CityGML-Toolchain Streaming und performante Visualisierung großer virtueller Stadtmodelle für 3D-Fachanwendungen

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1 CityGML-Toolchain Streaming und performante Visualisierung großer virtueller Stadtmodelle für 3D-Fachanwendungen Gerrit HOVEN, Gerhard JUEN, Ulrich KAISER und Andreas STEFFENS 1 Ausgangssituation Immer mehr Kommunen besitzen große virtuelle 3D-Stadtmodelle und wollen sie verwaltungsintern nutzen oder über das Internet der Öffentlichkeit präsentieren. Einer Veröffentlichung über Google Earth stehen Bedenken des Deutschen Städtetages entgegen (DEUT- SCHER STÄDTETAG 2008). Eine andere Möglichkeit ist Bing Maps 3D, wo bislang jedoch nur wenige 3D-Modelle deutscher Städte zu finden sind. Da bei der Veröffentlichung von Modellen in Google Earth oder Bing gut dokumentierte Formate (KML/Collada, OBJ) verwendet werden, verlieren die Kommunen z. T. die Kontrolle über die Nutzung ihrer Modelle. Ein Transport sensibler Semantikdaten ist über diesen Weg nicht möglich. Darüber hinaus führen textbasierte Formate (KML/Collada) zu großen Datenmengen, deren Übertragung Zeit kostet und deren anschließende Aufbereitung für die Visualisierung den Arbeitsplatzrechner stark auslastet. Daraus resultieren für den Benutzer hohe Wartezeiten und eine oft stockende Bedienung. Auch auf gut ausgestatteten Rechnern verbleiben wenig Ressourcen für eine mit der Visualisierung verknüpfte Fachanwendung. Auf die Frage, wie Kommunen mit ihren Stadtmodellen im Internet vielleicht sogar Geld verdienen können, gibt es bislang keine Antwort. Aus Gesprächen mit Kommunen, z. B. aus der Kooperation ruhr3.de, lässt sich eine Reihe von Anforderungen an die Veröffentlichung von und die Arbeit mit solchen Stadtmodellen ableiten. Um viele Endbenutzer zu erreichen, müssen diese Modelle, die immer umfangreicher werden, effizient über Internet/Intranet verteilt werden. Neben einer Visualisierung sollen neue Anwendungen auf Stadtmodellen sowie eine Einbindung von Stadtmodellen in bereits existierende Anwendungen einfach möglich sein, und zwar sowohl für Anwendungen innerhalb der kommunalen Verwaltung als auch für die Öffentlichkeit. Modellvarianten müssen einfach zu handhaben sein. Ein wichtiger Aspekt ist außerdem der Schutz der Modelle: Modelldaten, die über das Internet verteilt werden, sollen nur von den Anwendungen gelesen werden können, für die sie bestimmt sind. 2 Ziele Vor dem oben skizzierten Hintergrund entstand am Standort Bocholt der Fachhochschule Gelsenkirchen das Projekt CityGML-Toolchain. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung von Werkzeugen, mit denen große texturierte 3D-Stadtmodelle, die im Format CityGML (CITYGML 2008) vorliegen, geeignet aufbereitet werden, um sie anschließend mit statio-

2 978 G. Hoven, G. Juen, U. Kaiser und A. Steffens Abb. 1: Schnittstelle zwischen Darstellungsmodul und Fachanwendung nären und mobilen Endgeräten aus dem Internet zu laden und bereits während der Übertragung performant darzustellen. Die Darstellungsmodule besitzen eine leistungsfähige Schnittstelle zur Einbindung in andere Anwendungen. Diese bietet den Zugriff auf die geometrischen und semantischen Daten des Modells. Darüber hinaus können bei der Darstellung des Stadtmodells weitere Einzelobjekte, wie z. B. Gebäude, Bäume oder Autos frei platziert werden. Auf Basis dieser Schnittstelle können Fachanwendungen auf 3D-Stadtmodellen entwickelt werden, ohne dass hierzu spezielle Kenntnisse der Grafikprogrammierung notwendig sind (Abb. 1). Im nächsten Schritt soll die CityGML-Toolchain zu einer Webplattform ausgebaut werden, die 3D-Stadtmodelle und (Fach-)Anwendungen zusammenbringt. 3 Module Die im Rahmen der CityGML-Toolchain entwickelten Werkzeuge lassen sich in die Kategorien Aufbereitung, Visualisierung und Verteilung einordnen. 3.1 Aufbereitung Am Eingang der Toolchain werden vorzugsweise Modelle im Format CityGML erwartet, wobei auch Modelldaten aus Geodatenbanken, ESRI-Shapefile, Google SketchUp und VRML eingelesen werden können. Semantikdaten, wie beispielsweise eine Kataster-ID, können in CityGML enthalten sein oder in Form zusätzlicher Dateien eingebracht werden. Bevor diese Modelle verteilt und dargestellt werden können, müssen sie zunächst aufbereitet werden. Hierzu gehören die Bearbeitung von Modellen durch Hinzufügen/Entfernen von Teilmodellen, die Modifikation von Modellausschnitten mit externen Werkzeugen (z. B. Google SketchUp) sowie die Überprüfung auf Modellfehler.

3 CityGML-Toolchain 979 Neben einfachen Geometriefehlern, wie falsch orientierten Flächen, enthalten die bislang aufbereiteten Modelle auch semantische Fehler, wie z. B. eine nicht sinnvolle Gruppierung von Flächen zu Buildings. Dies hat zwar keine unmittelbare Auswirkung auf die Visualisierung, ist aber für spätere Fachanwendungen in der Regel nicht akzeptabel. Die Überprüfung erfolgt u. a. durch eine Modellaufbereitung mit thematischer Einfärbung der Modellelemente (z. B. alle Dächer rot ), bei der solche Fehler bei der Betrachtung sofort auffallen. Im letzten Aufbereitungsschritt wird das hochperformante Compact City Format (CCF) erzeugt, ein Streaming- und Darstellungsformat, das sowohl die Geometrie- als auch die Semantikdaten des Originalmodells enthält. Großflächige Modelle werden gekachelt, damit bei der Darstellung gezielt Kacheln im Sichtbereich geladen werden können. Geometriedaten werden durch Tesselierung so aufbereitet, dass sie ohne aufwändige Verarbeitungsschritte auf den Endgeräten direkt in die Grafikkarte kopiert werden können. Um die Zahl zeitintensiver Texturwechsel in der Grafikkarte gering zu halten, werden Texturen nach Möglichkeit zu Atlastexturen zusammengefasst. Hinsichtlich der Semantikdaten wird zwischen statischen und dynamischen Daten unterschieden. Statische Daten, wie z. B. Objektschlüssel für Gebäude oder Adressdaten, werden bei der Konvertierung fest in das CCF integriert und können von einer Anwendung gelesen, aber nicht verändert werden. Dynamische Daten können von einer Fachanwendung bei Bedarf aus den entsprechenden Datenbanken über den Objektschlüssel abgefragt und ggf. auch verändert werden. Verschiedene Anwendungen haben unter Umständen unterschiedliche Anforderungen an die Modelle, was den Detaillierungsgrad für die Darstellung und den Umfang der Semantikdaten betrifft. Aus einem Originalmodell können daher mehrere CCF-Modelle mit verschiedenen Texturauflösungen, Kachelgrößen und Semantikdaten für die Verwendung in bestimmten Fachanwendungen und/oder für bestimmte Endgeräte (Desktop-PC oder mobiles Endgerät) generiert werden. Die CCF-Modelle können bei Bedarf verschlüsselt werden, sodass das Originalmodell nicht mehr zurückgewonnen werden kann, wodurch eine wichtige Anforderung der Kommunen nach dem Schutz der Modelle erfüllt wird. Einzelne Aufbereitungsschritte können zu einer Verarbeitungskette zusammengesetzt werden, die bei Bedarf automatisch angestoßen wird, wenn eines der Quellmodelle aktualisiert wird. 3.2 Visualisierung Der CityViewer ist das Darstellungsmodul der CityGML-Toolchain. Es gibt ihn sowohl für stationäre als auch für mobile Endgeräte. Eine Browserversion für den Internet Explorer und den Mozilla Firefox ermöglicht die Einbindung in Webanwendungen. Darüber hinaus existieren spezielle Varianten des CityViewers, z. B. für eine stereoskopische Darstellung, für eine auf mehrere Bildschirme verteilte Panoramaansicht sowie für synchrones Navigieren durch ein Stadtmodell an mehreren örtlich verteilten Endgeräten. Letztere Variante kann beispielsweise für die Entwicklung einer Anwendung zur Koordination von Einsatzkräften vor Ort im Rahmen des Katastrophenmanagements eingesetzt werden.

4 980 G. Hoven, G. Juen, U. Kaiser und A. Steffens 3.3 Verteilung Der CityViewer kann CCF-Modelle sowohl von einem lokalen Datenträger als auch aus dem Internet laden. Die Verteilung von CCF-Modellen im Internet erfolgt über Webserver, die sich mithilfe einer verteilten Verzeichnisstruktur zu einem Modellverzeichnis verbinden lassen. Dieses realisiert eine hierarchische Modellstruktur, ähnlich der Organisation von Dateien in einem Dateisystem (Abb. 2). Ein Modellverzeichnis kann sowohl im Internet für jedermann sichtbar sein, als auch im Intranet einer Kommune zur Organisation nicht öffentlicher Modelle verwendet werden. 4 Projektstatus Abb. 2: Modellverzeichnis im CityViewer Der CityViewer für Desktop-PCs oder Laptops kann von der Projekt-Webseite ( zur freien Nutzung heruntergeladen werden. Er zeigt neben CityGML-Testmodellen von SIG 3D insbesondere Modelle von Kommunen aus der Initiative ruhr3.de. Die freie Version des CityViewers hat keinen Zugriff auf Semantikdaten. Das bislang größte Modell, ein 2,1 GB großes CityGML-Modell (davon 800 MB Texturen) mit einer Ausdehnung von 13 km 15 km, wird über eine Standard-DSL-Leitung (6 MBit/s) zügig geladen und angezeigt. Dabei bleibt die CPU-Last auch auf einem handelsüblichen Standard-PC gering, was ein flüssiges Navigieren erlaubt und Platz für Fachanwendungen lässt. In einer ersten Pilotanwendung hat eine Kommune die Browserversion des CityViewers unter Verwendung der Schnittstelle für Fachanwendungen in die Webanwendung MapGuide integriert, um ihr 3D-Stadtmodell im verwaltungsinternen Intranet einem geschlossenen Benutzerkreis zur Verfügung zu stellen.

5 CityGML-Toolchain 981 Abb. 3: Stuttgarter Stadtmodell im CityViewer (3D-Stadtmodell: Landeshauptstadt Stuttgart, Stadtmessungsamt, 2008) 5 Modelle treffen Fachanwendungen Die Werkzeuge der CityGML-Toolchain sind die Basis für eine in Planung befindliche webbasierte 3D-Modell- und Anwendungsplattform (3D-MAP), die Modelleigner, Anwendungsentwickler und Anwender zusammenbringen soll. Modelleigner können mithilfe der Plattform Stadtmodelle oder auch einzelne Architekturmodelle in das CCF konvertieren und mit dem CityViewer darstellen. Anwendungsentwicklern bietet die Plattform die Möglichkeit, auf Basis des CityViewers bestehende Anwendungen um eine 3D-Ansicht zu erweitern sowie neue Anwendungen zu entwickeln, die im Idealfall auf allen durch die Plattform verwalteten Modellen lauffähig sind. Umgekehrt stehen für ein neues Modell unmittelbar alle Anwendungen der Plattform zur Verfügung, wenn es die hierzu notwendigen semantischen Daten enthält. Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist eine Software zur Unterstützung der Vermarktung von Bauvorhaben. Sie ermöglicht die Platzierung von Architekturmodellen innerhalb eines Stadtmodells, sodass sich potenzielle Interessenten ein Bild des Bauvorhabens im tatsächlichen Stadtumfeld machen können.

6 982 G. Hoven, G. Juen, U. Kaiser und A. Steffens Danksagung Die Arbeiten an der CityGML-Toolchain sind Teil eines Projekts, das im Rahmen des aus dem EFRE (Europäischer Fond für Regionale Entwicklung) ko-finanzierten Operationellen Programms für NRW im Ziel Regionale Wettbewerbsfähigkeit und Beschäftigung ausgewählt wurde. Literatur CITYGML (2008): OpenGIS City Geography Markup Language (CityGML) Encoding Standard. ( ). DEUTSCHER STÄDTETAG (2008): Google Earth und 3D-Stadtmodelle. ( ).