3D-Geoinformationssystem für den Städtebau

DFG-Projekt

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Das DFG-Projekt 3D-GIS im Städtebau wird in Zusammenarbeit mit der Universität Rostock, Institut für Geodäsie und Geoinformatik bearbeitet. Als Modellbeispiele dienen Datensätze aus Stuttgart (Projekt Stuttgart 21) und Rostock (Projekt Kröpeliner Vorstadt). Als Modellierungswerkzeug wird zunächst OPEN-Inventor 2.0 von Silicon Graphics verwendet.

Aufgabenstellung

Oberstes Ziel eines solchen Werkzeiges muß eine gute Akzeptanz durch einen breiten Benutzerkreis sein. Alle anderen Aspekte haben sich naturgemäß unterzuordnen. Als unmittelbare Folgen dieser Prämisse sind folgende Eigenschaften notwendig:

Die Schwerpunkte dieses Forschungsprojektes liegen in folgenden Einzelaspekten:

Untersuchungen zur Datenintegration und -fusion existierender oder im Aufbau befindlicher heterogener Datenbestände von der Datenerfassung bis hin zur -modellierung.

Aufstellung einer spezifischen Objektklassenhierarchie.

Untersuchung welche 3D-Daten für die städtebauliche Planung in welcher Abstraktionsebene von Interesse sind.

Modellierung des Stadtraumes mit 3D-Daten; prototypenhafte Entwicklung eines Planungstools. Schnelle Analysemöglichkeiten des Planungstools. Benutzerfreundlichkeit, im Sinne einer möglichst intuitiven Benutzerführung

Untersuchungen zur Akzeptanz computerunterstützten Planens; Einfluss eines 3D-GIS auf zukünftige Planungs- und Entwurfsmethoden.

Die am Markt befindlichen Geoinformationssysteme arbeiten überwiegend auf 2/2.5 D Basis. Dabei wird die dritte Diemsion z bestenfalls als Attribut betrachtet (z=f(x,y)). Da das GIS überwiegend noch als Darstellungsmedium verschiedener Kartenunterlagen betrachtet wird, reicht dies für viele Anwendungen zunächst aus. Für den Stadtplaner ergibt sich aufgrund seiner Aufgabenstellung jedoch eine ganz andere Situation. Ausgehend von den unterschiedlichen Maßstabsskalen der städtebaulichen Praxis, wird deutlich, daß viele dieser Planungsdaten den 3D-Bezug benötigen - es werden Holz- oder Pappmodelle gefertigt um sich einen besseren Eindruck seines Ergebnisses zu verschaffen und die Planungsidee zu verdeutlichen. So werden z.B. Video-Endoskopaufnahmen des Stadtmodells erstellt, bei denen durch eine, in den Stadtraum versetzte, bewegliche Kamera ein unmittelbarer räumlicher Eindruck entsteht. Diese insgesamt sehr aufwendige Methoden stoßen schon bei der Planung verschiedener Alternativszenarien an ihre Grenzen - Planungsvarianten müssen manuell in das Holzmodell eingebracht werden.

Neben dieser traditionellen Arbeitsweise existiert schon eine digitale 3D-Praxis, bei der mit CAD-Programmen digitale 3D-Geometrien verarbeitet werden um Einzelprojekte zu visualisieren. Diese basieren jedoch auf verschiedenen Detailliertheitsgarden und unterschiedlichen separaten Datenhaltungen. Eine weiterführender Lösungsansatz ist somit eine konsequente Fortführung des bisherigen Bestrebens und bietet mit neuen Softwaretools die Möglichkeit die genannten Schwachpunkte der bisherigen Vorgehensweise aufzulösen.

Zusätzlichen Bedarf an ein 3D-Planungsinstrument entsteht durch die neuen Fragestellungen in Bezug auf Umweltrisiken wie Schadstoffausbreitung, -erzeugung, Lärmbeslastung, Windverhältnisse, Energieemissionen, ... usw. Diese Problemkreise betreffenden Simulationsrechnungen sind in Stadtlandschaften ohne eine entsprechende 3D Datenbasis des Stadtraumes nicht durchführbar.

Städtebauliche Objektklassenhierarchie

Diese 3D-Datenbasis muß sich aus den Objekten des Stadtraumes, ihrer geometrischen Beschreibung und mit den Objekten verknüpften Sachinformationen zusammensetzen. Als Objekte sind hier nicht nur Gebäude und Straßen zu verstehen, sondern beispielsweise auch Grünflächen, Bäume, Gehwege, Fassaden, Dachformen, Treppen, ... usw. Die erste Teilaufgabe besteht also darin eine spezifische, wohlstrukturierte Objektklassenhierarchie zu erstellen, die eine Abbildung des Problems in eine Datenbank und die eine einfache Behandlung in einer Benutzeroberfläche erlaubt; sie ist derzeit in Arbeit.

Dabei kann nicht davon ausgegangen werden, daß schon bestehende Objektartenkataloge für die vorliegende Problemstellung geeignet sind (vgl. MOLENAAR, GIS 4/1993,p.22-28). Die in anderen Systemen schon vorhandenen Objektartenkataloge sollen zu einem späteren Zeitpunkt mit genutzt werden können. Sachinformationen stellen in diesem Zusammenhang z.B. Nutzung, Baualter und -zustand, Geschoßzahl, Baumassenzahl, Geschoßflächenzahl dar, also u.a. Volumengrößen, die in den bisherigen GIS nicht in Bezug auf die Geometrie berücksichtigt wurden. Interessant werden Überlegungen zu einer Klassifizierung nicht unmittelbar faßbarer Begriffe, wie z.B. Lebensqualität, Gestaltqualität.

Detailliertheitsgrad, Geometriemodelle und Datenbankaspekte

Der Stadtplaner arbeitet sowohl an einzelnen Gebäudeobjekten, als auch an ganzen Stadtteilen bzw. Quartieren - je nach Aufgabenstellung und Abstraktionsstufe kann sein Arbeitsmaßstab zwischen lokalem oder strukturellem Bereich, also zwischen 1:50 bis 1:10000 variieren. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer Abstufung des Detailliertheitsgrades (engl. Level-of-detail = LOD). Sie reicht von der skizzenhaften Darstellung einzelner Gebäude, bei denen die dritte Dimension durchaus nur als Attribut betrachtet werden kann, bis hin zu hochgenauen Fassadenabbildungen mit Fenstern, Simsen, Dachrinnen, ... usw. Solche Feinheiten sind dann als Objekte und Subobjekte mit eigener Geometrie zu betrachten. Es ist geplant diese Anforderung durch eine zumindest dreistufigen LOD abzubilden. Bei Bedarf kann diese Einordnung weiter verfeinert werden:

LOD 1: Einfacher Grundriß des Objektes mit Höhe; im einfachsten Fall ein Hüll- quader

LOD 2: Objekt mit realem Grundriß und einer vereinfachten Dachform; eventuell sind Fassadendetails durch zusätzliche Texturen, Photos bzw. deren Abbildung auf der Fassade abbildbar.

LOD 3: Detaillierte geometrische Struktur des Objektes. Objektdetails sind als geometrische Informationen vorhanden, die eventuell durch photorealistische Montagen unterstützt werden.

In den Abb. 1 sind die drei Abstufungen schematisch dargestellt. Aufgrund der enormen Datenmengen ist beachsichtigt, die dritte Detailstufe (LOD 3) auf ausgewählte, einzelne Planungsobjekte zu beschränken.

Abb.1: Schematische Abbildungen zu den drei Level-of-details. (A) LOD 1 - reine Hüllkörper am Beispiel von Stuttgart 21, (B) Lod 2 - Körper mit Fototextur, (C) Lod 3 - reine Geometriekörper mit Fassaden- und Dachdetails.

Diese Detaillierheitsgrade wirken sich auch auf die Darstellung des Objektes in seinem Geometriemodell aus. So müssen für die unterschiedlichen LODs auch unterschiedliche Datensätze geführt werden, da Detaildaten erst in kleinem Maßstab sichtbar werden und die geometrische Form eines Objektes bei differierendem LOD variieren kann. Als Geometriemodelle kommen je nach Detailliertheitsgrad und Objektart verschiedene Vorstellungen in Frage:

Abb.2: Vereinfachte Darstellung verschiedener Geometriemodelle.

Für die vorliegende Problemstellung am wenigsten geeignet sind Zellenmodelle; sie werden am besten für Simulationsrechnungen und entsprechende FE/FD-Verfahren angewendet. Sie sind sehr speicherintensiv und für ein GIS durch die Diskretisierung zu ungenau. Mit unterschiedlichen Zellengrößen, wie z.B. beim octree-Verfahren, läßt sich der Speicherbedarf allerdings beträchtlich reduzieren. Eine Speicherminimierung bei optimaler Objektbeschreibung ist wahrscheinlich über Hybridmodelle von CSG (primäre Modellrepräsentation) und BRep (zusätzliche Struktur für ein schnelles Rendering) zu erzielen. Diese beide Modelle sind nicht beliebig ineinander überführbar. Nur die Konvertierung von CSG in BRep ist bislang vollständig gelöst. Die auf der Basis der Geometriemodelle entwickelten Datenstrukturen müssen effizient in Datenbanken abgebildet werden. Rein objekt-orientierte (OO) Datenbanken sind momentan noch nicht verfügbar und langsam im Zugriff, sodaß ein relationales Konzept vorgezogen wird. OO-ähnliches Verhalten kann durch Behelfslösungen erreicht werden: z.B. durch Trennung von permanenter und temporärer Speicherung oder durch einen Objekthandler oberhalb der eigentlichen Datenbank, der die Organisation der steuert. Die Übernahme von Daten in das System muß in einer bereits aufbereiteten Form, schnell und für den Bediener so einfach wie möglich erfolgen. Diese Übernahme soll weitgehend automatisch ablaufen, wobei dem Benutzer eine Einordnungsvorschlag unterbreitet wird, z.B. Haus Typ C. Ist eine automatische Zuordnung nicht möglich, so wird dies angezeigt und eine Zuordnung vom Nutzer selbst vorgenommen. Dieses Teilgebiet eignet sich beispielsweise als Thema für eine Vertiefungs-/Semester-/Diplomarbeit.

Welche 3D-Aspekte sind für den Stadtplaner von Interesse?

Der unmittelbare Vorteil für den Stadtplaner ist die Animation und Visualisierung der geplanten Stadtlandschaft. Der Planungsvorgang ist seitens des Planers eher intuitiv als formal beschreibbar; durch die Begehbarkeit des geplanten Objektbereichs kann in fortgeschrittenem Maße ein Erleben des Planungsergebnisses und damit ein unmittelbares Feedbakc stattfinden. Verschiedene schon vorgeplante Varianten können eingebracht, Material- und Flächenbedarf sowie Kosten optimiert, Simulationen zu umweltrelevanten Aspekten (siehe. Projekt WUMS) und Massenermittlungen können durchgeführt werden. Neben diesen klaren Vorteilen sind weitergehende statistische Analysemöglichkeiten auf der Basis eines städtebaulichen Sachdatenbestandes notwendig. Als Sachdaten spielen insbesondere die schon oben erwähnten Volumengrößen, wei die Baumassenzahl (BMZ), Geschoßflächenzahl (GFZ), die Grundflächenzahl (GRZ), First-, Traufhöhe, überbaubare Grundstücksfläche usw. und ihr neuer Bezug zur Geometrie eine besondere Rolle. Ebenso sind Abschätzungen zur Energiebilanz und zum Wärmehaushalt von Quartieren oder sogar Einzelgebäuden denkbar. Aus diesen Möglichkeiten werden die aktuellen Defizite in diesem Bereich deutlich - mangelhafte Verfügbarkeit echter 3D-Daten und das Fehlen geeigneter Konzepte zur Behandlung und Fusion sehr großer, heterogener Datenmengen, z.B. von Vektor- und Rasterdaten.

Modellierung des Stadtraumes - das Planungstool

In Abb. 3 ist eine schematische Darstellung des aktuellen Lösungsansatzes dargestellt. Animation und Visualisierung ist mit SiliconGraphics OpenInventor 2.0 in C++ vorgesehen. Die Arbeit konzentriert sich schwerpunktmäßig auf Datenintegration und -fusion, effektive Datenspeicherung, automatische Datenübernahme, basierend auf einem städtebaulichen Objektartenkatalog, 3D-LOD-Inventorstruktur von Geometrie- und thematischen Daten, bedienerfreundliches User Interface sowie Analysemöglichkeiten.

Abb.3: Struktogramm des aktuellen Lösungsansatzes.

Als Interface zum Benutzer stellt die Funktionalität der Planungsoberfläche sicher das wichtigste Akzeptanzkriterium dar. Dazu zählen neben einer schnellen Verarbeitung auch funktionale Analysemöglichkeiten, die sowohl Einzelobjekte als auch ganze Bereiche bearbeiten. Auch hier sind noch konzeptionelle Überlegungen für ein anwenderfreundliches Tool notwendig, insbesondere im Hinblick auf die Benutzergruppe des Planungstools (vgl. Abb. 4).

Abb.4: Planungstool im Benutzerumfeld.

Aktueller Stand

Einen aktuellen Stand des Forschungsprojektes erhät man unter dem Stichwort Cebit-CD, auch in englisch.

Neuere Fallstudien aus Stuttgart:

Aus Daten die uns freundlicherweise vom Stadtmessungsamt der Stadt Stuttgart zur Verfügung gestellt wurden, lassen sich 3D-Stadtlandschaften erstellen (VRML). Gebäude und Dächer sind im Originalmodell als Einzelobjekte identifizier- und aktivierbar. Dargestellt sind wiefolgt: Gebäude=gelbbraun, Dächer=rot, Bepflanzung=grün, Grundstücke ohne Daten = grün liniert, Strassenbegrenzungen = braun liniert. Aus den Daten konnten ebenfalls einfache Dachgeometrien konstruiert werden: Flach-, Sattel, Walm- und Mansarddächer. Die Darstellung erfolgt zur Zeit noch ohne Topographie, d.h. auf einer ebenen Fläche.

A. Bereich Hauptstädter Strasse

Beispiel 1 Übersichtsbild des Gesamtbereichs. Blick vom Ausgang des Schwabtunnels in Richtung Österreichischer Platz. Im Vordergrund der Marienplatz mit Gebäuden der Zahnradbahn (links). Das Gebäude mit rotem wire-frame am rechten Bildrand ist gepickt.
Beispiel 2 Detailansicht mit verschiedenen Dachformen.
Beispiel 3 Blick aus dem Strassenraum der Hautstädter Strasse in Richtung Marienplatz.
Beispiel 4 Blick Richtung Süden. Im Vordergund die Furtbach-, Tübinger- und Hauptstädterstrasse. Im Hintergrund sieht man einen Teil des Fangelsbachfriedhofs, sowie in der rechten oberen Bildecke die Einfahrt in den Schwabtunnel.
VRML-Modell

B. Bereich Stuttgart-Berg

Beispiel 5 Übersichtsbild des Bereichs ohne Topographie und Strasseninformationen.
Beispiel 6 Übersichtsbild des Bereichs ohne Topographie und Strasseninformationen.
VRML-Modell

Projektbetreuung

Dr.rer.nat. Alexander Köninger
Rechenzentrum der Universität Stuttgart (RUS)
Allmandring 30
Tel.: +49-(0)711-685-5934
Fax.: +49-(0)711-678-7626

aktualisiert am: 14.07.1997

e-mail: koeninger@rus.uni-stuttgart.de