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Doctor's Theses (authored and supervised):

D. Cornel:
"Interactive Visualization ofSimulation Data for GeospatialDecision Support";
Supervisor, Reviewer: E. Gröller, J. Waser; Visual Computing and Human-Centered Technology, 2020; oral examination: 2020-02-12.



English abstract:
Floods are catastrophic events that claim thousands of human lives every year. For theprediction of these events, interactive decision support systems with integrated floodsimulation have become a vital tool. Recent technological advances made it possibleto simulate flooding scenarios of unprecedented scale and resolution, resulting in verylarge time-dependent data. The amount of simulation data is further amplified by theuse of ensemble simulations to make predictions more robust, yielding high-dimensionaland uncertain data far too large for manual exploration. New strategies are thereforeneeded to filter these data and to display only the most important information to supportdomain experts in their daily work. This includes the communication of results to decisionmakers, emergency services, stakeholders, and the general public. A modern decisionsupport system has to be able to provide visual results that are useful for domain experts,but also comprehensible for larger audiences. Furthermore, for an efficient workflow, theentire process of simulation, analysis, and visualization has to happen in an interactivefashion, putting serious time constraints on the system.In this thesis, we present novel visualization techniques for time-dependent and uncertainflood, logistics, and pedestrian simulation data for an interactive decision support system.As the heterogeneous tasks in flood management require very diverse visualizations fordifferent target audiences, we provide solutions to key tasks in the form of task-specificand user-specific visualizations. This allows the user to show or hide detailed informationon demand to obtain comprehensible and aesthetic visualizations to support the task athand. In order to identify the impact of flooding incidents on a building of interest, onlya small subset of all available data is relevant, which is why we propose a solution toisolate this information from the massive simulation data. To communicate the inherentuncertainty of resulting predictions of damages and hazards, we introduce a consistentstyle for visualizing the uncertainty within the geospatial context. Instead of directlyshowing simulation data in a time-dependent manner, we propose the use of bidirectionalflow maps with multiple components as a simplified representation of arbitrary materialflows. For the communication of flood risks in a comprehensible way, however, thedirect visualization of simulation data over time can be desired. Apart from the obviouschallenges of the complex simulation data, the discrete nature of the data introducesadditional problems for the realistic visualization of water surfaces, for which we proposerobust solutions suitable for real-time applications. All of our findings have been acquiredthrough a continuous collaboration with domain experts from several flood-related fieldsof work. The thorough evaluation of our work by these experts confirms the relevanceand usefulness of our presented solutions.

German abstract:
Überschwemmungen sind katastrophale Ereignisse, die jedes Jahr Tausende von Men-schenleben fordern. Für die Vorhersage solcher Ereignisse sind interaktive Entschei-dungshilfesysteme mit integrierter Hochwassersimulation ein unverzichtbares Werkzeug geworden. Der technische Fortschritt erlaubt nun die Simulation von Hochwasserszenarien nie dagewesener Größe und Auflösung, was zu großen Mengen zeitabhängiger Daten führt. Die Menge an Simulationsdaten wird durch den Einsatz von Ensemblesimulationen weiter erhöht, um Vorhersagen robuster zu machen, was zu riesigen hochdimensionalen und mit Unsicherheit behafteten Daten führt, die nicht mehr manuell zu bewältigen sind. Daher sind neue Strategien erforderlich, um diese Daten zu filtern und nur die wichtigsten Informationen anzuzeigen, um damit Fachexperten bei ihrer täglichen Ar-beit zu unterstützen. Diese Arbeit umfasst auch die Kommunikation der Ergebnisse an Entscheidungsträger, Rettungsdienste, Interessenvertreter und die Allgemeinbevölkerung. Ein modernes Entscheidungshilfesystem muss deshalb visuelle Resultate liefern können, die für Fachexperten nützlich, aber auch für eine breitere Ö˙entlichkeit verständlich sind. Darüber hinaus muss der gesamte Prozess der Simulation, Analyse und Visualisierung in-teraktiv ablaufen, um einen eÿzienten Arbeitsablauf zu gewährleisten, was zu erheblichen Zeiteinschränkungen für das gesamte System führt.
In dieser Arbeit stellen wir neuartige Visualisierungstechniken für zeitabhängige und mit Unsicherheit behaftete Hochwasser-, Logistik- und Fußgängersimulationsdaten für ein interaktives Entscheidungshilfesystem vor. Da die vielfältigen Aufgaben im Hochwas-sermanagement sehr unterschiedliche Visualisierungen für unterschiedliche Zielgruppen erfordern, bieten wir Lösungen für Schlüsselaufgaben in Form von aufgabenspezifischen und benutzerspezifischen Visualisierungen. So kann der Benutzer bei Bedarf detaillierte Informationen ein- oder ausblenden, um verständliche und ästhetische Visualisierungen zur Unterstützung der jeweiligen Aufgabe zu erhalten. Um die Auswirkungen von Hoch-wasserereignissen auf ein einzelnes Gebäude zu ermitteln, ist nur eine kleine Teilmenge aller verfügbaren Daten relevant, weshalb wir eine Lösung vorschlagen, um diese Informa-tionen aus den massiven Simulationsdaten zu isolieren. Um die inhärente Unsicherheit der daraus resultierenden Vorhersagen von Schäden und Gefahren zu kommunizieren, führen wir einen einheitlichen Stil zur Visualisierung der Unsicherheit im geografischen Kontext ein. Statt der direkten, zeitabhängigen Darstellung von Simulationsdaten schlagen wir weiter die Verwendung von bidirektionalen Flussdiagrammen mit mehreren Komponenten


Electronic version of the publication:
https://publik.tuwien.ac.at/files/publik_288859.pdf


Created from the Publication Database of the Vienna University of Technology.