Das 3D-Stadtmodell der Stadt Hamburg

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1 Das 3D-Stadtmodell der Stadt Hamburg Jörg Schmittwilken 02. Mai D-Stadtmodelle Mit zunehmender Rechnerleistung und leistungsfähigeren Gra kprozessoren ist es heute möglich, digitale Karten in die dritte Dimension zu überführen und in den so entstandenen virtuellen Landschaften in Echtzeit zu navigieren. Auch die Speicherverfügbarkeit setzt dem Gedanken, ganze Städte dreidimensional zu erfassen und darzustellen, keine Grenzen. Liegen diese Daten erste einmal vor, so sind den Anwendungen und dem Spieltrieb der Nutzer keine Grenzen gesetzt: virtuelle Stadtrundgänge und - üge, Visualisierung umstrittener Bauwerke in ihrer baulichen Umgebung oder Gebäudeverwaltung (Fasility Management) sind nur einige der denkbaren Anwendungen. Die Frage: Wie komme ich überhaupt an mein 3D-Stadtmodell? kann nicht pauschal beantwortet werden. Die Art Realisierung hängt von vielen Faktoren ab: - Liegen schon digitale 2D-Daten vor? - Mit welchen Sachinformationen sind diese Daten schon verknüpft? - Sollen noch weitere Sachdaten hinzugefügt werden? In welcher Art liegen diese vor? - Welches Ziel wird mit dem 3D-Stadtmodell verfolgt? 1.1 Vor Ort Bei einem Besuch des Amts für Geoinformation und Vermessungder Stadt Hamburg konnte ich Einblicke in die Modellierung, Generierung und Fortführung des 3D- Stadtmodells HH gewinnen. An dieser Stelle möchte ich mich herzlich für die freundliche Unterstützung und die ausführlichen Erläuterungen zum Projekt bedanken. Im Folgenden werde ich den Weg der Realisierung des 3D-Modells der Freien und Hansestadt Hamburg vorstellen. 1.2 Vorüberlegungen Die Anforderungen, die man vorab an das 3D-Stadtmodell stellte waren hoch: Es sollte ächendeckend für das gesamte Stadtgebiet Hamburgs (755 km 2 ) weitestgehend auomatisiert erstellt werden. Bestehende digitale Daten sollten als Grudlagen herangezogen werden und die Möglichkeit der Fortführung musste existieren. Zu einem späteren Zeitpunkt sollte das Modell schließlich noch zu einem echten GIS umgewandelt werden können. Daes nationalund internationalnoch kein vergleichbares Projekt gab war man gezwungen, Pionierarbeit zu leisten. 1

2 Für das gesamte Stadtgebiet liegen Daten in Form der DSGK (Digitale Stadtgrundkarte 1:5000 => 2km x 2km) vor. Entstanden sind sie durch Digitalisieren der Katasterkarten und Einarbeiten der Fortführungsvermessungen. Neben diesen Kartendaten existieren auch das Liegenschaftsbuches (HALB), der Gewässerumring (DK5) und die Schienennetzachsen (DISK) in digitaler Form. All diese Informationen sollten zur Erstellung der DSGK-3D herangezogen werden. Um bei der Erstellung des 3D-Modells möglichst e ektiv vorzugehen wurde das Fraunhofer-Institut mit der Erstellung eines Gutachtens beauftragt. Gesucht wurde die Software, die bei den gegebenen Anforderungen am besten eingesetzt werden kann. Das Institut sprach eine Empfehlung für das Architekturprogramm ArchiCAD der Firma Graphisoft aus. Argumente waren u.a. die leichte Erlernbarkeit, große Auswahl an Im- und Exportformaten für Gra k und CAD (auch VRML) und die weite Verbreitung der Software (6.000 Lizenzen in Deutschland - Platz 3 der Architektur-Software in Europa). Für Präsentationszwecke steht das Visualisierungs-PlugIn Artlantis Render zur Verfügung. Leider fehlen ArchiCAD sowohl GIS-Export- und Importformate als auch interne eine GIS-Funktionalität. Diese features werden aber z. Zt. entwickelt. Wie erwähnt handelt es sich um eine Software für den Architekturbereich. In der Konsquenz ist sie nicht für so große Datenmengen konzipiert bzw. nicht e ektiv genug. Das Programm legt für ein Projekt keine Datenbank an, sondern speichert alle Daten in einer einzigen Datei. Es war alsonotwendig, sich ein sinnvolles Konzept zur Strukturierung der Datenmengen zu überlegen. In Hamburg legt man für jedes der 245 Kartenblätter der DSGK eine Datei (Kachel) an. Von Beginn der Planungen an einigte man sich auf einen zweistu gen Aufbau der Modellierung. Die erstestufe ist seit Oktober 2001 für das gesamtestadtgebiet umgesetzt. Sie ist gekennzeichnet durch einen geringen Detailgrad - sie besitzt also einen eher schlechten Wiedererkennungswert der Gebäude. Dieser wird in Stufe 2 durch genaue Modellierung der Dachlandschaft und Einarbeitungdes DGM verbessert. Die zweite Stufe wird allerdings nur für den Innenstadtbereich und für Gebiete realisiert, in denen starke baulich Veränderungen geplant sind. 1.3 Stufe Klötzchenmodell Die erste Stufe des Stadtmodells ist ein Klötzchen- bzw. Blockmodell. Die Dachstrukturen wurden vernachlässigt und Gebäude lediglich als Quader dargestellt. 2

3 Modellierung der Hamburger Handelskammer in der Stufe 1 als Klötzchenmodell Wie entsteht nun aus der DSGK ein 3D-Modell? Es fehlten lediglich Informationen über die (NN)Höhen der Boden- und Dachpunkte der Gebäude. Man macht sich die SQD-Sachdaten des HALB zu Nutze. Dort sind Angaben über die Anzahl der Geschosse und die Nutzung des Gebäudes gespeichert. Aus Erfahrungswerten wurden Etagenhöhen für verschiedene Nutzungsarten von Gebäuden festgelegt. Diese Höhen liefern, multipliziert mit der Anzahl der Geschosse, einen Ungefährwert für die Höhe des Klötzchens. Nutzungsart Wohnhaus Garage Werft Etagenhöhe 2,75 m 2,50 m 4,50 m Ausschnitt aus der Höhentabelle der Gebäudeklassen In dieser LUT sind 50 bis 60 Gebäudeklassen de niert. Sie wird ständig ergänzt und bei Bedarf verbessert. Durch die Gebäude-ID (Straßenschlüssel, Hausnummer, lfd. Gebäudenummer) läßt sich die Verknüpfung zwischen der DSGK und der Sachdaten-Datei herstellen. Da das Klötzchenmodell aus der DSGK entwickelt wurde ist es georeferenziert. Es wird in Gauß-Krüger-Koordinaten gespeichert, und die ersten beiden Stellen der Koordinaten werden weggelassen. Die Erfahrung am IKG der Uni Bonn hat gezeigt, dass VRML-Viewer nur mit einer begrenzen Anzahl von Koordinatenstellen rechnen. Unabhängig davon, ob es sich um Vor- oder Nachkommstellen handelt. Werden die Koordinaten zu groß, so können diese VRML-Dateien nicht angezeigt werden. Daher ist das Weglassen der ersten beiden Stellen der Koordinaten sinnvoll, aber nicht durch diese Tatsache begründet. In Hamburg denkt man erst in jüngster Zeit über eine Visualisierung durch VRML nach Topographieschichtung Um ein realitätsnahes 3D-Stadtmodell zu scha en sind nicht nur die Gebäude, sondern auch Straßen, Seen und Grün ächen darzustellen. Die Schwierigkeit bei deren Modellierungbesteht darin, sich überdeckende Objekte in richtiger Reihenfolge zu visualisieren, so dass nur das Sichtbare sichtbar ist. Das zugrundeliegende 3

4 Konzept wird als Topographieschichtung bezeichnet. Alle Flächen (Grundstücke) werden als Quader minimaler Höhe generiert und übereinander gestapelt. Höhen und Reihenfolge der Topographie-Klötzchen Bei der Visualisierung des Modells verdeckt die oberste Schicht die darunter liegenden und wegen der geringen Höhe der Blöcke entsteht der Eindruck einer Ebene. (Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es sich tatsächlich um eine Ebene handeln soll. In der Stufe 1 ist die Modellierung eines DGM nicht vorgesehen.) Das automatisiert Vorgehen ist ähnlich der Berechnung der Klötzchenhöhe. Je nach Nutzungsart (SQD-Sachdaten des HALB, DISK und DK5) wird die Höhe des Blocks und die Höhe seiner Bodenpunkte bestimmt. Durch Topographischichtung ist beispielsweise die Modellierung einer Brücke oder die Darstellung eines Bachs durch einewiesesehr einfach. Imersten beiden Beispielen liegt die sichtbareschicht über der unsichtbaren; im zweiten ist die sichtbare höher, als die unsichtbare, und überdeckt sie dadurch. Die einzelnen Ebenen können beliebig ein- und ausgeblendet oder mit Texturen bzw. Luftbildern belegt werden. Bei Detailbetrachtung können jedoch fälschlicherweise Schatten (z.b.der Bahngleiseauf der Fahrbahn) entstehen. 1.4 Stufe Dachlandschaft Um den Detailgrad zu erhöhen, und somit für eine bessere Orientierung im 3D- Stadtmodel zu sorgen, werden in der zweiten Stufe die Dachlandschaften dargestellt und die Objekte mit dem DGM verschnitten. 4

5 Modellierung der Hamburger Handelskammer in der Stufe 2. Die Die Stufe 1 wurde um die Dachlandschaft erweitert DieDachlandschaft wird durch photogrammetrische Auswertung von s/w-luftbildern im Maßstab 1:6000 gewonnen. Die Herstellung wurden europaweit ausgeschrieben. Nach Sichtung und Prüfung von bearbeiteten Testgebieten wurden vier der 31 Bewerber-Firmen mit der Anfertigung beauftragt. Da au el, dass die Luftbilder in den Testgebieten von verschiedenen Bearbeitern unterschiedlich interpretiert wurden, musste zur Qualitätssicherung ein P ichtenheft erstellt werden. In dem Heft werden Forderungen formuliert, denen die fertige Dachlandschaft gerecht werden muss. Beispielsweise müssen Dach ächen eben sein. Bei vier unterschiedlichen Höhen der Eckpunkte eines Dachs müssen diese gemittelt werden, so dass entweder ein Flachdach oder ein Pultdach dargestellt wird. Auch müssen die Dach ächen geschlossen sein. D.h. Punkte gleicher Lage und unterschiedlicher Höhe (senkrechte Dach ächen) müssen als zwei Punkte dargestellt werden. Weiterhin soll die Auswertung baugerecht sein, also rechtwinkelig und parallel. Das neue Modellentsteht durch Schnitt der Dachlandschaft mit den entsprechenden Klötzchen der Stufe 1. Dazu müssen die Klötzchen in einzelne Wandobjekte umgewandelt werden. Man spricht auch vom Wandmodell. Verschneidet man nun die Wände mit den Dächern, so stößt man unweigerlich auf ein Problem. Aufgrund der Entstehung der Daten von Wand und Dach (DSGK => Digitalisierung, Dachlandschaft => Luftbildauswertung) di erieren die Koordinaten gleicher Punkte teilweise erheblich. Zwei Fälle sind hier denkbar: Die Wand liegt außerhalb des Daches (undershoot) oder sie teilt die Dach äche (overshoot). Diese Probleme können nur bedingt durch Algorithmen gelöst werden. Der Arbeitsaufwand für eine manuelle Erstellung bzw. Nachbearbeitung der Stufe 2 wäre zu aufwendig. Somit verzichtet man ein Stück weit auf die Exaktheit des Modells und geht einen anderen Weg, der zumindest automatisiert abläuft. Die Wände werden hier als Senkrechte an die Dachkanten erzeugt. Das hat zur Folge, dass der Grundriss der so entstandenen Gebäude nicht unbedingt mit dem der DSGK übereinstimmt. Mit diesem Verfahren können keine Dachüberstände modelliert werden. Da diese aber für eine realitäsnahe Darstellung sehr wichtig sind müssen sie bei Bedarf manuell nachmodelliert werden. 5

6 1.4.2 Verschneidung mit DGM Ich werde an dieser Stelle nicht näher auf das Einbringen das DGM eingehen, da dieses Thema einen eigenen Vortrag füllen würde. Nur so weit: Besonders bei stark bewegtem Gelände führt der Schnitt der Gebäude mit dem DGM und die Projektion der übrigen Topographieschichten auf das DGM zu einer äußerst realen Modellierung einer Stadt. Doch gerade das Modell der Topographieschichtung kann hier zu erheblichen Schwierigkeiten führen. Legt man nämlich mehrere Schichten unterschiedlicher räumlicher Ausdehnung (z.b. Straßengrundstück und darauf verlaufende Gleise) auf die Dreiecke des DGM, so kann dies zu unbeabsichtigten Überdeckungen führen. 2 Literatur- und Quellenverzeichnis 1. Demo-CD zur DSGK-3D der Freien und Hansestadt Hamburg - Behörde für Bau und Verkehr - Amt für Geoinformation und Vermessung 2. Handout zur InformationsveranstaltungDSGK-3D vom 22./23. Januar 2002 der Freien und Hansestadt Hamburg - Behörde für Bau und Verkehr - Amt für Geoinformation und Vermessung 3. Handout zum Vortrag im Rahmen des Workshops 3D-Stadtmodelle Fraunhofer- Institut für Gra sche Datenverarbeitung 17. November 2000 von Dipl. Ing Bernhard Cieslik - Baubehörde Hamburg - Amt für Geoinformation und Vermessung ( 4. Homepage der Stadt Hamburg bzw. des Amts für Geoinformation und Vermessung ( /amt_fuer_geoinformation_und_vermessung/welcome.htm) 5. Homepage der Firma Graphisoft ( 6