Generierung interaktiver 3D-Stadtinformationssysteme aus Daten der High Resolution Stereo Camera (HRSC) am Beispiel des 3D-Stadtplans München

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1 Generierung interaktiver 3D-Stadtinformationssysteme aus Daten der High Resolution Stereo Camera (HRSC) am Beispiel des 3D-Stadtplans München Olaf KRANZ, Florian SIEGERT, Jan LIEBSCHER, Frank LEHMANN und Heiko HIRSCHMUELLER Zusammenfassung Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit sich mit der Generierung interaktiver 3D- Stadtinformationssysteme auf Basis von Daten der High Resolution Stereo Camera (HRSC). Ziel ist die Entwicklung und Optimierung eines weitestgehend automatisierten Datenaufbereitungsprozesses sowie die effiziente Nutzung und Integration bereits bestehender Datenbestände, wie sie beispielsweise bei den städtischen Vermessungsämtern vorliegen. Als Anwendungsbeispiele dienen die Städte München und Berlin, für die in Zusammenarbeit mit verschiedenen Projektpartnern 3D-Stadtmodelle für unterschiedliche Anwendungsbereiche generiert wurden. 1 Einleitung Die Generierung von 3D-Stadtmodellen und deren Einsatz im Rahmen interaktiver Applikationen gewinnt zunehmend an Bedeutung, insbesondere in den Bereichen Tourismus, Stadtplanung und -marketing sowie im Immobilienmanagement. Um eine vergleichsweise kostengünstige Herstellung zu erreichen, liegt der Fokus der vorliegenden Studie in der Optimierung und Automatisierung des gesamten Aufbereitungsprozesses. In diesem Zusammenhang ist die Verwendung digitaler Luftbilddaten, aus denen sich sowohl Digitale Oberflächenmodelle (DOM) als auch True Orthophotos automatisiert ableiten lassen, anderen Aufnahmetechniken (z.b. analoge Luftbilder) vorzuziehen. Über die Höhenzuordnung aus dem DOM zu Gebäudeumrissen, welche beispielsweise in Form der Amtlichen Liegenschaftskarte (ALK) bereits digital vorliegen, können Gebäudeblockmodelle generiert werden. Deren Texturierung mit zuvor entsprechend aufbereiteten Fassadenfotografien erfolgt über eine Geo-Datenbank, in der auch zusätzliche Datenebenen zur räumlichen Abfrage bereitgehalten werden. So entsteht über zahlreiche Verarbeitungsschritte und durch die Zusammenführung eines heterogenen Ausgangsdatenbestandes ein interaktives 3D- Stadtinformationssystem. Die Innovation besteht darin, den Prozess von der Datenaufnahme bis zum 3D-Stadtinformationssystem so zu optimieren, dass für größere Städte eine flächendeckende, realitätsnahe und interaktive Visualisierung des Stadtgebietes nicht nur möglich, sondern auch finanziell attraktiv wird. Die hierzu nötigen Verarbeitungsschritte und deren Automatisierung werden anhand der Fallstudien des 3D-Stadtplanes der Landeshauptstadt München sowie der Generierung eines 3D-Stadtmodells für die Stadt Berlin exemplarisch aufgezeigt.

2 Generierung interaktiver 3D-Stadtinformationssysteme Von 2D zum texturierten 3D-Stadtmodell Die Grundlage der im vorliegenden Beitrag vorgestellten Generierung interaktiver 3D- Stadtlandschaften sind Daten der High Resolution Stereo Camera (HRSC). Als Zeilenscanner besitzt die HRSC den Vorteil, dass bereits nach der Korrektur von Flugbewegungen die Qualität eines Orthobildes in hoher räumlicher Auflösung (15 20 cm) mit lediglich geringen Abschattungseffekten vorliegt. Eine wesentliche Voraussetzung für die kontrollierte Automatisierung photogrammetrischer Verarbeitungsschritte ist die permanente Mehrfach- Stereoabdeckung im Pushbroom-Verfahren. Letztere liefert darüber hinaus die Grundlage für die Erstellung digitaler Geländemodelle mit einer Bodenauflösung von 0,5 bis 1 m bei einer Lagegenauigkeit von unter 20 cm (NEUKUM 2000). Auf Basis neuester Prozessierungsverfahren lassen sich aus den Rohdaten detaillierte Gebäudestrukturen ableiten. Die Tatsache, dass bereits die Überlagerung des DOMs mit dem HRSC-Luftbild ausreicht, um komplexe Innenstadtbereiche realitätsnah zu visualisieren, spricht für die hohe Qualität der HRSC-Daten (vgl. Abb. 1). Abb. 1: DOM (links) und Überlagerung von DOM und HRSC-Luftbild (rechts) Für die Generierung einer großflächigen, interaktiven 3D-Stadtlandschaft sind allerdings noch zahlreiche weitere Prozessschritte und zusätzliche Grundlagendaten notwendig. Eine wesentliche Informationsgrundlage stellt die mittlerweile nahezu flächendeckend digital verfügbare amtliche Liegenschaftskarte (ALK) dar. Sie ermöglicht in Verbindung mit dem digitalen Oberflächenmodell die semi-automatische Erstellung von Gebäudemodellen unterschiedlicher Detaillierungsgrade (SCHILCHER et al. 2001, AVERDUNG 2003, JANSA & STANEK 2003). Zur Vermeidung nachfolgender Unstimmigkeiten, resultierend aus chronologischen Differenzen der Datenaufnahme (z.b. Neubauten) bzw. örtlicher Gegebenheiten (z.b. Gebäude unter Bäumen) ist eine manuelle Korrektur der ALK-Gebäudeumrisse unumgänglich. Untexturierte Modelle mit dem Level of Detail 2 (LOD2), also Gebäude mit rekonstruierter Dachform, können über die digitalisierte Firstlinie in Kombination mit gemessenen Trauf- und Firsthöhen generiert werden. Eine stärkere Differenzierung der Gebäude lässt sich durch die Integration von Geschosswechsellinien und die Ableitung der spezifischen Höhe der einzelnen Gebäudeteile aus dem HRSC-DOM erreichen (vgl. Abb. 2). Im Rahmen der Generierung eines interaktiven 3D-Stadtplanes für die Landeshauptstadt

3 382 O. Kranz, F. Siegert, J. Liebscher, F. Lehmann und H. Hirschmueller München konnte sowohl auf detaillierte und aktuelle Gebäudegrundrisse als auch auf Geschosswechsel- und Firstlinien zurückgegriffen werden. Die Fassaden von mehr als 1500 stadtbildprägenden Gebäuden wurden mit geometrisch entzerrten Fototexturen belegt, welche im Rahmen einer umfangreichen Erhebung vor Ort fotografiert wurden. Alle weiteren ca Gebäude erhalten über einen Klassifikationsschlüssel basierend auf Gebäudealter, Stockwerkszahl und Gebäudenutzung eine generalisierte Fototextur. Generell haben Fototexturen gegenüber generischen Texturen den Vorteil, dass eine Wiedererkennung durch den Betrachter unterstützt wird und das Stadtmodell und abgeleitete Applikationen eine dementsprechend höhere Akzeptanz erfahren. Abb. 2: Erhöhung der Gebäudedifferenzierung durch Integration der Geschosswechsellinie Komplexe Gebäudestrukturen können allerdings nicht ausschließlich über Fassadenfotos wiedergegeben werden. Hier bietet sich die Einbindung detailgetreuer CAD-Modelle an, um die Realitätsnähe der Anwendung zu erhöhen. Für die Landeshauptstadt München wurden insgesamt mehr als 50 CAD-Modelle in die 3D-Stadtlandschaft integriert, darunter die Frauenkirche, die Residenz und das neue Rathaus. Auf eine flächendeckende Dachrekonstruktion wurde bislang verzichtet, da sich zahlreiche Dachformen (z.b. zylindrische) noch nicht automatisiert interpretieren und rekonstruieren lassen. Aufgrund der hohen Detailgenauigkeit und farblichen Brillanz der HRSC-Daten ist diese bei einer maximalen Flugtiefe von 150 m in der Applikation auch nicht unbedingt erforderlich, um einen plastischen dreidimensionalen Eindruck der Stadt zu bekommen (vgl. Abb. 3). Allerdings konnten im Rahmen einer weiteren Optimierung der Höhenableitung aus den HRSC-Daten bereits komplexe Dachlandschaften mit hoher Genauigkeit aus dem Bereich des Altstadtrings in München rekonstruiert werden. In einer Studie wurden entlang der aus der ALK stammenden Firstlinien gemittelte Höhenwerte kalkuliert, welche zusammen mit den Trauflinien vollständige Dächer ergeben.

4 Generierung interaktiver 3D-Stadtinformationssysteme 383 Abb. 3: 3D-Ansicht München Zu den Zielen bei der Erstellung eines 3D-Stadtplans für München gehörte nicht nur die Darstellung zahlreicher Details. Zu einer ansprechenden und realitätsnahen Visualisierung einer Stadt gehört auch deren Umfeld. Zur Landeshauptstadt München gehört selbstverständlich auch ein Alpenpanorama. Durch die Kombination aus Aufnahmen des Landsat- Satelliten mit entsprechenden Höheninformationen der Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) konnte das gesamte südlich von München gelegene Alpenvorland in die interaktive Welt integriert werden. So kann der Betrachter auch in der virtuellen Realität das Alpenpanorama hinter der Frauenkirche genießen, wobei der Flugradius für den Benutzer allerdings auf den Ausschnitt des Stadtmodells beschränkt bleibt (vgl. Abb. 4). Abb. 4: Die Landeshauptstadt München mit Alpenpanorama

5 384 O. Kranz, F. Siegert, J. Liebscher, F. Lehmann und H. Hirschmueller 3 Vom 3D-Stadtmodell zum 3D-Stadtinformationssystem Ausschlaggebend für die Akzeptanz von 3D-Stadtmodellen ist neben der Qualität der Darstellung insbesondere deren vielfältige Anwendung, sowohl stadtintern als auch extern (SCHILDWÄCHTER et al. 2005). Erst die mehrfache Verwendung des generierten Datenbestandes macht den Einsatz von 3D-Stadtlandschaften auch ökonomisch attraktiv. Damit steigen die Anforderungen an eine 3D-Applikation mit integriertem Stadtmodell enorm und erreichen das Ausmaß einer umfassenden, vielseitig einsetzbaren Informationsplattform. In einem derartigen System müssen weitere Datenebenen, wie beispielsweise kommunale Informationen und U-/S-Bahnlinien, bereitgehalten werden (vgl. Abb. 5). Abb. 5: Zusatzinformationen im 3D-Stadtplan München Im Fall 3D-Stadtplan München wurden die benötigten Informationen aus unterschiedlichsten, heterogenen und z.t. lediglich analog vorliegenden Datenquellen in einer Datenbank aggregiert, katalogisiert und geokodiert, sodass eine selektive Anbindung an die 3D-Applikation möglich ist. Die wenigsten konventionellen Softwareprodukte werden allen genannten Anforderungen gerecht, sodass im Rahmen der aufgezeigten Studie auf eine speziell angepasste Version der Software LandXplorer Studio Professional der Firma 3DGeo GmbH zurückgegriffen wurde (DOELLNER 2003). Diese Software erlaubt neben der Darstellung von Punktdaten auch die Integration von Linieninformationen.

6 Generierung interaktiver 3D-Stadtinformationssysteme 385 Zusammenfassend zeigt das vorgestellte Projekt des 3D-Stadtplanes München die Möglichkeiten der automatisierten Generierung eines vielseitig einsetzbaren 3D-Stadtinformationssystems auf. Literatur BRENNER, C. & N. HAALA. (2000): Erfassung von 3D Stadtmodellen. PFG Photogrammetrie, Fernerkundung, Geoinformation, Heft 2/2000, DÖLLNER, J. (2003): Die Landschaft aus neuer Sicht. Visualisierung raumbezogener Information mittels 3D-Karten. Journal GeoBIT Magazin für raumbezogene Informationstechnologie, 5/2003, JANSA, J. & H. STANEK (2003): Ableitung von Stadtmodellen aus Laser-Scanner-Daten, Grundrissplänen und photographischen Aufnahmen. Österreichische Zeitschrift für Vermessung und Geoinformation (VGI), 91. Jahrgang (2003), 4; NEUKUM, G. (Hrsg.) (2000): Vom Mars zur Erde. DLR-Nachrichten Ausgabe 99. SCHILDWÄCHTER, R., POESCH, T., WETTELS, P. & P. ZEILE (2005): 3D Stadtmodell Bamberg Visualisierung mit 3D-Game-Engines. Allgemeine Vermessungs-Nachrichten (AVN), 1/2005, 2-6. SCHILCHER, M., GUO, Z., KLAUS, M. & R. ROSCHLAUB (1999): Aufbau von 3D- Stadtmodellen auf der Basis von 2D-GIS. PFG Heft 3,