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Juri Engel

Analyse- und Visualisierungstechniken für virtuelle 3D-Stadtmodelle als Werkzeuge zur Entscheidungsunterstützung

Visualisierung auf Basis virtueller 3D-Stadtmodelle ermöglicht die effektive Kommunikation komplexer, dreidimensionaler stadträumlicher Informationen. Während eine wachsende Anzahl an Anwendungen und Werkzeugen zur Verwaltung, Bearbeitung und Visualisierung virtueller 3D-Stadtmodelle bereit steht, wird ihr Potenzial als Werkzeug zur Unterstützung von Entscheidungen derzeit nicht voll ausgeschöpft. Erst seit kurzem werden Geoinformationssysteme um die notwendige 3D-Funktionalität erweitert. In der vorliegenden Arbeit werden Konzepte und Verfahren zum Einsatz virtueller 3D-Stadtmodelle zur Unterstützung von Entscheidungen vorgestellt. Insbesondere werden drei Einsatzgebiete näher beleuchtet: als Analyse- und Simulationsgrundlage, zur Visualisierung thematischer raumbezogener Informationen und zur immersiven Visualisierung urbaner Szenarien. In dieser Arbeit wird als erstes die bildbasierte Analysetechnik (Kapitel 3) – ein neuartiges Verfahren zur diskreten, bildbasierten 3D-Analyse virtueller 3D-Stadtmodelle – vorgestellt. Es basiert auf der Erkennung und Evaluierung von Eigenschaften und Beziehungen zwischen 3D-Objekten, z. B. Objektidentität, Sichtbarkeit, Distanz und Orientierung, und kann mithilfe der programmierbaren Renderingpipeline effizient implementiert werden. Die Ergebnisse einer solchen Analyse ermöglichen z. B. eine quantitative Vergleichbarkeit von Alternativen oder eine quantitative Bewertung von Standorten. Um die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens zu illustrieren, werden zwei konkrete Projekte vorgestellt, in denen es eingesetzt wurde: die Berechnung des Solarpotenzials zur Standortwahl von Fotovoltaikanlagen und die Berechnung der Sichtbarkeit von Landmarken zur Unterstützung in Fußgängernavigationssystemen.

Im zweiten Teil der Arbeit wird die Visualisierung thematischer Informationen (Kapitel 4) mit virtuellen 3D-Stadtmodellen untersucht. Der Fokus liegt dabei auf oberflächenbezogenen räumlichen Daten. Die Visualisierung thematischer Informationen ist essenziell für deren effektive Kommunikation und damit für die Entscheidungsfindung. Zur Visualisierung oberflächenbezogener Daten sind farblich kodierte Oberflächentexturen prädestiniert, da sie deren inhärenten räumlichen Bezug zu den Objektoberflächen hervorheben. Dabei ist es notwendig, die strukturellen und topologischen Informationen des Modells in den erzeugten Bildern zu erhalten bzw. hervorzuheben, ohne die farblich kodierten Informationen zu verändern. Zu diesem Zweck können unterschiedliche Renderingtechniken eingesetzt werden. Diese Techniken werden vorgestellt und auf ihre Eignung zur Visualisierung thematischer Informationen untersucht. Zur Evaluation der Renderingtechniken wurde eine Nutzerstudie durchgeführt, deren Ergebnisse vorgestellt und diskutiert werden.

Im dritten Teil der Arbeit wird ein System zur voll-immersiven Visualisierung (Kapitel 5) für virtuelle 3D-Stadtmodelle vorgestellt. Voll-immersive Visualisierung erlaubt die Darstellung virtueller 3D-Stadtmodelle im 1:1 Maßstab, wodurch die Modelle insbesondere aus einer alltäglichen Perspektive, wie der Fußgängerperspektive, erlebt werden können. Dadurch bietet immersive Visualisierung einen intuitiven Zugang zu komplexen Geoinformationen. Planungsszenarien können bereits in einer frühen Planungsphase nicht nur simuliert, sondern „in situ“ im Virtuellen begangen und deren subjektive Wirkung diskutiert und evaluiert werden. Denn neben objektiven Faktoren spielen bei der Entscheidungsfindung oftmals auch subjektive qualitative Faktoren, wie das visuelle Erscheinungsbild, eine wichtige Rolle. Voll-immersive Umgebungen stellen zahlreiche Anforderungen an das Visualisierungssystem, z. B. fotorealistisches Echtzeitrendering, eine immersive Geräuschkulisse und ein spezialisiertes, unterstützendes Kamerasystem. Diese Anforderungen bildeten die Grundlage für das implementierte Visualisierungssystem.

Die vorliegende Arbeit zeigt, wie virtuelle 3D-Stadtmodelle zur Unterstützung bei raumbezogenen Fragestellungen eingesetzt werden können. Die vorgestellten Konzepte und Verfahren belegen die Vielfalt der Einsatzmöglichkeiten virtueller 3D-Stadtmodelle in Entscheidungsprozessen.