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3D-Stadtmodell

Bild 3D-Stadtmodell

Projektübersicht

1. Motivation

3D-Stadtmodellen können dafür genutzt werden, sich in einer fremden Stadt zu orientieren und sich ein Bild von der Umgebung zu machen. Navigationssysteme sind schon heute ein hilfreiches Utensil auf jeder Reise. Die zusätzliche Möglichkeit, Karten in Zukunft dreidimensional darstellen zu können, würde diese Navigationssysteme weiter verbessern. Eine weitere Anwendung von 3D-Stadtmodellen liegt im Bereich der Touristik. Sehenswürdigkeiten können besonders hervorgehoben werden, und eine Erkundung dervirtuellen Stadt samt Einkaufsmöglichkeiten ist bereits im Vorfeld vom heimischen PC aus möglich.

Auch für Fachplanungen spielen 3D-Modelle eine wichtige Rolle. Früher konnte man aus Bauzeichnungen eines Architekten beispielsweise nur schwer die Vorstellung seines neuen Eigenheims erkennen, doch mit einem 3D-Modell kann man das Aussehen und auch die Raumaufteilung und Einrichtung ansprechend visualisieren und virtuelle Rundgänge vornehmen

In dem Bachelorseminar 2006/2007 wurde die Möglichkeit geboten ein 3D-Stadtmodell zu erstellen. Erfahrungen über den technischen und zeitlichen Aufwand konnten während der Durchführung des Projekts gesammelt werden.

2. Ziel

Ziel des Bachelorseminars "3D-Stadtmodell" war es, ein Modell für einen begrenzten Bereich in Hannover zu erstellen. Für diese Aufgabe wurde das Gebiet um die Musikhochschule Hannover ausgewählt. In der näheren Umgebung liegt der Emmichplatz mit seinem historischen Torbogen, auf den ein Schwerpunkt gesetzt wurde. Die Abbildung 1 zeigt ein Luftbild des Gebiets, überlagert mit Straßendaten.

 

Während des Projekts sollten Kenntnisse über die möglichen Methoden erarbeitet werden, mit denen man ein digitales 3D-Stadtmodell erstellen kann. Diese wurden exemplarisch in dem Gebiet angewendet. Während des Vortragseminars im dritten Semester setzte man sich mit dem Seminarthema auseinander präsentierte das Thema im Rahmen von zehn-minütigen Vorträgen. Die Vortragsreihe 3D-Stadtmodelle beinhaltete die Präsentationsthemen "Methoden zur Erfassung von 3D-Stadtmodellen", "CityGML für die 3D kartographische Darstellung" und "3D-Stadtmodelle: Visualisierung und Anwendung".

Der praktische Umgang mit den Softwarepaketen ArcGIS, SketchUp und Geomagic sollte geübt werden. Gegeben waren bereits Grundrissdaten aus der ALK (bereitgestellt von der LGN und konnten für die spätere Modellierung verwendet werden. Ein Ortholuftbild stand für die Digitalisierung der Straßen und Grünflächen bereit.Mithilfe eines terrestrischen Laserscanners konnte der Torbogen im Rahmen des Seminars dreidimensional erfasst werden.

Realisierung

3.1 Übersicht über die verwendete Software

a) ESRI ArcGIS

Von der Firma ESRI nutzten wir die Software ArcGIS. Hier können ALK-Daten importiert und damit Grundrisse zweidimensional kartiert werden. Es werden bestimmte Karteninhalte (z.B. Straßen) ausgewählt und in Shapefiles gruppiert und abgespeichert, welche später ein- bzw. ausgeblendet oder einzeln bearbeitet werden können. Man hat die Möglichkeit verschiedene Attribute (z.B. Höhe) festzulegen, um diese in weiteren Programmen bearbeiten zu können.

Weitere Informationen zu der Software sind auf der deutschen Homepage von ESRI zu finden.

b) Google SketchUp

SketchUp der Firma Google ist eine 3D-Software, die besonders für die Erstellung von Architekturentwürfen und technischen Skizzen geeignet ist.
Besondere Merkmale sind:

  • eine leicht erlernbare Bedienung,
  • eine besonders einfache Extrusions-Funktion,
  • eine an Bleistiftskizzen orientierte Optik,
  • die Skriptfähigkeit mittels Ruby und
  • die Import- und Exportfunktionen zu Google Earth und zu 3D-Rendering-Programmen.

Google SketchUp Free wird auf der deutschen SketchUp Homepage als Download kostenlos zur Verfügung gestellt. Des Weiteren sind dort Hilfen und Tutorials erhältlich.

Im 3D Warenhaus werden fertige Modelle für andere Benutzer zum Austausch zur Verfügung gestellt.

Google SketchUp ist ein leistungsfähiges, leicht zu bedienendes Programm zur Modellierung von 3D-Modellen, bereitet aber auch Probleme bei dem Umgang mit großen Datenmengen, insbesondere mit Texturen. Diese werden in der Projektdatei mit abgespeichert, was zu sehr langen Lade- uns Speicherzeiten führen kann.

c) Geomagic Studio 8

Geomagic Studio 8 ist ein Programm, mit dem aus erworbenen Scandaten automatisch Dreiecksvermaschungen erstellt werden können. Diese können dann anschließend in ihrer Qualität noch verändert werden. Auf der Webseite des Herstellers sind weitere Informationen über die Software Geomagic Studio zu finden.

 

3.2 Erstellung des 3D-Stadtmodells

Das erste Zusammentreffen der Gruppe diente zur Organisation des Projektes und es wurden grobe Vorgehensschritte besprochen und ein grober Zeitplan vorgestellt. Dabei wurde sofort klar, dass eine Ortsbegehung der erste Schritt zum 3D-Stadtmodell werden sollte. Es wurde entschieden alle Häuser in unmittelbarer Nachbarschaft des Emmichplatzes zu texturieren.

Bei der ersten Ortsbegehung wurden also Fotografien der Häuser gemacht, sowie eine Skizze der Umgebung angefertigt. Des Weiteren war es nötig, sich detaillierte Gedanken darüber zu machen, wie die übrigen Gebiete gestaltet werden sollten und welche Methoden man nutzt. Dabei wurde klar, dass der Torbogen mithilfe eines Laserscanners erfasst werden sollte.

Die Projektaufgabe wurde in verschiedene Schritte aufgeteilt:

  1. a) Ermittlung der Gebäudehöhen, Modellierung und Texturierung der Häuser rund um den Emmichplatz
  2. b) Gestaltung der restlichen Bauten
  3. c) Darstellung der Straßen, Bürgersteige und Grünflächen
  4. d) Die manuelle Modellierung einer Villa an der Kreuzung Schiffgraben/Emmichplatz
  5. e) Visualisierung der Musikhochschule
  6. f) Erfassung und Modellierung des Torbogens
  7. g) Einbringen von Stadtmöbel und Vegetation

a)Höhenbestimmung, Modellierung und Texturierung

Bei der ersten Ortsbegehung wurden die Häuserfassaden mit einer Digitalkamera fotografiert und somit die entsprechenden Texturen beschafft, die nötig waren, um das Modell rund um den Emmichplatz so real wie möglich gestalten zu können.

Allerdings kann man nicht einfach die Fotos nehmen und sie an die Hauswand projizieren, da sie verzerrt sind. Um dies zu beseitigen, muss man sie mit einem Bildbearbeitungsprogramm (z.B. Adobe Photoshop) entzerren und rechtwinklige Häuserfronten bzw. Wände aus den Bildern schneiden. Unwichtige Details der Fotos müssen beseitigt werden. Ein vor dem Haus parkendes Auto zum Beispiel wird so gut es geht mit einer Stempelfunktion retuschiert ausgeschnitten. Das Ergebnis ist ein Bild, welches als Textur dient.

Das Modell selber wurde nur in dem 3D-Programm Google SketchUp erstellt. Die ALK-Daten wurden in SketchUp importiert und die Grundflächen der Häuser extrudiert. Um auch die realistischen Gebäudehöhen umsetzen zu können, wurden in der Realität an den Fassaden bestimmte Strecken gemessen, die in den Bildern ersichtlich waren. Anschließend wurden die gemessenene Strecken mit den Fotografien ins Verhältnis gesetzt (Maßstabsbestimmung) und die Höhe der Häuser konnte ermittelt werden. Da diese Methode nicht sehr genau ist, wurden die Höhen auf 0.5 m ab- bzw. aufgerundet. Mithilfe der ermittelten Höhen konnte das notwendige Blockmodell des Gebietes erstellt und die Texturen angebracht werden. Die nähere Umgebung des Emmichplatzes war fertig.

 

b) Gestaltung der restlichen Gebäude

Aufgrund des kleinen Zeitfensters zum Erstellen des Gebietes, wurde darauf verzichtet ein texturiertes Modell der übrigen Häuser zu gestalten. Die Hauswände sind nicht weiterbearbeitet worden, da es zeitlich aber auch speichertechnisch eine zu hohe Anforderung stellte.

Dennoch wurde bei einer zweiten Ortsbegehung beschlossen, realistische Höhen zu erstellen. Also wurden die Höhen der bereits gemessenen Höhen als Ausgangshöhe genommen. Waren die Häuser kleiner oder größer wurde diese Höhe grob verändert. Diese Veränderungen wurden in einer Skizze festgehalten, damit man sie später in das Modell einarbeiten konnte. Dachformen und andere Details an den Häusern wurden nicht dargestellt.

 

c) Die Darstellung der Straßen, Bürgersteige und Grünflächen

Die Begrenzungen der Straßen, Bürgersteige und Grünflächen sind nicht in den gegebenen ALK-Daten vorhanden. Daher wurden sie aus den Orthophotos mit ArcMap digitalisiert. Mit neuen Layern für Straßen, Bürgersteige und Grünflächen konnte man die Bereiche umranden und Flächen erstellen. Diese resultierenden Flächen wurden wie zuvor die Grundrissdaten in SketchUp importiert und in das bereits bestehende Modell eingefügt.

Zur besseren Erkennung und realeren Darstellung der Bürgersteige wurden diese extrudiert. Anschließend wurden die Flächen noch entsprechend eingefärbt, um das Modell realistischer und anschaulicher zu machen.

 

d) Modellierung der Villa

Die Villa am Emmichplatz wurde von Hand mittels SketchUp modelliert. Mit SketchUp können Elemente wie Säulen, Vorsprünge oder Fenster einfach erstellt werden. Abbildung 7 zeigt das Ergebnis der Modellierung.

e) Visualisierung der Musikhochschule

Eigentlich sollte die Musikhochschule auch im Mittelpunkt des Projektes stehen, da sie direkt auf dem Emmichplatz gelegen ist. Es ist jedoch schwierig gute Texturen von der Hochschule mit der gewählten Methode zu bekommen, da Bäume direkt vor der Fassade stehen. Deshalb wurde die Struktur der Hochschule manuell modelliert, die Fassaden grau eingefärbt und die Stufen im Hof mit Texturen versehen.

f) Erfassung und Modellierung des Torbogens

Schon zu Beginn des Projektes wurde beschlossen, dass der Torbogen mithilfe eines Laserscanners gescannt werden sollte. Mit sechs Standpunkten konnte der Torbogen nahezu vollständig erfasst werden. Hierdurch entstand eine Punktwolke des gesamten Torbogens. Mit Geomagic hat man nun die Möglichkeit aus dieser Punktwolke ein anschauliches 3D-Modell zu machen. Durch verschiedene Einstellungen und Filterungen wird zunächst die Punktwolke ausgedünnt, um den Speicherbedarf zu verringern. Anschließend wird durch Triangulation die die Oberfläche der Punktwolke ermittelt und farblich ausgefüllt. Da beim Laserscannen oftmals Störfaktoren die Punktwolke beeinflussen (z.B. Äste oder schlechte Erfassungsmöglichkeiten aufgrund des Standortes) tauchen bei der Triangulation Löcher im Endmodell auf, die anschließend mit Geomagic automatisch oder manuell in SketchUp geschlossen werden können.

 

g) Einbringen von Stadtmöbeln und Vegetation

Über das 3D-Warenhaus von Google kann man sich SketchUp-Modelle herunterladen. Dies ermöglicht das Einfügen von Bäumen, Straßenlaternen, Bänke, Bushaltestellen und anderen Stadtmöbeln. Solche Objekte verbessern den Gesamteindruck des Modells.

Ausblick

Das Bachelorseminar 2007 bot einen kleinen Einblick in die Thematik der 3D-Modellierung. Wir erkannten, wie zeitaufwändig und arbeitsintensiv die Erstellung eines 3D-Stadtmodells ist, wenn man sehr detailgetreu arbeitet. Der geübte Umgang mit entsprechenden Softwarepaketen erleichtert den gesamten Arbeitsablauf. Bei ungeübtem Umgang geht viel Zeit für das Kennenlernen der Software verloren. Verschiedene Einstellungen und funktionen müssen getestet und ausprobiert werden um zu einem zufriedenstellenden Ergebnis zu gelangen.

Für das Projekt der Musikhochschule hatten wir nur begrenzt Zeit, welche gerade durch diese Ungeübtheit im Umgang mit den verschiedenen Softwarepaketen etwas zu kurz war. Die Ziele und Ansprüche an das Modell mussten somit etwas heruntergestuft werden. So verzichteten wir auf:

  • Darstellung der Dachformen
  • Texturen von nicht unmittelbar nahe der Musikhochschule liegenden Gebäude
  • genaue Ermittlung der Höhen der nicht in unmittelbarer Nähe zur Musikhochschule liegenden Häuser
  • detaillierte Darstellung der Vegetation

Sarah-Samanta Will, Clemens von Hopffgarten

 

Betreuer: Dipl.-Ing. Christoph Dold und Dipl.-Ing. Guido von Gösseln

 

Folien der Abschlusspräsentation

Übersicht