Anotace
Disertační práce se zabývá 3D geovizualizací tematických dat, jejími metodami a vizuální analýzou ve 3D prostředí. V rámci bibliometrické analýzy byly identifikovány aktuální trendy a mezery v oblasti 3D kartografie, což přispělo k výběru vhodných literárních zdrojů a pomohlo lépe specifikovat název a zaměření práce. Následná rešerše současného stavu problematiky byla zaměřena zejména na vizuální analýzu, 3D geovizualizaci a 3D data. Na základě bibliografické analýzy a rešerše bylo vymezeno sedm metod 3D geovizualizace tematických dat – horizontální roviny, mračno bodů, 3D povrch, vertikální roviny, 3D kartodiagram, 3D kartogram a voxely. Všechny metody byly zhodnoceny v kontextu grafických proměnných (např. barva, tvar, extruze, průhlednost). Zároveň byly ohodnoceny různé programy z hlediska vhodnosti pro tvorbu 3D geovizualizační aplikace, přičemž byl jako nejvhodnější zvolen ArcGIS Pro, případně ArcGIS Online.
Jádrem práce je návrh a následná technická implementace 3D geovizualizačního prostředí. V první případové studii byla vytvořena aplikace pomocí ArcGIS Online. Toto řešení však neposkytovalo dostatečné možnosti individuálních úprav. Z toho důvodu bylo pro druhou případovou studii využito technologie ArcGIS Maps SDK for JavaScript. Vytvořená aplikace sloužila jako prototyp pro finální 3D geovizualizační prostředí. Výsledná webová aplikace 3D-Geo-Vis 2.0 představuje komplexní prostředí umožňující uživatelům přidání vlastních dat, volbu metody vizualizace, přímou manipulaci s grafickými proměnnými, úpravu znakového klíče v reálném čase a správu vrstev. Dílčí výsledky byly průběžně hodnoceny uživatelským testováním, aby byla ověřena použitelnost aplikace a jednotlivých vizualizačních metod.
Cíle práce
Cílem disertační práce je odvodit a ověřit metody vizualizace tematických 3D dat propojených s městskými a výškovými 3D modely. Primárně bude výzkum zaměřen na vizualizaci meteorologických dat generovaných předpovědními modely ČHMÚ. Předmětem kartografického výzkumu budou způsoby vizualizace 3D dat v městských a výškových 3D modelech pomocí 2D a 3D datových reprezentací (např. horizontální roviny, 3D povrchy). Následně budou ověřena sémiologická pravidla (parametry 2D i 3D vyjadřovacích prostředků, včetně využití barev ke zlepšení vizualizace) s cílem zlepšit vizuální analýzu znázorňovaných témat. Geoinformatický výzkum se zaměří na preprocessing a data management testovaných dat, testování 3D datových reprezentací, analytickou funkcionalitu a publikování vytvořených vizualizací. Disertační výzkum se bude opírat o spolupráci s odborníky na modelování a simulace Českého hydrometeorologického ústavu a k testování budou využívána data. Výzkum bude směřovat k formulování postupu tvorby vizualizací tematických 3D dat a návrhu 3D geovizualizačního prostředí, které umožní efektivní vizuální analýzu.
Dílčí cíle práce:
Dílčí cíl 1: Teoreticko-metodologické ukotvení, hodnocení horizontálních rovin a výběr softwarového řešení.
Dílčí cíl 2: Systematické vymezení metod 3D geovizualizace tematických dat a definování postupů jejich tvorby v ArcGIS Pro.
Dílčí cíl 3: Integrace tematických vizualizací s městskými a výškovými 3D modely a jejich validace formou případových studií.
Dílčí cíl 4: Vývoj a publikace komplexního geovizualizačního prostředí pro vizuální analýzu ve 3D.
Metody 3D geovizualizace
V rámci výzkumu bylo definováno, metodicky popsáno a implementováno celkem 7 klíčových metod pro zobrazování tematických dat ve 3D prostoru:
Horizontální roviny
Horizontální rovina je způsob zobrazení spojitých prostorových dat, kdy má celá datová sada konstantní výškovou souřadnici (Z) a liší se pouze způsobem zobrazení, například barvou buňky.
Mračno bodů
Mračno bodů je typ diskrétní vizualizace, kde je každý bod reprezentován třemi souřadnicemi. Může se jednat o 2D mračno bodů, kde mají všechny body konstantní souřadnici Z, nebo o 3D mračno bodů, kde je souřadnice Z proměnná. Body mračna mohou být rozmístěny náhodně nebo v pravidelné mřížce.
3D povrch
3D povrch je metoda spojité vizualizace vznikající zpravidla interpolací bodů z bodového mračna. Narozdíl od horizontálních rovin nemá každá buňka konstantní Z souřadnici, ale výška buněk je proměnlivá v závislosti na hodnotě jevu.
Vertikální roviny
Svislé roviny se obvykle nacházejí uprostřed městských silnic a vykreslují se vertikálním vytlačením lineární geometrie silniční sítě.
3D kartodiagramy
3D kartodiagramy mohou mít mnoho podob. Tato metoda vychází z metody 2D kartodiagramů používaných v tematických mapách. Symboly mohou mít mnoho podob, od 3D sloupců přes koule až po koláčové grafy, přičemž velikost těchto prvků závisí na hodnotě (např. výška sloupce, průměr koule).
3D kartogram
3D kartogram vychází z klasické metody kartogramu, přičemž je výška extrudována pro znázornění číselného atributu.
Voxely
Při geovizualizaci pomocí voxelů jsou data reprezentována bloky s různými výškami v závislosti na jejich hodnotě. Má tedy společné prvky se sloupcovým 3D kartodiagramem a kartogramem. Na rozdíl od 3D kartodiagramu na sebe ale v případě voxelů sousední bloky (sloupce) vzájemně navazují, a na rozdíl od 3D kartogramu mají všechny polygony konstantní velikost.
Hlavní výsledky
Předkládaná disertační práce si kladla za hlavní cíl vytvořit komplexní teoretický a metodický koncept pro vizuální analýzu tematických prostorových dat ve 3D prostředí a tento koncept následně uvést do praxe prostřednictvím vývoje vlastní softwarové aplikace. Tohoto hlavního cíle bylo úspěšně dosaženo. Výsledkem práce je ucelené webové prostředí, které propojuje hluboké teoretické poznatky z oblasti moderní 3D kartografie s plně funkčním geovizualizačním prostředím 3D-Geo-Vis 2.0. Podařilo se systematizovat roztříštěné přístupy k tvorbě 3D geovizualizací a prokázat, že cílená a interaktivní manipulace s grafickými proměnnými ve 3D prostoru přináší signifikantní přidanou hodnotu pro explorativní vizuální analýzu. K dosažení tohoto hlavního výstupu vedlo splnění čtyř na sebe navazujících dílčích cílů.
Publikované články
• Methods of 3D Geovisualization of Thematic Data in the Context of Graphic Variables
Summary
The presented doctoral dissertation comprehensively addresses the issue of 3D geovisualization of thematic data and the process of visual analysis in the third dimension. The main objective of the thesis was to create a theoretical and methodological concept that would shift the perception of 3D maps from mere static or passive viewers to the role of fully-fledged interactive analytical tools. This objective was successfully achieved through a logical sequence of research steps that culminated in the development of a custom software solution.
In its initial phase, the research was anchored by an extensive bibliometric analysis and literature review, which helped identify current trends, terminological inconsistencies, and existing gaps in the fields of 3D cartography and visual analysis. This theoretical foundation was immediately followed by the creation of a comprehensive methodology for evaluating graphic variables. To make the concept practically applicable, the methodology was first pilot tested on the method of horizontal planes, which went hand in hand with a critical assessment of available technological platforms and the subsequent selection of an optimal software solution for future development. With the acquired technological and methodological knowledge, the research was then expanded to a total of seven key 3D geovisualization methods (horizontal planes, point clouds, 3D surfaces, vertical planes, 3D graduated symbols, prism maps, and voxels). The procedure of creation was described for each of these methods within the framework of the thesis.
A crucial step for verifying the proposed concepts was their application in practice and interaction with end users. On a detailed (local) scale, a case study was conducted for the city of Jihlava, focusing on the 3D geovisualization of the land suitability for housing. The inclusion of real 3D city models made it possible to demonstrate the necessity of physical context for thematic data. Furthermore, this case study was subjected to user testing, the results of which provided valuable feedback regarding human perception of 3D space and the comprehensibility of individual visualizations. Parallel to the theoretical research and case studies, the development of the geovisualization environment itself was underway. The first milestone was the creation of a prototype web application, 3D-Geo-Vis. Targeted usability testing was performed on this prototype, which helped identify technological limitations and obstacles in the user interface.
The insights gained from the theoretical evaluations, user testing on the Jihlava data, and the usability testing of the prototype became the primary input for the final synthesis of the entire dissertation—the development of the final application, 3D-Geo-Vis 2.0. The main added value of the 3D-Geo-Vis 2.0 geovisualization environment lies in the unique integration of theoretical cartographic concepts with practical interactive visual analysis in a web-based 3D space. Unlike many existing 3D viewers, which often serve only for the simple and static presentation of spatial data, this application was conceived from the outset as a comprehensive analytical tool. A fundamental scientific and methodological contribution is the systematic implementation and evaluation of seven specific 3D geovisualization methods across a comprehensive set of sixteen graphic variables. This approach provides users with exceptional flexibility and allows them to explore hidden spatial relationships and patterns in thematic data through targeted manipulation of the visual representation. The ability to interactively work with methods such as voxels, 3D surfaces, or vertical planes directly in a web browser fundamentally facilitates the interpretation of both the vertical and horizontal structures of phenomena. Another significant advantage is the web-based nature of the application itself—the utilization of available cloud technologies democratizes access to advanced 3D geovisualization, as it eliminates the need to install expensive and hardware-demanding desktop GIS software.
The 3D-Geo-Vis 2.0 application thus represents not only a functional technological solution but also a verified methodological framework that advances the possibilities of contemporary thematic 3D cartography. The dissertation has unequivocally demonstrated that the active and targeted manipulation of graphic variable parameters in an interactive 3D environment fundamentally streamlines exploratory visual analysis.
Vytvořené aplikace
Praktické výstupy práce jsou plně dostupné online prostřednictvím následujících interaktivních webových prostředí:
Jihlava – 3D geovizualizace územního potenciálu
V aplikaci je představeno sedm různých metod vizualizace aplikovaných na územní potenciál pro bydlení pro roky 2023, 2028 a 2033 v katastrálním území Jihlava. Kromě toho jsou vizualizovány změny ve územním potenciálu mezi lety 2023 a 2028 a mezi lety 2023 a 2033.
3D-Geo-Vis
Aplikace 3D-Geo-Vis slouží jako prototyp, z něhož bude vycházet výsledné 3D geovizualizační prostředí. Aplikace je postavena na architektuře HTML / CSS / JavaScript pomocí ArcGIS Maps SDK for JavaScript.
3D-Geo-Vis 2.0
Hlavním cílem aplikace 3D-Geo-Vis 2.0 je zprostředkovat efektivní vizuální analýzu tematických prostorových 3D dat v uživatelsky přívětivém a intuitivním prostředí. Oproti původnímu prototypu byla aplikace rozšířena např. o možnost přidání vlastních dat, volbu atributů pro vizualizaci a popis, správu vrstev nebo sdílení.
Dokumenty ke stažení
Kompletní textové výstupy disertační práce jsou volně k dispozici ke stažení: