Techniken und Strategien der Visualisierung komplexer 3D-Geodaten

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1 12. Münchner Fortbildungsseminar Geoinformationssysteme 14. bis 16. März 2007 an der TU München Techniken und Strategien der Visualisierung komplexer 3D-Geodaten Döllner, Jürgen, Prof. Dr. Hasso-Plattner-Institut an der Universität Potsdam Helmert-Str Potsdam Tel.: Fax:

2 Zusammenfassung Die wachsende Zahl vielschichtiger, heterogener 2D- und 3D-Geoinformationsbestände und der Ausbau von Geodateninfrastrukturen werfen für die Verwaltung, Wirtschaft und Wissenschaft die Frage auf, wie diese Datenbestände und Infrastrukturen integrativ genutzt und wirkungsvoll, aufgabenorientiert kommuniziert werden können. Die Visualisierung komplexer 2D- und 3D-Geodaten stellt hierfür ein umfassendes Repertoire an Techniken und Strategien bereit, die interaktive Schnittstellen zu Geodaten und Geodateninfrastrukturen schaffen. Virtuelle 3D-Stadtmodelle und 3D-Landschaftsmodelle bieten Werkzeuge für das Management komplexer Geoinformationen, die die Visualisierung von großen und größten Mengen von Geodaten in Echtzeit leisten und zu deren interaktiven Exploration, Analyse, Editierung und Präsentation dienen. Komplexe 3D-Geodaten und ihre Visualisierung Das zunehmende Angebot an Geoinformationen, das insbesondere durch Geodateninfrastrukturen und Web-Services zur Verfügung steht, wirft die Frage auf, wie dieses Potential für Anwendungen und Systeme in Wirtschaft, Wissenschaft und Verwaltung erschlossen werden kann. Mit Blick in die Zukunft lautet daher die Frage weniger Wie stellen wir unsere Geodaten bereit?, sondern Wie setzen wir die vielschichtige Masse an verfügbaren Geoinformationen in IT-Lösungen produktiv ein?. Es muss heute überlegt werden, wie aus den einzelnen Geoinformationsangeboten komplexe Geoinformationsräume hergestellt und wie diese gezielt konfiguriert und aufgabenunterstützend eingesetzt werden können. Betrachten wir allgemein Voraussetzungen für den nachhaltigen und produktiven Einsatz von Geoinformationen, so lassen sich diese in folgende Kategorien einordnen: 1. Auffindbarkeit über Metadaten und Datenhandelsplattformen 2. Wirtschaftlichkeit und angemessene Geschäftsmodelle 3. Verfügbarkeit in Hinblick auf Quantität und Qualität der Geodaten 4. Verarbeitbarkeit und Interoperabilität 5. Integrierbarkeit zu komplexen Informationsbeständen; Veredlung 6. Nutzbarkeit durch den Anwender über Benutzungsschnittstellen 7. Kontrollierbarkeit im Sinne von Urheberrecht und Datenschutz Besitzen die Kategorien 1, 2, 3 und 7 eine eher organisatorische und rechtliche Dimension, stellen sich für die Kategorien 4, 5 und 6 konzeptionelle und technische Fragen sie bilden den Hauptgegenstand dieses Beitrags. Ein Schlüssel zur Lösung liegt in der Visualisierung komplexer 3D-Geodaten. Visualisierung bezeichnet allgemein die gezielte Vermittlung von Daten an den Menschen mit dem Zweck der Einsichtsgewinnung. Einen Überblick über Grundlagen und Konzepte der Visualisierung von 3D-Geoinformationen geben Wood et al. (2005). Die Integration von Geodaten auf Visualisierungsebene, im Gegensatz zur Integration auf Format-, Datenbank- oder Service-Ebene, bietet eine Reihe von Vorteilen, da sie auf verteilte, heterogene, wechselnde Geodatenbestände besser anwendbar ist sowie ausgereifte und klar abgegrenzte Techniken und Strategien besitzt. Leistungsstarke Visualisierungsmetaphern sind dabei virtuelle 3D-Stadtmodelle und 3D-Landschaftsmodelle. J. Döllner: Techniken und Strategien der Visualisierung komplexer 3D-Geodaten 2

3 Virtuelle 3D-Stadtmodelle und 3D-Landschaftsmodelle Eine herausragende Möglichkeit zur Verarbeitung, Integration und Nutzung von komplexen Geoinformationen bieten virtuelle 3D-Stadtmodelle und 3D-Landschaftsmodelle. Diese virtuellen 3D-Raummodelle bieten eine konzeptionell und technisch einheitliche Integrationsplattform für komplexe 2D- und 3D-Geodaten. Als ausgezeichnete Formen geovirtueller Umgebungen verfügen sie über Funktionalität zur Integration, Exploration, Analyse, Editierung und Präsentation von 2D- und 3D-Geodaten. Abbildung 1 zeigt Ausschnitte aus dem 3D-Stadtmodell von Chemnitz. Abb. 1: 3D-Stadtmodell Chemnitz (Quelle: VirtualCitySystems, 3D Geo und HPI). Wesentliche Anwendungsfelder von virtuellen 3D-Stadtmodellen und 3D-Landschaftsmodellen liegen u. a. in folgenden Bereichen: - Geodaten-Management, -Erstellung, -Veredlung und -Distribution - Stadtentwicklung, Stadtumbau und Stadtplanung - Investorenberatung, Standortmarketing, Tourismus und Immobilien-Management - Katastrophen-, Sicherheits- und Umweltmanagement - Fachanwendung in der Telekommunikation, Versorgung und Logistik - egovernment-portale Integration von Geodaten Für Geodaten lassen sich konzeptionell grundsätzlich folgende Formen der Integration unterscheiden: 1. Integration auf Datenebene Geodaten werden physisch in einen gemeinsamen Datenbestand überführt. 2. Integration auf Modellebene Geodaten werden konzeptionell, z. B. durch gemeinsame Schemata, in Beziehung gesetzt. 3. Integration auf Dienstebene Geodaten werden über standardisierte Web-Services (z. B. WMS, WFS, W3DS u.a.) verfügbar und damit in Verarbeitungsketten integrierbar und interoperabel nutzbar. 4. Integration auf Visualisierungsebene Geodaten werden durch Visualisierungsverfahren in einer geovirtuellen Umgebung integriert; dazu werden die Daten (aus z. B. Dateien, Datenbanken und Services) in grafische Primitive und Verfahren überführt. Die Umwandlung erfolgt im Allgemeinen zur Laufzeit der Visualisierung. Für komplexe Geodaten scheiden Variante 1 und 2 im Allgemeinen aus rechtlichen und organisatorischen Gründen aus. Variante 3 erscheint derzeit als praktisch nutzbares J. Döllner: Techniken und Strategien der Visualisierung komplexer 3D-Geodaten 3

4 Integrationskonzept: Web-Services reduzieren vor allem technische Zutrittsbarrieren aufgrund einheitlicher Schnittstellen und verbessern somit die Verarbeitbarkeit und Interoperabilität. Jedoch stellen sie nicht unmittelbar Konzepte zur Integration komplexer Geoinformationen bereit. Der Vorteil von Variante 4 liegt darin, dass das Visualisierungssystem erst zum Zeitpunkt der tatsächlichen Nutzung ( on-the-fly ) Zuordnungs-, Transformations- und Integrationsaufgaben für die jeweils tatsächlich sichtbaren bzw. angefragten Geodaten ausführen muss. Die Integration auf Visualisierungsebene wird auch dann eingesetzt, wenn aus technischen Gründen (Software-Komplexität, Administration) oder wirtschaftlich-rechtlichen Gründen (Lizenz- und Kostenstrukturen) andere Varianten der Integration ausscheiden. Hinzu kommt, dass schlanke Softwarelösungen mit Variante 4 effizient realisiert werden können. Die Integration komplexer Daten auf Visualisierungsebene bildet einen zentralen Gegenstand in der wissenschaftlichen Arbeit am Hasso-Plattner-Institut. Dabei werden im Bereich der Geoinformationen leistungsfähige innovative Verfahren und Strategien für die Visualisierung komplexer 3D-Geodaten erforscht, die auf Basis des LandXplorer (3D Geo 2007), eines Software-Frameworks für Visualisierung und Verwaltung von Geodaten, umgesetzt und erprobt werden. Im Mittelpunkt stehen Level-of-Detail- und Multiresolutionsdarstellungen für Geometrie und Texturen von Gelände-, Gebäude- und Vegetationsmodellen, photorealistisches und nichtphotorealistisches 3D-Rendering, 3D-Annotationsverfahren, 3D-Web- Services, 3D-Navigations- und Interaktionsverfahren sowie 3D-Projektionstechniken. Abb. 2: CityGML-basierte Gebäudemodell-Exploration (Quelle: HPI). Modellierung komplexer 3D-Geodaten Die Modellierung virtueller 3D-Raummodelle erfolgt visualisierungsorientiert, d. h. sie orientiert sich primär an Aufbau und Struktur geovirtueller Umgebungen. Einen geospezifischen Ansatz zur Modellierung bietet CityGML (Kolbe et al. 2005), das einen einheitlichen Rahmen für Begriffe, Objekte, Attribute und Beziehungen von Komponenten virtueller 3D-Stadtmodelle bereitstellt. CityGML ist konzipiert als system- und anwendungsübergreifende, standardisierte Austauschsprache auf GML- und XML-Basis; die in CityGML eingeführten Objektklassen und Relationen eignen sich grundsätzlich für eine Übertragung auf Datenbankschemata und Visualisierungsdatenstrukturen. Wesentlich am CityGML-Ansatz ist, dass die einzelnen Komponenten von 3D-Raummodellen damit nicht nur standardisiert geometrisch-grafisch repräsentiert werden, sondern auch über Semantik verfügen. Das J. Döllner: Techniken und Strategien der Visualisierung komplexer 3D-Geodaten 4

5 Vorhandensein von Semantik in den 3D-Raummodellen bildet die Voraussetzung für die zukünftige Entwicklung intelligenter Analyse-, Explorations- und Simulationsverfahren. Abbildung 2 zeigt z. B. ein CityGML-Gebäudemodell, das semantik-basiert exploriert wird. Die Modellierung komplexer 3D-Geodaten im Kontext geovirtueller Umgebungen beinhaltet folgende Aspekte: Geländemodelle. Als Grundlage virtuelle 3D-Raummodelle werden hochaufgelöste gitterbasierte oder TIN-basierte digitale Geländemodelle benötigt. Durch Level-of-Detail- Techniken wird die geometrische Komplexität der Geländemodelle für die Visualisierung reduziert. Out-of-Core -Algorithmen stellen hierbei sicher, dass die DGM-Originaldaten effizient von externen Medien gelesen werden, ohne umfänglich in den Hauptspeicher kopiert werden zu müssen. Georeferenzierte Texturen. Sie bilden ein grundlegendes Mittel zur Visualisierung von raumbezogenen 2D-Rasterdaten und 2D-Vektordaten in virtuellen 3D-Raummodellen (Döllner und Baumann 2005). Rasterdaten werden dazu in einer vom DGM unabhängigen Level-of-Detail-Struktur aufbereitet, so dass z. B. Luftbilder mit mehreren 100 GB in Echtzeit visualisierbar sind. 2D-Vektordaten können ebenfalls gleichberechtigt als Informationslayer auf das DGM projiziert werden, wobei deren Rasterisierung sicht- und distanzabhängig in Echtzeit erfolgen kann. Gebäudemodelle. Gebäudemodellen werden in Anlehnung an CityGML wie folgt unterteilt: LOD-1 (Blockmodelle), LOD-2 (einfache Geometrie-Modelle mit Dachformen), LOD-3 (detaillierte Geometrie-Modelle) und LOD-4 (Architekturmodelle mit Innenraummodellierung). Echtzeit-Rendering-Verfahren stellen dabei sicher, dass die Gebäudedarstellung praktisch nicht mehr bzgl. der Geometrie- und Texturmenge limitiert ist (Buchholz und Döllner 2005a). Für die Erfassung der 3D-Ausgangsdaten werden im allgemeinen Laser-Scan- und Photogrammetrie-Verfahren verwendet (Förstner 1999). Umgebungsmodelle. Sie bezeichnen die Modelle des Straßen- und Freiflächenraums und modellieren im allgemeinen Wege, Straßen, Treppen, Mauern, Ufer, Kanäle, etc. LandXplorer verfügt z. B. über das SmartTerrain -Verfahren (Buchholz und Döllner 2006), das aus attributierten 2D-Landschaftsplänen ein 3D-Umgebungsmodell auf Basis von Regeln und einer Heuristik automatisch ableitet (Abb. 3). Vegetationsmodelle. Sie repräsentieren die Vegetation in einem 3D-Raummodell. Ausgangspunkt bildet eine 3D-Pflanzenmodellbibliothek, die Pflanzen in verschiedenen Wachstums- und Jahreszeitzuständen enthält. LandXplorer nutzt diese Ausgangsmodelle in Verbindung mit einem spezialisierten Level-of-Detail-Verfahren, um die resultierende hohe geometrische Komplexität der vegetationsbehafteten Szenen in Echtzeit zu bewältigen (ein einzelnes 3D-Baummodell besitzt mitunter bis Dreiecke). Abb. 3: 2D-GIS-Daten und abgeleitetes 3D-Umgebungsmodell (Quelle: HPI & TU Berlin). J. Döllner: Techniken und Strategien der Visualisierung komplexer 3D-Geodaten 5

6 Zum Import und zur systematischen Verwaltung komplexer 3D-Raummodelle sind Content- Management-Systeme bzw. Autorensysteme erforderlich. Solche Systeme übernehmen die Transformation von Daten in intern verarbeitbare Formate, verwalten Versionen und Varianten der eingestellten Objekte, ermöglichen Abfragen, regeln die grafische Gestaltung und unterstützen die Ausspielung bzw. Weitergabe von Teilmodellen. Hinzu kommen spezialisierte Werkzeuge, z. B. grafische Editoren und Konstruktionsprogramme für die einzelnen Objektklassen (z. B. Gebäude oder Vegetation). Interaktion mit komplexen 3D-Geodaten Neben der Integration von Geoinformationen stellt die Interaktion des Nutzers bei der Visualisierung komplexer 3D-Geodaten eine zentrale Herausforderung dar. Die grundsätzlichen Probleme resultieren hier von den beschränkten Möglichkeiten meist zweidimensional operierender Eingabegeräte (z. B. Standard-Maus) und der zweidimensionalen bildlichen Darstellung der 3D-Szenen. Neue Ansätze in diesem Bereich nutzen insbesondere die Teilautomatisierung der Interaktion. Zur Realisierung wird z. B. ein physikalisch basiertes 3D-Kameramodell zwischen der Verarbeitung der Nutzereingaben und der virtuellen 3D-Kamera geschaltet. Dieses Modell berücksichtigt die räumliche Situation (z. B. Kamera steigt, um einem Hindernis auszuweichen) und den aktuellen Zustand der Kamera (Richtung, Position, Beschleunigung). Somit kann das System frühzeitig Kollisionen erkennen, ungünstige Sichtsituationen vermeiden und Unstetigkeiten in der Navigation des Nutzers ausgleichen (Buchholz et al. 2005b). Weiter können zur Steuerung der 3D-Navigation die inhärenten Navigationseigenschaften der Objekte eines 3D-Raummodells ausgewertet werden, um den Navigationsvorgang aus Nutzersicht teilweise vom System steuern zu lassen. Markiert z. B. der Nutzer ein Hausdach, so kann das System den virtuellen Betrachter auf dem Hausdach für einen Rundumblick positionieren. Aus Nutzersicht wird damit die Eingabe von Navigationskommandos erleichtert und die Navigation beschleunigt. Zur weiteren Strukturierung von komplexen 3D-Raummodellen lassen sich visuelle 3D- Lesezeichen (visual bookmarks) einsetzen, die jeweils durch eine konkrete 3D-Sichtsituation und 3D-Position bestimmt sind. Zwischen einzelnen 3D-Lesezeichen kann das System automatisch hin- und hernavigieren. So lassen sich z. B. Filmsequenzen planen, in dem die Schlüsseleinstellungen mit 3D-Lesezeichen erfasst und die Bildfolge durch Interpolation dieser 3D-Lesezeichen berechnet wird. Nutzbarmachung komplexer 3D-Geodaten 3D-Visualisierung besitzt ein großes Potential für die verbesserte Nutzbarmachung komplexer 3D-Geodaten. In einer Vielzahl von IT-Anwendungen und -Systemen werden nicht notwendigerweise die Geodaten selbst, sondern nur ihre Visualisierung benötigt. Hier bieten leistungsstarke Echtzeit-Visualisierungsverfahren die Chance, neuartige Web-Services und Web-Clients zu realisieren, die selbst größte 3D-Raummodelle sowohl nutzer- und aufgabengerecht wie auch technisch barrierefrei kommunizieren. In Geodateninfrastrukturen sind datenorientierte Web-Services etabliert, wie z. B. Web-Map-, Web-Feature- oder Web-Coverage-Services. Auf Basis dieser elementaren Web-Services wurde im Rahmen der OGC-Initiative OWS-4 im Bereich CAD/GIS/Building-Information- Modells vom HPI ein erster vollständig service-basierter 3D-Visualisierungs-Client entwickelt, der durch Import aus datenorientierten OGC-Services eine vollständige J. Döllner: Techniken und Strategien der Visualisierung komplexer 3D-Geodaten 6

7 geovirtuelle Umgebung aufbaut. Mit diesem Client wird die Konstruktion komplexer 3D- Raummodell auf Basis verteilter CityGML-, GIS-, CAD- und BIM-Daten innerhalb einer einzigen Anwendung und Benutzungsschnittstelle ad hoc möglich. Für den barrierefreien und mobilen Zugriff sind derzeit am HPI 3D-Web-Services in Entwicklung, die neben den reinen Bilddaten im Sinne des Web-Perspective-View-Service zusätzliche Informationsebenen im Bild kodieren sowie Web-Services, die eine komplexe geovirtuelle 3D-Umgebung serverseitig vollständig on-demand rendern und die resultierende Bildfolge über Streaming an eine leichtgewichtige Client-Anwendung (z. B. auf mobilen Geräten) komprimiert als Video-Stream übertragen. In Verbindung mit einer intelligenten Interpretation von skizzenhaften Eingaben des Nutzers wird damit eine semi-interaktive, mobile Nutzung komplexer 3D-Raummodelle auf Client-Server-Basis möglich. Für die Nutzbarmachung und Gebrauchstauglichkeit ist darüber hinaus zu klären, wie komplexe 3D-Raummodell auf kleinen Bildschirmen (z. B. Displays mobiler Geräte) optimal dargestellt werden können und wie ein Nutzer bei entsprechend eingeschränkten Eingabemöglichkeiten mit ihnen interagieren kann. Besondere Techniken, z. B. 3D- Illustration und 3D-Generalisierung, werden in einem Forschungsvorhaben zum Thema nichtphotorealistische Darstellung geovirtueller Umgebungen derzeit angegangen. Eine weitere Form der Weitergabe und Nutzbarmachung komplexer 3D-Geodaten besteht darin, sie als selbstausführende Visualisierungsanwendung ( Black-Box ) aufzubereiten. Ein 3D-Raummodell wird hierfür mit dem 3D-Viewer gebündelt, der eine Auswahl an Analyseund Explorationsfunktionen bereitstellt und die zugehörigen Geodaten in komprimierter, verschlüsselter und aufbereiteter Form vollständig enthält. Der 3D-Viewer mit einem fest eingebauten 3D-Modell wird so zum intelligenten Geodaten-Container, dessen Inhalt, Öffnungsgrad und Funktionalität vom jeweiligen Hersteller bzw. Autor festgelegt werden kann. Die Weitergabe und Personalisierung von komplexen Geoinformationen werden damit gezielt und kontrollierbar möglich. Ein Beispiel dieser Strategie bieten interaktive 3D- Stadtpläne auf Basis virtueller 3D-Raummodelle (Abb. 4). Abb. 4: Interaktiver 3D-Stadtplan von München (Quelle: RSS Remote Sensing Solutions München). J. Döllner: Techniken und Strategien der Visualisierung komplexer 3D-Geodaten 7

8 Konkret lassen sich für jede einzelne Modellkomponente eines 3D-Raummodells Einschränkungen und Bedingungen für die Nutzung festlegen, die die Freiheitsgrade während der Nutzung des Objekts festlegen. Technisch beruht das DRM einerseits auf spezialisierte DRM-Komponenten (z. B. Navigation Constraints), andererseits auf Zugriffsrechten in jeder einzelnen Modellkomponente (z. B. An- und Abschaltbarkeit eines Präsentationsobjekts, die Fähigkeit, neue Objekte in ein existierendes 3D-Raummodell einfügen zu können, u. a.). Die Rechtevergabe erfolgt zudem hierarchisch, so dass für Gruppen von Objekten einheitlich Rechte vorgegeben werden können, die partiell bei den Kindobjekten überschrieben werden können. Ausblick Mehrwerte in Geoinformationen zu erschließen, geschieht nicht allein durch breite Verfügbarkeit und interoperable Dienste. Neue Konzepte und Strategien für komplexe 3D- Geodaten, deren Integration auf der Ebene der Visualisierung und die interaktive und barrierefreie Nutzbarmachung sind notwendig. Virtuelle 3D-Stadtmodelle und 3D- Landschaftsmodelle erweisen sich dabei als leistungsstarke Ansätze, die in einer Fülle von Anwendungsfeldern die Integration und Nutzung effektiv ermöglichen. Beispielhaft wurden die dazu notwendigen Visualisierungsverfahren und -strategien in einem Rahmensystem realisiert, das in einer Vielzahl von Anwendungen in Verwaltung, Wirtschaft und Wissenschaft eingesetzt wird. Im operativen Betrieb befindet sich diese Technologie seit kurzem im Business Location Center (Berlin Partner GmbH) der Stadt Berlin, wo auf Grundlage des amtlichen 3D-Stadtmodells von Berlin komplexe 2D- und 3D-Geodaten eingebunden und für Investorenberatungsprozesse genutzt werden. Die Forschung im Bereich 3D-Geovisualisierung konzentriert sich in den nächsten Jahren verstärkt auf Aspekte der automatischen Prozessierung von Geoinformationen, einer erweiterten Modellbildung und neuen Formen der Visualisierung und Interaktion. Das HPI hat dazu seit 2006 eine Forschergruppe 3D-Geoinformationen am Hasso-Plattner-Institut an der Universität Potsdam, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des InnoProfile-Programms, eingerichtet; nähere Informationen dazu finden sich unter Literatur 3D Geo (2007): LandXplorer Studio Software System, H. Buchholz, J. Döllner, L. Ross, B. Kleinschmit (2006): Automated Construction of Urban Terrain Models. In: Progress in Spatial Data Handling, 12th International Symposium on Spatial Data Handling, Springer 2006, pp H. Buchholz, J. Döllner (2005a): View-Dependent Rendering of Multiresolution Texture-Atlases. Proceedings of the IEEE Visualization 2005, Minneapolis, Okt. 2005, pp H. Buchholz, J. Bohnet, J. Döllner (2005b): Smart Navigation Strategies for Virtual Landscapes. In: Buhmann/Paar/Bishop/Lange (Hrsg.): Trends in Real-Time Visualization and Participation, Wichmann, Heidelberg, pp J. Döllner, K. Baumann (2005): Geländetexturen als Mittel für die Präsentation, Exploration und Analyse komplexer räumlicher Informationen in 3D-GIS. In: A. Zipf, V. Coors (Eds.). 3D- Geoinformationssysteme, Wichmann Verlag, pp W. Förstner. (1999): 3D City Models: Automatic and Semiautomatic Acquisition Methods. Proceedings Photogrammetric Week, University of Stuttgart, pp T. H. Kolbe, G. Gröger, L. Plümer (2005): CityGML Interoperable Access to 3D City Models. In: Proceedings of the First International Symposium on Geo-Information for Disaster Management, Springer Verlag. J. Wood, S. Kirschenbauer, J. Döllner, A. Lopes, L. Bodum (2005): Using 3D in Visualization. In: Dykes/MacEachren/Kraak (Hrsg.): Exploring Geovisualization. Elsevier Amsterdam, Chapter 14, pp J. Döllner: Techniken und Strategien der Visualisierung komplexer 3D-Geodaten 8