Topographische Höheninformationen Digitale Höhenmodelle, 3D-Gebäudemodelle und Schummerung

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1 Bezirksregierung Köln Topographische Höheninformationen Digitale Höhenmodelle, 3D-Gebäudemodelle und Schummerung DIE REGIERUNGSPRÄSIDENTIN

2 Allgemeine Informationen Im Rahmen ihres gesetzlichen Auftrages stellt die Bezirksregierung Köln - Geobasis NRW - topographische Höheninformationen bereit. Vertriebsprodukte sind dabei Digitale Geländemodelle (DGM) und das Digitale Oberflächenmodell (DOM) sowie die daraus abgeleiteten 3D-Gebäudemodelle und die DGM-Schummerung. Abb. 1: Zusammenhang der Produkte der Topographischen Höheninformationen Als Digitales Höhenmodell (DHM) bezeichnet man eine Menge digital gespeicherter Höhenwerte von regelmäßig oder unregelmäßig verteilten Gelände- bzw. Oberflächenpunkten, die die Struktur der Erdoberfläche hinreichend repräsentieren. DHM bezeichnen als Oberbegriff DGM und DOM. Ein 3D-Gebäudemodell ist eine Sonderform des DOM, reduziert auf Gebäude und Bauwerke. Schummerungen sind eine plastische Wiedergabe von DHM in einem Graustufenbild. Häufig wird zwischen primären und sekundären DHM unterschieden. Während ein primäres DHM die originären, unregelmäßig angeordneten Messwerte enthält, ist ein sekundäres DHM ein aus diesem abgeleitetes Modell, das ein regelmäßiges Gitter aufweist. Geobasis NRW stellt Digitale Höhenmodelle unterschiedlicher Auflösung bereit. Als Erfassungsmethode kommt in Nordrhein-Westfalen das flugzeuggestützte Laserscanning (Airborne Laserscanning, ALS) zum Einsatz. ALS ist ein Verfahren zur großflächigen Erfassung von Höheninformationen. Als Ergebnis erhält man dreidimensionale Punktwolken, durch die die Erdoberfläche bzw. die auf ihr befindlichen Objekte in hoher Genauigkeit beschrieben werden. 2 Die Hauptkomponenten eines ALS-Systems sind der Laserscanner (Distanzmesser), ein GPS-Empfänger und ein Inertial-Navigationssystem (INS). Vom Flugzeug aus sendet der Laserscanner mit hoher Frequenz (mit bis zu 500 khz) Lichtblitze zur Erde, die dort reflektiert werden. Das zurückgeworfene Signal wird durch einen entsprechenden Sensor im Laserscanner registriert. Aus der Zeitdifferenz zwischen gesendetem und empfangenem Signal lässt sich die vom Lichtstrahl zurückgelegte Strecke berechnen. Durch eine geeignete Mechanik wird der Abstrahlwinkel des Laserimpulses kontinuierlich verändert, so dass senkrecht zur Flugrichtung ein Streifen von bis zu einigen 100m Breite abgetastet wird. Abb. 2: Schematische Darstellung des Airborne Laserscanning Neben zurückgelegter Strecke und Richtung des Laserimpulses werden außerdem Position und Ausrichtung des Flugzeugs (bzw. des Laserscanners) im dreidimensionalen Raum durch GPS und INS ermittelt. Aus diesen Informationen können dann die dreidimensionalen Koordinaten des Reflexionspunktes berechnet werden.

3 Eine charakteristische Eigenschaft von Laserscanner-Messungen ist die Registrierung von Mehrfachreflexionen. Da der Laserstrahl kegelförmige Gestalt hat (20 30 cm Durchmesser), können einzelne Teile des Strahlkegels an unterschiedlichen Orten reflektiert werden. So wird im Bereich von Vegetation typischerweise eine erste Reflexion bereits in der Höhe der Baumwipfel auftreten (First Pulse), während andere Teile des Strahlkegels bis hinunter zur Erdoberfläche gelangen und erst dort reflektiert werden (Last Pulse). Die gemessenen Punkte liegen nicht nur auf der Geländeoberfläche, sondern z. B. auch auf Gebäuden und Bäumen. Über spezielle Algorithmen werden die Punkte herausgefiltert, die nicht auf der Geländeoberfläche liegen, um ein Geländemodell zu erhalten. Dieser Filterungsprozess ist nicht vollständig automatisierbar und erfordert einen nicht unerheblichen interaktiven Nachbearbeitungsaufwand. First Pulse-Daten ergeben ein Oberflächenmodell. Die Abgabe der Topographischen Reliefinformationen erfolgt im Lagebezugssystem ETRS89/UTM und dem Höhenbezugssystem DHHN92. Abb. 3: Mehrfachreflexion der Laserimpulse Digitale Geländemodelle (DGM) Produktbeschreibung: Ein Digitales Geländemodell (DGM) beschreibt die natürliche Geländeform der Erdoberfläche durch georeferenzierte Höhenpunkte. Objekte wie z. B. Vegetation und Gebäude werden nicht dargestellt. Geobasis NRW stellt im Rahmen seines gesetzlichen Auftrags das DGM1 mit einer Gitterweite von einem Meter bereit. Neben dem auf Gitterpunkte reduzierten DGM werden von Geobasis NRW auch die unregelmäßig verteilten primären Messpunktwolken mit einer Punktdichte von ca. 1 bis 4 Punkten pro Quadratmeter bereitgestellt (DGM1L). Seit 2013 wird die Landesfläche mit einer Messpunktdichte von mindestens vier Punkten pro Quadratmeter erfasst. Die flächendeckende Fertigstellung mit dieser Messpunktdichte ist für 2018 geplant. 3 Abb. 4: DGM mit regelmäßigen Gitterpunkten

4 Produktangebot: Die Digitalen Geländemodelle DGM1 und DGM1L liegen für Nordrhein-Westfalen flächendeckend vor und werden seit 2012 im 6-Jahresturnus der Laserscan-Befliegung fortgeführt. Das DGM1L liegt zum Großteil als gefiltertes, klassifiziertes und nachbearbeitetes Geländemodell vor, das durch eine Weiterverarbeitung der Erfassungsdaten über die Höhenpunktklassifizierung im Zuge der Messpunktfilterung und der anschließenden Abnahmeprüfung hinaus veredelt wird. In den noch nicht nachbearbeiteten Gebieten liegt das DGM1L lediglich als gefilterter und klassifizierter Datensatz vor, das so lange angeboten wird, bis ein nachbearbeitetes DGM1L verfügbar ist. Informationen über die Verfügbarkeit und Aktualität von DGM-Daten gibt die DHM-Übersicht ( Auf Anfrage können auch historische DGM1L-Daten abgegeben werden. Höhengenauigkeit: Die Höhengenauigkeit der Geländepunkte beträgt +/- 2 dm. In bewaldeten Bereichen, Industrie- und Siedlungsflächen und stark geneigtem Gelände kann die Genauigkeit geringer sein. Die Geländeapproximation nimmt bei Geländemodellen mit höherer Gitterweite ab. Digitales Oberflächenmodell (DOM) Produktbeschreibung: Ein Digitales Oberflächenmodell (DOM) ist ein Digitales Höhenmodell, das im freien Gelände dem Digitalen Geländemodell (DGM) entspricht, also die natürliche Geländeoberfläche, ansonsten aber die Oberfläche der Gebäude, Bauwerke und der Vegetation abbildet. Das in Nordrhein-Westfalen erstellte DOM1L besteht aus den originär erfassten First-Pulse-Punktwolken aus dem ALS. Eine Umrechnung in ein regelmäßiges Gitter wie bei den Geländemodellen findet nicht statt. 4 Abb. 5: Oberflächenpunktwolke (DOM1L) des Kölner Doms (Grün = Bodenpunkte; Blau = Gebäudepunkte)

5 Produktangebot: Das DOM1L mit einem Punktabstand von weniger als 1 m steht seit 2011 flächendeckend zur Verfügung und wird seit 2012 im 6-Jahresturnus der Laserscan-Befliegung fortgeführt. Seit 2013 wird das DOM1L mit einer Punktdichte von mindestens 4 Punkten pro Quadratmeter erfasst. Neben aktuellen DOM1L-Daten können auf Anfrage auch historische DOM-Daten abgegeben werden. Höhengenauigkeit: Die Höhengenauigkeit der Oberflächenpunkte beträgt +/- 2 dm. In bewaldeten Bereichen, Industrie- und Siedlungsflächen und stark geneigtem Gelände kann die Genauigkeit geringer sein. 3D-Gebäudemodelle Produktbeschreibung: 3D-Gebäudemodelle beschreiben gemeinsam mit einem Digitalen Geländemodell die natürliche Geländeform der Erdoberfläche einschließlich aller Gebäude und Bauwerke in digitaler Form und ermöglichen die Darstellung von Städten und Ortschaften in virtuellen Welten. Die Gebäude können in verschiedenen Detaillierungsgraden (Level of Detail, LoD) modelliert werden. Im 3D-Gebäudemodell LoD1 wird jedes Gebäude ohne Berücksichtigung seiner tatsächlichen Dachform als einfaches Klötzchen mit Flachdach repräsentiert. In der nächsten Ausbaustufe - dem 3D-Gebäudemodell LoD2 - erfolgt die Modellierung der Gebäude zusätzlich mit standardisierten Dachformen wie z.b. einem Sattel- oder Walmdach. reale Welt Abb. 6: Detailierungsgrade der 3D-Gebäudemodelle Modellierung als Gebäude im LoD1 (Klötzchenmodell) Modellierung als Gebäude im LoD2 Mit knapp zehn Millionen Gebäuden und Bauwerken ist Nordrhein-Westfalen das Bundesland mit dem größten Gebäudebestand in Deutschland. Für die Modellierung der 3D-Gebäudemodelle LoD1 und LoD2 werden deshalb vollautomatisierte Verfahren und vorhandenes Datenmaterial verwendet. Als Datengrundlage werden Höheninformationen aus dem flugzeuggestützten Laserscanning, Luftbilder und Gebäudegrundrisse aus dem Liegenschaftskataster verwendet. 5 Die Ableitung der Gebäudehöhe im LoD1 basiert auf den Ergebnissen der Laserscanbefliegung. Der Durchschnittswert der in den Hausumring fallenden Messwerte bildet die Gebäudehöhe. Liegen keine Laserdaten vor, wird die Höhe aus der Stockwerksangabe bestimmt (Anzahl Stockwerke x 3,2 m). Sind auch diese nicht verfügbar, werden Standardwerte (9 m für Hauptgebäude, 3 m für Garagen) eingetragen. Zur Ableitung der Dachform des LoD2 wird ermittelt, welche Standarddachform am besten zu der Messpunktwolke passt. Es wird die Dachform als optimal angesehen, auf der die meisten Messpunkte liegen. Sofern nur eine geringe Messpunktanzahl durch die Dachform repräsentiert wird oder nur wenige Messpunkte vorliegen, werden zusätzlich Digitale Luftbilder für die Dachformerkennung herangezogen.

6 Abb. 7: Die Gebäudemodelle LoD1 (links) und LoD2 (rechts) Jedes Gebäude verfügt neben der Geometriebeschreibung des Körpers über folgende Attribute und Metadaten: Datenquelle Dachhöhe Datenquelle Lage Datenquelle Bodenhöhe Bezugspunkt Dach (nur LoD1) Gebäudehöhe Objektidentifikator Gebäudefunktion Amtlicher Gemeindeschlüssel Standarddachform (nur LoD2) Name des Gebäudes (sofern vorhanden) 6 Die Berechnung der Gebäudemodelle findet in einem vollautomatischen Prozess statt; d.h. an den Ausgangsdaten werden keine Verbesserungen vorgenommen. Daher spiegeln sich die für die Ausgangsdaten geltenden Qualitätskriterien (Eindeutigkeit von Objektidentifikatoren, Aktualität, Vollständigkeit, etc.) in den Gebäudemodellen wieder. Aufgrund notwendiger Transformationen weisen die in die Berechnung eingegangenen Gebäudegrundrisse oftmals keine Katastergenauigkeit auf. Insofern handelt es sich bei den 3D-Gebäudemodellen um topographische Informationen. Produktangebot: 3D-Gebäudemodelle LoD1 und LoD2 liegen für Nordrhein-Westfalen flächendeckend im Datenformat CityGML vor. Derzeit wird ein Konzept für eine gemeinsame Fortführung der 3D-Gebäudemodelle LoD1 und LoD2 erarbeitet. Höhengenauigkeit: Die Höhengenauigkeit des Gebäudemodells LoD1 beträgt größtenteils 5 m. Beim Gebäudemodell LoD2 beträgt die Höhengenauigkeit 1 m. Grobe Abweichungen sind in Einzelfällen bei komplexen Dachformen möglich.

7 Digitales Geländemodell - Schummerung (DGM-Schummerung) Produktbeschreibung: Eine Schummerung ist die plastische Wiedergabe der Geländeformen in einem Graustufenbild. Der räumliche Eindruck entsteht durch die Beleuchtung mit einer imaginären Lichtquelle. Die DGM1-Schummerung ist die Visualisierung des Digitalen Geländemodells 1 (DGM1). Bei der DGM1-Schummerung befindet sich die imaginäre Lichtquelle im Nordwesten. Eine Erhebung erscheint am Nordwesthang hell und am Südosthang dunkel. Ebenen sind mit mittlerer Helligkeit gefärbt. Dadurch wird ausgedrückt, wie stark die Oberfläche der Lichtquelle zugewandt ist. Mittels der DGM1-Schummerung kann die natürliche Geländeform sehr plastisch dargestellt werden. 7 Abb. 8: Schummerungsbild des Drachenfels (Bonn) aus dem DGM1 abgeleitet Produktangebot: Die DGM1-Schummerung ist aus dem DGM1 abgeleitet. Ein Pixel im Schummerungsbild entspricht 1 m² auf der Erdoberfläche. Objekte wie Gebäude und Vegetation werden nicht dargestellt. Die DGM1-Schummerung liegt flächendeckend vor und wird seit 2012 im 6-Jahresturnus der Laserscan-Befliegung fortgeführt.

8 Sprechen Sie uns an. Wir beraten Sie gerne. Bezirksregierung Köln Abteilung Geobasis NRW Muffendorfer Straße 19-21, Bonn Geodatenzentrum Fon: (0221) Fax: (0221) Stand: 1/2017 Exakt. Aktuell. Hoheitlich. Ergebnisse der Landesvermessung