GDI-3D

Vorbereitende Technologien

DGM Erzeugung

Die Basis aller virtuellen Landschaften ist ein digitales Geländemodell (DGM). Heidelberg liegt an der Grenze zwischen zwei besonderen morphologischen Einheiten: Der Oberrheingraben und die Mittelgebirgslandschaft des Odenwaldes. Um alle morphologischen Eigenheiten so gut wie möglich zu erfassen und dabei die das Model so effizient wie möglich abspeichern zu können, werden „Triangulated Irregular Networks“ (TINs) genutzt. Die Rohdaten wurden freundlicherweise vom Stadtvermessungsamt Heidelberg zur Verfügung gestellt. Sie decken die Stadt Heidelberg sowie die umliegenden Ebenen und Berge mit einem 5m-Raster ab. Die verwendete Implementierung der Triangulation leitet sich aus einem Algorithmus zur 3D-Oberflächen Rekonstruktion ab und liefert weitaus bessere Ergebnisse als die bekannten 2D-Delaunay Implementierungen. Zusätzlich zu den X;Y- Koordinaten der Ebene berücksichtigt die Berechnung auch die Krümmung der Oberfläche an jedem Knotenpunkt. Das Maß für die Krümmung der Oberfläche in einem Knotenpunkt ist das Integral über die mittlere Krümmung, d.h.: ein Wert, der sich aus den Längen der Kanten und den Winkeln benachbarter Kanten zusammensetzt. Die Minimierung des Integrals über das komplette TIN erzeugt eine sehr stabile Darstellung der Oberfläche und lässt alle morphologischen Gegebenheiten erkennen.

2D Layer Integration

Resultierende Geometrien nach der 2D-Layer-Integration

Ein bliches Verfahren, um ein DGM mit Landnutzungsinformationen auszustatten ist die Texturierung mit Luftbildern (bzw. Orthophotos). Was für virtuelle Globen und kleine Maßstäbe sehr gut aussieht, führt im Nahbereich und in Verbindung mit einem Stadtmodell nur zu unbefriedigenden Ergebnissen (Auflösung, Verzerrung, Perspektive). Besonders im Zusammenhang mit einem GIS lohnt es sich daher 2D-Layer, die vielfältige Informationen wie Landnutzungsarten, Verwaltungsgebiete, Infrastruktur, Geologie, Klimainformationen, etc. enthalten, vektoriell in das DGM zu integrieren. Dies ist ein geometrischer Prozess, der das DGM in mehrere 3D-Flächen zerlegt, die den betreffenden Landnutznutsungstyp (Layer) reprsentieren.. Durch Farb- und Materialinformationen aus selbst definierten „Layer-Style-Documents“ (Vergl. SLD und SLD3D) können die einzelnen 3D-Flächen verschiedenartig visualisiert werden.

Level-Of-Detail (LOD) Erzeugung

Weil das erwhnte 5m-Gelndemodell wegen des hohen Speicherbedarfs und Aufwandes fr die Darstellung weniger geeignet ist, wurde ein Level of Deatail (LOD) - Mechanismus implementiert. Er wählt geeignete Auflösungen anhand des Viewpoints aus. Die Basis für die Generierung verschiedener LODs ist ein geometrischer Vereinfachungsalgorithmus, der einzelne Elemente des TINs, die wenig zur Oberflächenform beitragen, eliminiert, solange bis ein bestimmter Fehlerwert erreicht ist. Genauer gesagt wurde ein Algorithmus zur Kantenzusammenfassung implementiert, der auf den Prinzipien von Garland and Heckbert (1997) aufbaut und normalerweise zum Ausdünnen großer, durch Laser-Scanning erzeugte 3D-Modelle genutzt wird. Das Ergebnis dieser Vorverarbeitung ist eine Sammlung von quadratischen Oberflächenkacheln in verschiedenen Genauigkeitsstufen und Größen, die zu einem kompletten DGM zusammengesetzt werden können. Die äußeren Begrenzungen der integrierten 2D-Layer wurden bei der Ausdünnung berücksichtigt, so dass sie im Resultat weiterhin erkennbar sind.

Links: Ausgedünnte TIN-Kachel unter Berücksichtigung der 2D-Layergrenzen,
Rechts: ohne Berücksichtigung der 2D-Layergrenzen

Garland, M., and Heckbert, P. 1997. Surface simplification using quadric error metrics. Computer Graphics (SIGGRAPH '97) Proceedings, pp. 209-216.

Komponenten und Merkmale der Geodateninfrastruktur

Geodateninfrastruktur 3D (GDI3D)

Das Hauptziel des Projektes ist es, eine GDI3D für die Stadt Heidelberg aufzubauen und geeignete Methoden für Datenaustausch, Datenvorbereitung, Verkettung von Diensten und Interaktion der Nutzer zu finden. Alle Serverkomponenten (Webdienste) basieren auf OGC-Standards oder OGC Vorschlägen. Das Open Geospatial Consortium (OGC) ist die wichtigste Organisation für die Festlegung von Standards innerhalb der Geoinformatik. Im Rahmen des Projekts wurden einige der zu Zeit vom OGC diskutierten Dienste implementiert und zum Teil an die speziellen Bedürfnisse von 3D-Geodaten angepasst.

Die OGC konformen Komponenten der GDI-3D.de (Klick zum Vergrern)

Web 3D Service

Als Kernkomponente der GDI3D liefert der Web3DService (W3DS) auf Anfrage ein 3D-Stadt- und Geländemodell nach den OGC W3DS Spezifikationen. Der W3DS ist eine der ersten Implementierungen dieser Art. Innerhalb des Projektes wird er hauptsächlich von einer Client-Applikation verwendet, um 3D-Informationen in Form von 3D-Szenen abzurufen. Durch die standardisierte Schnittstelle des Dienstes kann aber auch jede andere Anwendung oder jeder andere Dienst Szenen abrufen. Der Web Request zum Abrufen einer Szene besteht aus mehreren Parametern die sowohl Szeneninhalt als auch Blickrichtung und Begrenzung (BoundingBox) festlegen. Über einen GetCapabilities-Request können Informationen über verfügbare Layer (Thematisch-geometrische Einheiten) und Styles (Visualisierungsoptionen) abgerufen werden. Ein GetScene-Request liefert dann eine komplette 3D-Szene im Austauschformat VRML 2.0 (Mindestanforderung laut Spezifikation), d.h. der Server ist für die Integration der Geodaten und die Übertragung der Szene an den Client verantwortlich, der Client rendert die Szene dann in Echtzeit. In der Regel werden Browser Plugins verwendet, die das Austauschformat interpretieren können.

3D Routing

Fahranweisungen in 3D

Um Schnitte mit dem Gelände zu vermeiden, werden zusätzliche Punkte in die Routensegmente eingefügt. Somit wird die Routengeometrie exakt dem DGM angepasst, so dass beide überlagert werden können. Die resultierende Routengeometrie wird zusammen mit den Navigationsanweisungen und Wegepunkten vom Web Client verarbeitet und als interaktive Animationssequenz präsentiert. Fr die Routenplanung wird eine Implementierung der OpenGIS Location Services (OpenLS) Spezifikation verwendet, die auch unter http://www.openrouteservice.org zum Einsatz kommt. Die berechnete Routengeometrie wird nach 3D transformiert, indem die Hheninformationen aus dem Gelndemodell einbezogen werden.

3D Web Viewer

Der erste implementierte Web Client und 3D GIS Viewer wurde für Desktop Computer auf Basis von J2SE, Java3D, Java Topology Suite, Xbean und anderen aktuellen Java Technologien entwickelt. Die wesentlichen Anforderungen für den Web Client waren Hardwareunabhängigkeit (J2SE und Java3D steht für Linux, Solaris und Windows zur Verfügung, Mac wird folgen), bestmögliche Performance sowie dynamisches Nachladen von Daten, um umständliche Benutzereingaben zu vermeiden. Letzteres wurde durch ein Block-basierten Streaming Schema erreicht, welches ganze Blöcke/Kacheln des geeigneten LOD herunterlädt, entsprechend der aktuellen Kameraposition. Der Web Client XNavigator kann verschiedenste OGC Web Services ansprechen, z.B. W3DS, OpenLS Route Service und OpenLS Directory Service, WMS (Web Map Service), SOS (Sensor Observation Service), WPS (Web Processing Service), Catalogue Service Web (CS-W) etc.

3D Styled Layer Descriptor (3D-SLD)

In der Visualisierung hat sich in vielen Bereichen eine Trennung zwischen Geometrie und Visualisierungsvorschrift durchgesetzt, denn eine Geometrie kann je nach Verwendung in unterschiedlicher Weise abgebildet werden. Somit bleibt die Geometrie bei der Datenhaltung frei von Redundanz und nur die Visualisierungsvorschrift braucht ausgetauscht werden. Mit der Entwicklung einer 3D-Visualisierungsvorschrift aus der bestehenden Visualisierungsvorschrift "OGC Styled Layer Descriptor/ Symbology Encoding" kann in Zukunft der OGC Standard in Hinblick auf 3D-Modelle ergnzt werden. Der implemetierte Web 3D Service (W3DS) nutzt im Projekt erste Anstze der umfangreichen Vorschrift z.B. bei der Darstellung des Gelnde, der Gebude und Punktgeometrien. Die Anwendung der 3D-SLD erfolgt durch eine Beschreibung von Punkten, Linien, Polygonen, Texten, Rasterbildern, Gelndeoberflchen und Krpern mit den Eigenschaften der Darstellung. Wie in der folgenden Abbildung zusehen, knnen mit dieser Vorschrift die Gebude und das Gelnde mit einer eigenen Vorschrift beschrieben werden. In einer Vorschrift knnen Geometrien auch nach Eigenschaften getrennt visualisiert werden. Damit ist es z.B. mglich Gebude nach ihrer Nutzng (ffentlich, gewerblich, privat) einzufrben. Auerdem wurde eine Erweiterung des bestehenden OGC Symbology Encoding von 2D nach 3D entwickelt und wird in einer Arbeitsgruppe des OGC zu einer Spezifikation ausgearbeitet.

Beispiele verschiedener Styles. Von links nach rechts: realistische Ansicht, kartographische Ansicht, DGM mit Texturen, DGM mit Hhenlinien