Generierung von 3D aus 2D Stadtmodellen

Philipp Zeimetz

Seminar

Geoinformation IV

Motivation zum 3D Stadtmodell

Jeder will es

Geodäten können es

Keiner hat 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:

• Erfassung und Darstellung von- Vegetation, Straßeneinrichtungen, etc.- Geh- und Radwegen, Fahrbahnstreifen, etc.

• Generierung der Gebäude- Erzeugung des Gebäudeblockes- Generierung der Dachlandschaft

• Integration der Gebäude in ein DGM

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

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• Position, Orientierung und Größe des 3D Elementes sind so bereits gegeben. Es fehlen noch:

Höhe des Gebäudes Dachform Dachneigung

Grundelemente oder Primitive

• Die zu rekonstruierenden Gebäude werden durch einfache 3D Grundelemente beschrieben.

• Dieser Prozess beginnt bei der Zerlegung des Grundrisses in Rechtecke.

Dekomposition in Rechtecke

1. Konstruktion eines Rechtecks an jeder (verbleibenden) Kante: Eine Rechteckkante liegt auf der Grundrisskante (n. gleich) Rechteck muss maximale Höhe und Breite besitzen

Die Zerlegung des Grundrisses erfolgt in drei Schritten:

Dekomposition in Rechtecke2. 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 Differenzen zwischen dem DOM und und der zu konstruierenden Dachfläche werden dabei minimiert.

Die noch zu bestimmenden Gebäudeparameter Dachform, Dachneigung und Gebäudehöhe werden durch eine Kleinste-Quadrate-Schätzung bestimmt.

Der Rechenaufwand wird dadurch reduziert, dass der Grundriss Informationen über die Orientierung liefert.

Quelle: © Xiaoyong CHEN; Shunji MURAI

Veranschaulichung

Quelle: © Xiaoyong CHEN; Shunji MURAI

Die Differenzen zwischen dem DOM und und der zu konstruierenden Dachfläche werden dabei minimiert.

Komplexe Dachformen

Das Gesamte Gebäude wird durch ineinander verschachtelte 3D Primitive repräsentiert.(CSG = Constructive Solid Geometry)

Bei Komplexen Grundrissen werden Dachform, Gebäudehöhe und Dachneigung für jedes 2D Primitive bestimmt.

Darstellung der 3D Primitive

Randflächendarstellung:• Vereinigung der Grundelemente:

Verschneidung der 3D Primitive Elimination der inneren Flächen Grundaufgabe von CAD Programmen

Wir haben bis jetzt eine Darstellung durch verschachtelte Grundelemente.

Die inneren Flächen sind bei der Visualisierung jedoch überflüssig --> Randflächendarstellung

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

Für ein 2,5 km² großes Testgebiet in Wien: 7 cm

Selektierung und Entfernung von Autos, Bäumen, Gebäuden...

Quelle: © Briese, Kraus, Mandlburger, Pfeifer 2000

Folgende Genauigkeiten können heute erreicht werden:Straßen mit / ohne Autos: 1 cm / 5 cmPark mit dichtem / ohne Baumbestand:11 cm / 5 cm

Quelle: © Briese, Kraus, Mandlburger, Pfeifer 2000

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. SchilcherBerechnung einer

Gebäudeplattformhöhe

H (PL)H(PL) = f (Gi)

Neues TIN mit Platt- form als Formlinie

TexturierungZur 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

TexturierungIdentifizierung 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- VermaschungDGM- 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