Landesweite automatische und halbautomatische Erzeugung von 3D-Gebäudemodellen in Mecklenburg-Vorpommern. Bonn, 8. November 2011 Sven Baltrusch

Transkript

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2 Dreidimensionale Modelle des amtlichen Vermessungswesens Digitale Geländemodelle Digitale Oberflächenmodelle 3D-Gebäudemodelle 2

3 AdV-Beschluss 121/10: Digitale Oberflächenmodelle Die Erfassung, die Modellierung und der Nachweis der Gebäude für die geotopographische Landesaufnahme und die Führung des Liegenschaftskatasters ist eine Kernaufgabe des Amtlichen deutschen Vermessungswesens. Dazu gehört auch die dritte Dimension. Zielstellung Die AdV strebt an, dazu 3D-Gebäudemodelle bereitzustellen. Der Aufbau von 3D- Gebäudemodellen kann in zwei Realisierungsstufen erfolgen: 1. Realisierungsstufe LoD1 (Blockmodell bzw. Klötzchenmodell) Es wird angestrebt, LoD1 ab 2013 bundesweit einheitlich bereitzustellen. 2. Realisierungsstufe LoD2 (Blockmodell bzw. Klötzchenmodell mit Standarddachformen). Es ist wünschenswert, dass in den Ländern mittelfristig LoD2 bereit stehen. Eine terminliche Präzisierung für die bundesweite Verfügbarkeit erfolgt von 2013 an. Weitere Realisierungsstufen LoD3 und LoD4 sind nicht Bestandteil des Beschlusses. 3

4 3D-Gebäudemodelle Die Vermessungsverwaltungen der Länder führen im Liegenschaftskataster alle Gebäude in ihrer Lage zusammen mit weiteren Attributen. Liegenschaftskataster = optimale Produktionsgrundlage für 3D-Gebäudemodelle Führung der 3D-Gebäudemodelle im AAA-Modell AdV-Fachschema 3D-Gebäudemodelle Vermeiden redundanter Datenhaltung Fachschema als eigenes Profil, analog zu CityGML GeoInfoDok 6.0 beinhaltet bereits 3D-Basisklassen Vorhandenes Fachschema der SIG 3D wird für AdV-Fachschema weiterentwickelt Zwischenzeitliche Führung und Bereitstellung in CityGML (bis Einführung von AAA) 4

5 AdV-CityGML-Profile Warum CityGML-Profile? CityGML-Profil in Struktur und Format dem AAA-Schema ähnlich Länder können sofort in CityGML beginnen Daten leicht ins AAA-Schema migrierbar Beginn der 3D-Gebäudemodellierung unabhängig von der AAA-Einführung und Realisierung der GeoInfoDok 7.0 AdV-CityGML-Profile für LoD1 und LoD2 stehen zur Verfügung 5

6 AK GT Beschluss 23/05 Digitale Oberflächenmodelle Fachschema 3D- Gebäudemodelle Hier: Aufhebung des Beschlusses und Präzisierung des Auftrags an die PG 3D- Gebäudemodelle Ausgehend vom AdV-Beschluss121/10 ist für die Realisierungsstufe LoD1 und LoD2 ein Produktstandard zu entwickeln und für die abschließende Beschlussfassung im Plenum vorab den Arbeitskreisen GT und LK vorzulegen. Hinweise: Für LoD1 ist zu berücksichtigen, dass neben dem bundesweiten Standard optional Gebäude als Landmarken für die Wiederkennung insbesondere von Stadtlagen modelliert werden können. Für LoD2 ist zu berücksichtigen, dass die Führung der LoD2-Gebäude unabhängig von der Gebäudeeinmessung vorgenommen werden kann. Vorhandene Standards im AdV- CityGMLsind zu berücksichtigen. Grundrisstreue darf nicht zwingend vorgesehen werden. Der Produktstandard sollte die Schnittstelle zu CityGML berücksichtigen. Parallel sind die Modellierungsvorschriften vergleichbar Objektartenkatalog zu erstellen. 6

7 AdV-Produktstandard (Entwurf) Definition: Ein 3D-Gebäudemodell ist ein digitales, numerisches Oberflächenmodell der Erdoberfläche, reduziert auf die in ALK/ALKIS definierten Objektbereiche Gebäude und Bauwerke (Definition nach ALKIS-OK). Unterirdische Gebäude und Bauwerke werden nicht berücksichtigt. Das 3D-Gebäudemodell ist eine Erweiterung des Datensatzes der Hausumringe um die dritte Dimension. Der Gebäudegrundriss wird grundsätzlich der amtlichen Digitalen Liegenschaftskarte (ALK, DFK, ALKIS) entnommen. Ergänzend können optional Gebäude und Bauwerke von herausragender Bedeutung (Landmarken) als 3D-Modell in fotorealistischer Darstellung abgegeben werden. 7

8 LoD1: Zwischenzeitliche Führung und Bereitstellung in CityGML Gebäudegrundriss aus ALK bzw. ALKIS Gebäude und Gebäudeteile werden als Objekte mit einfacher Topologie und/oder unabhängiger Geometrie abgebildet. Die Gebäudedarstellung erfolgt als Klötzchen Die Lagegenauigkeit entspricht der des Gebäudes im Liegenschaftskataster. Die Höhengenauigkeit beträgt größtenteils 5m. Inhalt eines Gebäudedatensatzes Grundrisspolygon Absolute Dachhöhe Absolute Bodenhöhe Relative Höhe des Gebäudes Objekt ID Gebäudefachkennzeichen der ALK Gebäudefunktion Adresse (optional) Qualitätsangaben (Metadaten) 8

9 LoD2: Zwischenzeitliche Führung und Bereitstellung in CityGML Gebäudegrundriss aus ALK bzw. ALKIS Gebäude und Gebäudeteile werden als Objekte mit einfacher Topologie und/oder unabhängiger Geometrie abgebildet. Zuordnung standardisierter Dachformen + Ausrichtung nach tatsächlichem Firstverlauf Die Lagegenauigkeit entspricht der des Gebäudes im Liegenschaftskataster. Die Höhengenauigkeit beträgt ca. 1m. Inhalt eines Gebäudedatensatzes Grundrisspolygon Gebäude zusammengesetzt aus semantisch eindeutigen Flächen (Boden, Wände, Dachflächen) Reelle Dachneigung Objekt ID Gebäudefachkennzeichen der ALK Gebäudefunktion Adresse (optional) Qualitätsangaben (Metadaten) 9

10 AdV-Produktstandard - Metadaten Objektname Datenquelle Dachhöhe Datenquelle Lage Datenquelle Bodenhöhe Bezugspunkt Dach Dachform Aktualität (DV-technisch) 10

11 AdV-Produktstandard - Metadaten Objektname Datenquelle Dachhöhe Datenquelle Lage Datenquelle Bodenhöhe Bezugspunkt Dach Dachform Aktualität (DV-technisch) 11

12 AdV-Produktstandard - Metadaten Objektname Datenquelle Dachhöhe Datenquelle Lage Datenquelle Bodenhöhe Bezugspunkt Dach Dachform Aktualität (DV-technisch) 12

13 AdV-Produktstandard - Metadaten Objektname Datenquelle Dachhöhe Datenquelle Lage Datenquelle Bodenhöhe Bezugspunkt Dach Dach Dachform Aktualität (DV-technisch) 13

14 AdV-Produktstandard - Metadaten Objektname Datenquelle Dachhöhe Datenquelle Lage Datenquelle Bodenhöhe Bezugspunkt Dach Dachform Aktualität (DV-technisch) 14

15 Beispiel-Landmarks der gta GmbH Landesweite automatische und halbautomatische Digitale 3D Landmarks Gebäude und Bauwerke von herausragender Bedeutung (Landmarken) als 3D-Modell hohe geometrische Genauigkeit hohe Detailliertheit fotorealistische Darstellung spezielle Aufnahmetechnik St. Nikolai-Kirche in Wismar 15

16 LoD1-Verfügbarkeit Verfügbarkeit % 25% 26% - 50% % - 75% 76% - 99% 100% Jahreszahl steht für die (geplante) flächendeckende Verfügbarkeit. Bonn, 8. November

17 LoD2-Verfügbarkeit Verfügbarkeit % 25% 26% - 50% 51% - 75% % - 99% 100% Die Jahreszahl steht für die geplante flächendeckende Verfügbarkeit. Bonn, 8. November

18 Softwarelösungen zur LoD2-Ableitung Softwarelösung GTA GmbH MOSS/Inpho Virtual City Systems Noch offen Bonn, 8. November

19 Ausgangssituation für Kommunalisiertes Kataster; Land verfügt über ALK-Sekundärdatensatz begrenzte Lagegenauigkeit und Aktualität der ALK-Hausumringe Für 85% der Landesfläche liegen Airborne Laserscan-Datensätze vor, Punktdichte für ca. 50% der Fläche < 1 Pkt/m² Flächendeckende Verfügbarkeit von orientierten Luftbildpaaren (i.d.r. GSD20cm, L70% und Q30%) Verzeichnis der Hauskoordinaten: ca Gebäude Anzahl der Hausumringe ca Umringe Digitales Geländemodell: ATKIS-DGM10, ab 2013 flächendeckend ATKIS-DGM5 Erfüllung der Aufgabenstellung ohne zusätzliches Personal (Ist: 1hD, 3gD, 5mD) Zusätzliche Eckdaten: ALKIS-Einführung frühestens ab Mitte 2013 Verwaltungsgebietsreform 08/2011 aus 12 Landkreisen + 6 kreisfreien Städten 6 Landkreise + 2 kreisfreie Städte Auswirkungen auf die Objektschlüssel der ALK und der Hauskoordinaten 19

20 Erlass Innenministerium vom Erfassung, Modellierung und Nachweis der Gebäude in einem amtlichen Gebäudenachweis M-V als Teil eines digitalen Oberflächenmodells ist Landesaufgabe Rahmensetzungen: Flächendeckender LoD2-Datenbestand M-V bis Ende 2014 LAiV richtet seine jährlichen Befliegungen auf die Anforderungen für die Ableitung eines 3D Gebäudenachweises aus LAiV übernimmt Datenprozessierung und Fertigung des 3D-Gebäudenachweises M-V Ergebnisse werden den unteren Vermessungs- und Geoinformationsbehörden für die Nutzung im eigenen Bereich übergeben Vertriebs- und Urheberrecht nimmt LAiV wahr Fortführungsverfahren mit den unteren Vermessungs- und Geoinformationsbehörden abzustimmen AAA-Migration ist perspektivisch vorzubereiten 20

21 Fortführung von 3D-Gebäudemodellen Erstdatenerhebung des 3D-Gebäudenachweises möglichst vollautomatisiert mindestens jedoch teilautomatisiert photogrammetrische Auswerteverfahren Photogrammetrische Fortführung Fortführung im Liegenschaftskataster 3D-Informationsgewinnung aus zyklischen Befliegungsergebnissen (i.d.r. 3 Jahre) Automatisierte Modellierung 3D-Informationsgewinnung im Außendienst (erhöhter Aufwand) ggf. Nutzung von Bauakten o.ä. Aktualität identisch mit ALK/ALKIS 21

22 Fachsoftware zur automatisierten Ableitung von 3D-Gebäudemodellen 07/2010 Beschränkte Ausschreibung Inhalt: Fachsoftware zur automatisierten Ableitung von 3D-Gebäudemodellen 3-tägie Einweisung; 2-tägiges Consulting zur Optimierung des Workflows Softwarepflege für 24 Monate Kapitel Punkte (1) Process-Management 95 (2) Datenimport 220 (3) Processing der 3D-Gebäudemodelle 550 (4) Editieren der 3D-Gebäudemodelle 210 (5) Fortführung der 3D-Gebäudemodelle 100 (6) Datenausgabe 25 (7) Datenvisualisierung 50 (8) Sonstiges 50 Summe 1300 Punkte für Testdatensatz: 200 Punkte für Preis: 1000 Gesamtpunktzahl /2010 Zuschlagserteilung für GTA Geoinformatik GmbH 22

23 Automatische Ableitung von 3D Gebäudemodellen mit tridicon tridicon 3D CityModeller (1 Lizenz) tridicon 3D Editor (10 Lizenzen) tridicon CityDiscoverer (10 Lizenzen) Zusatzmodule (z.t. integriert): tridicon RoofSplitter tridicon CityBuilder tridicon GoriCreator tridicon Export 23

24 Airborne Laserscanning (ALS) Quelle für Dachinformationen Digitale Bildkorrelation auf der Basis von orientierten Luftbildpaaren Optimal: Last-Pulse 24

25 Automatische Ableitung von 3D Gebäudemodellen Airborne Laserscanning Bildkorrelation aus Stereoluftbildpaaren Last-Pulse-Daten DOM- Bildkorrelation ( Last Pulse ) Digitales Geländemodell 3D-Gebäudemodell ALK 25

26 Automatische Ableitung von 3D Gebäudemodellen Airborne Laserscanning Bildkorrelation aus Stereoluftbildpaaren Last-Pulse-Daten DOM- Bildkorrelation ( Last Pulse ) Digitales Geländemodell 3D-Gebäudemodell ALK 26

27 Batch-Processing Vordefinierte Verzeichnisstruktur für Input- und Output-Daten: Beispiel: Beispiel: dgm05_eeeeennnn_1x1_jjjj-mm-tt.xyz dgm05_ _1x1_ xyz als01_eeeeennnn_1x1_jjjj-mm-tt.las, als01_ _1x1_ las Die digitalen Luftbilder sind verzeichnisstrukturiert auf einem Server abgelegt. Die Luftbildbezeichnungen sind wie folgt aufgebaut: z.b. 10_06_001_000001_RGBI.tif Die erforderlichen Metadaten (Kameradaten, Orientierungsparameter) sind in entsprechenden Verzeichnissen zugeordnet. Ergebnis sind 2x2km-Kacheleinheiten 27

28 Automatische Ableitung von 3D Gebäudemodellen mit tridicon 28

29 Tridicon 3D CityModeller Projektdefinition ALK/ALKIS DGM-Daten 29

30 Tridicon 3D CityModeller Projektdefinition ALK/ALKIS DGM-Daten Luftbild-Daten 30

31 Tridicon 3D CityModeller Projektdefinition ALK/ALKIS DGM-Daten Luftbild-Daten ALS-Daten 31

32 Tridicon 3D CityModeller Projektdefinition ALK/ALKIS DGM-Daten Luftbild-Daten ALS-Daten Weitere Oberflächen- Daten Geb.segmentierung 32

33 Tridicon 3D CityModeller Projektdefinition ALK/ALKIS DGM-Daten Luftbild-Daten ALS-Daten Weitere Oberflächen- Daten Geb.segmentierung 33

34 Tridicon 3D CityModeller Projektdefinition ALK/ALKIS DGM-Daten Luftbild-Daten ALS-Daten Weitere Oberflächen- Daten Geb.segmentierung Dachmodellierung 34

35 Tridicon 3D CityModeller Projektdefinition ALK/ALKIS DGM-Daten Luftbild-Daten ALS-Daten Weitere Oberflächen- Daten Geb.segmentierung Dachmodellierung Gebäudeanleichung 35

36 Tridicon 3D CityModeller Projektdefinition ALK/ALKIS DGM-Daten Luftbild-Daten ALS-Daten Weitere Oberflächen- Daten Geb.segmentierung Dachmodellierung Gebäudeanleichung Datenexport 36

37 Splitten der ALK-Grundrisspolygone Gebäudegrundriss nicht mit den Dachgeometrien identisch 37

38 Interaktives Gebäudesplitten 38

39 Interaktives Gebäudesplitten 39

40 Interaktives Gebäudesplitten 40

41 Ergebnisdatensätze 41

42 Ergebnis ist Log-Datei Ergebnis={ }; Details={ }; Eingabe="1227"; bearbeitet="2222"; gefunden="2222"; nichtgefunden="0"; Ausgabe="2222"; Pultdach=89; Satteldach=473; Walmdach=8; Walmsatteldach=17; gekappteswalmdach=2; gekapptessatteldach=2; Krueppelwalmdach=0; Flachdach=1528; Flachdach_LoD1=103; nichtgefunden=0; Rest=0; Anzahl der eingegangenen / ausgegebenen Grundrisse Statistik der Dachformen Endzeit="11/03/ :10:54"; Dauer="00:05: "; Rechenzeit 42

43 Ergebnis ist RoofQuality #ID Qualität Dachtyp TypPunktwolke 2. Qualität 2. Dachtyp _ Flachdach Laserscanner 0 Bestes Dach D:\3D-Schwerin\Input\ALS\als01_ _2x2_ las _ Pultdach Laserscanner 50 Flachdach _ Flachdach Laserscanner 25 Satteldach _ Flachdach Laserscanner 0 Bestes Dach _ Satteldach Laserscanner 69 Sattelwalmdach _ Flachdach Laserscanner 0 Bestes Dach _ Flachdach Laserscanner 45 Satteldach _ Satteldach Laserscanner 45 Pultdach _ Flachdach Laserscanner 0 Bestes Dach _ Flachdach Laserscanner 0 Bestes Dach _ LOD1 None 0 Bestes Dach _ Satteldach Laserscanner 81 Sattelwalmdach _ Satteldach Laserscanner 88 Flachdach _ Pultdach Bildkorrelator 14 Flachdach ImageScene[10_01_019_000042_PAN.tif]-ImageScene[10_01_019_000043_PAN.tif] _ Satteldach Laserscanner 31 Pultdach 43

44 Dachmodellierung - Detailinfo Auswertegebiet: Schaalseeregion (400 km²) Ländliche Struktur Überwiegend Einzelbauweise Pultdach Satteldach Walmdach 9 Walmsatteldach gekapptes Walmdach gekapptes Satteldach Krüppelwalmdach Flachdach LoD1 91 LoD2 LoD1 44

45 Vergleich verschiedener Oberflächendatenquellen Relative Rechenzeit (Projekt mit 875 ALK- Grundrissen) ALS mit 0,4 Pkt/m² Lubi (GSD20cm, L70%, Q30%) LoD2 aus Lubi LoD2 aus Lubi+ALS LoD2 aus ALS LoD1 aus ALS

46 Vergleich verschiedener Oberflächendatenquellen Qualitätsmaß für Dachmodellierung LoD2 aus ALS Mittelwert = 71 LoD2 aus Lubi Mittelwert = 68 46

47 Vergleich verschiedener Oberflächendatenquellen LoD1 aus ALS LoD2 aus ALS LoD2 aus Lubi Ergebnis hängt von der Eingangsgenauigkeit ab. Orientierung Korrelation 47

48 Vergleich verschiedener Oberflächendatenquellen In dicht bebauten Gebieten kann ALS die bessere Information sein. 48

49 Vergleich verschiedener Oberflächendatenquellen LoD1 aus ALS LoD2 aus ALS Pultdach Satteldach Walmdach Walmsatteldach gekapptes Walmdach gekapptes Satteldach Krüppelwalmdach Flachdach Flachdach LoD1 LoD2 aus Lubi Pultdach Satteldach Walmdach Walmsatteldach gekapptes Walmdach gekapptes Satteldach Krüppelwalmdach Flachdach Flachdach LoD1 Pultdach Satteldach Walmdach Walmsatteldach gekapptes Walmdach gekapptes Satteldach Krüppelwalmdach Flachdach Flachdach LoD1 49

50 Fehlende Gebäude in ALK-Bestand Tridicon ab 2012 Gebäudemodellierung unabhängig vom ALK- Grundriss 50

51 Standarddachform: Krüppelwalmdach Krüppelwalmdächer nur bedingt detektierbar (aufgrund geringer Punktdichte) Fehler unterhalb der LoD2-Genauigkeiten 51

52 Gebäudeeditieren 2D Lage mit Höhenmessung im Link-Mode stereoskopische Höhenmessung Tridicon 3D Editor 2D 3D Modifizieren der Dachformen über Shortcuts Manuelles Gebäudesplitten Ergänzende Dachaufbauten Gezielte Objektansteuerung über GTA-ID Vordefinierte Kartierfunktionen für neue Gebäude VRML-Viewer für Sofort-Kontrolle Zeitaufwand 2 min / Gebäude 52

53 Tridicon 3D Editor 2D 3D 53

54 Visualisierung mit tridicon CityDiscoverer Planungsszenario , Hochwassersimulation :30 - Uhr Neubau Istzustand Planungsszenario - Gebäudeabriss 54

55 Sichtbarkeitsanalyse 55

56 Tridicon Export 56

57 Kalkulierter Zeitbedarf zur Ableitung der Gebäudemodelle für : Ausgangssituation: Gebäudepolygone in M-V: ca Aktuell für 85% der Fläche ALS-Daten verfügbar Flächendeckende orientierte Luftbilder Zeitaufwand (Erfahrungswerte): LoD1: 2 min / Kachel (2x2 km²) ca. 10 Tage Rechenaufwand 5% Nacharbeit (1 min / Gebäude) ca. 90 Tage 100 Tage 100% Verfügbarkeit ab 02/2012 LoD2: 6 min / Kachel (2x2 km²) ca. 30 Tage Rechenaufwand 30% Nacharbeit (2 min / Gebäude) Tage Tage 100% Verfügbarkeit ab 2014 Zwischenprodukt (LoD2-V) 10% grobe Fehler (2 min / Gebäude) 375 Tage 100% Verfügbarkeit ab Ende

58 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Softwarebeschaffung Erlass IM Kreisgebietsreform 100% ALS-Verfügbarkeit LoD1 LoD2-V 100% DGM5-Verfügbarkeit LoD2 ALKIS-Einführung 58

59 Datenbanklösung City-Server 3D Fraunhofer Institut Darmstadt <=> GTA GmbH Client-Server-Lösung zur Speicherung, Visualisierung von 3D-Modellen (objektrelationale DB) Server- Komponente Datenbank- Komponente 2D/3D-Geometrien Sachdaten Metadaten Schnittstellen zum Im- und Export Webservices - W3DS - WMS - WFS Admin- Komponente Datenverwaltung Import / Export 59

60 Datenbanklösung City-Server 3D Fraunhofer Institut Darmstadt <=> GTA GmbH 60

61 Digitale 3D Landmarks für M-V Projektweiser Aufbau landesweit repräsentativer Landmarks im Rahmen der Geomatiker-Ausbildung Summe der katalogisierten Objekte 639 Faktoren im Vordergrund: Präsentation im Bereich Tourismus Präsentation im Bereich Kultur kunsthistorischer und landeskultureller Erhalt Tridicon TRIO (GTA GmbH) Triangulation der Bilder Bündelblockausgleichung für terrestrische Digitalphotos Erzeugen von georeferenzierten Digitalphotos Georeferenzierung von 3D Modellen Tridicon 3D Architekture (GTA GmbH) Photogrammetrisch messen aus triangulierten Bildern Modellieren eines 3D Gebäude Texturieren eines 3D Gebäude 61

62 Digitale 3D Landmarks Verwaltungsgebäude des Landesamtes für innere Verwaltung M-V in Schwerin 62

63 DOM-Gebäude 63

64 Offene Fragen: (1) Qualitätssteigerung durch neue Bildkorrelationsansätze (SGM, Match-T, ) (2) Tatsächliche Höhengenauigkeit bei LoD2-Objekten (3) Modellierung von nicht eingemessenen Gebäuden (4) Fortführungskonzeption (5) Aufbau und Pflege der Datenbank (6) Migration nach AAA (7) Vertriebsstrategie 64

65 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Sven Baltrusch Fachbereich Digitale Luftbild- und Fernerkundungsdaten, ATKIS -DGM Amt für Geoinformation, Vermessungs- und Katasterwesen Lübecker Str Schwerin Telefon: 0385 / Telefax: 0385 / Sven.Baltrusch@laiv-mv.de Internet: 65