Interactive Web-based 3D solar shadow map

Abstract

The Sun impacts Earth and most lifeforms it is inhabited by. Factors like overall temperature, photovoltaic potential, plants growth rates, and even health and mental conditions in humans, are directly correlated to its presence. Nowadays, the majority of people live in cities, consisting of ever taller building structures, occluding more and more sunlight. Thus, humans are getting increasingly restricted from direct access to the Sun. This thesis claims that a tool, enabling humans to gain a better understanding of solar shadows in cities and around the world, would be beneficial. Therefore, it provides motivational arguments from various scopes and disciplines. Such a tool should be able to consider relevant three-dimensional occluding structures such as buildings, terrain, and vegetation, as well as the actual Sun position, and visualize respective shadows for arbitrary points in time, providing predictability of solar shadows. Eventually, the thesis raises the major question, whether such a tool could be implemented as a user-friendly, web-accessible application, which through real-time visualization fosters interactive exploration of the Sun and its shadows.Related literature is multifaceted, covering the history of “solar shadow map” attempts, as well as engineering aspects, like appropriate methods of shadow visualization, data integration, or Sun-related astronomy. There are also existing approaches, whereas some of them were already investigated in 2014. While they show potential, none of them integrated all desired features, as they were defined above, within one unified application. Therefore, a methodology towards a capable prototype implementation is framed, covering fundamental design aspects, as well as more detailed thoughts on data, 2D versus 3D visualization, and required algorithms.Based on this methodology, a prototype application is implemented and reviewed for its fulfillment of the aforementioned requirements on interactivity and quality: A performance test on various hardware is undertaken, and generated visualizations are compared to their real-life counterparts. It is eventually shown that an interactive, web-based 3D solar shadow map is, in fact, something that can be built and could work on the whole planet Earth and potentially even beyond.

Die Sonne hat fundamentalen Einfluss auf die Erde und damit auch auf die meisten Lebewesen, die sie beheimatet. Temperatur, Photovoltaik-Potential, Wachstumsraten von Pflanzen und auch physische wie psychische Gesundheit von Menschen stehen in direktem Zusammenhang mit ihrer Verfügbarkeit. Im Gegenzug lebt heutzutage der Großteil der Menschheit in Städten, deren Gebäude immer höher werden, was direkten Zugang zur Sonne tendenziell schwieriger macht. Im Zuge dieser Diplomarbeit wird daher argumentiert, dass es vorteilhaft wäre, hätten Menschen ein Werkzeug, mit dem sie Sonnenschatten besser verstehen könnten. Ein solches Werkzeug sollte in der Lage sein, beliebige schattenspendende Strukturen, wie Gebäude, Terrain und Vegetation, sowie die konkrete Sonnenposition zu berücksichtigen, um entsprechende Sonnenschattenszenarien präzise visualisieren zu können. Sinngemäß wird die Frage gestellt, ob eine benutzerfreundliche Web-Applikation zur interaktiven Erforschung von Sonnenschatten, technisch realisierbar ist. Literatur zu dem Thema erstreckt sich über historische "Solar Shadow Maps" hin zu technischen Themen, wie z.B. Schattenvisualisierung in der Computergrafik, Datenintegration oder sonnenbezogener Astronomie. Existierende Applikationen zeigen Potential, schaffen es aber nicht, voran erwähnte Eigenschaften in sich zu vereinen. Daher wird eine Methodik mit dem Ziel der Entwicklung eines funktionalen Prototyps definiert, der die Mängel bestehender Anwendungen kompensieren soll. Die Methodik inkludiert grundlegende Designaspekte, notwendige Algorithmen, sowie Überlegungen zu Datenintegration und Visualisierung. Der implementierte Prototyp wird in Bezug auf Performance sowie Qualität bzw. Realismus getestet. Es kann letztendlich gezeigt werden, dass eine interaktive, präzise, dreidimensionale und webbasierte Solar Shadow Map tatsächlich realisierbar ist; einsetzbar auf dem gesamten Planeten und potentiell darüber hinaus.