Bernhard Engelbrecht, Wien

Die Schraffendarstellung für Karten im digitalen Zeitalter

Abstract

The aim of the development was the finding of a cheap way of creating maps, which gives a good feeling of the 3rd dimension. After experiments with the historical linear patterns a special kind of pattern was constructed, which gives optimal information about the slope of hills and the spatial feeling.

Zusammenfassung

Bei der Suche nach einer einfachen Darstellungsform des Geländes, welche einen guten räumlichen Eindruck bietet, wurde eine digitale Schraffe entwickelt, welche Informationen zur Geländeneigung und der Geländeausrichtung gibt. Die Entwicklungsschritte und das Ergebnis werden hier präsentiert.

1 Ausgangspunkt, Vorgabe und Ziel

Bei der Erstellung von Karten in einem geographischen Informationssystem für digitale Reise- und Kulturführer auf CD-ROM und DVD entstand die Frage, auf welche Weise dem Kartenbenutzer das räumliche Gefühl für das Geländes optimal vermittelt werden könnte. Technische Vorgabe ist, dass Berge und Kuppen bei der Darstellung am Computerbildschirm deutlich hervortreten oder –stechen, nach Möglichkeit ein räumlicher Eindruck erweckt wird. Es musste besonders aber auch auf den kaufmännischen Aspekt Bedacht genommen werden, d.h. die Erzeugung der Darstellung sollte erstens in möglichst kurzer Zeit möglich sein und zweitens sollten die Kosten für die Erzeugungssoftware und die Grunddaten möglichst gering gehalten werden.

Bevor an die Entwicklung einer „neuen“ Methode der Darstellung gedacht werden konnte, wurde eine Analyse der aktuell verwendeten und der historischen Methoden der Geländedarstellung durchgeführt.

2 Die digitale Schummerung

Der Großteil der heute gedruckten Karten großen und mittleren Maßstabs verwendet zur Geländedarstellung Höhenschichtlinien und eine Schummerung. Diese kann in digitaler Weise auf drei Arten erzeugt werden:

2.1 Existieren noch ältere Filme mit Schummerungen, so werden diese mit hochauflösenden Scannern z.B. mit einer Auflösung von 1016 dpi gescannt und als Rasterdateien gespeichert. Diese werden dann im Graustufen-Modus mit 256 Graustufen oder im Black and White (Schwarz-Weiß)-Modus in der Kartenausgabe verwendet (eventuell auf mehrere Farben aufgeteilt).

2.2 Für neue Karten werden die Schummerungen in Rasterdatenbearbeitungsprogrammen erstellt. Ein beliebtes Programm dabei ist vor allem im Bereich des Advertisments und Publishing "Adobe´s Photoshop". Preisgünstigere Softwareprogramme mit fast gleichem Leistungsumfang für diese Problemstellung sind CorelPaint oder Paintshop Pro. Dabei kann mit digitalen Pinseln die Schummerung händisch erstelltwerden. Dazu sind das Flussnetz als eigene Ebene und ein Höhenschichtmodell nötig. Diese Arbeit setzt ein gutes räumliches Vorstellungsvermögen des Bearbeiters voraus. Da derzeit kaum spezielle Ausbildungskurse oder Übungen zum "Könner" in der Schummerungsherstellung angeboten werden, gibt es nur vereinzelt Kartographen, die diese Fähigkeiten besitzen. Dies möchte ich deshalb herausstreichen, weil ich diesen Bereich für eine der Nischen halte, in denen junge Kartographen Arbeit finden können. Das Ergebnis von „gemalten“ Schummerungen, die ohne fachliches Können geschaffen werden, kann leider heute oft in vielen Karten gesehen werden. Die Schummerungen sind graue Flecken, die keinerlei räumliches Gefühl beim Kartenleser erzeugen.

2.3 Ein Schwerpunkt in der kartographischen Forschung der letzten Jahre war die Erstellung der Schummerung aus einem digitalen Geländemodell. Dazu werden verschiedenste leistungsfähige Programme angeboten. Diese haben aber oft drei gravierende Nachteile gegenüber der „gemalten“ Schummerung. - Einige der Programme können nur mit Höhenmodellen mit einer begrenzten Anzahl von Punkten umgehen.
- Die Software-Programme sind, sobald sie leistungsfähiger sind, teuer.
- Der Kauf des digitalen Geländemodelles nur für Zwecke der Schummerungserzeugung ist zu teuer! Es gibt für die Karten-Maßstäbe ab ca. 1:2.000.000 kostenlose Höhenmodelle im Internet. Aber die Daten für Maßstäbe üblicher Wander- und Straßenkarten (1:25.000 bis 1:500.000) sind für private Kartographieverlage nicht bezahlbar. Daher wird in Mitteleuropa die Erstellung von Schummerungen auf der Basis digitaler Geländemodelle nur staatlichen Kartographien, welche das Höhenmodell besitzen, sowie Forschungseinrichtungen und Universitäten, die die Daten zu Forschungszwecken stark ermäßigt erhalten, vorbehalten bleiben. Das Höhenmodell hat in der Erstellung sicher hohe Kosten verursacht, sodass der Verkaufspreis gerechtfertig ist. Aber der Preis, den der normale Bürger und Kartenbenutzer für gedruckte Karten zu bezahlen bereit ist, kann nicht den Anschaffungspreis des Höhenmodells zur Schummerungsdarstellung abdecken. Das Ergebnis aller drei Verfahren der Schummerungsdarstellung ist eine Rasterdatei. Digitale GIS-Programme unterstützen die Anzeige von Rasterdateien.

3 Nachteile der digitalen Schummerung

Die Schummerung in Rasterdateien hat mehrer Nachteile:

3.1 Bei größeren Rasterdateien wird die Anzeige am Computerbildschirm oft sehr langsam bzw. haben populäre Rasterdatenprogramme manchmal Limits in der Größe einer Datei (z.B. Adobe´s Photoshop erlaubt maximal 30.000 Pixel pro Zeilen).

3.2 Das Herausschneiden von Kartenausschnitten bereitet ausgehend von Rasterdaten mehr Aufwand als von Vektordaten.

3.3 Das Umrechnen von Rasterdaten in ein anderes Kartendatum bzw. in eine andere Karten-Projektion ist selten in einem der populären GIS-Programme als Grundfunktion enthalten. Das Anzeigen von Vektordaten in anderen Kartenprojektionen ist hingegen heute sogar in einigen GIS-Programmen in so genannter Echtzeit möglich. Außerdem gibt es eine Vielzahl von Umrechnungsprogrammen, die teilweise kostenlos mit den GIS-Applikationen mitgeliefert werden. Gerade in Zeiten, wo noch immer in vielen Ländern Europas ganz unterschiedliche Kartenbezugssysteme und Projektionen verwendet werden, bzw. unterschiedliche Kartenbezugssysteme und Projektionen in Wander- und Straßenkarten gegenüber den Katasterplänen bestehen, sind Umrechnungen der Daten in ein anderes Kartendatum und eine andere Projektion unumgänglich.

3.4 Ein weiteres Argument gegen Rasterdaten ist der wesentlich größere Bedarf an Speicherplatz auf der Festplatte oder Memory von Rasterdaten gegenüber Vektordaten. Daher gibt es auch für das Internet besondere Kompressionsverfahren für Rasterdaten, denn diese müssen bei der Anzeige im Internet-Browser über das Internet transportiert werden. Die zwei am meisten verbreiteten Rasterdaten-Formate im Internet, das GIF- und das JPEG-Format, haben einen Nachteil: durch ihre optimierten Kompressionsverfahren erzeugen sie Verlust in der Qualität der Rasterdaten. Beim GIF-Format erfolgt eine Farbreduktion, bei JPEG ein Schärfeverlust. Die genannten Nachteile der Rasterdaten gegenüber den Vektordaten waren der Auslöser eine neue - eigentlich historisch sehr alte - Methode der Geländedarstellung wieder aufzugreifen und intelligent zu nutzen, die Schraffen. Bevor aber im Folgenden die Schraffendarstellung genauer betrachtet wird, soll noch auf die Höhenschichtlinien eingegangen werden.

4 Höhenschichtlinien

Höhenschichtlinien sind in GIS-Systemen sehr gut verwendbar. Denn sie sind einfache Linienelemente (oder Kurven/Splines), die auf Grund der geringen Datenmenge rasch dargestellt werden können. Bei eventuell guter (Ebenen-)Gliederung oder Attributvergabe sind wichtige Höhenschichtlinien leicht herauszufiltern, wenn die Daten für unterschiedliche Karten benutzt werden sollen (z.B. 100 m Höhenschichtlinien, 15 m Höhenschichtlinien, 10 m Höhenschichtlinien). Aus den Höhenschichtlinien lassen sich auch Höhenstufen bilden. Eine Höhenstufe ist eine Fläche, welche zwischen zwei Höhenschichtlinien gebildet wird. Sie erhält eine bestimmte Farbe zugeteilt. Solche physikalischen Höhendarstellungen mit Höhenstufen kennt jeder Kartenbenutzer von den Karten in den Schulatlanten. Dem Vorteil, dass Höhenschichtlinien exakte Höhenangaben liefern, steht aber der Nachteil gegenüber, dass sie kein räumliches Gefühl vermitteln.

5 Schraffen in der österreichischen Vermessung

Bei Geländeaufnahmen von Ingenieurkonsulenten des Vermessungswesens in Österreich werden bei der Darstellung im großen Maßstab sehr einfache Schraffen bei der Darstellung von Böschungen verwendet. Dabei werden die Böschungsschraffen von der Böschungsoberkante zur Böschungsunterkante als einfache Linienstriche gezogen. Jede zweite Schraffe wird kürzer dargestellt, d.h. sie reicht nicht bis zur Böschungsunterkante. Diese Verkürzung variiert in den einzelnen Vermessungskanzleien. In manchen sind sie halb so lang, in manchen haben sie 2/3 der Länge einer durchgezogenen Schraffe. Auch die Anzahl der Schraffen, welche entlang einer Böschung eingetragen werden, kommt in unterschiedlichsten Varianten vor. Manche Planersteller stellen Gruppen von sieben Schraffen dar, manche zeichnen die Schraffen entlang der gesamten Böschung.

Abb 1: Beispiel einer Böschungsschraffe

Die Software „GEOTools-Kataster“ der Firma GEOSolution hat schon seit 1994 Jahren eine Funktion für die einfache Erstellung solcher Böschungsschraffen auf Basis des CAD-Programmes "MicroStation" von Bentley. Vor fast 1996 Jahren wurde derselbe Algorithmus in das GIS-Programm GI-Tools der gleichen Firma eingebaut. Bei der Funktion wird zuerst die Böschungsoberkante, danach die Böschungsunterkante identifiziert. Je nach gewählter Darstellungsmethode (Einzelschraffe, Gruppe, ganzes Element) und den Parametern Abstand zwischen den Schraffen, Längenfaktor jeder zweiten Schraffe und Anzahl der zu platzierenden Schraffen werden die Schraffen automatisch erzeugt.

6 Schraffen in der Kartographie

Der Höhepunkt der Anwendung der Schraffen in der Kartographie fand im 19. Jh. statt. Die Schraffe entwickelte sich aus dem Bergstrich und verlief in Richtung des stärksten Gefälles. In Hake werden als Regel für die Konstruktion einer Schraffendarstellung genannt:

1. horizontale Anordnung der Schraffen
2. Schraffe wird in Falllinie ausgerichtet
3. Länge der Schraffe ist relativ zur Hangneigung
4a. Böschungsschraffen sind dicker und damit dunkler, wenn die Böschung steiler ist
4b. bei der Schattenschraffe sind die Schraffen auf den Schattenseiten der Berghänge dicker

In den Schausammlungen bedeutender Bibliotheken und Klöster werden großartige Beispiele der „Schraffenkunst“ - ich möchte es so bezeichnen, weil sie vollständig händisch erzeugt wurden - gezeigt. Diese Karten präsentieren sich auch nach Jahrhunderten als Meisterwerke an Genauigkeit, Informationsvielfalt und Sauberkeit.

Abb. 2: Ausschnitt aus dem Blatt 4552 Rohrbach im Maßstab 1:75.000, Kartographisches Institut Wien, 1920-1921

Die Erstellung der Schraffen war manuell aber ein gewaltiger Aufwand. Nachdem heute die Personalkosten einen wesentlichen Anteil der Produktkosten verursachen, ist die „Schraffe“ als Darstellungselement aus den Karten verschwunden. Als "vereinfachte Gebirgsschraffen" blieben sie in kleinen Maßstäben in Atlanten bis in die Zwischenkriegszeit erhalten. Diese weisen aber schon größere Formverfälschungen auf. Die Kartenschraffen verloren aber auch an Bedeutung, weil sie das Kartenbild stark belasten. Denn sie bringen eine große Verdunklung des Druckwerkes mit sich. Eine umfangreiche Zusammenstellung der Entwicklung der Schraffendarstellung findet sich bei Arnberger-Kretschmer.

7 Digitale Schraffe

Die digitale Schraffe, wie sie im Folgenden vorgestellt wird, ist eine Weiterentwicklung aus der zuvor erwähnten Funktion der geodätischen Böschungsschraffe und der kartographischen Schattenschraffe. In mehreren Entwicklungsstufen wurde dieses vektorielle Gestaltungselement entwickelt, sodass sie nun folgende Informationen gibt:

- Die Länge und Breite der Schraffe sowie der Abstand zwischen den Schraffen geben Information über die Neigung des Geländes. Je länger und dünner die Schraffe und je größer der Abstand zwischen den Schraffen, desto flacher ist das Gelände. Je kürzer und dicker die Schraffe und kleiner der Abstand zwischen den Schraffen, desto steiler ist das Gelände.
- Die Farbe der Schraffe richtet sich nach der Himmelsrichtung.

Die Schraffe lässt sich mathematisch berechnen:

7.1 Voraussetzungen für die digitalen Schraffen sind Höhenschichtlinien. Der Benutzer identifiziert in dieser halbautomatischen Version eine höhere und eine tiefere Höhenschichtlinie. Die digitalen Schraffen dazwischen werden automatisch berechnet und platziert.

7.2 Die Schraffe wird automatisch in Richtung der Falllinie erzeugt. Dies ergibt sich mathematisch aus den Tangenten der Höhenschichtlinien an dem jeweiligen Punkt.

7.3 Als Form der Schraffe wird die Rautenform verwendet.

Abb. 3: Verschiedene Schraffen-Formen

In einer Versuchsreihe wurde mit verschiedenen Formen experimentiert. Zuerst wurden Schraffen mit Tropfen-Form erzeugt. Dann wurden die oberen Enden abgeschrägt. Der Grund, warum die Rauten-Form schließlich bevorzugt wurde, liegt an der Leistungsfähigkeit der PCs. Die Berechnung eines einzelnen Kreisbogens am Bildschirm braucht minimale Zeit. Man merkt die Erstellungszeit nicht bei einem, auch nicht bei 100 Kreisbogen-Elementen. Werden aber 10.000 Kreisbogen am Bildschirm in Echtzeit berechnet, so führt das zu einer merklichen Verlangsamung des Bildschirmaufbaues. Für ein graphisches Element mit Kreisbogen müssen folgende Parameter abgespeichert werden: 3 Eckpunkte, Radius, Startwinkel, Endwinkel. Bei der Variante mit dem Rautenviereck müssen nur 4 Eckpunkte abgespeichert werden. D.h. nicht nur die Berechnung am Bildschirm ist beim Viereck rascher, sondern es wird weniger Speicherplatz am Speichermedium (Festplatte, CD-ROM) benötigt. Dazu kommt, dass auch die Zeit für das Lesen der Daten vom Speichermedium mit der Datenmenge steigt.

7.4 Der Diagonalenabstand zwischen dem Eckpunkt der rautenförmigen Schraffe (U) bei der unteren Höhenschichtlinie und dem Mittelpunkt der Schraffe (M) ist 10-mal so groß wie der Abstand zwischen Mittelpunkt und dem Eckpunkt (O) an der oberen Höhenschichtlinie definiert. Der Abstand zu den zwei weiteren Eckpunkten (L und R) ist identisch mit dem Abstand Mittelpunkt zu oberem Eckpunkt bzw. kann um einen Faktor verbreitert oder verschmälert sein (bei den Beispielen um den Faktor 2).

Abb. 4: Unterschiedliche Farbe der Schraffe nach Himmelsrichtung
Abb. 5: Unterschiedliche Schraffenlänge, -breite und Abstand je nach Abstand der Höhenlinien

7.5 Die Farbe der Schraffen ist abhängig vom Winkel der Achsen der Schraffen. Die Farbe wird bei der Erzeugung automatisch vergeben. Dabei wurde das kartographische Prinzip angewandt, dass die Gelände-Beleuchtung aus Nordwesten erfolgt.

8 Zusammenfassung

Die digitale Schraffe wurde erstmals im digitalen „Kultur- und Naturführer Österreich 2004“ von GEOSolution für die Präsentation von Kulturwanderungen eingesetzt. Die Erstellung der Schraffen war mit der zur Verfügung gestellten Funktion äußerst einfach und rasch. Es zeigte sich, dass händische Korrekturen und Verbesserungen (Ergänzungen einzelner Schraffen) bei Geländerücken die Qualität der Karte noch steigern können.

Abb. 6: Screenshot aus der CD-ROM Kultur & Natur 2004 (GEOSolution), welche den Wallfahrtsweg von Sankt Gilgen (Salzburg) nach Sankt Wolfgang (Oberösterreich) zeigt. Die Karte wurde erstellt im Generalisierungsmaßstab 1:50.000 und kann in der Applikation beliebig gezoomt werden.

Ein Vorteil der digitalen Schraffe im Gegensatz zur Schummerung ist die einfache Umrechnung für verschiedene Kartenprojektionen bzw. Kartenbezugssysteme. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der Schraffen-Ersteller keine besonderen Fähigkeiten der räumlichen Vorstellungsgabe besitzen muss, wie sie aber unbedingt für die Erstellung einer Schummerung notwendig sind. Der Nachteil ist sicher die für die heutigen Kartenbenutzer ungewöhnliche Darstellungsmethode des Geländes. Vielleicht kann aber dieser Artikel dazu beitragen, dass sich Forschungsstätten/Universitäten mit Weiterentwicklungen kostengünstiger Geländedarstellungen befassen. Interessant wären Versuche, inwieweit die Farbe der Schraffen z.B. durch Übernahme von der Umgebung und etwas Verdunklung (Chamäleon-System) das Aussehen der Karte verbessern könnten.

9 Literaturverzeichnis

ARNBERGER-KRETSCHMER (1975), Wesen und Aufgaben der Kartographie, topographische Karten, Wien
HAKE G.,GRÜNREICH D., MENG L. (2002), Kartographie, Gruyter

10 Anmerkung

Der Text wurde im Jahr 2005/2006 von DI. Dr. Bernhard Engelbrecht verfasst.

Letzte Bearbeitung dieser Seite: 2012-08-29 Anregungen an support@geolion.com