Dreidimensionale Modellierung mit CityGML

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1 Dreidimensionale Modellierung mit CityGML PD Dr. Gerhard Gröger Institut für Geodäsie und Geoinformation Universität Bonn ISO/OGC-konforme Verfahren zum Aufbau von 3D-Stadt- und Landschaftsmodellen , Universitätsclub Bonn

2 Überblick Einleitung Allgemeines Detaillierungsgrade Thematische Modelle Gebäudemodell Prototypische Objekte Materialmodellierung Erweiterbarkeit Modularisierung Resümee 2

3 Motivation Anwendungen: verstärkter Bedarf an 3D-Stadtmodellen Stadtplanung, Navigation, Katastrophenmanagement, Umweltschutz, 3

4 Motivation Anwendungen: verstärkter Bedarf an 3D-Stadtmodellen Stadtplanung, Navigation, Katastrophenmanagement, Umweltschutz, Semantik essentiell (auch für Teilobjekte) 4

5 Motivation Anwendungen: verstärkter Bedarf an 3D-Stadtmodellen Stadtplanung, Navigation, Katastrophenmanagement, Umweltschutz, Semantik essentiell (auch für Teilobjekte) zunehmende Erfassung/Herleitung von 3D-Stadtmodellen Probleme: Datenaustausch nicht einheitlich, Zoo von Formaten selten Übertragung der Semantik möglich Bedarf an Standard für verlustfreien Austausch von 3D- Stadtmodellen inkl. Semantik 5

6 CityGML: Allgemeines Modell zur Repräsentation der geometrischen, topologischen und semantischen Eigenschaften von 3D- Stadtmodellen sowie der Erscheinung mehr als reine Visualisierung herstellerneutral Standard des Open Geospatial Consortium (OGC) seit August 2008 Ergebnis eines Konsensprozesses zwischen Anwendern, Datenproduzenten, GIS-Herstellern und Wissenschaft interoperabel über Geo-Web-Dienste (Web Feature Service) austauschbar da auf Standards der ISO und des OGC basierend 6

7 Standards, auf denen CityGML basiert GML 3 (Geography Markup Language) Standard zum Austausch von Geo-Objekten reichhaltiges Geometriemodell, Topologie, Raster,.. Herausgeber: Open Geospatial Consortium (OGC) zugleich ISO-Standard auch Basis zum Austausch amtlicher Modelle in Deutschland (Kataster, Topographie) kompatibel zu ISO (Metadaten) ISO 19XXX-Reihe (Geoinformation), ISO TC 211 ISO Spatial Schema (Geometrie/Topologie) ISO Koordinatenreferenzsysteme ISO Metadaten... 7

8 Open Geospatial Consortium (OGC) wichtigste internationale Standardisierungsorganisation der Geoinformation neben offizieller internationaler Normungsorganisation ISO enge Kooperation ISO - OGC Mitglieder: Hersteller und Anwender von GIS, Geo- Daten-Provider, Behörden, Universitäten Standards: Geo-Web-Dienste Datenaustausch (GML 3, Rasterdaten, ).. 8

9 Entwickler von CityGML: SIG 3D Special Interest Group 3D (SIG 3D) Teil der Geodateninfrastruktur (GDI) NRW Initiative der Landesregierung NRW zur Aktivierung des Geodaten-Marktes (seit 1999) offene Arbeitsgemeinschaft zur Zeit ca. 70 Teilnehmer aus Wirtschaft, Wissenschaft und öffentlicher Verwaltung aus ganz Deutschland (und GB, Österreich, Schweiz) Gründung im Mai Arbeitsgruppen: Fortführung Modellierung ALKIS 3D 9

10 Mitglieder der SIG 3D (Auszug) Kommunen Berlin Hamburg Köln Düsseldorf Essen Leverkusen Wuppertal Bochum Kreis Recklinghausen Verwaltungen Bez.Reg. Köln, Abt. 7 Ordnance Survey UK Firmen T-Systems Bayer Industry Services Graphisoft Rheinmetall CPA Geoinformation Con Terra Inpho Real.IT CyberCity (CH) Nolimits (AT) Snowflake (UK) Wissenschaft Univ. Bonn TU Berlin Univ. Hamburg Univ. Potsdam Univ. Hannover Univ. Dortmund Univ. Münster TU Braunschweig Fraunhofer Institut für Graphische Datenverarbeitung, Darmstadt Forschungszentrum Karlsruhe 10

11 Entwickler von CityGML: SIG 3D Special Interest Group 3D (SIG 3D) Teil der Geodateninfrastruktur (GDI) NRW Initiative der Landesregierung NRW zur Aktivierung des Geodaten-Marktes (seit 1999) offene Arbeitsgemeinschaft zur Zeit ca. 70 Teilnehmer aus Wirtschaft, Wissenschaft und öffentlicher Verwaltung aus ganz Deutschland (und GB, Österreich, Schweiz) Gründung im Mai Arbeitsgruppen: Fortführung Modellierung ALKIS 3D 11

12 CityGML: unterstützende Werkzeuge raumbezogene Datenbank Oracle (ab Version 11g) GIS ArcGIS (ESRI): Produkt FME (Feature Manipulation Engine) der Fa. Safe Software lesend ab 2008, schreibend ab 2009 CAD/GIS Microstation (Bentley) GIS SupportGIS (CPA Geoinformation) Erfassungswerkzeug tridicon (GTA Geoinfomatik) Visualisierungswerkzeug LandExplorer (3DGeo) 12

14 Detaillierungsgrade (Level-of-Detail, LoD) LOD 0 Regionalmodell Geländemodell mit Luftbild/Karte LOD 1 Stadtmodell Klötzchenmodell LOD 2 Stadtmodell texturiert, Dachstrukturen 14 LOD 3 Stadtmodell detaillierte Architekturmodelle LOD 4 Innenraummodell begehbare Architekturmodelle

15 Detaillierungsgrade (LoD) Qualitätsmerkmal Mindestanforderungen an Geometrie und Semantik Erleichtern Bewertung der Vergleichbarkeit von Datensätzen Datenintegration, Interoperabilität Grade entsprechen den typischen Produkten der verschiedenen Erfassungsmethoden dasselbe Objekt kann zugleich in mehreren LoD vorliegen Geometrie 15 Gebäude Geometrie Geometrie Geometrie

17 Thematisches Modell: Bereiche Bauwerke Gelände Vegetation Verkehr Gewässer Stadtmöbel Landnutzung 17

18 Gebäudemodell von CityGML verschiedene Level of Detail (LoD) semantisch reichhaltiges Modell Attribute (Funktion, Baujahr, Adresse, ) semantische Klassifikation/Attribute auch von Bestandteilen (Balkone, Gauben, Räume, ) semantische Reichhaltigkeit steigt mit LoD an angepasste Modellierung einfach strukturierte Gebäude einfach modellierbar auch komplexe Strukturen möglich (Bestandteilshierarchien) 18

19 Gebäude in LoD1: UML-Diagram 0..1 _AbstractBuilding +class[0..1]:buildingclasstype +function[0..*]: BuildingFunctionT. +usage[0..*]:buildingusagetype +yearofconstruction[0..1]: xs:gyear +rooftype[0..1]: RoofTypeType +measuredheight[0..1]: gml:lengtht * LoD1Solid 0..* 0..1 LoD1Multi Surface 0..* 0..1 gml:_solid 19 gml: MultiSurface LoD1Terrain- Intersection 0..1 gml:_multicurve 0..* BuildingPart Building 0..* Address from xal (OASIS)

20 Gebäude-Hierarchie: Beispiel Building Name = "Marienhospital" BuildingPart Name = "Haupthaus" BuildingPart Name = "St. Maria" 20 Address Address BuildingPart Funct: Krankenhaus BuildingPart Funct: Parkhaus BuildingPart Funct: Kirche lod1solid lod1solid lod1solid _Solid _Solid _Solid

22 Exkurs: Modellierung von 3D-Objekten Boundary Representation BRep Angabe der der umschließenden Begrenzungsflächen Constructive Solid Geometry CSG Volumenprimitive Mengentheor. Operatoren zur zur Kombination:,,,, \ \ 22

23 GML 3: Boundary Representation Geometrie eines Gebäudes: Volumenkörper ( Solid ) begrenzt von planaren Oberflächen ( Surfaces ) Einschränkung der reichhaltigen Modellierungsmöglichkeiten von GML 3 23 Bsp. Satteldachhaus: 7 planare Oberflächen

24 GML 3: Topologie Explizite Repräsentation der Nachbarschaft z.b. Nachbarschaft Haus Garage kein Teil des Raumes mehrfach repräsentiert 24 Vorteile: Datenkonsistenz: Kontrolle der Durchdringung von Objekten effiziente räumliche Analyse optional Topologie: zwei alternative Repräsentationen originäre GML 3-Topologie (sehr komplex) Mehrfachverweise (einfach, aber ausreichend)

26 TerrainIntersectionCurve (TIC) 26

27 Gebäude in LoD2: UML-Diagramm LoD1 gml: _Geometry LoD2 _AbstractBuilding +class[0..1]:buildingclasstype +function[0..*]: BuildingFunctionT. +usage[0..*]:buildingusagetype... Building Installation bounded By 0..* LoD1Solid, 0..* 0..1 LoD2Solid LoD1Terrain-Inters LoD2Terrain-Inters. gml:_solid 27 gml:_multi Curve 0..* gml: LoD2Multi 0..1 BoundarySurface MultiSurface Surface Roof Surface Wall Surface Ground Surface Closure Surface

28 LoD1 gml: _Geometry Opening Window Gebäude in LoD3: UML-Diagramm _AbstractBuilding +class[0..1]:buildingclasstype +function[0..*]: BuildingFunctionT. +usage[0..*]:buildingusagetype... Door LoD2 Building Installation LoD3 0..* bounded By 0..* BoundarySurface LoD1Solid 0..* LoD2Solid * LoD3Solid 0..1 LoD1Terrain-Inters. LoD2Terrain-Inters. LoD3Terrain-Inters LoD2Multi Surface 0..1 gml:_solid gml: MultiSurface 28 gml:_multi Curve Roof Surface Wall Surface Ground Surface Closure Surface

29 LoD3 Gebäude: Beispiel 3D-Model: City of Coburg Building installation (Gaube) 29 Building part Building Building part Building Wall surface

30 Gebäude in LoD4: UML-Diagramm LoD1 Building Furniture LoD2 _AbstractBuilding +class[0..1]:buildingclasstype +function[0..*]: BuildingFunctionT. +usage[0..*]:buildingusagetype... Room LoD3 0..* LoD4 LoD1Solid 0..* LoD2Solid * LoD3Solid * LoD4Solid 0..1 LoD1Terrain-Inters. LoD2Terrain-Inters. LoD3Terrain-Inters LoD4Terrain-Inters Inters. gml:_solid 30 gml:_multi Curve Opening Window Door boundedby 0..* BoundarySurface LoD2Multi Surface 0..1 gml: MultiSurface Roof Surface Wall Surface Ground Surface Closure Surface Ceiling Surface Int. Wall Surface Ground Surface

31 Externe Referenzen Telekomm. DB Kataster-DB Gebäude- Management System 31 beliebige Objekte/Teilobjekte: Referenzen zum korrespondierenden Objekt in anderen Datenbeständen möglich z.b. zu Gebäude in Kataster, z. B. zu Tür in Gebäudemanagement-System Vorteile: Beschaffung weiterer Informationen Fortführung des CityGML-Datenbestandes

32 Beispiel: Gebäude 1/3 <Building gml:id= Building0815"> <externalreference> <informationsystem> <externalobject> <uri>urn:adv:oid:dehe </uri> </externalobject> </externalreference> <function>3100</function> <yearofconstruction>1985</yearofconstruction> <rooftype>1040</rooftype> <measuredheight uom="#m">8.0</measuredheight> <lod2solid>....//siehe nächste Folie </lod2solid> <lod1solid>...//siehe nächste Folie </lod1solid> </Building> 32

33 Beispiel: Gebäude 2/3 <Building gml:id= Building0815">... <lod2solid> <gml:solid srsname="srsname="urn:ogc:def:crs,crs:epsg:6.12:31466, crs:epsg:6.12:5783"> <gml:exterior> <gml:compositesurface> <gml:surfacemember> <gml:polygon> <gml:exterior> <gml:linearring> <gml:pos > </gml:pos> <gml:pos > </gml:pos>... </gml:linearring>... </lod2solid> </Building> 33

34 Beispiel: Gebäude 3/3 <Building gml:id= Building0815">... <lod2solid> <gml:solid srsname= srsname="urn:ogc:def:crs,crs:epsg:6.12:31466, crs:epsg:6.12:5783"> <gml:exterior> <gml:compositesurface> <gml:surfacemember> //vordere Fläche </gml:surfacemember> <gml:surfacemember> //seitliche Fläche rechts </gml:surfacemember>...//seitliche Fläche links, hintere, //Boden- und Dachflächen </gml:compositesurface> </gml:exterior> </gml:solid> </lod2solid> </Building> 34

35 CityGML-Datei: Gerüst <CityModel...> <gml:name>3d Stadtmodell von Bonn</gml:name> <gml:boundedby> <gml:envelope srsname=."> <gml:pos srsdimension="3"> </gml:pos> <gml:pos srsdimension="3"> </gml:pos> </gml:envelope> </gml:boundedby> <cityobjectmember> <Building>.. </Building> </cityobjectmember> <cityobjectmember> <Building> </Building> </cityobjectmember> </CityModel> 35

37 Prototypische Objekte GML 3 / ISO 19XXX-Standards: georeferenzierte, absolute Geometrie für jedes Geo-Objekt 3D-Stadtmodelle: große Anzahl identischer/gleichförmiger Objekte z.b. Bäume, Parkbänke, Ampeln CityGML: Objekte mit impliziter Geometrie prototypisches Objekt: lokale Koordinaten jede Instanz: Referenzpunkt und Transformationsmatrix analog zu Szenengraphkonzept der Computergraphik Erweiterung von GML 3 37

38 Implizite Geometrien: UML Diagramm TransformationMatrixType BuildingFurniture * +field[16]: xs:double <<ExternalCodeList>> MimeTypeType 38 lodximplicitrepresentation, X [1..4] gml:_gml * ImplicitGeometry +mimetype[0..1]: MimeTypeType +libraryobject[0..1]: xs:anyuri +transformation[0..1]: TransformationMatrixT. relativegeometry * 0..1 referencepoint * gml:_geometry gml:point

40 Materialmodellierung Modellierung der beobachtbaren Eigenschaften von Oberflächen z.b. Infrarot-Strahlung, Lärmreflexion, Aussehen nicht nur reine Visualisierung Zuordnung von Materialeigenschaften zu Oberflächen: Wände/Dächer: Texturkoordinaten/Transformationen Gelände: georeferenzierte Texturen Erweiterung von GML erforderlich GML unterstützt keine Texturkoordinaten/ Transformationen Orientierung an Standards der Computergraphik 40

41 Zuordnung von Texturen: Beispiel Texturkoordinaten: 1. 0,1 ; 0, ,15 ; 0, ,15 ; 0,5 4. 0,8 ; 0, ,1 ; 0,6 1 Jede Texturkoordinate entspricht genau einer 3D-Koordinate der zu texturierenden Fläche

42 Materialmodell: Texture Mapping 42 Textur none wrap Quelle:HPI mirror clamp border

43 Materialmodell: UML-Diagramm <<Feature>> _SurfaceData <<Feature>> Appearance * +theme[0..1]: xs:string <<Feature>> _CityObject <<Feature>> CityModel <<Feature>> _AbstractTexture +imageuri[1]: xs:anyuri +mimetype[0..1]: MimeTypeType +texturetype[0..1]: TextureTypeType. <<Feature>> X3DMaterial 43 <<Feature>> ParameterizedTexture TextureAssociation +uri[1]: xs:anyuri <<Feature>> GeoreferencedTexture +lowerworldfilepriority[0..1]: xs:boolean +orientation[0..1]: TransformationMatrix2x2Type +target[0..*]: xs:anyuri <<Object>> _TextureParameterization referencepoint <<Geometry>> gml::point

44 Einfärben der Flächen eines Gebäudes: Bsp. <X3DMaterial> <diffusecolor>1 1 1</diffuseColor> <target uri="#wall" /> <target uri="#roof711" /> </X3DMaterial> 44 Die beiden Geometrie-Flächen mit id wall und roof711 werden weiss gefärbt <gml:polygon gml:id ="wall">... </gml:polygon>... <gml:polygon gml:id ="roof711">... </gml:polygon>

45 Beispiel: Gebäude mit Erscheinungen <Building> <appearancemember> <Appearance> <surfacedatamember> <X3DMaterial>... </X3DMaterial> </surfacedatamember> </Appearance> </appearancemember> <appearancemember> <Appearance> <surfacedatamember> <Texture>... </Texture> </surfacedatamember> </Appearance> </appearancemember>... </Building> 45

46 Textur zu Flächen des Gebäudes <Texture> <imageuri>roof.jpg</imageuri> <mimetype>image/jpeg</mimetype> <target uri="#roof1"> <TextureParameterization> <texturecoordinates uri="#roof1_tri1" appliesto="linearring">... </texturecoordinates> <texturecoordinates uri="#roof1_tri2" appliesto="linearring">... </texturecoordinates> </TextureParameterization> </target> </Texture> roof1 roof1_tri2 roof1_tri1 46

48 Erweiterbarkeit von CityGML 1. Definition von Fachschalen (Application Domain Extensions, ADE) festes Schema 2. Generische Objekte/Attribute ad hoc Erweiterung um neue Attribute/Objekte 48

49 Application Domain Extensions (ADE) ADE: Konzept zur Definition von Fachschalen auf Basis von CityGML z.b. für Lärmsimulation und kartierung, Denkmalschutz, Immobilienmanagement Definition eines Fachschemas (XML Schema) auf Basis des CityGML-Schemas Erweiterung existierender CityGML-Objekte gezielte Zuweisung von Attributen/Geometrien zu Klasse, z.b. Gebäude Definition neuer Objekte typsicher Format bleibt CityGML reine CityGML-Reader überlesen Fachinformationen Mischen verschiedener ADE in einem Datensatz möglich 49

50 Fachschalen (ADE) für CityGML: Beispiel <building> <function>3200</function> <yearofconstuction>1905</yearofconstuction> <lod2solid> </lod2solid> <noise:buildingreflection>12</noise:buildingreflection> <noise:buildinghabitants>8</noise:buildinghabitants> <realestate:value>800000</realestate:value> </building> 50

51 Beispiel: XML-Schema für Fachschale <element </element> name="buildingreflection" type="string" substitutiongroup= "citygml:_genericapplicationpropertyofbuilding"> 51 <element name="buildinghabitants" type="positiveinteger" substitutiongroup= "citygml:_genericapplicationpropertyofbuilding"> </element>

52 Erweiterung CityGML Schema <complextype name=building > <xs:choice minoccurs="0" maxoccurs="unbounded"> <xs:element ref="_genericapplicationpropertyofbuilding"/> </xs:choice>. </xs: complextype> 52 <xs:element name="_genericapplicationpropertyofbuilding" abstract="true" type="xs:anytype"/>

53 Generische Objekte/Attribute ad Hoc: erfordern keine Erweiterung des Schemas Generische Objekte Definition neuer Objektarten z.b. PKW Generische Attribute Hinzufügen neuer Attribute zu Objekten z.b. Einheitswert eines Gebäudes Regel: Generische Objekte/Attribute nur erlaubt, wenn keine passende/s CityGML-Objektart/Attribut vorhanden Wahrung der Interoperabilität 53

54 Generische Attribute: Beispiel <Building>.. <doubleattribute name= Einheitswert > <value>500000</value> </doubleattribute>. </Building> 54

56 Modularisierung ab CityGML Version 1.0 Definition jedes thematischen Modells (Building, Vegetation, Materialeigenschaften, ) in eigenem Modul jedes Modul hat eigenen Namespace eigenes Schema-Dokument Definition von Profilen als Menge von Modulen auf Anwendung zugeschnittene Teilmenge von CityGML, präzise definiert z.b. Navigations-Profil: nur Gebäude mit Texturen und Verkehr ermöglicht Verringerung der Komplexität des Gesamtmodells getrennt versionierbar Nachteil: CityGML-Dokumente mit Version < 1 werden invalide 56

57 Module in CityGML citygmlbase Building Appearance Transportation Water bodies Vegetation Relief CityFurniture Generics Groups LandUse 57

58 Instanzendokument: Beispiel <core:citymodel xmlns:core=" xmlns:gen=" xmlns:bldg=" xsi:schemalocation=" <gml:boundedby>.</gml:boundedby> <core:cityobjectmember> <gen:genericcityobject> </gen:genericcityobject> </core:cityobjectmember> <core:cityobjectmember> <bldg:building> </bldg:building> </core:cityobjectmember> </core:citymodel> 58

59 Resümee CityGML: Standard zur Repräsentation von 3D Stadtmodellen Geometrie, Topologie, Semantik, Relationen Unterstützung der Datenintegration und Fortführung Bereitstellung in Geodateninfrastrukturen reibungsloser, verlustfreier Datenaustausch Nutzung offener, internationaler Standards breite Unterstützung durch GIS-Werkzeuge Geobasisdaten: Konsens aller Beteiligter erweiterbar für Fachanwendungen internationaler Standard des OGC erfolgreich getestet: OWS 4 Testbed 2006 spielt große Rolle im aktuellen Testbed OWS 6 geplant: Einbringung in Modelle der EU-Richtlinie INSPIRE (Infrastructure for Spatial Information in Europe) 59

60 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 60 Weitere Informationen: