Deaktivierte Dienste GDI-3D
Derzeit werden auf regionaler, nationaler und auch internationaler Ebene Geodateninfrastrukturen (GDI) aufgebaut. Sie erlauben die dezentrale Organisation von Geodaten und kooperative Nutzung verteilter GI-Dienste auf Basis offener Standards des Open Geospatial Consortiums (OGC). Die Technik zur Einbeziehung von 3D Geodaten, wie z.B. virtuelle Stadtmodelle, in eine GDI ist jedoch erst in der Entwicklung und bedarf weiterer Forschungsarbeit - insbesondere hinsichtlich der Interoperabilität von Diensten und Daten. Verschiedene Städte sind bereits dabei, entsprechende Modelle aufzubauen, die Potential für vielfältige Einsatzmöglichkeiten besitzen. Dazu zählen nicht nur virtuelle Stadtführer, sondern z.B. auch Stadtplanung, Autonavigation, Katastrophenschutz, Simulationen von Schall- und Funkwellenausbreitung und vieles mehr.
Im Projekt werden drei Hauptziele verfolgt:
1. Interoperable Umsetzung eines 3D-Stadtmodells
2. Realisierung der benötigten 3D-Geodateninfrastruktur-Dienste
3. Entwicklung prototypischer Anwendungen auf Basis der Technologie von 3D-GDI
Projekte von GDI-3D:
- OpenStreetMap-3D: Verknüpfung von OpenStreetMap und SRTM-DGM, zunächst für ganz Deutschland
- NorthRhine-Westphalia-3D: Alle - über 6 Millionen - amtlichen LOD1 Gebäude von NRW im W3DS
- Heidelberg-3D: Amtliche Vermessungsdaten plus texturierte und ausmodellierte LOD3 Gebäude von Heidelberg
Projektziele
Im Projekt GDI-3D werden Softwarekomponenten entwickelt, die Dienste für die Realisierung von 3D Geodateninfrasrtukturen implementieren.
Hierzu zählen u.a. der Zugriff auf Geodaten und Visualisierungskomponenten für das Web und für mobile Geräte. Dabei werden die Spezifikationen des Open Geospatial Consortiums (OGC) umgesetzt und evaluiert, das auf internationaler Ebene Standards für GI-Dienste definiert. Teilweise müssen jedoch bestehende OGC Standards erweitert werden, da sie nicht fur eine 3D GDI ausgelegt sind, oder es muss die Entwicklung von neuen Diensten vorangetrieben werden. Die Erfahrungen, die im Projekt gesammelt werden, werden deshalb auch in den OGC Standardisierungsprozess einfliessen. Dabei ist vor allem der Web3D Service (W3DS) zu nennen, der als Pendant zum Web Map Service (WMS) 3D Karten oder Szenen für die interaktive Visualisierung bereitstellt. Der W3DS enthält das komplette Stadt- und Landschaftsmodell und stellt dieses als offenen Internet-Dienst bereit.
Die Modellierung des Stadtmodells erfolgt einerseits anhand von offiziellen Daten, die vom Vermessungsamt zur Verfügung gestellt werden. Dazu zählen das Geländemodell, Gebäudegrundrisse aus dem ALK, Bäume, sowie Informationen über die Verkehrsinfrastruktur. Andererseits werden fortlaufend Objekte mit hherem Detaillierungsgrad erfasst und modelliert. Das Ziel ist es, für alle Landmarken und touristisch interessante Gebiete ausmodellierte und texturierte Objekte bereitzustellen. Des weiteren werden erfasst: Dachformen, Landnutzungsarten, Strassenmblierung, Brunnen, Statuen, u.a. Das Stadtmodell kann daher sowohl für eine kartographische Darstellung, die Informationen über Straßen, Infrastruktureinrichtungen, touristische Sehenswürdigkeiten, Freizeiteinrichtungen u.v.m. bereitstellt, als auch für eine VR Anwendung, bei der eine möglichst realitätsnahe Darstellung im Vordergrund steht, eingesetzt werden.
Das Modell umfasst:
- LOD 0: DGM, Landschaftsmodell, enthält Landnutzungsformen oder Luftbilder
- LOD 1: Gebäudeblöcke
- LOD 2: Gebäude mit Dachformen
- LOD 3: Gebäude mit Dachformen und Fassadentexturen sowie ausmodellierte Landmarken
Vorbereitende Technologien
DGM Erzeugung
Die Basis aller virtuellen Landschaften ist ein digitales Geländemodell (DGM). Heidelberg liegt an der Grenze zwischen zwei besonderen morphologischen Einheiten: Der Oberrheingraben und die Mittelgebirgslandschaft des Odenwaldes. Um alle morphologischen Eigenheiten so gut wie möglich zu erfassen und dabei die das Model so effizient wie möglich abspeichern zu können, werden „Triangulated Irregular Networks“ (TINs) genutzt. Die Rohdaten wurden freundlicherweise vom Stadtvermessungsamt Heidelberg zur Verfügung gestellt. Sie decken die Stadt Heidelberg sowie die umliegenden Ebenen und Berge mit einem 5m-Raster ab. Die verwendete Implementierung der Triangulation leitet sich aus einem Algorithmus zur 3D-Oberflächen Rekonstruktion ab und liefert weitaus bessere Ergebnisse als die bekannten 2D-Delaunay Implementierungen. Zusätzlich zu den X;Y- Koordinaten der Ebene berücksichtigt die Berechnung auch die Krümmung der Oberfläche an jedem Knotenpunkt. Das Maß für die Krümmung der Oberfläche in einem Knotenpunkt ist das Integral über die mittlere Krümmung, d.h.: ein Wert, der sich aus den Längen der Kanten und den Winkeln benachbarter Kanten zusammensetzt. Die Minimierung des Integrals über das komplette TIN erzeugt eine sehr stabile Darstellung der Oberfläche und lässt alle morphologischen Gegebenheiten erkennen.
2D Layer Integration
Ein bliches Verfahren, um ein DGM mit Landnutzungsinformationen auszustatten ist die Texturierung mit Luftbildern (bzw. Orthophotos). Was für virtuelle Globen und kleine Maßstäbe sehr gut aussieht, führt im Nahbereich und in Verbindung mit einem Stadtmodell nur zu unbefriedigenden Ergebnissen (Auflösung, Verzerrung, Perspektive). Besonders im Zusammenhang mit einem GIS lohnt es sich daher 2D-Layer, die vielfältige Informationen wie Landnutzungsarten, Verwaltungsgebiete, Infrastruktur, Geologie, Klimainformationen, etc. enthalten, vektoriell in das DGM zu integrieren. Dies ist ein geometrischer Prozess, der das DGM in mehrere 3D-Flächen zerlegt, die den betreffenden Landnutznutsungstyp (Layer) reprsentieren.. Durch Farb- und Materialinformationen aus selbst definierten „Layer-Style-Documents“ (Vergl. SLD und SLD3D) können die einzelnen 3D-Flächen verschiedenartig visualisiert werden.
Level-Of-Detail (LOD) Erzeugung
Weil das erwhnte 5m-Gelndemodell wegen des hohen Speicherbedarfs und Aufwandes fr die Darstellung weniger geeignet ist, wurde ein Level of Deatail (LOD) - Mechanismus implementiert. Er wählt geeignete Auflösungen anhand des Viewpoints aus. Die Basis für die Generierung verschiedener LODs ist ein geometrischer Vereinfachungsalgorithmus, der einzelne Elemente des TINs, die wenig zur Oberflächenform beitragen, eliminiert, solange bis ein bestimmter Fehlerwert erreicht ist. Genauer gesagt wurde ein Algorithmus zur Kantenzusammenfassung implementiert, der auf den Prinzipien von Garland and Heckbert (1997) aufbaut und normalerweise zum Ausdünnen großer, durch Laser-Scanning erzeugte 3D-Modelle genutzt wird. Das Ergebnis dieser Vorverarbeitung ist eine Sammlung von quadratischen Oberflächenkacheln in verschiedenen Genauigkeitsstufen und Größen, die zu einem kompletten DGM zusammengesetzt werden können. Die äußeren Begrenzungen der integrierten 2D-Layer wurden bei der Ausdünnung berücksichtigt, so dass sie im Resultat weiterhin erkennbar sind.
Komponenten und Merkmale der Geodateninfrastruktur
Geodateninfrastruktur 3D (GDI3D)
Das Hauptziel des Projektes ist es, eine GDI3D für die Stadt Heidelberg aufzubauen und geeignete Methoden für Datenaustausch, Datenvorbereitung, Verkettung von Diensten und Interaktion der Nutzer zu finden. Alle Serverkomponenten (Webdienste) basieren auf OGC-Standards oder OGC Vorschlägen. Das Open Geospatial Consortium (OGC) ist die wichtigste Organisation für die Festlegung von Standards innerhalb der Geoinformatik. Im Rahmen des Projekts wurden einige der zu Zeit vom OGC diskutierten Dienste implementiert und zum Teil an die speziellen Bedürfnisse von 3D-Geodaten angepasst.
Web 3D Service
Als Kernkomponente der GDI3D liefert der Web3DService (W3DS) auf Anfrage ein 3D-Stadt- und Geländemodell nach den OGC W3DS Spezifikationen. Der W3DS ist eine der ersten Implementierungen dieser Art. Innerhalb des Projektes wird er hauptsächlich von einer Client-Applikation verwendet, um 3D-Informationen in Form von 3D-Szenen abzurufen. Durch die standardisierte Schnittstelle des Dienstes kann aber auch jede andere Anwendung oder jeder andere Dienst Szenen abrufen. Der Web Request zum Abrufen einer Szene besteht aus mehreren Parametern die sowohl Szeneninhalt als auch Blickrichtung und Begrenzung (BoundingBox) festlegen. Über einen GetCapabilities-Request können Informationen über verfügbare Layer (Thematisch-geometrische Einheiten) und Styles (Visualisierungsoptionen) abgerufen werden. Ein GetScene-Request liefert dann eine komplette 3D-Szene im Austauschformat VRML 2.0 (Mindestanforderung laut Spezifikation), d.h. der Server ist für die Integration der Geodaten und die Übertragung der Szene an den Client verantwortlich, der Client rendert die Szene dann in Echtzeit. In der Regel werden Browser Plugins verwendet, die das Austauschformat interpretieren können.
3D Routing
Um Schnitte mit dem Gelände zu vermeiden, werden zusätzliche Punkte in die Routensegmente eingefügt. Somit wird die Routengeometrie exakt dem DGM angepasst, so dass beide überlagert werden können. Die resultierende Routengeometrie wird zusammen mit den Navigationsanweisungen und Wegepunkten vom Web Client verarbeitet und als interaktive Animationssequenz präsentiert. Für die Routenplanung wird eine Implementierung der OpenGIS Location Services (OpenLS) Spezifikation verwendet, die auch beim openrouteservice zum Einsatz kommt. Die berechnete Routengeometrie wird nach 3D transformiert, indem die Höheninformationen aus dem Geländemodell einbezogen werden.
3D Web Viewer
Der erste implementierte Web Client und 3D GIS Viewer wurde für Desktop Computer auf Basis von J2SE, Java3D, Java Topology Suite, Xbean und anderen aktuellen Java Technologien entwickelt. Die wesentlichen Anforderungen für den Web Client waren Hardwareunabhängigkeit (J2SE und Java3D steht für Linux, Solaris und Windows zur Verfügung, Mac wird folgen), bestmögliche Performance sowie dynamisches Nachladen von Daten, um umständliche Benutzereingaben zu vermeiden. Letzteres wurde durch ein Block-basierten Streaming Schema erreicht, welches ganze Blöcke/Kacheln des geeigneten LOD herunterlädt, entsprechend der aktuellen Kameraposition. Der Web Client XNavigator kann verschiedenste OGC Web Services ansprechen, z.B. W3DS, OpenLS Route Service und OpenLS Directory Service, WMS (Web Map Service), SOS (Sensor Observation Service), WPS (Web Processing Service), Catalogue Service Web (CS-W) etc.
3D Styled Layer Descriptor (3D-SLD)
In der Visualisierung hat sich in vielen Bereichen eine Trennung zwischen Geometrie und Visualisierungsvorschrift durchgesetzt, denn eine Geometrie kann je nach Verwendung in unterschiedlicher Weise abgebildet werden. Somit bleibt die Geometrie bei der Datenhaltung frei von Redundanz und nur die Visualisierungsvorschrift braucht ausgetauscht werden. Mit der Entwicklung einer 3D-Visualisierungsvorschrift aus der bestehenden Visualisierungsvorschrift "OGC Styled Layer Descriptor/ Symbology Encoding" kann in Zukunft der OGC Standard in Hinblick auf 3D-Modelle ergnzt werden. Der implemetierte Web 3D Service (W3DS) nutzt im Projekt erste Anstze der umfangreichen Vorschrift z.B. bei der Darstellung des Gelnde, der Gebude und Punktgeometrien. Die Anwendung der 3D-SLD erfolgt durch eine Beschreibung von Punkten, Linien, Polygonen, Texten, Rasterbildern, Gelndeoberflchen und Krpern mit den Eigenschaften der Darstellung. Wie in der folgenden Abbildung zusehen, knnen mit dieser Vorschrift die Gebude und das Gelnde mit einer eigenen Vorschrift beschrieben werden. In einer Vorschrift knnen Geometrien auch nach Eigenschaften getrennt visualisiert werden. Damit ist es z.B. mglich Gebude nach ihrer Nutzng (ffentlich, gewerblich, privat) einzufrben. Auerdem wurde eine Erweiterung des bestehenden OGC Symbology Encoding von 2D nach 3D entwickelt und wird in einer Arbeitsgruppe des OGC zu einer Spezifikation ausgearbeitet.
Neuigkeiten
Presse
- Heidelberg ist online: Geodateninfrastruktur-3D
gis.business - Das Magazin für Geoinformation (7/2008) - Heidelberg-3D Uses OGC Standards to Model City (13. November 2008)
- GDI-3D.de is OGC Website of the month (10/2008)
- Bonner Universität entwickelt 3D-Geodateninfrastruktur für Heidelberg (08/2008)
- Offenes 3D-Modell (21.07.2008)
- GDI3D Geodateninfrastruktur für 3D-Geodaten - Auf dem Weg zu dienstebasierten interoperabelen 3D-Stadtmodellen am Beispiel von Heidelberg (18.07.2008)
- 3D Stadtinformationssystem für Heidelberg (14.07.2008)
Interne Meldungen
Article about OpenStreetMap-3D in "Technology Review" magazine.
- Monday April 20th 2009 - Alexander Zipf
An article in the German version of the magazine "Technology Review - The M.I.T. Magazine for Innovation" introduces shortly the project OpenStreetMap-3D, the first nation-wide 3D-version of OpenStreetMap which is available as online 3D Web Service. (TR 5/2009, page 20).
More information, the prototype, screenshots and videos are avaialable at OSM-3D.org
Integrating Video-Feeds through Sensor Observation Services (OGC SOS) in "GDI-3D.de" - Monday March 23rd 2009 - Alexander Zipf
In addition to the existing sensor values for gauges (water level), temperatur, wind, air pollution etc. now also Video Feeds from WebCams have been integrated in the W3DS-Client XNavigator from "GDI-3D.de".
The example shows a screenshot from "Heidelberg-3d.de".
New Videos show new features of www.heidelberg-3d.de - Monday October 13th 2008 - Alexander Zipf
New videos are available in "Videos"
For viewing the videos the DIVX video codec needs to be installed.
You can also experience the system interactively online by clicking on "Start Heidelberg3D"
Research Group Cartography participates in OGC OWS6 Testbed with CityGML 3D Flythrough - Saturday October 11th 2008 - Alexander Zipf
OWS testbeds are part of OGC's Interoperability Program, a global, hands-on and collaborative prototyping programdesigned to rapidly develop, test and deliver proven candidate specifications into OGC's Specification Program. We have been selected to participate in the OWS6 threads on "Decision Support Services" (DSS) and "Geo Processing Workflow" (GPW) based on technologies from www.gdi-3d.de
GDI3D in den Kartographischen Nachrichten
Die Fachzeitschrift für Geoinformation und Visualisierung "Kartographische Nachrichten" veröffentlicht in ihrer August-Ausgabe Heft 4 / 2008 den Artikel "GDI3D Geodatenstruktur für 3D-Geodaten - Beispiel Heidelberg".
OpenLS Directory Service integrated - Friday August, 15th 2008 - Alexander Zipf
It is now possible to access an OpenLS Directory Service, perform spatial queries for Points of Interest (POIs) and display them in 3D. The POIs have been imported from the OpenStreetMap data. They contain a variety of important and interesting locations like shops, ATMs, cafes, pharmacies, bus stops, hotels, night clubs, and many more. The possible categories are unlimited and the data is being extended rapidly. The user can click on the map and search for specific types of locations within a selected radius. The result is shown as 3D labels using the OSM symbols.
3D Smoke Emission Simulation based on OGC standards - Friday July, 25th 2008 - Alexander Zipf
As a showcase for demonstrating the potential of applying the OGC Web Processing Service (WPS) standard as a means to integrate the results from 3D simulations into applications based a 3D geospatial data infrastructure (www.gdi-3d.de), we integrated a very simplified 3D smoke emission simulation. The simulation does not mean to provide a realistic result currently (it is not a physical model!). It only shall demonstrate the potential of using the OpenGIS WPS in a 3D environment. The WPS caclulating the 3D simulation gets as input the location of the origin of the smoke emission and then dynamically queries a OGC Sensor Observation Service (SOS) for the current speed and direction of the wind. Based on this the WPS calculates a simplified 3D object that is returned and visualized in the 3D viewer. The 3D spatial data infrastructure has been built on several OpenGIS Web Services (OWS) such as WMS, WFS, WPS, OpenLS, SOS and of course the Web 3D Service (W3DS).
A live demonstration is available at www.heidelberg-3d.de.
Heidelberg 3D goes online... - Thursday July, 3rd 2008 - Alexander Zipf
...based on OpenGIS Web 3D Service (W3DS) and the XNavigator 3D Viewer
The whole City of Heidelberg is now accessible in 3D on the Web, using a Web 3D Service that has been implemented based on the OGC W3DS discussion paper. The data includes almost 40.000 buildings, partly with roofs and textures or even detailed geometries for the building facades. It includes also a high resolution digital elevantion model (5 meters) that has been re-processed for generating flat streets and several levels of details. Also street furnitures, monuments, fountains etc. have been added based on CAD models or terrestrial laser scans. This extensive model can be explored through our XNavigator 3D Viewer, that communicates with the W3DS using mechanisms such as streaming, compression or optional encryption etc.
The XNavigator is a Java WebStart application that will be installed following this link
[ http://www.geog.uni-heidelberg.de/lehrstuehle/gishd3d/index.en.htm ]
Please make sure that your computer meets the system requirements for 3D visualization and you might read the user manual for an overview of the features available. For example you can use our OpenLS Route Service to define your own visual style for the 3D map. Please send us your comments! arne.schilling[at]geog.uni-heidelberg.de
New video on "3D Focus Maps" - Monday June, 9th 2008 - Alexander Zipf
Different visual styles are dynamically applied to the buildings according to the distance to the route calculated by our OpenLS Route Service.
The idea is an extension to the work by Richter & Zipf 2002, but applied in 3D completely relying on OpenGIS standards. The styles are defined using the OGC Symbology Encoding and spatial filters from the OGC Filter Eincoding specifications.
Further high-resolution screencapture-videos on interaction with Heidelberg-3D (OGC W3DS client-server) are online at http://www.gdi-3d.de
Flood of 1994 has been integrated in Heidelberg-3D - Monday June, 9th 2008 - Alexander Zipf
Watch the video high-resolution screencapture-videos on interaction with our OGC W3DS client-server in this scenario.
Further videos are online at http://www.gdi-3d.de
Support of Google Earth KML - Thursday May, 22th 2008 - Alexander Zipf
Our Web3D Service now also supports export to Google Earth KML
Heidelberg 3D supports aerial photographs now! - Thursday May, 22th 2008 - Alexander Zipf
Support for aerial photographs in the 3D model of the city of Heidelberg is available. For further information see the project's website.
3D SLD Symbology Editor has been integrated in XNavigator - Friday May, 17th 2008 - Alexander Zipf
Now you can define the look of 3D city models dynamically from the client side
Wir bedanken uns für eine gute Zusammenarbeit bei:
Tabelle
Villa Bosch
Schloss-Wolfsbrunnenweg 33
D-69118 Heidelberg
Schloss-Wolfsbrunnenweg 33
D-69118 Heidelberg
Fachhochschule Mainz
Holzstraße 36
D-55116 Mainz
Kontakt
Projektleiter und -mitarbeiter:
Prof. Dr. Alexander Zipf und Dipl. Inf. Nicolas Billen
Postanschrift:
Lehrstuhl Geoinformatik (Prof. Zipf)
Geographisches Institut
Universität Heidelberg
Berliner Straße 48
D-69120 Heidelberg