SOUNDLANDSCAPE GIS BASIERTE LANDSCHAFTSVISUALISIERUNG MIT INTEGRATION VON AKUSTISCHEN EMISSIONEN VON WINDTURBINEN. Leitung.

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1 SOUNDLANDSCAPE GIS BASIERTE LANDSCHAFTSVISUALISIERUNG MIT INTEGRATION VON AKUSTISCHEN EMISSIONEN VON WINDTURBINEN Verfasserin Madeleine Manyoky Leitung Prof.Dr. Adrienne Grêt Regamey Prof. Dr. Hilmar Ingensand Betreuung Dr. Ulrike Wissen Hayek Masterarbeit in Geomatik und Planung, Januar 2011 Institut für Raum und Landschaftsentwicklung (IRL) Professur für Planung von Landschaft und Urbanen Systemen (PLUS) Eidgenössische Technische Hochschule Zürich

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3 VORWORT Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen der Masterarbeit am Institut für Raum und Landschaftsentwicklung IRL, an der Professur für Planung von Landschaft und Urbanen Systemen PLUS der ETH Zürich. Anstoss für diese Arbeit war die Untersuchung der Einsetzbarkeit eines interaktiv akustischen Simulationstools in der Raumplanung, welches die Geräuschkulisse von Windturbinen in eine interaktive 3D Landschaftsvisualisierung integriert. Es besteht eine steigende Nachfrage an 3D Visualisierungen von GIS Daten in der Raumplanung, was für die Kommunikation zwischen den relevanten Akteuren in der Planung von Bedeutung ist und somit ein interessantes Anwendungsgebiet darstellt. Dies erschien mir Grund und Motivation genug, meine Masterarbeit in diesem Themenbereich zu schreiben und mich näher mit den dahinterstehenden Aspekten zu befassen. Diese Arbeit beinhaltet visualisierungstechnische wie auch raumplanerische Aspekte. Während der 16 wöchigen Arbeit konnte ich auf die Unterstützung zahlreicher Personen vom PLUS zählen. Ich möchte deshalb allen Personen, die mir mit hilfreichen Ratschlägen und Anregungen sowie mit zur Verfügung gestellten Unterlagen zur Seite gestanden sind, herzlich danken. Ein spezieller Dank richte ich an dieser Stelle an folgende Personen: An Prof. Dr. Adrienne Grêt Regamey für die Zurverfügungstellung der Materialien und des Arbeitsplatzes sowie für das Ermöglichen dieser Arbeit An meine Betreuerin Dr. Ulrike Wissen Hayek für die Leitung, Organisation und Betreuung der Masterarbeit. Sie war stets bereit, mich bei Problemen mit Lösungsvorschlägen zu unterstützen und hat mich während dem Semester kompetent begleitet An Thomas Klein für die grosse Hilfsbereitschaft und die fachliche Kompetenz An James Melsom für die hilfreichen Tips und die angenehme institutsübergreifende Zusammenarbeit An Kurt Heutschi für die hilfreiche Unterstützung bei Fragen bezüglich Schallwellenausbreitung An Peter Schwer für die wichtigen Informationen bezüglich Windturbinen und WindPro An Chris Wright und Marwin Hamers für die prompte Unterstützung bei Fragen bezüglich der CryEngine. An Samuel Rink für die grosse Hilfsbereitschaft und das Redigieren An meine Kommilitonen des Studiengangs Geomatik und Planung, deren Ansätze, Motivation und Ideen hilfreiche Ergänzungen bildeten An meine Büromitarbeiter vom Fachbereich Planung von Landschaft und Urbanen Systemen am IRL für die angenehme Arbeitsatmosphäre und die wertvollen Inputs An meine Familie und meine Freunde für die Durchsicht des Berichtes und die stetige Unterstützung I

4 ZUSAMMENFASSUNG Geplante Windparks erzeugen oft Konflikte mit bestehenden Nutzungen wie auch mit verschiedenen Interessen und Ansprüchen. Signifikante Faktoren bei der Entscheidung, ob eine Windkraftanlage akzeptiert oder abgelehnt wird, sind die Bewertung der visuellen Landschaftsbeeinträchtigung und die Geräusche, welche durch die rotierenden Turbinen verursacht werden. Bestehende Planungsinstrumente wie zweidimensionale Karten, 3D Landschaftsvisualisierungen oder Daten über Lärmpegel der Turbinen können diese Faktoren noch nicht genügend in die Standortevaluation integrieren. Daher steigt die Nachfrage nach visuell akustischen Simulationstools, um die Kommunikation zwischen den beteiligten Akteuren im Planungsprozess zu erleichtern. Ziel des Projekts ist deshalb, eine visuell akustische Simulation zu entwickeln, die realistische Geräuschentwicklungen der Windturbinen in interaktive, GIS basierte 3D Landschaftsvisualisierungen integriert. Zudem soll die Auswirkung der Geräusche von Windturbinen auf die Landschaftsbildbewertung bei Einsatz dieses Tools ansatzweise geprüft werden. Das Projekt umfasst drei Phasen: (1) Evaluation von aktuellen Softwarepaketen zur interaktiven, GIS basierten 3D Landschaftsvisualisierung von Windparks sowie der Integration von Sound. Das Ergebnis ist ein Workflow zur effizienten Integrierung von GIS Daten und Sound in ein interaktiv akustisches Visualisierungstool. (2) Umsetzung des Workflows und Erarbeitung eines visuell akustischen Simulationstools. (3) Evaluation des entwickelten Simulationstools hinsichtlich der Wirkung auf den Nutzer bei der Landschaftsbildbewertung. Basierend auf der Evaluation aktueller Visualisierungstools hinsichtlich der Integrierbarkeit von Sound in GISbasierte 3D Landschaftsvisualisierungen, wurde eine GameEngine als Software für die Implementierung des Workflows ausgewählt. GameEngines sind für die Entwicklung von Computerspielen programmiert und lassen Spieler einen hohen Grad des Eintauchens in eine Szene virtueller Realität erfahren. Sie weisen Stärken in physikalischen Modellierungstechniken auf, wie die Bewegung von Ästen und Blätter in Abhängigkeit von der einstellbaren Windstärke, im Detaillierungsgrad der Landschaftsvisualisierung sowie in der Integration von Effekten wie Schattenwurf und Geräuschen, die an Objekte geknüpft sind. Diese Eigenschaften machen GameEngines als Software zur Erstellung von 3D Landschaftsvisualisierungen für die Raum und Landschaftsplanung sehr interessant. Für die Erstellung des Prototyps wurde der Windpark Mont Crosin im Berner Jura mit dem Sandbox Editor der CryEngine vom Spielentwicklungsunternehmen Crytek GmbH modelliert. Der erstellte Prototyp ist eine 3D Landschaftsvisualisierung mit einem hohen visuellen Realitätsgrad, dessen Grundmodell auf einem digitalen Höhenmodell (DHM) sowie einem Orthophoto basiert. Diesem Grundmodell wurden weitere 3D Objekte von Landschaftselementen wie Vegetation sowie animierte 3D Modelle von Windturbinen entsprechend den Koordinaten ihrer realen Standorte hinzugefügt. Audioaufnahmen der Windturbinenimmissionen am Mont Crosin dienten als Basis für die Soundimplementierung. Anhand eines physikalischen Schallausbreitungsmodells werden Lautstärkewerte berechnet und mit einer Soundmodifikation in die Visualisierung integriert. An einem beliebigen Ort in der Visualisierung können somit die berechneten realitätsnahen Bedingungen erfahren werden. Die anschliessende Befragung einer Testgruppe von 100 Personen gibt darüber Aufschluss, wie die Integrierung von Sound in 3D Visualisierungen auf den Benutzer wirkt. Dabei wurde die Auswirkung der Geräusche von Windturbinen auf die Landschaftsbildbewertung untersucht. Eine Demonstration der erstellten Landschaftsvisualisierung wurde der Testgruppe einmal mit und einmal ohne Geräusche vorgeführt. Die Hypothese, dass Teilnehmer das Landschaftsbild ohne Sound anders als mit Sound bewerten, wurde mit der durchgeführten Evaluation bestätigt. Zudem ist eine Tendenz erkennbar, dass die visualisierte Landschaft II

5 ohne Sound positiver bewertet wird als mit Sound. Diese Aussage muss jedoch differenziert betrachtet und anhand weiterer statistischer Auswertungen überprüft werden. Die Auswertung der Evaluation zeigt auf, dass für solche Untersuchungen zur Landschaftsbildbewertung geeignet erscheint und liefert durch ihr breites Antwortspektrum wertvolle Informationen zur Optimierung und Weiterentwicklung von sowie der potenziellen Einsetzbarkeit. Der Einsatz von GameEngines für GIS basierte Landschaftsvisualisierungen ist neu. Der Prototyp zeigt das grosse Potenzial des Ansatzes zur Soundimplementierung mit Hilfe von GameEngines. Der Mehrwert von liegt in der möglichen Interaktivität im Modell, dem hohen Detaillierungsgrad der Objekte in der Visualisierung und der Möglichkeit zur Integration von eigenen Audiodateien. Mit Sound LandScape ist es möglich, sich frei zu bewegen, die Gehgeschwindigkeit anzupassen oder sogar durch das Modell zu fliegen. Der Benutzer kann sich zu jeder Zeit an einen beliebigen Ort in der Landschaftsvisualisierung begeben und dort die visuelle und akustische Situation erkunden. Auch die Beleuchtung und Lichtverhältnisse können interaktiv verändert werden, wodurch die Anlagen auch bei Nacht betrachtet werden können. Die Umsetzbarkeit von weiteren interaktiven Aspekten wie einstellbare Rotorumdrehungen, Windrichtungs und Geschwindigkeitsänderungen ist mit diesem Ansatz gegeben. GameEngines ermöglichen es also, eine Landschaftsvisualisierung basierend auf GIS Daten zu erstellen und Sound basierend auf physikalischen Eigenschaften möglichst realitätsnah zu integrieren. Eine Weiterverwendung und Weiterentwicklung dieses Ansatzes für visuell akustische 3D Landschaftsvisualisierungen ist demnach sinnvoll. Die Einsetzbarkeit von GameEngines bei GIS basierten Visualisierungen mit zusätzlicher Soundimplementierung bedeutet eine grosse Chance für die Landschaftsvisualisierung. Um die Visualisierung und Soundimplementierungsmethodik weiter zu entwickeln und die Einsetzbarkeit der visuell akustischen 3D Visualisierung als Bewertungsinstrument zu optimieren, wäre es naheliegend, weitere Testgebiete detaillierter und umfassender zu visualisieren. Die in dieser Arbeit gezeigte Methode der Landschaftsvisualisierung mit integrierten Schallimmissionen bietet ein grosses Potenzial, welches für die Raumplanung nützlich ist. III

6 INHALTSVERZEICHNIS 1 Einleitung Ausgangslage Ziel der Arbeit Vorgehensweise Stand der Forschung Forschungsprojekte Softwareevaluation für 3D Landschaftsvisualisierungen von Windparks Diskussion und Schlussfolgerung Workflow Erstellung der Interaktiv akustischen 3D Visualisierung Visualisierungsgebiet Mont Crosin Benötigte Daten für die Landschaftsvisualisierung Verwendete Softwarepakete Umsetzung Prinzip Navigation durch die Landschaft Visualisierung von GIS Daten Textur Objekte der Landschaft Himmel und Wolken Lichtverhältnisse Windturbine Animation Implementierung von Sound Theorie Schallwellenausbreitung Schallimmissionen von Windkraftanlagen Geometrie der Schallausbreitung Vereinfachte Schallausbreitungsberechnung für den Mont Crosin Evaluation von Evaluation Theorie zur Repräsentativen Umfrage Eigenschaften von Fragen Struktur des Fragebogens Evaluation Umfrage zur Landschaftsbildbewertung mit Hypothese und Fragestellungen Faktoren und Indikatoren für die Landschaftsbildbewertung Aufbau des Fragebogens Evaluation Durchführung Demonstration und Befragung Evaluation Ergebnisse Vergleich mit Hypothese und Fragestellung IV

7 5 Ergebnisse Mehrwert von Optimierungsvorschläge Potenzial und Grenzen Fazit und Ausblick Literaturverzeichnis Glossar Anhang Fragebogen: Landschaftsbildbewertung der Testgruppe mit Sound V

8 8 ANHANG 5. Statistische Angaben zur Person Zum Schluss bitte ich Sie noch um einige Informationen zu Ihrer Person. 1) Was ist Ihr Geschlecht? weiblich männlich 2) Wie alt sind Sie? Jahre Jahre Jahre älter Jahre 3) Kommen Sie aus einem Gebiet mit Windturbinen in der Nähe? Ja Nein 4) Was studieren/arbeiten Sie? 4a) Wie weit sind Sie in Ihrem Studium? Bacherlor Master MAS DoktorandIn 5) Was halten Sie von Windturbinen in der Schweiz? sinnvoll sinnlos keine Meinung 5a) Weshalb? 6) Waren Sie schon einmal auf dem Mont Crosin (Berner Jura)? Nein Ja 6a) Wenn Ja, wie haben Sie die Windturbinen empfunden? Positiv Negativ weder noch 101

9 8 ANHANG 6. Rückmeldung zum Fragebogen Für die Untersuchung ist auch Ihre Meinung zu diesem Fragebogen wichtig. Wir bitten Sie, jeweils anzukreuzen, was für Sie zutrifft. Ich fand die Evaluation interessant. Ich hatte genügend Informationen, um die Fragen beantworten zu können. Ich kann mir vorstellen, dass diese Umfrage etwas nützt. Ich war mir bei der Beantwortung der Fragen sicher. Stimme vollkommen zu Stimme teilweise zu Bin unentschieden Lehne eher ab Lehne vollkommen ab Vielen Dank für Ihre Teilnahme an der Umfrage. Falls Sie noch Anmerkungen zum Fragebogen haben, können Sie sie gerne an dieser Stelle anbringen: 102