Konsistente Modellierung von 3D-Geodaten für Stadtmodelle Gerhard Gröger Institut für Kartographie und Geoinformation Universität Bonn

Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 Übersicht Kontext: Special Interest Group (SIG) 3D der Geodateninfrastruktur (GDI) NRW Ziele der SIG 3D: Interoperabilität, Dienste, Modelle Exkurs: 3D-Modelle Boundary Represenation (BRep) und Constructive Solid Geometry (CSG) OGC/ISO 'Spatial Schema' als offener 3D-Standard Eigenschaften und Konzepte des 'Spatial Schema' Eignung für Stadtmodelle Welche Probleme treten dabei auf? Lösungsansätze Resümee und Ausblick auf offene Probleme Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Kontext: SIG 3D der GDI NRW I/II SIG 3D: Special Interest Group 3D Ziele: Modellierung, Erstellung, Nutzung, Visualisierung und Vermarktung von 3D-Stadt- und Regionalmodellen Entwicklung offener Standards Interoperabilität (reibungsloser Zugriff auf verteilt gehaltene Geo-Daten) Teil der Geodateninfrastruktur (GDI) NRW Initiative der Landesregierung NRW zur Aktivierung des Geodaten-Marktes Nutzung offener Standards des Open GIS Consortium (OGC) und der International Organization for Standardization (ISO) Nutzung der GDI-Architektur (Dienste-basiert) Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Kontext: SIG 3D der GDI NRW II/II offene Arbeitsgemeinschaft zur Zeit ca. 70 Teilnehmer aus Wirtschaft, Wissenschaft und öffentlicher Verwaltung Teilnehmer nicht nur aus NRW Gründung im Mai 2002 5 Arbeitsgruppen: Anwendung / Nutzergruppen Basismodellierung Anwendungsmodellierung Dienste Visualisierung Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

GDI-Architektur: Dienste und Modelle GIS A Modell A GIS B Modell B Datenaustausch Internet, Intranet reibungsloser Datenaustausch erfordert: standardisierten Dienst (z.B. XML/GML, Web Feature Server, ...) gemeinsames Modell C des Raumes (abstraktes Geometriemodell, z.B. Simple Features) Modell C Dienst Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Geometriemodelle und Dienste Dienste/Implementierungen (OGC) Spatial Schema (ISO) 2D + 3D reichhaltige Geometrie Topologie Datenaustausch im WWW: ISO-XML Datenaustausch im WWW: GML 3 (OGC) Feature Geometry (OGC) ähnlich zu ISO „Simple Features“ (OGC) nur 2D einfache Geometrie keine Topologie Anfragen an Datenbanken: SQL (OGC) (ISO) Datenaustausch im WWW: GML 2 (OGC) (ISO) ISO und OGC: Harmonisierung gemeinsames 3D-Geometriemodell "ISO Spatial Schema" Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Exkurs: Modellierung von 3D-Objekten Constructive Solid Geometry CSG Boundary Representation BRep Volumenprimitive Mengentheor. Operatoren zur Kombination: , , \ Angabe der umschließenden Begrenzungsflächen   Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Constructive Solid Geometry (CSG): Eigenschaften Beliebig geformte Primitive möglich (Zylinder, Kugeln,...) Nicht eindeutig: ein Objekt kann auf unterschiedliche Weise repräsentiert werden Primitive erzwingen implizit geometrische Relationen wie z.B. Parallelität, Kollinearität etc. Vorteil: einfache Konstruktion, Haupteinsatz: CAD-Bereich Nachteil: Oberflächen nicht explizit repräsentiert Texturen problematisch, da diese Oberflächen zugeordnet sind Visualisierung nicht trivial; Oberflächen müssen erst ermittelt werden Explizites Volumenmodell Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Boundary Representation (BRep): Eigenschaften Planare und gekrümmte Oberflächen (z.B. B-Spline-Flächen) modellierbar Eindeutig: jedes Objekt besitzt genau eine BRep Geometrischen Relationen (Parallelität, ..) nur implizit Vorteile: direkte Zuordnung von Texturen zu Oberflächen schnelle Visualisierung, nur Sichtbarkeit der Flächen muss bestimmt werden Haupteinsatz: Visualisierung (z.B. VRML), Computer-Graphik Nachteil: Konstruktion & Fortführung aufwändig Implizites Volumenmodell (Modellierung durch Angabe aller begrenzenden Oberflächen) Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

ISO 19107 „Spatial Schema“: Allgemeines Gemeinsamer Standard von ISO und OGC Modellierung der Geometrie und Topologie raumbezogener Objekte (Features) basiert auf Konzept der Boundary Representation (BRep) mit Erweiterungen einige Konzepte der Constructive Solid Geometry (CSG) werden unterstützt u. A. Verwendung bei ALKIS (eingeschränkt auf 2D) Zusammenspiel mit anderen ISO-Normen Koordinaten, Referenzsysteme (ISO 19111) Qualität, Genauigkeit (ISO 19113) Metadaten (ISO 19115) ..... http://www.opengis.org/techno/abstract/01-101.pdf Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Spatial Schema: Boundary Representation Volumenkörper („Solids“) geschlossen begrenzt von beliebig vielen Flächen, die benachbart sind Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Spatial Schema: Boundary Representation Volumenkörper („Solids“) geschlossen begrenzt von beliebig vielen Flächen, die benachbart sind Flächen werden von Linien begrenzt Linien haben Anfangs- und Endknoten Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Spatial Schema: Boundary Representation Volumenkörper („Solids“) geschlossen begrenzt von beliebig vielen Flächen, die benachbart sind Explizite Speicherung der Nachbarschaft zwischen Flächen und Linien möglich sichert zu, dass keine Lücken entstehen „topologisches Modell“ Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Flächen als Begrenzung von Volumenkörpern Polygon (koplanar) (ALKIS) Zylinderfläche Dreieck (Teil eines TIN) Kegelfläche Sphäre BSpline-Fläche Bikubisches Grid Bilineares Grid Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Flächen: Unified Modelling Language Parametrisierte Fläche Polygon Dreieck Kegelfläche Zylinderfläche Bikubisches Grid BSplineFläche Sphäre Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Spatial Schema: Modellierung eines Gebäudes Objekt als Volumenkörper, geschlossen („reines“ BRep) Objekt als Aggregation von Flächen (Außenwand und Dach), nicht geschlossen (geht über BRep hinaus) Wandmodelle Ermöglicht Modellierung von Dachüberständen Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Modellierung von Fenstern und Türen Volumenmodell: Fenster/Türen als Aussparungen zerstören Geschlossenheit Lösung: Fenster/Türen als eigenständige Flächenobjekte Fenster-/Türpolygone zugleich in Gebäudebegrenzung Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Objektbildung bei Gebäudekomplexen ein Volumenkörper, keine Wand zwischen Haus und Garage (weiß) BRep Wie kann dieses Gebäude mit Garage modelliert werden? Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Spatial Schema: Objektbildung bei Gebäudekomplexen ein Volumenkörper, keine Wand zwischen Haus und Garage (weiß) BRep zwei Volumenkörper (rot und blau), die zu einem „Aggregat“ zusammengefasst werden geht über BRep hinaus Wie kann dieses Gebäude mit Garage modelliert werden? Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 Konsistenzprobleme Aggregation zweier Volumenkörper (rot und blau) Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 Konsistenzprobleme Aggregation zweier Volumenkörper (rot und blau) Problem: Durchdringung beider Volumenkörper Inkonsistenz z.B. Fehler bei Volumen-berechnung: Volumen des Komplexes ist ungleich der Summe der Volumina von rot und blau Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Konsistenzprobleme: Lösungsansatz Lösung: Topologie grüne Fläche nur einmal vorhanden grüne Fläche sowohl Begrenzung des Hauses als auch der Garage Aufspaltung der Hauswand in grüne und gelbe Fläche Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 Koplanare Flächen ISO "Spatial Schema" erlaubt koplanare (sich überlappende) Flächen Probleme: Oberflächenberechnung Volumenberechnung Visualisierung: Welche Fläche ist sichtbar? Textur: Zuordnung zu welcher Fläche? Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Koplanare Flächen: Lösungsansatz Lösung: saubere Topologie der Flächen Gemeinsame Fläche nur einmal vorhanden Explizite Repräsentation der Identität der Flächen Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 Resümee Spatial Schema: gemeinsamer 3D-Standard von ISO und OGC geeignet für Stadtmodelle reichhaltige Geometrie: gekrümmte Flächen, BSplineflächen, ... viele Freiheiten man kann fehleranfällig modellieren Möglichkeit der Konsistenzwahrung durch Topologie Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 Offene Probleme Einbeziehung der Zeit/Historie Verwaltung der Level-of-Detail ("Multiple Representation") Integration 2,5D - 3D Unterirdische Bauwerke (Tunnel, Unterführungen), Löcher im DGM? Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002

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