Software 3D-Stadtmodelle Ein Überblick

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1 Software 3D-Stadtmodelle Software 3D-Stadtmodelle Ein Überblick Workschop 3D-Stadtmodelle Bonn, Prof. Dr. Volker Coors, HFT Stuttgart 1

2 Software 3D-Stadtmodelle Ziele Überblick über das Angebot von Firmen und Softwarelösungen im deutschsprachigen Raum, die im Umfeld von 3D-Stadtmodellen tätig sind Kriterienkatalog zur Entscheidungsunterstützung Keine Dienstleistungen berücksichtigt 2

3 Software 3D-Stadtmodelle Methode Sichtung aktueller Umfragen / Publikationen zum Thema Thematische Eingrenzung Eigene Marktkenntnis Online-Umfrage 3

4 Methode: Sichtung aktueller Umfragen zum Thema EuroSDR: 3D Data Management in Urban Areas Marktprognose für 3D Geodatenmarkt Vorhandene 3D Geodaten (Feature und Level of Detail) Nur eine Frage zu Software für Geodatenmanagement Teilnehmer der Umfrage: 25 (10) National / regional / local Mapping and Cadastral Agencies 7 (5) private companies Durchführung: Volker Walter, ifp, Universität Stuttgart 4

5 Methode: Sichtung aktueller Umfragen zum Thema EuroSDR: Software Systems EuroSDR, V. Walter, ifp, Universität Stuttgart 5

6 Methode: Sichtung aktueller Umfragen zum Thema Guide to Graphics Software Tools In short, avoid this book (Kundenrezension Amazon.com) Autor: Chen, Jim, 2nd Edition, Spinger 2008 Kategorien (nur Softwarelisten, keine Vergleiche): Low-level Graphics Libraries (10) Visualization Tools (54) Modeling Tools (128) Rendering Tools (60) Animation Tools (62) Simulation Tools (38) Virtual Reality Tools (16) Web3D (30) 3D File Format Converters (9) 6

7 Methode: Sichtung aktueller Umfragen zum Thema 3D-Geoinformationssysteme Hrsg.: Coors/Zipf, Wichmann 2005 Softwareübersicht basierend auf Umfrage 31 Softwaresysteme Nicht mehr aktuell Teilw. kein Bezug zu 3D-Stadtmodellen 7

8 Methode: Thematische Eingrenzung 3D-Geoinformationssystem Was ist ein 3D-Geoinformationssystem? Funktionen Erfassung Speicherung Anaylse Visualisierung Spezialisierte Einzelsysteme (verschiedener Hersteller), mit denen über Schnittstellen ein 3D-GIS aufgebaut wird / werden kann. 8

9 Methode: Thematische Eingrenzung Referenzmodell 3D-Stadtmodelle QS (Daten) DGM PoI... Z GPS Y X X LASER Y Z INS Internet mobile Client LIDAR 3D Geo- Datenbank Query Web-Server Web-Client CityGML 3D-Geodata Server Intranet Photogrammetry Fachanwender Admin Tool 9

10 Methode: Thematische Eingrenzung Software 3D-Stadtmodelle Ersterfassung flächendeckend LoD 1/ LoD 2 3D-Geodatenmanagement Modellierung / Fortführung Einzelobjekte Datenbankmanagementsystem Datenbereitstellung Visualisierung Analyse / Simulation 10

11 Methode: Thematische Eingrenzung Software 3D-Stadtmodelle Software muss sich mit Modellebene Stadt befassen Nicht nur Einzelgebäude (Architekturmodelle) Keine digitalen Globen / Terrainviewer Keine ausschließlich geologischen Systeme 11

12 Methode: Online-Umfrage Online-Umfrage Allg. Informationen Anwendungsschwerpunkte Zugrundeliegendes Datenmodell Schnittstellen (Import / Export) Erweiterbarkeit (API) Plattform Spezielle Fragen zu Datenmanagement Visualisierung Analyse / Simulation 12

13 Methode: Online-Umfrage Online-Umfage Umfrage mit Google Docs rmkey=ddbpwffqz05vm2o3nw42anhsau1kcwc6mq Ansprechpartnerin: Frau Kinscher, HFT Stuttgart Etwa 30 Hersteller / Software angefragt Rücklauf: 13 Softwaresysteme 13

14 Methode: Online-Umfrage KRITERIEN UND ERGEBNISSE 14

15 Kriterien Online-Umfrage Systembeschreibung Software Firma Ansprechpartner CityViewer 3DIS GmbH A. Steffens Kurzbeschreibung Viewer für Visualisierung streamingfähiger 3D- Stadtmodelle Aktuelle Version URL Kategorie 1 Visualisierung 1 Datenerfassung / Modellierung, Datenmanagement, Analyse, Visualisierung 15

16 Kriterien Online-Umfrage Anwendungsschwerpunkte Software-Entwicklung Geologie Energie Telekommunikation Kartografie Facility Management Architektur Verkehrplanung Tourismus Umweltschutz Stadtplanung

17 Bachelor-Studiengang Informationslogistik DATENMODELL 3D-GEOMETRIE 17

18 Datenmodell 3D-Geometrie BRep und CSG-Modell + CSG BRep Voxel Elementarvolumen ( 3D Pixel ) Constructive Solid Geometry (CSG) Primitive & Boolsche Operatoren häufig bei Datenerfassung Z.B. Fitting bei Laserscan Boundary Representation (BRep) Randflächendarstellung Beinhaltet Topologie Sehr geeignet zur Visualisierung Voxel CSG kann in BRep überführt werden 18

19 Datenmodell 3D-Geometrie Drahtgittermodell Strukturelemente: Punkt, Kante, Kreisbogen Vorteil: Geringe Datenmenge? Nachteil: Flächenbildung nicht gespeichert Nicht eindeutig (Zusatzinformation notwendig) 19

20 Datenmodell 3D-Geometrie Layerstruktur und Objektbildung Layer Prinzip übereinanderliegender Folien Ein Objekttyp pro Layer z.b. alle Dächer auf einem Layer, alle Wände auf einem anderen Layer 2.5 D Konzept Objektbildung Z.B. Gebäude Layer-Übergreifend: Dach, Wand, Grundriss gehören zu einem Gebäudeobjekt 20

21 Datenmodell 3D-Geometrie Layerstruktur und Objektbildung 21

22 Voxel Brep CSG Draht gitter Layer Objekt Datenmodell 3D-Geometrie Ergebnis Umfrage Datenmodell sonstiges CityViewer x x x GEORES CityGML Plugins x x x x SketchUp CityGML SpiderViewer x Mesh GeoMedia Professional mit Aufsatz GeoMedia 3D x x FME Desktop bzw. Server x x x x x 3D City Database x x citygml4j x x BuildingReconstruction x x virtualcitypublisher x x CityServer3D x x CityGRID x x x x SGJ3D x x formgebende Gebäudekanten Bentley Map Enterprise V8i x x x x x Punktwolken 22

23 Bachelor-Studiengang Informationslogistik IMPORT / EXPORT SCHNITTSTELLEN Prof. Dr. Coors,

24 CityGML 1.0 CityGML 2.0 KML/KMZ ESRi SHP DXF /DWG DGN X3D / VRML Collada Schnittstellen Import Schnittstellen sonstiges CityViewer x x X x X x 3ds, SKP, ITF, ASC, ADF, XYZ, RAS, TIFF, JPG, PNG, ECW, JPEG2000 GEORES CityGML Plugins x x CityGML SpiderViewer x x GeoMedia Professional mit Aufsatz GeoMedia 3D x x X x x x FME Desktop bzw. Server x x x X x x x x 3D City Database x citygml4j x x CityGML BuildingReconstruction X ASCII Grid, las, xyz, jpg virtualcitypublisher x x CityServer3D x x X x x ASCII Grid, las, xyz, jpg CityGRID x x x X x x x x SGJ3D x x x x x Bentley Map Enterprise V8i x x x x x x x x MapInfo NAS/ALKIS,GeoTIFF,XYZ,E SRI TIN,ESRI Grid 24

25 CityGML 1.0 CityGML 2.0 KML/KMZ ESRi SHP DXF /DWG DGN X3D / VRML Collada Schnittstellen Export Schnittstellen sonstiges CityViewer x x GEORES CityGML Plugins x x CityGML SpiderViewer x GeoMedia Professional mit Aufsatz GeoMedia 3D x x x FME Desktop bzw. Server x x x x x x x x CCF (streamingfaehiges, proprietaeres Binaerformat) Spreadsheet (z.b. MS Excel, Google Fusion Tables) 3D City Database x x x citygml4j x BuildingReconstruction x x virtualcitypublisher x CityServer3D x x x x x x x ESRI TIN,ESRI Grid CityGRID x x x x x x x x SGJ3D x x x x x Bentley Map Enterprise V8i x x x x x x x x MapInfo 25

27 OGC Schnittstellen Service-orientierte Architektur GetSceneRequest 3D Geo- Datenbank Web 3D Service GetSceneResponse 27

28 OGC Schnittstellen Beispiel Web3DService GetCapabilities: Web3DService/W3DS?service=w3ds&request=getCapabilities&exceptions=text/xml GetScene: st=getscene&format=model/vrml&srs=epsg:31467&layers=stuttgart,dtmstuttg art&styles=existing,textured_ortho&bbox= , , , &exceptions=text/xml 28

29 Prof. Dr. Volker Coors

30 OGC Schnittstellen OGC 3D PORTRAYAL INTEROPERABILITY EXPERIMENT

33 OGC Schnittstellen OSM data OSM-3D W3DS VRML, X3D, KML, KMZ/Collada Berlin 3D (CityGML) IGG 3DCityDB W3DS KML, Collada Mainz 3D (CityGML) IGD CityServer3D W3DS KML, Collada, X3D, HTML5/X3DOM Paris 3D (CityGML) HPI 3D Server WVS Images (Color/Depth/ObjectIds) Copyright 2011 Open Geospatial Consortium

34 OGC Schnittstellen OSM-3D W3DS XNavigator HTML5 Browser IGD CityServer3D W3DS Instant Reality Player IGG 3DCityDB W3DS HPI 3D Server WVS Newly implemented Connections Google Earth BS Contact Geo, BS Contact Mobile HPI Mobile Client Copyright 2011 Open Geospatial Consortium

39 OGC Schnittstellen OGC 3D Portrayal SWG Ziel: Web3D Services und WebViewService in einen gemeinsamen Standard einfließen lassen Einberufer (convener): Fraunhofer IGD / V. Coors Zeitplan: OGC TC Meeting Seoul: Ankündigung der neuen SWG Charter der SWG wird zur Abstimmung veröffentlicht OGC TC Meeting Redlands: Kick-off der SWG Prof. Dr. Coors,

40 Schnittstellen OGC Services WMS Import Export WFS W3DS WMS WFS W3DS CityViewer x GEORES CityGML Plugins CityGML SpiderViewer GeoMedia Professional mit Aufsatz GeoMedia 3D x x x x FME Desktop bzw. Server x x x x 3D City Database x citygml4j BuildingReconstruction virtualcitypublisher x CityServer3D x x x CityGRID SGJ3D x x Bentley Map Enterprise V8i x x 40

41 Geodatenmanagement 3D GEODATENMANAGEMENT 41

42 3D Geodatenmanagement Referenzmodell 3D-Stadtmodelle QS (Daten) DGM PoI... Z GPS Y X X LASER Y Z INS Internet mobile Client LIDAR 3D Geo- Datenbank Query Web-Server Web-Client CityGML 3D-Geodata Server Intranet Photogrammetry Fachanwender Admin Tool 42

43 3D Geodatenmanagement Kriterien Datenmanagement Multiresolution-Modell Geometriemodell (Kanten, Flächen) Objekte: Gebäude, Wasser, Vegetation, etc. Administration Hinzufügen individueller LoD Auswahl / Query Qualitätsmanagement Fortführung Datenzugriff / Schnittstellen Prof. Dr. Coors,

44 Dateibasiert Oracle PostGRES/Post GIS MySQL SQL Server Geodatenmanagement DBMS Geometrie sonstiges CityViewer x FME Desktop bzw. Server x x x x 3D City Database x x citygml4j x Strombasiert BuildingReconstruction virtualcitypublisher x x CityServer3D x x x MongoDB CityGRID x x x SGJ3D x x Bentley Map Enterprise V8i x x x 44

45 CityGML Core Appearance Bridge Building City Furniture City Object Group Generics LandUse Relief Transportation Tunnel Vegetation WaterBody Geodatenmanagement CityGML Module CityViewer x x x x x x x x x x x x x GeoMedia 3D x x x x x Sonstiges FME Desktop x x x x x x x x x x x x x beliebige ADEs 3D City Database x x x x x x x x x x x citygml4j x x x x x x x x x x x x x beliebige ADEs virtualcitypublisher x x x x x x x x x x x CityServer3D x x x x x x CityGRID x x x x x x SGJ3D x x x x x x x x x x x x x Bentley Map Enterprise V8i x x x x x x x x x x x flexible Anpassung über XFM, based on customization 45

46 Analyse ANALYSE 46

47 Analyse Referenzmodell 3D-Stadtmodelle QS (Daten) DGM PoI... Z GPS Y X X LASER Y Z INS Internet mobile Client LIDAR 3D Geo- Datenbank Query Web-Server Web-Client CityGML 3D-Geodata Server Intranet Photogrammetry Fachanwender Admin Tool 47

48 Analyse Kriterien Analyse Window Query Volumen Geometrische Verschneidung Topologische Query Verschattung Sichtbarkeit Flächenorientierung Ausbreitungsmodelle (3D) Prof. Dr. Coors,

49 Analyse Geometrische Analyse Volumen Verschneidung Union Intersection Difference Prof. Dr. Coors,

50 Analyse Topologische Anfragen disjoint contains covers equal meet inside Egenhofer 9-intersection Modell covered by overlap Prof. Dr. Coors,

51 Window Query Volumen Geom. Verschneidung Topol. Query Verschattung Sichtbarkeit Flächenorient. Ausbreitungsmodelle Analyse Analyse sonstiges CityGML SpiderViewer x GeoMedia Professional mit Aufsatz GeoMedia 3D x x x Aufsatz GeoMedia GRID FME Desktop bzw. Server x x x x virtualcitypublisher x Messen CityServer3D x x x Benutzerdefinierte Abfragen CityGRID x x x x x x x Korrekt. Topologie SGJ3D x x x Bentley Map Enterprise V8i x x x x x x x 51

52 Geodatenmanagement 3D VISUALISIERUNG 52

53 Visualisierung Referenzmodell 3D-Stadtmodelle QS (Daten) DGM PoI... Z GPS Y X X LASER Y Z INS Internet mobile Client LIDAR 3D Geo- Datenbank Query Web-Server Web-Client CityGML 3D-Geodata Server Intranet Photogrammetry Fachanwender Admin Tool 53

54 Visualisierung Visualisierung Terragen 2 54

55 Visualisierung Kriterien Visualisierung Texturen RGB+Alphakanal (Transparenz) Bumpmapping Shader Lokale Beleuchtungsmodelle Globale Beleuchtungsmodelle Visualisierung von Attributen Einfärben Symbole Diagramme Prof. Dr. Coors,

56 Visualisierung Lokale / globale Beleuchtung Lokal: keine Eigen/Fremdverschattung - Flat: 1 Farbe pro Polygon - Gouraud: 1 Farbe pro Eckpunkt Amer Qayum, HFT Stuttgart Global: echte Verschattung - Raycasting - Raytracing - Photonmapping - Radiosity Prof. Dr. Coors,

57 Visualisierung Lokale Beleuchtung Gouraud / Smooth Shading Flat Shading Prof. Dr. Coors,

58 Flat Gouraud Phong Visualisierung Lokale Beleuchtung CityViewer x x x CityGML SpiderViewer x GeoMedia Professional mit Aufsatz GeoMedia 3D x FME Desktop bzw. Server virtualcitypublisher CityServer3D x x CityGRID x x x SGJ3D x Bentley Map Enterprise V8i x x 58

59 Visualisierung Globale Beleuchtung Raytracing / Photonm. Radiosity Raycasting Amer Qayum, HFT Stuttgart Prof. Dr. Coors,

60 Visualisierung Bsp: globale Beleuchtung Radiosity Quelle: Wikipedia Prof. Dr. Coors,

61 Raytracing Radiosity Photonmapping Sonnenstand weitere Lichtquellen Visualisierung Globale Beleuchtung CityViewer x x CityGML SpiderViewer x x GeoMedia Professional mit Aufsatz GeoMedia 3D x FME Desktop bzw. Server virtualcitypublisher x CityServer3D CityGRID x x SGJ3D Bentley Map Enterprise V8i x x x x 61

62 Visualisierung Texturen: Alpha-Kanal Prof. Dr. Coors,

63 Visualisierung Texturen: Bump Mapping Grundidee: Normalenvektor einer Fläche stören Prof. Dr. Coors,

64 Visualisierung Texturen: Bump Mapping Prof. Dr. Coors,

65 RGB Alpha Bump Shader Visualisierung Texturen CityViewer x CityGML SpiderViewer x x x GeoMedia Professional mit Aufsatz GeoMedia 3D x x FME Desktop bzw. Server x virtualcitypublisher x x x CityServer3D x x CityGRID x x x SGJ3D x x Bentley Map Enterprise V8i x x 65

66 Text Einfärben Symbole Diagramme Visualisierung Attribute CityViewer x x x CityGML SpiderViewer GeoMedia Professional mit Aufsatz GeoMedia 3D x x x FME Desktop bzw. Server x x virtualcitypublisher x x CityServer3D x x x CityGRID x x SGJ3D x Bentley Map Enterprise V8i x x x 66

67 Geodatenmanagement SONDERTHEMEN 67

68 Sonderthemen Prozedurale Stadtmodelle Müller et al. SIGGRAPH 2006 ESRI CityEngine: 68

69 Sonderthemen Modellierung Moskau 3D 69

70 Sonderthemen Digitale Pflanzen 70

71 Sonderthemen Billboard + Alpha-Kanal Textur 71

72 Sonderthemen Lindenmeyer Systeme Prusinkiewicz and Lindenmayer: The algorithmic beauty of plants 72

73 Sonderthemen Lindenmeyer Systeme Von-Koch-Kurve: Images: Wikipedia Regel: F -> F+F- - F+F Axiom: F - - F - - F Zustand: (x, y, a) F - Neuer Zustand: (x',y',a), mit x'= x + d cos(a) und y'= y + d sin(a). Verbinde die Punkte (x,y) und (x',y') + - Drehe nach links um Winkel b: (x,y,a+b). - - Drehe nach rechts um Winkel b: (x, y,a-b). 73

74 Sonderthemen Komponentenbasierter Ansatz O. Deussen: Computergenerierte Pflanzen O. Deussen et. Al. Digital Design of Nature: Computer Generated Plants and Organics 74

75 Softwareumfrage Zusammenfassung - Spezialsoftware z.b. für Vegetation bisher nicht berücksichtigt - Viel Software im englischsprachigen Raum (nicht berücksichtigt) - Umfrage wird fortgeschrieben, gerne weitere Teilnehmer 75

76 Barks, Fuchs: CP 2, BL DD 11 Prof. Dr. Volker Coors