Generierung und Evaluierung dreidimensionaler Landschaftsmodelle für eine CFD-Windsimulation

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1 Generierung und Evaluierung dreidimensionaler Landschaftsmodelle für eine CFD-Windsimulation Master-Arbeit als Prüfungsleistung an der Hochschule für Technik und Stuttgart nach der SPO-2012 ausgeführt für die Master-Prüfung im Sommersemester 2018 Erstprüfer: Zweitprüfer: Prof. Dr. Volker Coors (Hochschule für Technik Stuttgart, HFT) Dr. Franziska Wild-Pfeiffer (Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg, LGL) Durch 3D-Landschaftsmodelle (3D-DLM) werden 3D-Stadtmodelle um weitere Objekte wie z.b. Vegetation, Gewässer oder Straßen erweitert. Dadurch werden bestehende Anwendungen verbessert und neue kommen hinzu. Hintergrund und Anforderungen der Windsimulation An der HFT werden derzeit im i_city-projekt u.a. Möglichkeiten zur Simulation des städtischen Kleinklimas erforscht. Hierunter fallen auch CFD-Windsimulationen. CFD steht hierbei für Computational Fluid Dynamics, zu Deutsch numerische Strömungsmechanik. Derzeit werden in der Windsimulation als Ausgangsdaten nur Gebäudemodelle und digitale Geländemodelle verwendet. Durch diese Arbeit kommen Vegetationsobjekte (z.b. Bäume) sowie Rauhigkeitsgrenzen für unterschiedliche Landschaftsformen wie z.b. städtisches Gebiet oder offene Landschaften hinzu. Hintergrund und Anforderungen der Visualisierung Als zweite Anwendung wird für das Testgebiet Niedernhall die Visualisierung in einer Webanwendung angestrebt. Dabei soll das 3D-DLM eine bereits vorhandene Webplattform erweitern (Abb. 1). Die Visualisierung stellt aufgrund der zahlreichen zu unterscheidenden Objekte höhere Anforderungen an die Semantik als die Windsimulation. Abb. 1: Ausschnitt aus Webanwendung Niedernhall LGL Erstellung der 3D-DLM Die vorhandenen Ausgangsdaten werden durch verschiedene Prozesse mit der Software Feature Manipulation Engine (FME) vorverarbeitet. 3dfier erzeugt dann aus überlappungsfreien, lückenlosen Polygonen einer 2D-Karte (Tessellation) und einer Laserscanpunktwolke automatisiert ein 3D-Modell (Abb. 2). Abb. 2: Wahl der korrekten Höhenlage für jedes Polygon in 3dfier anhand der Punktwolke (Commandeur 2017) 1

2 Dann können die 3D-DLM mit der Software 3DCityDB validiert und in die relationale Datenbank importiert werden. Mit einer an der HFT Stuttgart entwickelten Erweiterung des CityDoctors können die 3D-DLM auf Fehler überprüft werden. Eignung der 3D-DLM aus 3dfier für die CFD-Windsimulation Die erzeugten 3D-DLM entsprechen aber nicht den Anforderungen der Windsimulation. Es entstehen durch Flächen beschriebene Geometrien anstatt der benötigten Volumenkörper. Die Form der Geometrie mit vielen kleinen Dreiecken ist ungeeignet (Abb. 3). Deshalb werden eigene Workflows zur Erstellung der benötigten Objekte entwickelt. Für die Vegetation werden aus dem Baumkataster Vegetationsflächen abgeleitet (Abb. 4). Aus diesen Flächen und den Laserscan-Daten werden 3D-Volumenkörper generiert. Die Rauhigkeitsgrenzen können manuell im Geoinformationssystem ArcGIS erstellt werden (Abb. 5). Abb. 3: Nicht geeignete Modellierung der Vegetation mit 3dfier ( Basis-DLM und LiDAR-Daten: LGL, Baumkataster: Stadt Stuttgart) Abb. 4: Prozess zur Erstellung von 3D-Vegetationskörpern für die Windsimulation ( Basis-DLM und LiDAR-Daten: LGL, Baumkataster: Stadt Stuttgart) Abb. 5: Rauhigkeitsgrenzen ( LoD2-Gebäude: Stadt Stuttgart, Basis-DLM-Daten: LGL) Somit können neben den bereits in der CFD-Windsimulation eingesetzten Objektklassen Gebäude und Terrain auch die Objektklassen Vegetation und über Rauhigkeitsflächen auch andere Objektklassen wie z.b. Gewässer berücksichtigt werden. In einem ersten Test in der Windsimulation (durch andere Projektbeteiligte) ergibt sich ein deutlicher Einfluss der Vegetation auf die simulierten Windgeschwindigkeiten (Abb. 6). Abb. 6: Erste Testsimulation rechts mit, links ohne die erzeugten Vegetationskörper. Angabe der berechneten Windgeschwindigkeiten an zwei ausgewählten Punkten (nach Deininger 2018, bearbeitet) ( Baumkataster und LoD1-Gebäudemodell: Stadt Stuttgart, LiDAR- Daten: LGL) 2

3 Eignung der 3D-DLM für die Visualisierung Die 3D-DLM aus 3dfier sind für die Visualisierung geeignet, besitzen aber optimierungspotential. Bei Bedarf können mittels der 3DCityDB Objekte durch andere Objekte ersetzt werden, um z.b. die LoD2- Gebäudemodelle einzufügen (Abb. 7). Abb. 7: 3D-DLM Stuttgart-Stöckach. Wald und Gebäude nicht aus 3dfier ( Basis-DLM und LiDAR-Daten: LGL, Baumkataster und LoD2-Gebäude: Stadt Stuttgart) Weitere Arbeiten, Schlussfolgerungen und Ausblick Bei der Validierung des Workflows mit OpenStreetMap-Daten ergibt sich, dass alle später im 3D-DLM benötigten Objekte und Attribute in den 2D-Daten vorhanden sein müssen. Die Workflows zur Erstellung von 3D-DLM mit 3dfier sind im Wesentlichen auch räumlich auf andere Gebiete übertragbar. Wichtige Erkenntnis der Arbeit ist, dass für unterschiedliche Anforderungen 3D-DLM-Objekte unterschiedlich modelliert werden müssen. Als Ausblick wird zusammengefasst, welche Möglichkeiten die Software novafactory zur Erstellung von 3D-DLM bietet. Mit novafactory kann kein vollständig automatisierter Prozess ausgelöst werden, welcher alle Vegetationsobjekte auf eine aus den Laserscandaten bestimmte Höhe anhebt. Allerdings eignet sich novafactory zur Erzeugung anderer benötigter Objekte von 3D-DLM, z.b. Masten. Die mit 3dfier erzeugten Objekte des 3D-DLM lassen sich, sofern keine Höhen aus Laserscandaten benötigt werden, ebenfalls generieren. 3

4 Quellen zur Masterarbeit (Auswahl) Betz, M. (2018): Aussagen in Besprechungen und s zum Stand der CityDoctor- Weiterentwicklung. Hr. B.Sc. Betz entwickelt das CityDoctor Validation Tool an der HFT Stuttgart weiter. Durch diese Arbeit wird das Tool anhand der erzeugten 3D-DLM getestet und Anregungen zu wünschenswerten Verbesserungen und zur Fehlerbehebung gegeben. Bill, R. (2016): Grundlagen der Geo-Informationssysteme. 6., völlig neu bearbeitete und erweiterte Auflage. Wichmann-Verlag, Berlin. Commandeur, T. (2017): Generation of simulation ready 3D models. Vortrag beim Forum Digital City an der TU Delft am Coors, V.; Andrae, C.; Böhm, K.H. (2016): 3D-Stadtmodelle : Konzepte und Anwendungen mit CityGML. 1. Auflage. Wichmann-Verlag, Berlin. Coors V. und Voß U. (2017): i_city. Teilprojektbericht: Werkzeuge und Verfahren zur Simulation des urbanen Mikroklimas. Hochschule für Technik Stuttgart. Unveröffentlicht. Deininger, M. (2018): Aussagen und Screenshots aus s und Besprechungen. Dr. Martina Deininger führt an der HFT Stuttgart u.a. für das i_city-projekt die CFD-Windsimulation im Testgebiet Stuttgart-Stöckach durch und wirkt als Anwenderin der 3D-DLM, Rauhigkeitsgrenzen und Vegetationskörper bei der Definition der Modellierungskriterien mit. Darüber hinaus führt sie die Tests der abgegebenen Rauhigkeitsgrenzen und Vegetationskörper in der Windsimulation aus und gibt Anregungen für deren Verbesserung. Gröger, G.; Kolbe, T. H.; Nagel, C., Häfele, K.-H. [Hrsg.] (2012): OGC City Geography Markup Language (CityGML) Encoding Standard, Version 2.0, OGC Doc No , Open Geospatial Consortium, i_city (o.d.): Projekt i_city: Intelligente Stadt Marx, C. (2018): FME-Workflows Tessellation_LDBV+LGL (MASTER).fmw und Mapping.fmw. Von Fr. Marx zu Beginn der Masterarbeit erhalten. Technische Hochschule München, Lehrstuhl für Geoinformation, Projekt 3D-DLM am Runden Tisch GIS e.v.. Unveröffentlicht. MLR (o.d.): Projektbeschreibung / -auftrag des Ministeriums für Ländlichen Raum und Verbraucherschutz Baden-Württemberg: Smart Villages attraktive Orte im ländlichen Raum. Projekt im Rahmen der Digitalisierungsstrategie digital@bw des Landes Baden-Württemberg. Handlungsfeld Smarte Daten / smartes Leben : Digitalisierungsbereich Smarte Geoinformation. Unveröffentlicht. M.O.S.S. (2017): novafactory 7.3 Anwenderhandbuch. M.O.S.S. Computer Grafik Systeme GmbH. Ausgabe November Taufkirchen. OSM Wiki (2017 a): Description OSM XML OSM Wiki (2017 b): Elements

5 OSM Wiki (2017 c): Attributierung von Straßen in Deutschland. f.c3.bcr_die_notwendigkeit_eines_flexiblen_einordnens_von_stra.c3.9fen, OSM Wiki (2016): Beschreibung DE:OSM XML Runder Tisch GIS e.v. (2018 a): Fiutak, G.; Marx, C.; Willkomm, P.; Donaubauer, A.: Projekt 3D Digitales Landschaftsmodell (3D-DLM) am Runden Tisch GIS e.v. Abschlussbericht (Demonstrationsphase): Datenvorverarbeitung, Anwendung des 3Dfiers, Abbildung auf CityGML- Datenmodell, Bereitstellung der Ergebnisdaten & Qualitätsbewertung Runder Tisch GIS e.v. (2018 b): 2018: 3D in der Fläche Runder Tisch GIS e.v. (2017): Fiutak, G.; Marx, C.; Willkomm, P.; Donaubauer, A.: Projekt 3D Digitales Landschaftsmodell (3D-DLM) am Runden Tisch GIS e.v. Abschlussbericht (Konzeptionsphase): Anwendungsszenarien, Datenevaluierung, Datenmodellierung & Methoden zur 2D -> 3D- Transformation. %20Abschlussbericht.pdf, SIG 3D (2014): SIG 3D Modellierungshandbuch Teil 2. Special Interest Group 3D Streilein, A (2012): swisstlm3d: Das Topografische Landschaftsmodell der Schweiz - Ein Paradigmenwechsel?! Vortrag TU Delft (2018): 3dfier TU Delft (2017): General 3dfier tutorial to generate LOD1 models TU Delft (o.d.): Potential MSc topics TUM (2018 a): CityGML 3.0 Projektbeschreibung. 30/#c305, TUM (2018 b): 3D City Database. Projektbeschreibung des Lehrstuhls für Geoinformatik. Technische Universität München (TUM) virtualcitysystems (2016): Product data sheet virtualcitywarehouse pdf,