Generierung von 3D aus 2D Stadtmodellen Seminar Geoinformation IV Generierung von 3D aus 2D Stadtmodellen Philipp Zeimetz

Motivation zum 3D Stadtmodell Jeder will es Keiner hat es Geodäten können es

Anforderungen an ein 3D-Stadtmodell Realisierung des Modells muss wirtschaftlich sein: Hoher Automatisierungsgrad bei der Erstellung Hoher Detaillierungsgrad Level of Detail (Vortrag Michael Homoet) Visualisierung Echtzeit (Vortrag Till Rumpf) Photorealismus Aktualität muss gewährleistet werden Kachelkonzept Stadtmodell als Geoinformationssystem Unterstützung von Anfragen an Objekte des Modells Lage- und Höhengenauigkeit Begrenzung und Verwaltung der Datenmenge

Automatisierung bei der Erstellung vollautomatische Rekonstruktion: in absehbarer Zeit nicht praktikabel manuelle Rekonstruktion: Einsatz bei projektbezogenen Einzellösungen sehr hoher Arbeitsaufwand & sehr hohe Kosten semiautomatische Rekonstruktion: Rekonstruktion aus einer digitalen 2D Stadtkarte Basis Daten: Digitale Stadtgrundkarte Erweiterung dieser 2D Stadtkarte um die 3 Dimension Integration in ein digitales Geländemodells

Von 2D zu 3D Maßnahmen bei der Generierung: Generierung der Gebäude Erzeugung des Gebäudeblockes Generierung der Dachlandschaft Integration der Gebäude in ein DGM Erfassung und Darstellung von Vegetation, Straßeneinrichtungen, etc. Geh- und Radwegen, Fahrbahnstreifen, etc.

Generierung der Gebäude Gewinnung von Kenntnissen über: Grundriss Dachform Dachneigung Gebäudehöhen für die Erfassung der Dächer gibt es mehrere Verfahren; der Automatisierungsgrad ist stark unterschiedlich Flugzeuggetragenes Laserscanning Photogrammetrisches Verfahren Manuelle Erfassung Befragung, Luftbilder, Bauanträge, Wertermittlung, etc.

Laserscanning – Verfahren Laserscanning liefert direkt: 3D-Koordinaten der Reflexionspunkte Digitales Oberflächenmodell (DOM) eine Messpunktdichte von ca. 1Pkt pro Quadratmeter eine Messgenauigkeit von ca. 10-20 cm Laserscanning - Verfahren: Ansatz von Norbert Haala und Claus Brenner liefert sowohl Dachform als auch DGM

Verfahren der Gebäuderekonstruktion: Unterteilung des Prozesses in zwei Schritte: 3D Datenerfassung: Erfassung des DOM‘s durch Laserscanning Strukturierung der gemessenen 3D Daten bzw. Punkte: Geländepunkte Gebäudepunkte

Ableitung des Grundrisses Ableitung des Grundrisses aus einem 2D-Modell Durch Verwendung von digitalen Katasterkarten wird eine rechtliche Identität von Realwelt und Modellwelt erreicht. Musterstraße 11

Grundelemente oder Primitive Die zu rekonstruierenden Gebäude werden durch einfache 3D Grundelemente beschrieben. Dieser Prozess beginnt bei der Zerlegung des Grundrisses in Rechtecke. Position, Orientierung und Größe des 3D Elementes sind so bereits gegeben. Es fehlen noch: Höhe des Gebäudes Dachform Dachneigung

Dekomposition in Rechtecke Die Zerlegung des Grundrisses erfolgt in drei Schritten: 1. Konstruktion eines Rechtecks an jeder (verbleibenden) Kante: Eine Rechteckkante liegt auf der Grundrisskante (n. gleich) Rechteck muss maximale Höhe und Breite besitzen

Dekomposition in Rechtecke 2. Wähle das Rechteck mit der größten Fläche aus 3. Alle Grundrisskanten welche vollständig innerhalb eines Puffers (Rechteck + x) liegen werden markiert. Sind alle Kanten markiert so sind die Rechtecke gefunden. Ansonsten wird ohne markierten Kanten iteriert.

Generierung der Dachlandschaft Die automatische Generierung beschränkt sich dabei auf folgende Standarddachformen: Satteldach Walmdach Flachdach

Kleinste-Quadrate-Schätzung Die noch zu bestimmenden Gebäudeparameter Dachform, Dachneigung und Gebäudehöhe werden durch eine Kleinste-Quadrate-Schätzung bestimmt. Die Differenzen zwischen dem DOM und und der zu konstruierenden Dachfläche werden dabei minimiert. Quelle: © Xiaoyong CHEN; Shunji MURAI Der Rechenaufwand wird dadurch reduziert, dass der Grundriss Informationen über die Orientierung liefert.

Veranschaulichung Quelle: © Xiaoyong CHEN; Shunji MURAI Die Differenzen zwischen dem DOM und und der zu konstruierenden Dachfläche werden dabei minimiert.

Komplexe Dachformen Bei Komplexen Grundrissen werden Dachform, Gebäudehöhe und Dachneigung für jedes 2D Primitive bestimmt. Das Gesamte Gebäude wird durch ineinander verschachtelte 3D Primitive repräsentiert. (CSG = Constructive Solid Geometry)

Darstellung der 3D Primitive Wir haben bis jetzt eine Darstellung durch verschachtelte Grundelemente. Die inneren Flächen sind bei der Visualisierung jedoch überflüssig --> Randflächendarstellung Randflächendarstellung: Vereinigung der Grundelemente: Verschneidung der 3D Primitive Elimination der inneren Flächen Grundaufgabe von CAD Programmen

Ergebnisse Quelle: © Haala, Brenner Ergebnis der automatischen Gebäuderekonstruktion im Testgebiet Stuttgart

Erfassung eines DOM Durch Laserscanning erfasst man ein DOM folgender Form:

Ableitung eines DGM Selektierung und Entfernung von Autos, Bäumen, Gebäuden... Quelle: © Briese, Kraus, Mandlburger, Pfeifer 2000 Quelle: © Briese, Kraus, Mandlburger, Pfeifer 2000 Folgende Genauigkeiten können heute erreicht werden: Straßen mit / ohne Autos: 1 cm / 5 cm Park mit dichtem / ohne Baumbestand: 11 cm / 5 cm Für ein 2,5 km² großes Testgebiet in Wien: 7 cm

Integration der Gebäude in ein DGM Bei der Verknüpfung der Gebäude mit einem TIN (Triangulated Irregular Network) ergeben sich im allgemeinem zwei Probleme: Einsinken Schweben

Lösungsansatz nach M. Schilcher H(PL) = f (Gi) Berechnung einer Gebäudeplattformhöhe H (PL) Neues TIN mit Platt- form als Formlinie

Texturierung Zur realistischen Visualisierung müssen auf Straßen-, Grün-und Gebäudeflächen Texturen aufgebracht werden. Damit die Flächenkanten den Seiten der Dreiecksvermaschung entsprechen müssen alle Flächenbegrenzungen als Böschungslinien eingeführt werden. Quelle: © Matthäus Schilcher, Robert Roschlaub

Texturierung Identifizierung von Objekten ist aus TINs, ohne Zusatzinformationen, nicht möglich Durch Überlagerung mit 2D Daten wird Zuordnung von Maschen zum Straßen-, Grünraum etc. erreicht Objekte können anschl. farblich gefüllt oder mit einer Textur versehen werden (z.B. Rasterbilder für Gehwege) Quelle: © Matthäus Schilcher DGM- Vermaschung DGM- Vermaschung Kataster Quelle: © Matthäus Schilcher

Texturierung der Gebäudefassaden Darstellung von Fassaden Verwendung von terrestrische Aufnahmen Bestimmung der Orientierung der Kamera manuelle Selektierung der Fassadeneckpunkte perspektivische Entzerrung Verknüpfung mit den 3D Primitiven

3D Stadtmodell