Sichtbarkeitsbewertung von Planungsentwürfen mit 3D

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Sichtbarkeitsbewertung von Planungsentwürfen
mit 3D-Stadtmodellen
Julia MOSER und Florian ALBRECHT
IFFB Geoinformatik – Z_GIS, Universität Salzburg · [email protected]
Zusammenfassung
Bei sensiblen Bauvorhaben wie Bauprojekten in historischen Stadtteilen ist der Einsatz von
Sichtbarkeitsanalysen für Städte sehr wertvoll, um Planungsszenarien und Sichtbarkeitsbeeinträchtigungen realistisch abschätzen und präsentieren zu können. Im Beitrag wird eine
Lückenanalyse für Sichtbarkeitsanalysen durchgeführt, die vorhandene Methoden mit den
Anforderungen aus der Stadtplanung vergleicht. Anhand des Anwendungsfalls „Sichtbarkeit von Landmarken“ im Zusammenhang mit baulichen Veränderungen werden die Anforderungen an Sichtbarkeitsanalysen definiert. Die Beurteilung der untersuchten Sichtbarkeitsmethoden hat die Breite der möglichen Herangehensweisen aufgezeigt, aber auch
Grenzen erkannt, wie etwa die Beschränkung der Sichtbarkeitsberechnung auf 2.5D.
1
Einleitung
Die Nutzung von 3D-Stadtmodellen hat sich in vielen Bereichen der Privatwirtschaft und
der öffentlichen Verwaltung etabliert. Ein ausgereiftes 3D-Stadtmodell gilt mittlerweile als
wichtiges Arbeits- und Kommunikationsinstrument der Stadtplanung. Der Einsatz reicht in
diesem Anwendungsfeld von der Visualisierung einer groben Projektidee bis hin zur Präsentation der Detailplanung eines Gebäudes. Es wird damit eine visuelle Kommunikationsform für alle Projektbeteiligten geschaffen, die für die effiziente Abwicklung von städtischen Bauvorhaben häufig als gemeinsame Planungs- und Entscheidungsgrundlage dient.
Darüber hinaus bieten 3D-Stadtmodelle optimale Voraussetzungen, um durch Analysen
und Bewertungen zu einem besseren Verständnis räumlicher Situationen und Prozesse zu
gelangen (vgl. STEPPER & WIETZEL 2012). Dreidimensionale Daten können als Grundlage
für Sichtbarkeits- und Lärmausbreitungsanalysen, Solarpotenzialanalysen oder Schattenberechnungen planerische Maßnahmen unterstützen. Mit den Analysen können mögliche
Varianten einer Planungsausschreibung gegeneinander abgewogen werden. In dieser Arbeit
richtet sich das Hauptaugenmerk auf Sichtbarkeitsanalysen.
Im Beitrag werden die Eigenschaften der Sichtbarkeit von Objekten eines Stadtmodells, die
sich mit bestehenden Methoden erfassen lassen, den Anforderungen aus der Stadtplanung
in Form einer Lückenanalyse gegenübergestellt. Die diskutierten bestehenden Methoden
zur Sichtbarkeitsbewertung stammen aus dem Hintergrund der Architektur, der Geoinformatik und der Computergrafik. Die Anforderungen aus der Stadtplanung werden anhand
eines konkreten Anwendungsfalls herausgearbeitet. Realistische Anwendungsszenarien aus
dem Bereich der „Sichtbarkeit von Landmarken“ bilden dafür die Grundlage. An diesen
Anforderungen werden die vorgestellten Sichtbarkeitsmethoden gemessen. Als Ergebnis
Strobl, J., Blaschke, T., Griesebner, G. & Zagel, B. (Hrsg.) (2013): Angewandte Geoinformatik 2013.
© Herbert Wichmann Verlag, VDE VERLAG GMBH, Berlin/Offenbach. ISBN 978-3-87907-533-1.
Dieser Beitrag ist ein Open-Access-Beitrag, der unter den Bedingungen und unter den Auflagen der
Creative Commons Attribution Lizenz verteilt wird (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).
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aus dieser Lückenanalyse zeigt sich, wie gut jede Methode den Anforderungen aus dem
Anwendungsfall gerecht wird, wo ihre Grenzen liegen und wo Weiterentwicklungen erforderlich und möglich sind.
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Methoden der Sichtbarkeitsbewertung
Mit Sichtbarkeitsanalysen kann man bewerten, welche Bereiche für einen Beobachter in
seiner Umgebung sichtbar sind und welche nicht. BENEDIKT (1979) bezeichnet im Kontext
von Architektur den sichtbaren Raum als Isovist, der alle Punkte umfasst die von einer
Beobachterposition aus sichtbar sind. Landmarken in städtischen Umgebungen können also
danach bewertet werden, ob sie in diesem sichtbaren Raum enthalten sind oder nicht. Methoden zur Beurteilung von Sichtbarkeit wurden in der Architektur, der Geoinformatik und
der Computergrafik entwickelt. Die hier verwendete Auswahl beschränkt sich auf die Methoden, die sich zur Bewertung von Landmarken eignen. Sie vereinen verschiedene konzeptionelle Ansätze aus den genannten Fachrichtungen und bauen alle auf der ViewshedAnalyse auf.
Die Viewshed-Analyse berechnet Sichtbarkeit auf Geländeoberflächen und ist die klassische Methode zur Sichtbarkeitsbewertung aus der Geoinformatik. Implementierungen der
Viewshed-Berechnung stehen bereits seit Beginn der Entwicklung von kommerzieller GISSoftware zur Verfügung (TRAVIS et al. 1975, YOELI 1985). Die Methoden fanden Interesse
sowohl aus wissenschaftlicher Sicht für die Beurteilung von Unsicherheiten im Ergebnis
(FISHER 1996), wie auch für Anwendungen, zum Beispiel für die archäologische Bewertung
der Standortwahl historischer Siedlungen (WHEATLEY 1995). Mittlerweile macht die Verfügbarkeit hochauflösender Geländemodelle, in denen städtische Objekte repräsentiert sind,
die Viewshed-Berechnung auch für die Stadtplanung interessant.
Viewsheds werden auf Raster-Geländemodellen berechnet. Das Gelände wird als digitales
Höhenmodell in 2.5D mit einer z-Koordinate für jede x-y-Position beschrieben. Durch
Feststellung, ob eine Position des Terrains von einer bestimmten Position des Betrachters
sichtbar ist oder nicht, wird die Oberfläche binär in sichtbare und nicht sichtbare Bereiche
unterteilt. Zur Berechnung eines Viewsheds dient eine Sichtlinienanalyse (Line-of-SightAnalyse, LOS) als Grundlage, die entlang eines Profilschnittes durchs Gelände sichtbare
und verdeckte Bereiche identifiziert. Mit der Sichtlinienanalyse wird das Gelände in allen
Richtungen einmal rund um den Beobachterpunkt gescannt mit dem Ergebnis einer Sichtbarkeitskarte für das gesamte Gelände (DE SMITH et al. 2009).
Basierend auf der Viewshed-Methode und Berechnungen des Isovist in 2D (TURNER
et al. 2001) entwickelte YANG et al. (2007) eine Analyse für Stadtplanung und Architektur,
die sogenannte Viewsphere-Analyse. Die Viewsphere-Analyse berechnet das sichtbare
Raumvolumen, also die Größe des Isovists in 3D, auf Grundlage eines 2.5D-Geländemodells, in dem die Gebäude bereits integriert sind. Das sichtbare Raumvolumen wird
anhand des Sichtwinkels und der Sichtweite in allen Richtungen um die Beobachterposition
abgeschätzt. Rund um die Beobachterposition wird für alle Richtungen in regelmäßigen
Winkelabständen das Geländeprofil untersucht. Es wird eine Schnittfläche durch das sichtbare Volumen gebildet. Aus allen Profilen errechnet die Viewsphere-Methode das sichtbare
Volumen der Umgebung.
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J. Moser und F. Albrecht
MORELLO & RATTI (2009) schlagen die 3D-Isovist-Methode vor, bei der das errechnete
sichtbare Volumen mit Voxeln repräsentiert wird. Alle Voxelpositionen oberhalb eines
2.5D-Höhenmodells werden in sichtbar und nicht sichtbar eingeteilt. Diese Berechnung
kann für jedes Voxel, also für jede potenzielle Beobachterposition, wiederholt werden. Als
Ausgabewerte dienen zum Beispiel die Anzahl der sichtbaren Voxel, die Anzahl an verborgenen Voxeln oder die Anzahl sichtbarer Voxel an der Oberfläche.
BARTIE et al. (2010) entwickelten aus der Viewshed-Analyse eine Methode zur Messung
der visuellen Exposition von Gebäudefassaden (Visual exposure of FOI façade) in hochauflösenden 2.5D Geländemodellen. In einem hochauflösenden, digitalen Geländemodell einer
städtischen Umgebung wird die Hülle von Gebäuden, den spezifischen Features of Interest
(FOI), in der Regel in einer detaillierten Form als Oberfläche aus vielen Rasterzellen dargestellt. Einzelne Rasterzellen werden als extrudierte quadratische Flächen modelliert. Die
offenen Seitenflächen jeder Zelle stehen im Fokus dieser Methode, die die seitliche Ansicht
der Gebäude auswertet. Dadurch lässt sich die Größe des sichtbaren Teils einer einzelnen
Fassadenfläche des FOI berechnen. Auf dieser Methode bauen BARTIE et al. (2010) die
Berechnung von weiteren visuellen Eigenschaften zur Beurteilung der Prominenz von
Landmarken auf. Zum Beispiel stellt die FOI-Skyline-Methode durch die Identifikation von
Skyline-Zellen fest, ob ein Gebäude Teil der Skyline ist, also vom Betrachter aus gesehen
den Himmel hinter sich hat.
Zusammengefasst ergeben sich damit die Methoden Viewsphere, 3D-Isovist, die Messung
der visuellen Exposition von Gebäudefassaden sowie die FOI-Skyline-Methode. Jede dieser
Methoden ist in der Lage, unterschiedliche Aspekte von Sichtbarkeit in städtischen Umgebungen zu bewerten. Im Folgenden wird deren Nutzen für den Anwendungsfall der Sichtbarkeit von Landmarken bewertet.
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Anwendungsfall „Sichtbarkeit von Landmarken“
Der Anwendungsfall „Sichtbarkeit von Landmarken“ untersucht Sichtachsen und Blickbeziehungen auf Landmarken, die für die Wahrnehmung der Stadt von Bedeutung sind, etwa
den Blick auf eine bekannte Sehenswürdigkeit. Das Stadtplanungskonzept von Städten sieht
häufig vor, dass schützenswerte Ansichten von Landmarken aus verschiedenen Blickrichtungen gewährleistet bleiben müssen. Bei der Planung von baulichen Maßnahmen sind
daher „Blickstörungen“ zu vermieden, die durch Neubauten, Renovierungen mit Aufstockung des Gebäudes aber auch durch neue Vegetation entstehen können. Die Ergebnisse
von Sichtbarkeitsanalysen dienen dabei zur Festlegung von Richtlinien und Parametern für
zu planende Bauprojekte. Es werden Grenzen für einen Planungsbereich definiert, außerhalb derer keine baulichen Veränderungen stattfinden dürfen. Zudem können die auf diese
Ausschreibung hin eingereichten Planungsentwürfe mit Sichtbarkeitsanalysen gegenübergestellt werden. Für die Bewertung von Landmarken können Objekte im Vordergrund und
Objekte im Hintergrund die Ansicht beeinträchtigen. Ein neues Objekt im Vordergrund darf
die Sichtbarkeit der Landmarke nicht behindern. Die Sichtlinien zu einer Landmarke müssen also frei bleiben. Ein neues Objekt im Hintergrund verändert den Anblick einer Landmarke, die mit seiner Umgebung möglicherweise ein schützenswertes Ensemble bildet.
Folglich soll dieses Panorama unverändert erhalten bleiben.
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Der UNIPARK Nonntal, ein Universitätsgebäude der Universität Salzburg mit rund
17.000 Quadratmetern Nutzfläche, ist ein adäquates Beispiel, um den Anwendungsfall
„Sichtbarkeit von Landmarken“ zu illustrieren (vgl. BIG 2013). Der hell und transparent
wirkende Glasbau mit der Festung Hohensalzburg im Hintergrund gehört mittlerweile zum
Erscheinungsbild der Stadt Salzburg. Für dieses Beispiel soll die Ansicht dieses Ensembles
sowohl von großen Bauprojekten im Vordergrund als auch von neuen Objekten im Hintergrund nicht gestört werden. Zu große Bauprojekte im Vordergrund würden die Sicht auf
das markante Gebäude vom Erholungsgebiet Freisaal aus einschränken. Das Ambiente mit
dem Blick auf den UNIPARK Nonntal und der dahinterliegenden Festung Hohensalzburg
wäre entsprechend durch Objekte im Hintergrund gefährdet. Die benötigten Sichtbarkeitsinformationen müssen in der Lage sein, diejenigen Bereiche im Raum zu beschreiben, in
denen neue Objekte zu einer veränderten Ansicht führen würden. Das entspricht dem von
einem Beobachterstandort aus sichtbaren Raumvolumen. Gleichzeitig wird das komplementäre, nicht sichtbare Raumvolumen bestimmt, in dem neue Objekte ohne eine Veränderung der Ansicht gebaut werden können. Die Grenzfläche zwischen diesen beiden Volumen
kann als verdeckende Fläche bezeichnet werden. Ein neues Objekt darf nicht durch diese
Fläche in den einsehbaren Raum eindringen (vgl. Abb. 1).
Abb. 1:
Skizze des verdeckten Volumens als transparentes Flächenmodell
Die Veränderung der Ansicht durch neue Objekte kann auch über die Sichtbarkeit der Fassaden einer Landmarke beurteilt werden. Wenn ein Objekt im Vordergrund einen Teil der
Fassade verdeckt, dann verringert sich deren sichtbare Fläche. Gleichzeitig verändert sich
dabei auch die Form der Landmarke in der perspektivischen Ansicht. Wenn die Obergrenze
des neuen Objekts, bzw. dessen Skyline, Teil der Objektabgrenzung der Landmarke wird,
dann ist die Sichtbarkeit der Landmarke beeinträchtigt. Ein Objekt im Hintergrund kann die
Landmarke überragen und führt dazu, dass die Skyline der Landmarke dort nicht mehr an
den Himmel grenzt.
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J. Moser und F. Albrecht
Die Anforderungen an Sichtbarkeitsinformationen für den dargestellten Anwendungsfall
setzen sich also aus verschiedenen messbaren Sichtbarkeitseigenschaften für einen Beobachterstandort zusammen. Die Messwerte werden nicht nur für einen Standort bestimmt,
sondern aus allen Beobachterpositionen im Erholungsgebiet Freisaal integriert.
4
Ergebnisse und Diskussion
Für die im Anwendungsfall „Sichtbarkeit von Landmarken“ definierten Anforderungen
werden nun die Methoden Viewsphere, 3D Isovist, visuelle Exposition von Gebäudefassaden und FOI Skyline gegenübergestellt. Die zu erwartenden Ergebnisse jeder einzelnen
Methode werden an den Anforderungen gemessen (vgl. Tabelle 1).
Tabelle 1:
Bewertung der Sichtbarkeitsmethoden
Anforderungen
Sichtbares
Volumen
Verdeckende
Grenzfläche
Sichtbare
Fassadenfläche
Skyline
Methode
Viewsphere
o*
o
Grenzfläche
mit Profillinien indiziert; Fläche
nicht direkt
modelliert
–
–
3D Isovist
+
+
Alle Randvoxel des
sichtbaren
Volumens
+
Anzahl der
sichtbaren
Voxel auf
Fassadenfläche
O
Visuelle
Exposition
von Gebäudefassaden
FOI Skyline
–
–
+
Spezifisch
dafür entwickelt
–
–
–
–
Volumen
direkt gemessen,
2.5DOberfläche
nicht
ableitbar
Direkt mit
Voxel gemessen,
2.5DOberfläche
ableitbar
+
Potenziell
ermittelbar
mit 3DNachbarschaftsbeziehungen
Spezifisch
dafür
entwickelt
*Anforderungen erfüllt (+), bedingt erfüllt (o) bzw. nicht erfüllt (–).
Mit den diskutierten Methoden lassen sich alle herausgearbeiteten Sichtbarkeitskriterien
beurteilen. Um Sichtbarkeitsveränderungen in der Ansicht eines Betrachters zu messen,
müssen nicht alle Methoden eingesetzt werden. Die erfolgreiche Beurteilung mit einer
einzelnen Methode impliziert häufig die Informationen der anderen Methoden. Wenn zum
Beispiel die Fassade eines Gebäudes verdeckt wird, ist automatisch auch das einsehbare
Volumen betroffen. Die 3D-Isovist-Methode deckt dabei das breiteste Spektrum der Anforderungen ab.
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Für die Verwendung der Methoden mit 3D-Stadtmodellen muss zuerst eine Konversion in
ein 2.5D Geländemodell erfolgen. Alle verglichenen Methoden beruhen auf der ViewshedAnalyse, die den Einsatz von Geländemodellen verlangt. Dadurch können im Stadtmodell
vorhandene Details für die Sichtbarkeitsanalyse verloren gehen. Diese Anforderungen an
den Detaillierungsgrad bei der Modellierung von Landmarken bietet Potenzial für weiterführende Studien.
Literatur
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STEPPER, H. & WIETZEL, I. (2012), Durchmischung verstehen – neue Einsatzfelder von 3DStadtmodellen zur Visualisierung und Simulation urbaner Prozesse. In: Proceedings
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TRAVIS, M. R., ELSNER, G. H., IVERSON, W. D. & JOHNSON, C. G. (1975), VIEWIT: Computation of seen areas, slope, and aspect for land-use planning. General Technical Report PSW-11/1975 Forest Service, U.S. Department of Agriculture, Berkeley, California, USA, 70 p.
TURNER, A, DOXA, M., O'SULLIVAN, D. & PENN, A. (2001), From isovists to visibility
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