIS-Plugins laden nur so zum Ausprobieren ein. Wenn es darum geht, die genauen Höhenwerte darzustellen, sollte man noch Höhenschichten oder Höhenlinien ergänzen.