Zur maßstabsabhängigen Erzeugung von 3D-Stadtmodellen

Abstract

Die großflächige Erfassung von 3D-Stadtmodellen erfolgt gegenwärtig fast ausschließlich aus der (semi-) automatischen Interpretation von Luftbildern und Luftlaserdaten. Die resultierenden Gebäudemodelle besitzen zwar detaillierte Grundrisse und Dachstrukturen; eine Rekonstruktion der Fassaden erfolgt auf dieser Datengrundlage üblicherweise jedoch nicht.

Neben den klassischen Anwendungen, wie z.B. der Standortplanung von Mobilfunkantennen, Ausrichtung von Solaranlagen und Lärmanalysen, nimmt die Visualisierung von 3D-Stadtmodellen einen immer höheren Stellenwert ein. Hierfür werden sowohl großflächig 3D-Gebäudedaten mit geringer Detaillierung als auch punktuell photorealistische Modelle benötigt.

Die Arbeit leistet hierzu einen Beitrag, indem sowohl automatische Lösungen in Form der kartographischen Vereinfachung als auch der bildlichen und geometrischen Ausgestaltung von Fassaden vorgestellt werden. Für kartenverwandte 3D-Darstellungen und nicht-photorealistische Visualisierungen müssen die generalisierten Modelle zudem geometrischer Relationen genügen und die gebäudecharakteristische Form wiederspiegeln.

Für die geometrische Vereinfachung werden zwei Verfahren mit komplementären Generalisierungsstrategien beschrieben. Im ersten Verfahren erfolgt die Generalisierung durch die Erkennung und Entfernung von gebäudespezifischen Merkmalen. Eine sich anschließende Einpassung an die Originalgeometrie korrigiert die dabei auftretenden Veränderungen in der Lage und den Proportionen. Im zweiten Verfahren wird die globale Gebäudeform nachgebaut. Hierfür werden dominante Ebenen im Ausgangsmodell identifiziert, um daraus eine Zellenzerlegung des vereinfachten Gebäudes zu erhalten.

Zur Bereitstellung von Modellen mit detaillierten Fassaden werden zudem zwei Verfahren zur automatischen Ausgestaltung aus terrestrischen Daten aufgezeigt. Dies sind zum einen die Texturextraktion aus Bildern mit bekannter äußerer Kameraorientierung und zum anderen die Interpretation von 3D-Punktwolken aus terrestrischem Laserscanning.

3D city models are currently generated area covering by (semi-) automatic interpretation of aerial images and laser data. The resulting building models have detailed ground plans and roof structures. However, a detailed reconstruction of the façade is usually not available.

Besides the traditional applications of 3D city models, like e.g. the planning of mobile antennas, alignment of solar installations and noise analyses, the visualisation of urban areas gains in importance. For this purpose, 3D building data is needed either for large areas with limited amount of detail or selected landmark objects in photorealistic quality.

The work at hand makes a contribution on this subject by proposing automatic solutions for the cartographic simplification as well as the reconstruction of facades with images and real geometry. For map-like 3D presentations and non-photorealistic visualisations, the generalised models must moreover satisfy geometric constraints and reflect the characteristic shapes of the buildings.

Two new approaches for the geometric simplification are described with complementary generalisation strategies. In the first approach, the generalisation is a result of the detection and removal of features that are specific to building objects. This is followed by a fitting process that adjusts the resulting model to the original geometry in order to correct changes in the position and proportions. The second approach rebuilds the global shape of the building. For this purpose, the dominant planes are identified in the original model to get a cell decomposition of the simplified building.

To provide models with detailed facades, two further approaches for the automatic reconstruction from terrestrial data are discussed. One is the texture extraction from images with known exterior camera orientation and the interpretation of 3D point clouds from terrestrial laser scanning.