Diplomanden-Kolloquium

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1 Diplomanden-Kolloquium 3D-Stadtmodelle auf Basis von Daten des Amtlichen Liegenschaftskataster- Informationssystems (ALKIS ) Zusammenführung bestehender Standards und Evaluierung im Zusammenhang mit der automatischen Erstellung eines 3D-Modells im Kreis Recklinghausen Arthur Wosnitza

2 3D-Stadtmodelle Datenebene Modellierungsebene Datenerfassung Abstraktion Geometrischsemantischer Datenbestand XML- Instanz Evaluierung 3D-Schema Gebaeude_3D XSD Anwendungsschemata AAA-Anwendungs- Schema (Semantikebene) CityGML- Anwendungs- Schema (Geometrieebene)

3 Gliederung Anforderungen an 3D-Stadtmodelle Normen und Standards für 3D-Geodaten Modellierung von 3D-Stadtmodellen auf Basis internationaler Standards Ableitung von 3D-Stadtmodellen Evaluierung

4 Anforderungen an 3D-Stadtmodelle Multifunktionale Verwendbarkeit Vollständigkeit und Korrektheit Semantisch-geometrische Abbildung der Realweltobjekte Niedrige Erstellungs- und Fortführungskosten Aktualität

5 Normen und Standards für 3D-Geodaten Anwendung GIS D Modell D Interoperabilität Internet, Intranet,... GIS A GIS B GIS C Modell A Modell B Modell C

6 Die Automatisierte Liegenschaftskarte (ALK) Konzept der AdV (Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Länder der Bundesrepublik Deutschland) zur Automatisierung der Nachweise der Liegenschaftskarte Aktuelle, maßstabsunabhängige und blattschnittfreie (2D-) Grundrissdaten in digitaler Form Ca. 90% der Landesfläche von NRW Objektbildung nach OBAK NRW (Objektabbildungskatalog Nordrhein- Westfalen)

7 Die Automatisierte Liegenschaftskarte (ALK) Semiautomatische Ableitung der Gebäudemodelle in die dritte Dimension

8 AFIS -ALKIS -ATKIS -Konzept Ziel: Geodaten des amtlichen Vermessungswesens bedarfsgerecht, normbasiert und einheitlich bereit zu stellen GeoInfoDok Dokumentation der Regeln zur Modellierung der Geobasisinformationen des amtlichen Vermessungswesens Trennung von fachneutralen Grundelementen in ein Basisschema und der Fachobjekte in ein Fachschema

9 AFIS -ALKIS -ATKIS -Konzept AAA-Basisschema stellt allgemeine topologisch-geometrische Eigenschaften AAA-Fachschema definiert fachliche Objektarten AAA-Basisschema AAA-Fachschema Fachschema Funknetzplanung Fachschema X

10 Das Amtliche Liegenschaftskataster Informationssystem (ALKIS ) Bundesweiter Standard für die Modellierung von Geobasisinformationen des Liegenschaftskatasters und der Landesvermessung Interoperabilität durch Verwendung von international anerkannten Normen und Standards Integration des ALK und ALB (Automatisches Liegenschaftsbuch) in ein einheitliches Datenmodell Datenaustausch über die Normbasierte Austauschschnittstelle (NAS)

11 Migrationskonzept Inhaltliche und strukturelle Transformation der unterschiedlich geführten Daten des Liegenschaftskatasters (ALK, ALB und Punktdatei), entsprechend den Vorgaben der GeoInfoDok, in das ALKIS -System

12 Special Interest Group 3D (SIG 3D) Initiative innerhalb der Geodaten- Infrastruktur NRW (GDI NRW) Entwicklung von offenen Standards für die Modellierung, Repräsentation und Visualisierung dreidimensionaler Stadtund Regionalmodelle Ziel: den Nutzern von Geoinformationen ein offenes Geoinformationsnetz zur Verfügung stellen Aktuell: ALKIS-3D Projekt der SIG3D unter Beteiligung der AdV

13 CityGML Austauschformat für 3D-Stadtmodelle Topologisch-geometrisches Modell basierend auf Geometry Markup Language (GML3) Art und Zahl der zu repräsentierenden Objekte hängt von der Auflösung LoD (Level-of-Detail) des 3D-Modells ab Seit Juli 2007 in Vers von OGC als Best Practices Paper

14 CityGML- LoD s LoD 0: Regionalmodell LoD 1: Einfacher Körper ohne Dachform LoD 2: Semantische Unterscheidung zwischen Gebäudebauteilen LoD 3: Erweiterung des LoD 2-Modells um weitere Gebäudedetails LoD 4: 3D-Gebäude mit Innenräumen

15 Open Geospatial Consortium (OGC) 1994 als eine non-profit-organisation von Firmen, Regierungsbehörden und Universitäten gegründet Entwicklung von Schnittstellen- Spezifikationen für Geodaten und deren Anwendungen Web 3D Services (W3DS) Web Map Service (WMS) Web Feature Service (WFS) Ziel:Komplexe Geoinformationen einem breiten Spektrum von Nutzern und Anwendungen zugänglich zu machen

16 International Organization for Standardization (ISO) Im Gegensatz zur OGC offizielle Standards (Normen) Für jedes Arbeitsgebiet existiert jeweils ein einzelnes Technical Comittee (TC) TC 211 für das Gebiet der Geoinformationen ISO 191xx-Reihe zu Normung von Geodaten z.b Regeln für die Erstellung von Anwendungsschemata Kooperation zwischen OGC und ISO im Bereich der Geoinformation

17 Modellierung von 3D-Stadtmodellen auf Basis internationaler Standards Unified Modeling Language (UML) Von der Object Management Group (OMG) entwickelte und standardisierte Modellierungssprache Exstensible Markup Language (XML) Vom Word Wide Web Consortium (W3C) entwickelter Standard zur Modellierung und Austausch von strukturierten Daten

18 UML-Modell als Visualisierungsmittel von Datenstrukturen Geoobjekte werden als Instanzen der zugehörigen Klassen und die Geodaten als Attribute gebildet Beziehungen zwischen den Klassen durch Assoziationen Klasse Gebäude Komposition Gebäude Haus_Nr. Aggregation Garage Dachfläche Kamin Wandfläche Objekt: Haus_Nr. 123

19 XML als Transferformat XML definiert den Aufbau von Dokumenten in menschen- und maschinenlesbarer Form Starttag Wurzelelement <gebäude> <geometrie> <dachform>satteldach</dachform> <etagenhöhe>3 m</etagenhöhe> </geometrie> geometrie <baujahr>2007</ baujahr> <gebäudetyp>familienhaus</gebäudetyp> </gebäude> gebäude baujahr 2007 gebäudetyp Familienhaus Endtag Kindelemente von gebäude dachform Satteldach etagenhöhe 3 m Elementeinheit von Typ gebäudetyp

20 XML-Schema Definition von Strukturen, Inhalten und Semantik der XML-Dokumente Namensraumdefinition Elementdeklaration mit dem Präfix xs: <xs:schema xmlns:xs= > Komplexer Datentyp Attributsdeklaration Einschränkung des atomaren Datentyps string <xs:element name= datum type= datumstyp /> <xs:complextype name = datumstyp > <xs: attribute name: Monat > <xs:simpletype> <xs:restriction base= xs:string > <xs:enumeration value= Januar /> <xs:enumeration value= Februar /> <xs:enumeration value= März />... <xs:enumeration value= Dezember /> Typdefinition Einfacher Datentyp

21 Geometry Markup Language (GML) Implementierungsspezifikation des OGC, zur Speicherung und Transport von raumbezogenen Daten XML-Format zur Kodierung von Geodaten CityGML- begrenzte Untermenge der GML- Klassen XML GML CityGML

22 Konzept von GML Modell-Ebene GML- Anwendungsschema GML- Basisschema XML- Dokument Daten-Ebene Spezifikation der GML-Klassen z.b. CityGML Prüfung auf die Validität des XML-Dokumentes

23 Anwendungsschema Abstraktion der realen Welt auf der Modellierungsebene, unter Einführung von Fachobjekten und Regeln Basis- und Anwendungsmodellierung Beschreibung UML Codierung XML

24 Basis- und Anwendungsmodellierung Basismodellierung Grundlegende null- bis dreidimensionale Primitive nach dem ISO Spatial Schema (Geometrisch-Topologisches Modell) Unmittelbare Ableitung auf GML3- Geometrieklassem Fachneutral-> Grundlage für fachliche Modellierung

25 Basis- und Anwendungsmodellierung Anwendungsmodellierung Anwendungsspezifische Spezialisierung abstrakter GML3-Klassen Geoobjekte bestimmter Anwendung werden zunächst auf der thematischen Ebene modelliert Raumbezogene Eigenschaften durch Assoziationen zu den entsprechenden Geometrieklassen des Basismodells

26 Basis- und Anwendungsmodellierung Anwendungsmodell Basismodell

27 Entwicklung eines 3D-Schema Voraussetzung: Hohe geometrische und semantische Interoperabilität in Bezug auf die bestehenden Standards AAA-Anwendungsschema CityGML-Anwendungsschema AAA- Basisschema AAA- Fachschema GML 3 3D- Basisschema 3D- Fachschema <<import>> Paket der CityGML-Klassen CityGML- Schema

28 Modellierung auf der Fachdatenebene AAA-Anwendungsschema 3D-Erweiterung des AAA-Anwendungsschema AA_ObjektType AX_Gebaeude AX_Gebaeudefunktion bezieht_sich_auf Gebaeude_3D besteht_aus * Gebaeudeteil_3D [0..1] ObjektType_3D LoD AbstractGebaeude_3D AX_Gebaeudefunktion Bauwerk_3D

29 Modellierung auf der Geometrieebene CityGML als internationales Austauschformat stellt den Modellierungsrahmen für die Geometrie-Klassen des 3D-Schemas Abhängig vom LoD-Attribut, unterschiedliche Geometriedarstellungen möglich ObjektType_3D LoD choice AbstractGebaeude_3D Koerper [0..1] Flaeche [0..1] CityGML-Anwendungsschema gml3::solidtype gml3::multisurfacepropertytype

30 LoD1- Gebäude Einfacher untexturierter 3D-Körper Gebäudemodell wird aus Einzelflächen zu einem 3D-Körper aggregiert Unabhängige Geometrie

31 LoD2- Gebäude Wie imlod1, aus einzelnen Flächenmitgliedern zu einem 3D-Körper zusammengebaut Texturen bzw. mit Materialeigenschaften Ausgestaltungseigenschaften werden in den Klassen Material und EinfacheTextur definiert

32 Geometrisch-topologisches Modell Jedes Element wird mit seinen Nachbarn unter bestimmten Regeln in Beziehung gebracht Manipulation an einem Knoten hat eine unmittelbare Auswirkung auf seine benachbarten Geometrieelemente Grenzfläche mit eigenen Kanten und Knoten

33 UML-Diagramm des 3D-Fachschemas AA_ObjektType AX_Gebaeude Gebaeude_3D bezieht_sich_auf besteht_aus * Gebaeudeteil_3D [0..1] ObjektType_3D LoD AbstractGebaeude_3D Hoehe_DerOberirdischen Geschosse Hoehe_DerUnterirdischen Geschosse Bauwerk_3D Koerper [0..1] Flaeche [0..1] Geomet_Topolog [0..1] gml3:solidtype gml3:multisurfacetype VolumenkoerperType

34 Ableitung von 3D-Stadtmodellen Datenquellen für 3D-Stadtmodelle ALK-Grundrissdaten Airborne-Laserscanner-Daten Digitales Geländemodell (DGM) Luftbilder Fassadenfotos

35 Ableitung eines 3D-Stadtmodells mit Hilfe der SupportGIS-Software Erstellung eines Datenbankschemas für die Speicherung eines 3D-Modells (EDBS-Schema) Integration der ALK-Grundrissdaten mit Laserscandaten(Höheninformationen)

36 Erstellung des DGM und seiner Texturierung Höhenpunkte in Form von X-,Y-, Z-Werten Segmentierung des Höhenmodells Texturierung mit dem Orthophoto

37 3D-Stadtmodell mit LoD1- Gebäuden

38 Ableitung eines Gebäudes im LoD2 Erstellung eines Datenbankschemas für die Speicherung des LoD2-Gebäudes Konstruktion und Visualisierung des 3D- Gebäudes ALK-Grundrissdaten als Ausgangsdaten für den Modellierungsvorgang Erzeugung der Geometrie durch Digitalisierung Geometrieobjekte werden mit Fachbedeutungen versehen Ableitung in die dritte Dimension an Hand der Höheninformationen Texturierung der Seitenwände mit Fassadenfotos

39 Integration in das 3D-Stadtmodell GML-Export/Import in die LoD1-Datenbank

40 Visualisierung in W3DS 3D-Stadtmodell Konvertierung Konvertierung in die Präsentations- Datenbank Isolation der 3D-Gebäudemodelle von den 2D-Grundrissdaten aus Performance- Gründen 2D-Stadtmodell 3D-Gebäude Präsentations- DB

41 Visualisierung in W3DS Einloggen auf der Seite um den gewünschten Ausschnitt in der 3D-Darstellung anzufordern HTTP- Request Präsentations-DB Datenbankabfrage Integration der 3D-Gebäudemodelle mit dem 2D-Modell

42 Evaluierung Evaluierung des 3D-Stadtmodells in Bezug auf die 3D Erweiterung des AAA-Anwendungsschemas Semantik Geometrie NAS- Instanz CityGML Instanz Evaluierung Gebaeude_ 3D XML Datenexport SupportGIS-DB Instanzierung 3D-Schema XSD

43 Zusammenfassung Entwicklung eines geometrischsemantischen 3D-Schemas zur Repräsentation von 3D-Gebäuden des 3D-Stadtmodells Wirtschaftliche Erstellung eines 3D-Stadtmodells unter Berücksichtigung vorgegebener Normen und Standards Evaluierung des 3D-Stadtmodells am Beispiel eines Gebäudes, um die Tauglichkeit des 3D-Schemas nachzuweisen