3S-Standards - Universität Bonn
Werbung
Institut für Kartographie und Geoinformation Konsistente Modellierung von 3D-Geodaten für Stadtmodelle Gerhard Gröger Institut für Kartographie und Geoinformation Universität Bonn Übersicht • Kontext: Special Interest Group (SIG) 3D der Geodateninfrastruktur (GDI) NRW • Ziele der SIG 3D: Interoperabilität, Dienste, Modelle • Exkurs: 3D-Modelle Boundary Represenation (BRep) und Constructive Solid Geometry (CSG) • OGC/ISO 'Spatial Schema' als offener 3D-Standard • Eigenschaften und Konzepte des 'Spatial Schema' • Eignung für Stadtmodelle • Welche Probleme treten dabei auf? • Lösungsansätze • Resümee und Ausblick auf offene Probleme Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 2 Kontext: SIG 3D der GDI NRW I/II • SIG 3D: Special Interest Group 3D • Ziele: – Modellierung, Erstellung, Nutzung, Visualisierung und Vermarktung von 3D-Stadt- und Regionalmodellen – Entwicklung offener Standards – Interoperabilität (reibungsloser Zugriff auf verteilt gehaltene Geo-Daten) • Teil der Geodateninfrastruktur (GDI) NRW – Initiative der Landesregierung NRW zur Aktivierung des Geodaten-Marktes – Nutzung offener Standards des • Open GIS Consortium (OGC) und der • International Organization for Standardization (ISO) – Nutzung der GDI-Architektur (Dienste-basiert) Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 3 Kontext: SIG 3D der GDI NRW II/II • offene Arbeitsgemeinschaft • zur Zeit ca. 70 Teilnehmer aus Wirtschaft, Wissenschaft und öffentlicher Verwaltung • Teilnehmer nicht nur aus NRW • Gründung im Mai 2002 • 5 Arbeitsgruppen: – – – – – Anwendung / Nutzergruppen Basismodellierung Anwendungsmodellierung Dienste Visualisierung Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 4 GDI-Architektur: Dienste und Modelle GIS A Modell A GIS B Datenaustausch Internet, Intranet Modell C Dienst Modell B reibungsloser Datenaustausch erfordert: • standardisierten Dienst (z.B. XML/GML, Web Feature Server, ...) • gemeinsames Modell C des Raumes (abstraktes Geometriemodell, z.B. Simple Features) Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 5 Geometriemodelle und Dienste Modelle Dienste/Implementierungen Spatial Schema (ISO) (OGC) • 2D + 3D • reichhaltige Geometrie • Topologie Feature Geometry (OGC) • ähnlich zu ISO „Simple Features“ (OGC) • nur 2D • einfache Geometrie • keine Topologie Datenaustausch im WWW: ISO-XML Datenaustausch im WWW: GML 3 (OGC) Anfragen an Datenbanken: SQL (OGC) (ISO) Datenaustausch im WWW: GML 2 (OGC) (ISO) ISO und OGC: Harmonisierung gemeinsames 3D-Geometriemodell "ISO Spatial Schema" Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 6 Exkurs: Modellierung von 3D-Objekten Constructive Solid Geometry CSG • Volumenprimitive • Mengentheor. Operatoren zur Kombination: , , \ Boundary Representation BRep • Angabe der umschließenden Begrenzungsflächen Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 7 Constructive Solid Geometry (CSG): Eigenschaften • Beliebig geformte Primitive möglich (Zylinder, Kugeln,...) • Nicht eindeutig: ein Objekt kann auf unterschiedliche Weise repräsentiert werden • Primitive erzwingen implizit geometrische Relationen wie z.B. Parallelität, Kollinearität etc. • Vorteil: einfache Konstruktion, Haupteinsatz: CAD-Bereich • Nachteil: Oberflächen nicht explizit repräsentiert – Texturen problematisch, da diese Oberflächen zugeordnet sind – Visualisierung nicht trivial; Oberflächen müssen erst ermittelt werden Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 8 Boundary Representation (BRep): Eigenschaften • Planare und gekrümmte Oberflächen (z.B. B-Spline-Flächen) modellierbar • Eindeutig: jedes Objekt besitzt genau eine BRep • Geometrischen Relationen (Parallelität, ..) nur implizit • Vorteile: – direkte Zuordnung von Texturen zu Oberflächen – schnelle Visualisierung, nur Sichtbarkeit der Flächen muss bestimmt werden – Haupteinsatz: Visualisierung (z.B. VRML), Computer-Graphik • Nachteil: Konstruktion & Fortführung aufwändig Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 9 ISO 19107 „Spatial Schema“: Allgemeines • Gemeinsamer Standard von ISO und OGC • Modellierung der Geometrie und Topologie raumbezogener Objekte (Features) • basiert auf Konzept der Boundary Representation (BRep) mit Erweiterungen • einige Konzepte der Constructive Solid Geometry (CSG) werden unterstützt • u. A. Verwendung bei ALKIS (eingeschränkt auf 2D) • Zusammenspiel mit anderen ISO-Normen – – – – Koordinaten, Referenzsysteme (ISO 19111) Qualität, Genauigkeit (ISO 19113) Metadaten (ISO 19115) ..... • http://www.opengis.org/techno/abstract/01-101.pdf Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 10 Spatial Schema: Boundary Representation • Volumenkörper („Solids“) • geschlossen • begrenzt von beliebig vielen Flächen, die benachbart sind Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 11 Spatial Schema: Boundary Representation • Volumenkörper („Solids“) • geschlossen • begrenzt von beliebig vielen Flächen, die benachbart sind Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 12 Spatial Schema: Boundary Representation • Volumenkörper („Solids“) • geschlossen • begrenzt von beliebig vielen Flächen, die benachbart sind Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 13 Spatial Schema: Boundary Representation • Volumenkörper („Solids“) • geschlossen • begrenzt von beliebig vielen Flächen, die benachbart sind Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 14 Spatial Schema: Boundary Representation • Volumenkörper („Solids“) • geschlossen • begrenzt von beliebig vielen Flächen, die benachbart sind Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 15 Spatial Schema: Boundary Representation • Volumenkörper („Solids“) • geschlossen • begrenzt von beliebig vielen Flächen, die benachbart sind Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 16 Spatial Schema: Boundary Representation • Volumenkörper („Solids“) • geschlossen • begrenzt von beliebig vielen Flächen, die benachbart sind Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 17 Spatial Schema: Boundary Representation • Volumenkörper („Solids“) • geschlossen • begrenzt von beliebig vielen Flächen, die benachbart sind • Flächen werden von Linien begrenzt • Linien haben Anfangsund Endknoten Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 18 Spatial Schema: Boundary Representation • Volumenkörper („Solids“) • geschlossen • begrenzt von beliebig vielen Flächen, die benachbart sind • Explizite Speicherung der Nachbarschaft zwischen Flächen und Linien möglich • sichert zu, dass keine Lücken entstehen • „topologisches Modell“ Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 19 Flächen als Begrenzung von Volumenkörpern Polygon (koplanar) (ALKIS) Zylinderfläche Dreieck (Teil eines TIN) Kegelfläche Sphäre BSpline-Fläche Bikubisches Grid Bilineares Grid Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 20 Flächen: Unified Modelling Language Fläche Polygon Parametrisierte Fläche Dreieck Kegelfläche Zylinderfläche BSplineFläche Bikubisches Grid Sphäre Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 21 Spatial Schema: Modellierung eines Gebäudes 1. Objekt als Volumenkörper, geschlossen („reines“ BRep) 2. Objekt als Aggregation von Flächen (Außenwand und Dach), nicht geschlossen (geht über BRep hinaus) Ermöglicht Modellierung von Dachüberständen 3. Wandmodelle Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 22 Modellierung von Fenstern und Türen • Volumenmodell: Fenster/Türen als Aussparungen zerstören Geschlossenheit • Lösung: Fenster/Türen als eigenständige Flächenobjekte • Fenster-/Türpolygone zugleich in Gebäudebegrenzung Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 23 Objektbildung bei Gebäudekomplexen Wie kann dieses Gebäude mit Garage modelliert werden? 1. ein Volumenkörper, keine Wand zwischen Haus und Garage (weiß) – BRep Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 24 Spatial Schema: Objektbildung bei Gebäudekomplexen Wie kann dieses Gebäude mit Garage modelliert werden? 1. ein Volumenkörper, keine Wand zwischen Haus und Garage (weiß) – BRep 2. zwei Volumenkörper (rot und blau), die zu einem „Aggregat“ zusammengefasst werden – geht über BRep hinaus Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 25 Konsistenzprobleme • Aggregation zweier Volumenkörper (rot und blau) Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 26 Konsistenzprobleme • • Aggregation zweier Volumenkörper (rot und blau) Problem: Durchdringung beider Volumenkörper • Inkonsistenz • z.B. Fehler bei Volumenberechnung: Volumen des Komplexes ist ungleich der Summe der Volumina von rot und blau Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 27 Konsistenzprobleme: Lösungsansatz • • • • Lösung: Topologie grüne Fläche nur einmal vorhanden grüne Fläche sowohl Begrenzung des Hauses als auch der Garage Aufspaltung der Hauswand in grüne und gelbe Fläche Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 28 Koplanare Flächen • ISO "Spatial Schema" erlaubt koplanare (sich überlappende) Flächen • Probleme: • Oberflächenberechnung • Volumenberechnung • Visualisierung: Welche Fläche ist sichtbar? • Textur: Zuordnung zu welcher Fläche? Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 29 Koplanare Flächen: Lösungsansatz • Lösung: saubere Topologie der Flächen • Gemeinsame Fläche nur einmal vorhanden • Explizite Repräsentation der Identität der Flächen Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 30 Resümee • Spatial Schema: gemeinsamer 3D-Standard von ISO und OGC • geeignet für Stadtmodelle – reichhaltige Geometrie: gekrümmte Flächen, BSplineflächen, ... • viele Freiheiten – man kann fehleranfällig modellieren – Möglichkeit der Konsistenzwahrung durch Topologie Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 31 Offene Probleme • Einbeziehung der Zeit/Historie • Verwaltung der Level-of-Detail ("Multiple Representation") • Integration 2,5D - 3D • Unterirdische Bauwerke (Tunnel, Unterführungen), Löcher im DGM? Gerhard Gröger - Modellierung von 3D-Geodaten GW 2002 17.10.2002 32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen?
