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
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