Automatische Analyse: Wie hoch ist die geometrische QualitÀt von 3D-GebÀudemodellen?

Geoplex entwickelt ein Verfahren zur automatisierten Bestimmung der geometrischen QualitÀt von 3D-GebÀudemodellen in LoD2.

FĂŒr viele Landesvermessungsverwaltungen gehören 3D-GebĂ€udemodelle inzwischen zum Standardangebot. Sie werden nicht nur fĂŒr die Privatwirtschaft angeboten (teilweise als Open Data), sondern auch den Kommunen zur vielfĂ€ltigen Weiterverwendung zur VerfĂŒgung gestellt. Umso hĂ€ufiger steht die Frage im Raum, wie realitĂ€tsgetreu diese Modelle sind: Sind die GebĂ€ude in Lage und Höhe korrekt abgebildet und sind die standardisierten Dachformen auch korrekt heraus-gearbeitet? Fragen, die sich insbesondere im Rahmen der Visualisierung von planerischen ZusammenhĂ€ngen stellen. Die Firma Geoplex hat nun ein automatisiertes Verfahren entwickelt, mit dem auch Massendaten geprĂŒft und die Ergebnisse visualisiert werden können. Entwickelt wurde dieser „RealitĂ€tscheck“ am Beispiel von landesweiten 3D-GebĂ€udemodellen in der Stufe LoD2, wie sie von fast allen BundeslĂ€ndern bereits flĂ€chendeckend angeboten werden.

In diesen FĂ€llen liegt das Grundproblem des QualitĂ€tsmanagements besonders deutlich auf der Hand: Daten zur Lage der Hausumrisse und der Höhe der GebĂ€ude liegen in den Landesverwaltungen an verschiedenen Stellen vor: Einerseits in den Katasterdaten, die permanent mit klassischen terrestrischen Verfahren punktuell aktualisiert werden und aus denen die Hausumringe abgeleitet werden. Die Höhendaten kommen meist aus Laserscan-Befliegungen und den daraus abgeleiteten GelĂ€nde- und OberflĂ€chenmodellen. Stehen aktuelle 3D-Punktwolken aus Laserscan-Befliegungen zur VerfĂŒgung, entsteht damit ein Referenzdatensatz. „In ihm sind sowohl die Lage der GebĂ€ude, deren Höhendaten und aufgrund der hohen Auflösung auch die notwendigen Daten fĂŒr die Erstellung der Dachformen in höchster QualitĂ€t und AktualitĂ€t vorhanden“, sagt Frederik Hilling, GeschĂ€ftsfĂŒhrer der Geoplex GmbH aus OsnabrĂŒck.

Die Folge: Verwaltungen bekommen eine Referenz, anhand derer sie prĂŒfen können, wie realitĂ€tsgetreu die 3D-GebĂ€udemodelle sind. „Das Thema wird in der Szene intensiv diskutiert“, sagt Hilling, der seit diesem Jahr auch den Vorsitz der Kommission 3D-Stadtmodelle innerhalb der Deutschen Gesellschaft fĂŒr Kartographie (DGfK) ĂŒbernommen hat. Weiterer Treiber ist es, dass 3D-Stadtmodelle zunehmend in verschiedensten, auch ingenieurtechnischen Anwendungen genutzt werden, wodurch die Anforderungen an belastbarem Datenmaterial immens steigen. Sprich: Man benötigt objektives Wissen ĂŒber die geometrische QualitĂ€t der Daten.

Werteskala fĂŒr die Genauigkeit

Der Geoplex-Mitarbeiter Stefan Conrads hat daher im Rahmen einer Masterthesis eine Methode entwickelt, mit der Abweichungen von LoD2-GebĂ€udemodellen zu einem Referenzdatensatz automatisiert berechnet werden können. Die Verfahren wurden innerhalb der PlexMap-Software implementiert und in der Praxis getestet, einmal anhand eines Datensatzes des bestehenden LoD2-GebĂ€udemodells von Nordrhein-Westfalen und einmal anhand eines kĂŒnstlich generierten Testdatensatzes mit eingebauten „Fehlern“.

Das ausgeklĂŒgelte Verfahren ist schrittweise aufgebaut und berechnet zunĂ€chst geometrische Abweichungen anhand des digitalen OberflĂ€chenmodells (DOM). Über den Abgleich des DOM mit dem LoD2-GebĂ€udemodell wird festgestellt, inwiefern die Geometrie der Dachseiten im LoD2-Modell zur Punktwolke des DOM passt. Daraufhin wird dies auch fĂŒr die Lage des GebĂ€udes bewertet. Dazu wurde auch noch ein Verfahren zur Koregistrierung der einzelnen Objekte integriert, um die Abweichungen noch besser identifizieren zu können, dies ist aber aufgrund von unterschiedlichen Ergebnissen je nach Problemstellung optional hinterlegt.

Farbkodierte Visualisierung der Genauigkeitswerte eines 3D-GebÀudemodells im LOD2: Innerhalb der verschiedenen Verfahrensschritte in dem WebGIS PlexMap werden die Ungenauigkeiten zuvor berechnet, analysiert und bewertet. Foto: Geoplex GmbH

Farbkodierte Visualisierung der Genauigkeitswerte eines 3D-GebÀudemodells im LOD2: Innerhalb der verschiedenen Verfahrensschritte in dem WebGIS PlexMap werden die Ungenauigkeiten zuvor berechnet, analysiert und bewertet. Foto: Geoplex GmbH

Mithilfe des DOM wird dann ein prozentualer Genauigkeitswert berechnet. Dieser orientiert sich an der gemessenen Abweichung zwischen DOM und LoD2-GebĂ€udemodell. Dabei werden die Genauigkeitsanforderungen des LoD2-Standards berĂŒcksichtigt. Beispielsweise wurde festgelegt, dass die Abweichung der GebĂ€udehöhe maximal ±1 Meter betragen darf, um nicht als Fehler eingestuft zu werden. Jedes GebĂ€ude bekommt einen solchen Genauigkeitswert zugewiesen, in den die verschiedenen Kriterien eingehen (Höhe, Lage etc.). Die Werte werden zwischen Null und 100 (komplett richtige Abbildung) festgelegt, sodass statistische Daten fĂŒr groß-flĂ€chige Gebiete automatisiert zur VerfĂŒgung stehen. Im dritten Schritt wird jedem DOM-Pixel ein Farbwert zugeordnet, sodass intuitiv anhand einer Farbpalette mit Rot, GrĂŒn und Blau erkennbar ist, wo in den LoD2-Modellen die Abweichung am grĂ¶ĂŸten ist (siehe Bild).

Test mit realen und Labor-Daten

FĂŒr die Visualisierungen gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten: Zum einen können die absoluten geometrischen Abweichungen gezeigt werden, zum anderen nur jene, die im Sinne der LoD2-Kriterien wirksam werden. Bei letzterem sind beispielsweise die Abweichungen, die durch individuelle Dachformen wie Gauben oder Schornsteine zustande kommen, nicht berĂŒcksichtigt.

Die Tests des Verfahrens liefen zufriedenstellend: „Das Verfahren hat sich als geeignet erwiesen, sowohl einen visuellen Eindruck der geometrischen Genauigkeiten zu erzeugen als auch mittels des abgeleiteten Genauigkeitswertes fĂŒr eine automatisierte QualitĂ€tsbewertung eingesetzt zu werden“, fasst Stefan Conrads zusammen. Bei der Analyse von Fehlern in dem synthetischen Datensatz konnte die Software alle Fehlertypen erkennen.

Das Verfahren bedient sich des Moduls Switchboard innerhalb des WebGIS PlexMap. Auf der BedienoberflĂ€che des Tools können automatisierbare Workflows definiert werden, die Geodaten auf verschiedenste Arten verschneiden, homogenisieren oder analysieren können. Dies geschieht grafisch anhand von Bausteinen, die frei miteinander kombinierbar sind. „An dieser Stelle lassen sich auch viele Einstellungen zur Individualisierung der QualitĂ€tsprĂŒfung treffen“, sagt Conrads. Die Ergebnis-Daten der PrĂŒfungen werden dann als Dienst (WMS/WFS) veröffentlicht oder in PlexMap 3D genutzt.

Über das entwickelte Verfahren können die Landesvermessungen im Rahmen der Datenproduktion feststellen, ob der LoD2-Standard hinsichtlich der geometrischen Genauigkeit eingehalten wurde. DarĂŒber hinaus ist das Verfahren auch fĂŒr StĂ€dte interessant: Sie können eine eigene Fortschreibung des 3D-Stadtmodells auf Grundlage der LoD2-Daten entwickeln und mit Hilfe von Genauigkeitsschwellenwerten entscheiden, bis wohin sie die LoD2-GebĂ€ude in den eigenen Datenbestand aufnehmen möchten. FĂŒr PlexMap-Nutzer soll die Komponente fĂŒr die QualitĂ€tssicherung in KĂŒrze zur VerfĂŒgung stehen. Aber das Unternehmen plant, diese auch Nicht-Kunden als eigenstĂ€ndig nutzbares Open-Source-Tool zur VerfĂŒgung zu stellen. Damit sind weitere wichtige Grundlagen fĂŒr das vielschichtige Thema des QualitĂ€tsmanagements gelegt. „Mit dem RealitĂ€tscheck wollen wir dem QualitĂ€tsmanagement in der Branche Vorschub leisten und damit ganz allgemein den Reifegrad von 3D-Stadtmodellen weiter fördern“, so Hilling. (sg)

www.geoplex.de