Diplomarbeit-Jedrzejas

Transcription

Diplomarbeit
von Thomas Jedrzejas
Aufbau historischer städtischer 3D-Szenarien für eine
Nutzung unter Google Earth, basierend auf Daten von
terrestrischem Laserscanning, Photogrammetrie und
Archivinformationen.
Referent: Prof. Dr.-Ing. H.-J. Przybilla
Korreferent: Prof. Dr.-Ing. W. Rocholl
Hochschule Bochum
Fachbereich Vermessung und Geoinformatik
Bochum, Juli 2008
I
II
Erklärung
Hiermit erkläre ich, Thomas Jedrzejas, die vorliegende Diplomarbeit selbständig
und nur unter Verwendung der von mir angegebenen Literatur verfasst zu haben.
Diese Arbeit hat in gleicher oder ähnlicher Form keiner anderen Prüfungsbehörde
vorgelegen.
________________________
________________________
Ort und Datum
Thomas Jedrzejas
III
Danksagung
An dieser Stelle möchte ich all denen danken, die mir beim Fertigen dieser Arbeit
geholfen und mich unterstützt haben.
Bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Heinz-Jürgen Przybilla möchte ich mich für die
Ermöglichung dieser Diplomarbeit sowie für die ausgezeichnete Betreuung und
Unterstützung bedanken.
Herrn Prof. Dr.-Ing.
Korreferenten.
Walter
Rocholl
danke
ich
für
die
Übernahme
des
Ein weiterer Dank geht an Herrn Dr. Volker Herrmann von der Stadtarchäologie
Duisburg für die Recherche der Archivinformationen und der kritischen Beäugung
der Arbeiten.
Weiterhin möchte ich Frau Dipl.-Ing. Antje Grünkemeier für die Unterstützung
beim Laserscanning sowie Herrn Dipl.-Ing. Rainer Brechtken bei der
einfallsreichen Ausführung und Auswertung der Photogrammetrie danken.
Nicolas Kozuschek danke ich für alle positiven Anregungen und moralischen
Unterstützungen.
Ein besonderer Dank geht an Dipl.-Ing. Marek Koppel. Der gemeinsame
Ideenaustausch und die Unterstützung haben sich positiv auf die Arbeit
ausgewirkt.
Zum Schluss möchte ich mich bei meinen Eltern für die finanzielle Unterstützung
und die Motivation während des Studiums bedanken.
IV
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1
1.1 Projekt RuhrZeiten.de
1
1.2 Duisburgs Entwicklung im Mittelalter
1
2 Erfassung der geometrischen Grundlagendaten
3
2.1 Planung und Durchführung des terrestrischen Laserscanning
3
2.2 Photogrammetrie
6
3 Auswertung der geometrischen Grundlagendaten
3.1 Automatisierung der Auswertung der Laserscannerdaten
3.1.1 Programm zur Höhendatenextraktion von Punkwolken
3.1.1.1 Programmbeschreibung
3.1.2 Programm zur automatisierten Objektableitung
8
8
11
11
13
3.1.2.1 Das Datenaustauschformat DXF
13
15
3.2 Ermittlung der Gebäudegrundrisse
19
3.2.1 Vorbereitungen mit Leica Cyclone 5.6
19
3.2.2 Grundrisserstellung mit Bentley Microstation V8
21
3.2.2.1 Anhängen von Orthofotos
21
3.2.2.2 Konstruieren der Gebäudegrundrisse
21
3.3 Zusammenfassung der automatisierten Objekterstellung
24
3.4 Manuelle Auswertung
24
3.5 Georeferenzierung der Modell-Orthofotos in Google Earth
25
4. Modellierung und Visualisierung
4.1 3D-Stadtmodelle
4.1.1 Detaillierungsgrad von Modellen
4.2 Google Earth
27
27
28
30
4.2.1 Allgemeines
30
4.2.2 Bedienung und Funktionen
31
4.2.3 Datenimport /-export
33
4.2.4 Das Datenaustauschformat KML
33
4.2.5 3D-Stadtmodelle in Google Earth
35
4.2.5.1 Berlin 3D
35
4.2.5.2 Dresden 3D
36
V
4.2.5.3 Bamberg 3D
36
4.2.5.4 Nachteile von 3D-Stadtmodellen in Google Earth
37
4.3 SketchUp Pro 6
37
4.3.1 Allgemeines
38
4.3.2 Benutzeroberfläche
38
40
4.4 Weiterverarbeitung der abgeleitenden Gebäudedaten
43
4.4.1 Transformationsfunktionen in SketchUp
43
4.4.2 Georeferenzierung der Gebäudemodelle
44
4.4.3 Konstruktionswerkzeuge in SketchUp
45
4.4.4 Manuelle Nachbearbeitung
48
4.4.4.1 Fehlerbehebung der abgeleiteten Gebäudemodelle
48
4.4.4.2 Weitere Ausgestaltung der abgeleiteten Gebäudemodelle
49
4.5 Texturierung der Stadtmodelle
53
4.5.1 Texturenerstellung in Adobe Photoshop CS3
55
4.5.2 Texturierung in SketchUp
56
4.6 Modellierung weiterführender Objekte
58
4.6.1 Geländeoberfläche
58
4.6.2 Vegetation
62
4.6.3 Detailobjekte
66
4.7 Änderungen gegenüber den Originalmodellen
68
4.7.1 Änderungen im Stadtmodell 1566
68
4.7.2 Änderungen in den Stadtmodellen 1000 und 1200
70
4.8 Visualisierung in Google Earth
73
4.8.1 Export des Stadtmodells
73
4.8.2 Anpassungen in Google Earth
76
4.8.3 Zusatzinformationen zu besonderen Objekten
79
4.9 Zusammenfassung der Modellierung und Visualisierung
5. Publikation
80
82
5.1 Aufbau und Gestaltung der Webseite
82
5.2 Rubrik Projekte
85
6. Fazit
88
VI
Literaturverzeichnis
90
Abbildungsverzeichnis
93
Tabellenverzeichnis
98
Anhang A: Programmablaufpläne
99
Programm zur Höhendatenextraktion von Punktwolken
Programm zur automatisierten Objektableitung
Anhang B: Ansichten der 3D-Stadtmodelle
99
101
103
Stadtmodell Duisburg 1566
103
Bisher fertig gestellte Objekte des Stadtmodells 1200
107
Anhang C: Inhalt der beigelegten CD
109
VII
1 Einleitung
1.1 Projekt RuhrZeiten.de
2010 wird das Ruhrgebiet Kulturhauptstadt Europas. Aufgrund dieses Anlasses
planen die drei Kommunalarchäologien des Ruhrgebietes, Dortmund, Essen und
Duisburg, in Zusammenarbeit mit der Hochschule Bochum ein digitales
Visualisierungsprojekt, das Interessierte über die Webseite „RuhrZeiten.de“
abrufen können (WWW.RUHRZEITEN.DE).
Präsentiert werden ausgewählte Themen zu archäologischen Ausgrabungsstätten
entlang des Hellwegs, die die historische Entwicklung des Ruhrgebietes von der
Vorgeschichte über das Mittelalter bis hin zur Gegenwart beschreiben sollen.
Als Darstellungsmedium wird der kostenlose Earth-Browser Google Earth
genutzt. Mit diesem können Nutzern weltweit raumbezogene 3D-Darstellungen
der historischen Modelle präsentiert und der geschichtliche Hintergrund erläutert
werden.
Ein zu visualisierender Themenbereich ist die Entwicklung einer Stadt des
Ruhrgebietes im Mittelalter. Am Beispiel der Stadt Duisburg befasst dich diese
Diplomarbeit mit der Erstellung historischer städtischer 3D-Szenarien und der
Präsentation über die Webseite „RuhrZeiten.de“.
1.2 Duisburgs Entwicklung im Mittelalter
Durch die günstige Lage auf einer vor Hochwasser geschützten Terrasse, direkt
am Zusammenfluss von Rhein und Ruhr und der Anbindung am Hellweg,
entwickelte sich Duisburg schnell zu einer blühenden Handelsstadt.
Nachweise fester Besiedlungen auf dem Bereich des heutigen Burgplatzes sind
durch Ausgrabungen für das 1. Jahrhundert n. Chr. vorhanden. Im 8.
Jahrhundert wurde mit dem Bau eines Königshofes und einer Kirche auf dem
Burgplatz begonnen. Die erste schriftliche Erwähnung Duisburgs geht auf das
Jahr 883 zurück, als die Wikinger die Stadt eroberten. Ab Ende des 9.
Jahrhunderts war der „Alte Markt“ der zentrale Handelsplatz der Stadt. Der Rhein
floss zu dieser Zeit unterhalb des Marktes.
Bis zum 10. Jahrhundert wurde der Königshof zu einer befestigten Königspfalz
ausgebaut und Duisburg war ein wichtiger Pfalzort mit zahlreichen
Königsaufenthalten. Um 1000 wurde auch eine erste Stadtbefestigung mit Wall
und Graben erbaut. Das Rheinufer mit der Nähe zum Alten Markt wurde als
Hafengebiet genutzt. Die besonderen Verkehrsanbindungen begünstigten, dass
Duisburg rasch zu einer wichtigen und weiter wachsenden Handelsstadt wurde.
Dabei wurden die normalen Wohnhäuser aus Lehm und Holz erbaut, nur Pfalz,
Kirche und Adelshöfe bestanden aus Stein.
1
Einleitung
Im 12. Jahrhundert wurde die Stadtbefestigung mit einer Mauer verstärkt. Auch
Duisburgs Einwohner begannen ihre Häuser aus Stein zu errichten. Die
Strukturen der damaligen Straßenzüge prägten dabei bis in die frühe
Nachkriegszeit die Altstadt von Duisburg.
Das alte Duisburg hatte bis zum 14. Jahrhundert seine größte Ausdehnung
erreicht. Bis zu dieser Zeit wurde die Stadtmauer weiter ausgebaut und mit
zahlreichen Türmen versehen. Aufgrund der Rheinverlagerung um 1000 und
durch die folgende Verlandung des toten Rheinarmes verlor Duisburg im 14.
Jahrhundert die direkte Wasseranbindung zum Rhein. Dadurch wurde die
wirtschaftliche Entwicklung als Handelsstadt gestoppt und Duisburg wandelte
sich zur Ackerbürgerstadt, die von Handwerk und Landwirtschaft lebte.
Im Jahre 1566 veröffentlichte Johannes Corputius seinen Stadtplan über die
Darstellung Duisburgs aus der Vogelperspektive (Abb. 1.1). Corputius Arbeiten
an diesem Plan erfolgten in den vorhergehenden vier Jahren nach exakten
Messungen im Duisburger Stadtgebiet. In dieser Zeit war er Schüler des
berühmten Geographen und Universalgelehrten Gerhard Mercator. Der
„Corputius-Plan“ besticht durch eine hohe Genauigkeit, der Grundriss deckt sich
dabei fast mit dem neuzeitlichen Urkataster, und einer besonderen Detailtreue.
Durch Letzteres lassen sich unter anderem Fensterformen der Gebäude erkennen
sowie dank der farbigen Gestaltung des Planes die Dacharten der Gebäude
ermitteln (ARCHÄOLOGIE DUISBURG 2008A, STADT DUISBURG 2008A).
Abb. 1.1 Ausschnitt aus dem Corputius-Plan
Ziel der vorliegenden Diplomarbeit ist die Entwicklung Duisburgs, von einer
aufblühenden mittelalterlichen Kaufmannsstadt bis hin zum Wandel zur
Ackerbürgerstadt im ausgehenden Mittelalter, am Beispiel von 3D-Szenarien der
Jahre 1000, 1200 und 1566 darzustellen sowie im Rahmen des Projektes
„RuhrZeiten.de“ zu publizieren.
2
2 Erfassung der geometrischen Grundlagendaten
Im Kultur- und Stadthistorischen Museum Duisburg werden Holzmodelle mit
einer Größe von 2 * 1,3m, die eine Sicht über das städtische Bild Duisburgs in
den Jahren 1000, 1200, 1566 sowie 1942 ermöglichen, ausgestellt. Diese
Modelle beinhalten unter Anderem die Darstellung verschiedener Gebäude, der
Stadtmauer, des Hafenbereichs und der Vegetation.
Als Grundlage zur Rekonstruktion der mittelalterlichen Modelle dienten der
Corputius-Plan,
archäologische
Ausgrabungsfunde
und
schriftliche
Überlieferungen. Dabei konnte das Stadtmodell über das Jahr 1566 (Abb. 2.1)
aufgrund des Corputius-Planes sehr originalgetreu nachgebildet werden. Für die
Rekonstruktion der Modelle über die Jahre 1000 und 1200 konnten hauptsächlich
Informationen aus Ausgrabungen und schriftlichen Quellen genutzt werden, so
dass diese überwiegend eine beispielhafte Darstellung Duisburgs in diesen
Jahrhunderten wiedergeben.
Abb. 2.1 Holzmodell Stadt Duisburg 1566
Zur Erstellung der virtuellen 3D-Szenarien werden die Holzmodelle 1000, 1200
und 1566 als geometrische Grundlage genutzt, um aus Ihnen alle zu erstellenden
Objekte abzuleiten. Die Erfassung der Holzmodelle erfolgte über terrestrisches
Laserscanning und Photogrammetrie.
2.1 Planung und Durchführung des terrestrischen
Laserscanning
In der im Vorfeld der Erfassung stattgefunden Ortserkundung wurden die zu
erfassenden Modelle, die möglichen Laserscannerstandpunkte und die
Anbringungsmöglichkeiten der Targets (zur Verknüpfung von Laserscans und
3
Erfassung der geometrischen Grundlagendaten
Fotos) begutachtet. Da das für die Erfassung der Holzmodelle vorgesehene 3DLaserscanning-System Zoller+Fröhlich IMAGER 5006 grundsätzlich nicht für
derart kleinmaßstäbige Objekte (Abb. 2.2) vorgesehen ist, stellte die Aufnahme
mit dem Laserscanner einen Versuch zur Abbildung der Modelle dar. Daher
wurde zusätzlich eine photogrammetrische Aufnahme vereinbart (Kapitel 2.2).
Abb. 2.2 Nahaufnahme eines Modellobjekts
Die vier Modelle befinden sich jeweils untereinander in einem mit verglasten
Außenscheiben versehenden Paternosterschrank. Dabei beansprucht jedes Modell
für sich ein Regalfach. Durch eine Bedienfläche kann zwischen den Modellen
gewählt werden, die dann in eine zum Betrachten geeignete Stellung gefahren
werden. Für den Erfassungstag wurde mit der Museumsleitung vereinbart, an
drei Seiten die verglasten Scheiben des Paternosters freizulegen, damit das
Laserscanning der Modelle ermöglicht wird. Die Scheibe mit der Bedienfläche
konnte aus technischen Gründen nicht entfernt werden.
Die Erfassung der Holzmodelle erfolgte mit dem 3D-Laserscanning-System
Zoller+Fröhlich IMAGER 5006. Aufgrund der Bauweise des Paternosterschrankes
wurden
vier
geeignete
Laserscannerstandpunkte
gewählt
um
eine
Schattenbildung bei der Erfassung der Modellobjekte zu vermeiden (Abb. 2.3).
Zur Verknüpfung der einzelnen Laserscannerstandpunkte über Passpunkte
wurden an den Wänden des Raumes größere sowie an geeigneten Flächen auf
den Modellen kleinere Targets angebracht.
4
Abb. 2.3 Laserscannerstandpunkte
Die Aufnahme erfolgte an jedem Laserscannerstandpunkt in zwei Schritten.
Zuerst wurde ein 360° Rundumscan in der Auflösungsstufe „high“ des IMAGER
5006 erfasst. Somit wurde der ganze Raum vom jeweiligen Standpunkt
zusammen mit allen, an den Wänden befestigten, sichtbaren Targets
aufgenommen. Im zweiten Schritt wurde nur der Aufnahmebereich, in der das
jeweilige Modell lag, in der Auflösungsstufe „super high“ gescannt. Durch diesen
Ausschnittsscan wurden auch nur die später weiterzuverarbeitenden Daten in
einer sehr hohen Auflösung erfasst. Eine Übersicht der Auflösungsstufen des
IMAGER 5006 gibt die Tabelle 2.1:
Auflösungsstufe
Pixelanzahl/360°
(vertikal, horizontal)
Scandauer für 360°
preview
1250
25 Sek.
middle
5000
1 Min. 40 Sek.
high
10000
3 Min. 22 Sek.
super high
20000
6 Min. 44 Sek.
Ultra high
40000
26 Min. 40 Sek.
Max. Auflösung für Ausschnitte
100000
variabel
Tab. 2.1 Auflösungsstufen des IMAGER 5006 (ZOLLER+FRÖHLICH 2008)
In der Auflösungsstufe „super High“ beträgt die horizontale und vertikale
Schrittweite des Laserscanners 0,018° (Z+F IMAGER 5006 HANDBUCH). Über die
Formel b/r = α/ρ lässt sich der mindest Punktabstand einer bestimmten
Entfernung und die daraus resultierende Punktdichte bestimmen (Tabelle 2.2).
5
Entfernung (m)
1
1,5
2
3
Punktabstand (mm)
0,3
0,5
0,6
0,9
Punktdichte (Punkte / cm²)
1100
400
280
120
Tab. 2.2 Punktabstand und -dichte in der Auflösungsstufe "super High"
Die
Registrierung
der
Laserscannerdaten wurde mit
der Software Zoller+Fröhlich
Laser Control durchgeführt. Am
Messtag wurden schon vor Ort
mit
dieser
Software
die
einzelnen Scans in einer 3DAnsicht überprüft, da die zu
aufnehmende Modelle nur über
sehr kleine Objekte verfügen
(Abb. 2.4).
Abb. 2.4 3D-Ansicht eines Scans in Laser Control
2.2 Photogrammetrie
Zur Georeferenzierung der späteren 3D-Stadtmodelle in Google Earth wird von
jedem Holzmodell ein Orthofoto benötigt (siehe Kapitel 3.5 und 4.4.2). Aber auch
bei der Auswertung der Objekte werden die Orthofotos verwendet (Kapitel
3.2.2).
Die
photogrammetrische
Erfassung
der
Modelle erfolgte mit Hilfe einer Vorrichtung
um innerhalb des Paternosterschrankes eine
digitale Kamera anbringen zu können (Abb.
2.5). Durch die Befestigung der Kamera an
dieser Vorrichtung konnten die Modelle in
regelmäßigen, streifenweise angeordneten
Bildverbänden aufgenommen werden. Von
jedem
Modell
wurden
dabei
fünfzehn
Einzelaufnahmen erfasst. Als Kamera wurde
eine Nikon D2Xs (Auflösung bei 12,4 Mio.
Pixel:
4288
*
2848)
genutzt.
Nach
Orientierung der Bildverbände wurde mit der
Software Socet Set 5.4.1 von BAE Systems
(BAE 2008) für jedes Modell ein hochauflösendes Orthofoto abgeleitet (Abb. 2.6).
Abb. 2.5 Photogrammetrische
Erfassung der Holzmodelle
6
Abb. 2.6 Orthofoto Modell 1000
Die vollständige Erfassung der Holzmodelle im Kultur- und Stadthistorischen
Museum Duisburg wurde an einem für Besucher geschlossenen Tag
durchgeführt. Der gesamte zeitliche Aufwand für das terrestrisches
Laserscanning und die Photogrammetrie belief sich auf ca. fünf Stunden.
7
3 Auswertung der geometrischen Grundlagendaten
Die Auswertung von Laserscannerdaten beschreibt die Verarbeitungsschritte von
der unbearbeiteten Punktwolke bis hin zur Darstellung der gewünschten
Informationen.
Möglichkeiten einer Auswertung von Punktwolken können folgende sein:

Manuelles Messen von Abständen

Schnitterstellung

Manuelles Vektorisieren von Linien und Flächen

Vermaschung (z.B. Triangulation)

Modellierung mit Primitiven (z.B. Ebenen, Quadern, Zylindern)
Die
ersten
drei
Beispiele
zeigen
manuelle
Möglichkeiten
Informationsgewinnung und Modellierung aus Punktwolken.
zur
Eine Vermaschung kann aufgrund der hohen Anzahl auszuwertender Punkte nur
automatisch erfolgen. Allerdings erfolgt hierbei eine Nachbearbeitung wenn die
Vermaschung nicht fehlerfrei ist, zum Beispiel bei entstandenen Löchern
(fehlende Vermaschung).
Bei einer Modellierung mit Primitiven müssen in der Regel zuerst manuell an
einem geometrischen Objekt ein oder mehrere Punkte ausgewählt werden. Nach
Wahl des geometrischen Primitivs versucht die Modellierungssoftware danach
automatisch das Objekt zu beschreiben.
Die Auswertung von 3D-Laserscannerdaten erfordert oftmals gute Kenntnisse
über die zu modellierenden Objekte. Unerlässlich sind auch gute Fähigkeiten mit
dem Umgang entsprechender Modellierungssoftware. Bei dem kompletten
Prozess von der Aufnahmeplanung eines Laserscanning bis hin zum fertigen
Produkt ist die Modellierung der Arbeitsschritt mit dem höchsten Zeitaufwand.
Ein hoher Automatisierungsgrad bei der Modellierung aus 3D-Laserscannerdaten
ist daher wünschenswert.
In diesem Kapitel werden die Verfahren zur Auswertung der Laserscannerdaten
der historischen Stadtmodelle Duisburgs dargestellt. Dabei werden Lösungen
beschrieben, um einen möglichst hohen Automatisierungsgrad bei der Ableitung
von Objekten zu erreichen.
3.1 Automatisierung der Auswertung der Laserscannerdaten
Die historischen Stadtmodelle Duisburgs bestehen im Wesentlichen aus einer
hohen Anzahl von Gebäudeobjekten. Eine vollständige manuelle Modellierung
dieser Gebäude würde einhergehen mit einem unannehmbaren Zeit- und
Arbeitsaufwand. Das 1566er Modell, das Modell mit der größten Anzahl an
8
Auswertung der geometrischen Grundlagendaten
Objekten, beinhaltet ca. 700 Gebäude. Daher wird eine Lösung mit einem
möglichst
hohen
Automatisierungsgrad
bei
der
Auswertung
der
Laserscannerdaten angestrebt.
Die komplette Erfassung der Modelle durch Laserscanning und durch
Photogrammetrie ermöglicht eine Ermittlung von Gebäudegrundrissen mit Hilfe
von Schnitterstellung der Punktwolken und aus den Orthofotos. Aus einer
Punktwolke, in der nur die relevanten Höhendaten herausgefiltert wurden, sollen
die Gebäude- und Dachhöhen aus den Koordinaten der Grundrisse automatisiert
erkannt werden und 3D-Modelle der Gebäude automatisch konstruiert werden.
Die Abbildung 3.1 verdeutlicht den Ablauf:
Abb. 3.1 Ablauf der Automatisierung der Auswertung
Das Bearbeiten der Punktwolken und das Erstellen der Punkwolkenschnitte
erfolgt mit dem Programm Leica Cyclone 5.6. Mit Unterstützung der
Punktwolkenschnitte und der Orthofotos werden mit der CAD-Software Bentley
Microstation V8 die Gebäudegrundrisse der Holzmodelle ermittelt. In Kapitel 3.2
9
werden diese Vorgehensweisen näher beschrieben. Zur Ableitung der Gebäudeund Dachhöhen werden zwei Programme entwickelt:

Höhendatenextraktion von Punktwolken

automatisierte Objektableitung
Den gesamten Ablauf zur automatisierten Objekterstellung zeigt die Abbildung
3.2:
Laserscannerdaten
Aufteilung in
Bereiche
Orthofoto
Targets
ausschneiden
Einpassung des
Orthofotos
Profilerstellung
Höhendatenextraktion
Konstruktion der Gebäudegrundrisse
Automatisierte Objektableitung
Verwendete Software:
Cyclone
Profildarstellung von Dipl.-Ing. Brechtken
Microstation
Eigene Software
Abb. 3.2 Ablaufplan automatisierte Objekterstellung
10
Als Programmierumgebung der Softwarelösungen dient Microsoft Visual Basic
6.0. Im Nachfolgenden werden die Funktionalitäten beider Programme
beschrieben.
3.1.1 Programm zur Höhendatenextraktion von Punkwolken
Abb. 3.3 Programmoberfläche Höhendatenextraktion von Punktwolken
Mit diesem Programm (Abb. 3.3) werden aus Punktwolken rasterweise nur
Höhenwerte des Punktes übernommen, der von allen in einem Raster
beinhaltenden Punkte den höchsten Z-Wert besitzt. Somit wird die Punktwolke in
einem Maße gefiltert, in der nur die für eine Ableitung von Objekthöhen
brauchbaren Punkten vorhanden sind.
Als Eingabeformat dienen XYZ-Dateien (Koordinaten der Punkte werden
zeilenweise gespeichert). Das Programm vergleicht die Höhenwerte aller
Koordinaten, die sich in einem 1mm großen Raster befinden und übernimmt nur
den höchsten Z-Wert. Um Ausreißer aus der Eingangspunktwolke zu filtern wird
zusätzlich die zweitgrößte Höheninformation gespeichert, die mit der höchsten
verglichen wird. Bei einer Differenz zwischen den beiden gespeicherten Werten
von größer als 1mm wird der Wert der zweitgrößten Höhe übernommen (Abb.
3.4). Als X- und Y-Koordinaten werden die Koordinaten des Rastermittelpunktes
gespeichert.
11
Abb. 3.4 Beispielhafte Darstellung zur Rasteranalyse: Z-Werte der grünen Punkte werden
übernommen, roter Punkt ist ein Ausreißer
Die Ausgabe erfolgt wiederum als XYZ-Datei. Die gefilterte Punktwolkendatei
enthält dabei ca. nur ein fünftel an Punktinformationen gegenüber der
Eingabedatei (Tabelle 3.1). Eine Weiterverwendung der Informationen wird durch
Sortierung nach Koordinaten und dem 1mm-Rasterabstand vereinfacht.
Zusätzlich kann die gefilterte Punktwolke im VRML- und DXF-Format ausgegeben
werden.
Anzahl Punktinformationen
Speichergröße
Eingabedatei
100.000
3.012 KByte
Ausgabedatei
21.589 (21,6%)
820 KByte (27,2%)
Rechenzeit: 2 bis 3 Sekunden
(abhängig von der Hardware)
Tab. 3.1 Vergleichsbeispiel Eingabe- und Ausgabedatei
12
3.1.2 Programm zur automatisierten Objektableitung
Abb. 3.5 Programmoberfläche automatisierte Objektableitung
Durch Einlesen der gefilterten Punktwolkendatei und einer DXF-Datei mit den
Gebäudegrundrissen, die aus Microstation exportiert ist (Kapitel 3.2.2), werden
mit diesem Programm (Abb. 3.5) die Ableitung der Gebäudehöhen und die
Erstellung der Objekte automatisiert.
3.1.2.1 Das Datenaustauschformat DXF
Als Eingangsdaten für das Programm dienen neben der XYZ-Datei mit den Daten
der gefilterten Punktwolke das Datenaustauschformat DXF mit den
Gebäudegrundrissen.
Das Drawing Interchange Format (DXF) ist ein von der Firma Autodesk
spezifiziertes Dateiformat zum CAD-Datenaustausch und wurde für das CADProgramm AutoCAD entwickelt. Die DXF-Datei beschreibt ein CAD-Modell als Text
nach dem ASCII-Standard (ältere DXF-Versionen im Binärformat). Daher ist eine
einfache Erzeugung, Auswertung und Manipulation der DXF-Datei mit
Texteditoren oder Programmiersprachen möglich (WIKIPEDIA 2008).
DXF ist ein so genannter „Industriestandard“, er wird nicht von ISO, ANSI oder
DIN genormt. Allein Autodesk definiert und pflegt den DXF-Standard. Aufgrund
der weltweiten Verbreitung von AutoCAD entwickelte sich DXF als ein
gebräuchliches Zeichnungsaustauschformat, so dass heutzutage alle großen
Grafikprogramme in der Lage sind DXF-Dateien zu importieren und zu
exportieren.
Eine DXF-Datei besteht aus paarweise, durch einen Zeilenumbruch getrennte,
ASCII-Zeichenfolgen. Jedes einzelne Paar bildet eine so genannte Gruppe,
definiert in Gruppennummer und Gruppenwert. Die Gruppennummer gibt den
13
Typ des Gruppenwertes an, der als Ganzzahl, Gleitkommazahl oder Zeichenfolge
definiert sein kann. Das Gruppenende wird durch einen Zeilenumbruch nach dem
jeweiligen Gruppenwert erreicht. Die Tabelle 3.2 zeigt Gruppen am Beispiel eines
geometrischen Punktelements:
0
POINT
8
Punktlayer
62
70
10
-0.043
20
-1.699
30
-0.877814
Gruppennummer 0 leitet eine geometrische Form ein
Zugehöriger Layer
Farbe
X-, Y- und Z-Koordinaten
Tab. 3.2 Beispiel Gruppen in einer DXF-Datei
Die eigentliche Struktur einer DXF-Datei wird in Abschnitten festgelegt. In ihnen
werden die entsprechenden Gruppen zusammengefasst. Einige wichtige
Abschnitte sind:

HEADER, enthält globale Einstellungen und Informationen der Zeichnung

TABLES, definiert Stile zur Darstellung, z.B. von Schriften und Linien

ENTITIES, beinhaltet die geometrischen Elemente
Jeder Abschnitt endet mit der Gruppe 0 ENDSEC.
Für die Verarbeitung mit dem Programm zur automatisierten Objektableitung
werden die geometrischen Elemente AcDbPolyline und 3DFace genutzt.
AcDbPolyline definiert eine 2D-Polyline mit beliebig vielen Punkten, die sich in der
aus Microstation exportierten DXF-Datei mit den Gebäudegrundrissen befindet
(Kapitel 3.2.2). Es ist eine Unterklasse vom Element LWPolyline und wird daher
nach der Gruppennummer 0 noch mit 100 (Bezeichnung für eine Unterklasse)
eingeleitet. Die weiteren für die Verarbeitung relevanten Gruppen sind die
Gruppennummer 90 (Anzahl der verwendeten Knotenpunkte), 10 und 20 (X- und
Y-Koordinate eines Knotenpunktes).
Die vom Programm erstellten 3D-Objekte werden mit 3DFace beschrieben. Mit
diesem Elementtyp wird eine Fläche durch vier Punkten im dreidimensionalen
Raum definiert. Die Punkte können an beliebigen Positionen liegen und werden
jeweils durch ihre X-, Y- und Z-Koordinate beschrieben (RUDOLPH ET AL. 1993,
AUTOCAD 2008). Die Tabelle 3.3 zeigt zu beiden geometrischen Elementen ein
Beispiel.
14
AcDbPolyline
0
100
AcDbPolyline
90
4
70
129
43
0.0
10
0.4583018575
20
0.8225281733
10
0.7789303404
20
1.1662650153
10
1.2816204854
20
0.6973691658
10
0.9609920025
20
0.3536323237
3DFace
0
3DFACE
8
FACELAYER
10
0.0
20
0.0
30
0.0
11
0.0
21
10.0
31
10.0
12
10.0
22
10.0
32
0.0
13
10.0
23
0.0
33
10.0
Tab. 3.3 DXF-Elementtypen AcDbPolyline und 3DFace
Das Programm wertet aus der DXF-Datei mit den Gebäudegrundrissen die
Eckpunktkoordinaten jedes einzelnen Objektes aus. Da die Grundrisse in 2DKoordinaten gespeichert werden, wird über die Programmoberfläche (Abb. 3.5)
die Unterkellerungshöhe eingetragen (Standardwert: -1m), die als Z-Wert den
Eckkoordinaten übergeben wird.
Im nächsten Schritt wird mit den Eckpunktkoordinaten der Gebäude und der
gefilterten Punktwolke die Traufenhöhe der Gebäude ermittelt. Dazu werden zu
jeder Eckkoordinate eines Gebäudes neun Höhen, die sich im 1mm-Raster um
die Koordinaten befinden, aus der Punktwolke gespeichert. Aus den gesammelten
Höhen aller Eckpunkte des Gebäudes werden die jeweils niedrigsten und
höchsten Werte entfernt und aus den restlichen der Mittelwert berechnet. Dieser
dient dann als Traufenhöhe des Gebäudes. Die X- und Y-Koordinaten des
Traufenpunktes sind aus den Eckpunktkoordinaten übernommen. Durch dieses
Verfahren wird vermieden, dass Punkte, die entweder gar nicht oder nur schlecht
die Traufenhöhe eines Gebäudes beschreiben, in die Berechnung zur
Traufenhöhe herangezogen werden. Die Grafik 3.6 beschreibt das Verfahren.
15
Abb. 3.6 Ermittlung der Traufenhöhen
Die überwiegende Anzahl der Gebäude auf den Holzmodellen hat eine
rechteckige Form und besitzt ein Satteldach. Die Ermittlung der Dachfirsthöhe
geschieht nach einem ähnlichen Prinzip wie bei der Ableitung der Traufenhöhe.
Der grundsätzliche Aufbau bei Satteldächern ist, dass sich die geneigten
Dachflächen an den beiden längeren Seiten eines Gebäuderechteckes befinden
und die Dachfirstlinie in der Mitte des rechtwinkligen Gebäudes entlangläuft. Das
Programm sucht nun aus drei Punkten der Dachfirstlinie nach Höhen aus der
16
Punktwolke. Wie bei der Ableitung der Traufenhöhe werden zu jeden Punkt neun
Höhen aus einem 1mm-Raster gespeichert. Der weitere Weg zur Ermittlung der
Dachfirsthöhe unterscheidet sich aber: Es werden nicht alle gespeicherten Höhen
aller drei Punkte zusammengefasst, sondern die Höhen eines Punktes werden
zunächst von den niedrigsten und höchsten Werten gefiltert und aus den
restlichen Höhen wird für jeden Punkt der Mittelwert berechnet. Diese werden
unter allen drei Punkten verglichen und der mittlerste Wert wird als
Dachfirsthöhe verwendet (Abb. 3.7). Mit diesem Verfahren kann eine hohe
Genauigkeit zur Ableitung der Dachfirsthöhe erreicht werden.
Abb. 3.7 Ermittlung der Dachfirsthöhe
17
In der Regel sind, wie schon oben erwähnt, bei den rechteckigen Gebäuden auf
den Holzmodellen die geneigten Dachflächen zu den längeren Gebäudeseiten
ausgerichtet. Auf den Holzmodellen sind aber auch Ausnahmen vorhanden, d.h.
die Dachflächen sind zu den kürzeren Seiten geneigt. Daher wurde bei der
Entwicklung des Programms ein Verfahren zur Ermittlung der Ausrichtung der
geneigten Dachflächen getestet. Aufgrund anderer Objekte im Modell, wie z.B.
Bäume, die zum Teil über die Dachflächen herausragen (Abb. 3.8), konnte kein
gutes Ergebnis für dieses Verfahren erreicht werden. Viele Dachflächen wurden
falsch ausgerichtet ermittelt. Somit wird dieses Verfahren im Programm nicht
berücksichtigt. Alle Gebäude, bei denen die Dachflächen anders ausgerichtet
sind, müssen in der Nachbearbeitung korrigiert werden (Kapitel 4.4.4.1).
Abb. 3.8 Beispiel von Bäumen, die über Dachflächen herausragen
Zur Analyse weiterer Gebäudeformen mit dem Programm werden L-förmige
Gebäude, also Gebäude mit 6 Seitenwänden, ausgewertet. Dabei wird das
Satteldach nur bei bestimmten sechsseitigen Gebäuden korrekt ermittelt. Die
vier Gebäudeseiten, an denen die geneigten Dachflächen anliegen, müssen
länger sein als die zwei Frontseiten (Abb. 3.9, Gebäude 1). Bei den Gebäuden,
die zwar auch sechs Seitenflächen besitzen (Abb. 3.9, Gebäude 2), aber deren
Satteldach aus zwei und nicht aus vier Flächen besteht, wird die Dachhöhe falsch
ermittelt und das Satteldach wird falsch dargestellt. In der Nachbearbeitung
müssen diese Dächer manuell erstellt werden.
Abb. 3.9 Analyse L-förmiger Gebäude
18
Bei allen weiteren Objekten, die nicht vier oder sechs Seitenwände haben, wird
die Dachform und –höhe nicht ausgewertet. Nur die Traufenhöhe dieser Objekte
wird ermittelt und das Gebäude wird ohne Dach erstellt. Deren Anzahl in den
Holzmodellen ist sehr gering, so dass eine manuelle Auswertung der Höhe aus
der Punktwolke keinen hoher Aufwand darstellt.
3.2 Ermittlung der Gebäudegrundrisse
Im Vorfeld zur automatisierten Objektableitung sind die Gebäudegrundrisse
bereit zustellen. Die dazu verwendeten Anwendungen und Vorgehensweisen
werden im Folgenden erläutert.
3.2.1 Vorbereitungen mit Leica Cyclone 5.6
Mit der Software Cyclone bietet Leica Geosystems eine Vielfalt an Modulen zur
Bearbeitung von 3D-Laserscanning-Projekten an, die je nach Anforderung
zusammengestellt werden können. Vorhanden sind unter anderem Module zum
Registrieren, Modellieren oder zum einfachen Betrachten von Punktwolken. Die
Daten werden dabei in Datenbanken verwaltet. Zur Auswertung der
Laserscannerdaten der Holzmodelle wird die Softwarekomponente Cyclone-Model
verwendet.
Cyclone-Model ermöglicht eine Navigation, Messung, Modellierung und
Visualisierung von Laserscannerdaten. Es ist für die Darstellung einer hohen
Punktmenge (>1.000.000) ausgelegt. Über Import- und Exportmöglichkeiten
wird eine Zusammenarbeit mit einem CAD erreicht (LEICA GEOSYSTEMS 2008). Im
Rahmen der Auswertung der Holzmodelle wird Cyclone zum Ausschneiden
bestimmter Daten der Punktwolke und zum Messen von Objekten innerhalb der
Punktwolke verwendet. Der erste Verarbeitungsschritt mit Cyclone ist das
Ausschneiden der Punktwolke, so dass nur die relevanten Daten der Holzmodelle
übrig sind.
Da eine hohe Anzahl an Gebäudeobjekten
auf den Holzmodellen vorhanden ist,
werden
alle
Gebäude
in
Bereiche
aufgeteilt (Abb. 3.11) und die Punktwolke
mit
Cyclone
dementsprechend
ausgeschnitten (Abb. 3.10). Dies hat den
Vorteil der kleineren Datenmenge der
exportierten Punktwolke, der besseren
Übersichtlichkeit beim Erstellen der
Grundrisse und einfacheren Handhabung
bei der Weiterverarbeitung.
Abb. 3.10 Ausschneiden von Daten in Cyclone
19
Abb. 3.11 Aufteilung der Gebäude in Bereiche, Beispiel Modell 1566
Zur Ermittlung von Schnitten in der Punktwolke wird aufgrund der einfachen
Handhabung ein von Herrn Dipl.-Ing. R. Brechtken entwickeltes Programm
verwendet (Abb. 3.12, links). Mit diesem Tool können Punktwolkendaten
eingelesen, dargestellt und in Profilen extrahiert ausgegeben werden. Im letzten
Fall lassen sich die Position und die Dicke des Profils sowie die Wahl der
Schnittebene angeben. Um eine hypsographische Darstellung der Punkte des
Profils zu erreichen, die das Erstellen von Gebäudegrundrissen im CAD
vereinfacht, wird die aus dem Tool ausgegebene Punktwolke in Cyclone
importiert. Die Z-Werte dienen dabei als Farbzuweisung (Abb. 3.12, rechts).
Abb. 3.12 Schnitterstellung der Punktwolke
20
Der letzte Arbeitsschritt in Cyclone ist das Exportieren der Schnitte im DXFFormat zum Einlesen in ein CAD-Programm. Zur Referenzierung der Orthofotos
im CAD werden die Punktwolkendaten der Targets ausgeschnitten und ebenfalls
als DXF-Datei ausgegeben.
3.2.2 Grundrisserstellung mit Bentley Microstation V8
Das CAD-Programm (Computer Aided Design) Microstation V8 von Bentley
Systems ist eines der führenden CAD-Systeme zum 2- und 3-dimensionalen
Zeichnen und Konstruieren. Auf Grundlage der Schnitte mit der Punkwolke und
den Orthofotos werden mit Microstation die Grundrisse der Gebäude in einer 2dimensionalen Zeichnungsdatei ermittelt.
3.2.2.1 Anhängen von Orthofotos
Microstation bietet die Möglichkeit, anhand von Passpunkten Rasterdateien in der
Arbeitsumgebung zu transformieren. Die Verknüpfung der Orthofotos der
Holzmodelle findet über die Targets statt. Diese werden zunächst aus der von
Cyclone ausgegebenen DXF-Datei eingelesen, in der sich die ausgeschnittenen
Punktwolkendaten der Targets befinden. Nach Anhängen des Orthofotos wird im
Rastermanager die Transformation des Fotos gestartet. Als Methode wird Ähnlich
machen zum Verschieben, Drehen und Skalieren des Fotos gewählt.
3.2.2.2 Konstruieren der Gebäudegrundrisse
Das Konstruieren findet im lokalen Koordinatensystem der Laserscannerdaten
statt. Die aus Cyclone exportierten Schnitte werden als Referenz in die
Arbeitsumgebung angehangen. Im Referenzmanager können die Schnitte je nach
Gebrauch ein- und ausgeschaltet werden.
Abb. 3.13
Haupttoolbox
Das Erstellen der Gebäudegrundrisse erfolgt
mit dem Werkzeug SmartLine aus der
Haupttoolbox
(Abb.
3.13).
Um
ein
rechtwinkliges Konstruieren zu gewährleisten,
wird die Eingabehilfe AccuDraw genutzt (Abb.
3.14). Nach jedem Zeichnungsschritt erzeugt
der
AccuDraw
ein
neues
temporäres
Koordinatensystem, bei der die X- oder YAchse gesperrt werden kann. Ein weiteres
Hilfsmittel zum Ermitteln der Grundrisse ist der
Fangmodus Nächsten Punkt fangen (Abb.
3.15),
der
eine
Berührung
einer
zu
konstruierenden Linie mit einer vorhandenen
Linie ermöglicht.
Abb. 3.14 AccuDraw
Abb. 3.15
Fangfunktionen
21
Durch die Schnitte der Punktwolke können die Grundrisse der Gebäude ermittelt
werden (Abb. 3.16, links). Mit dem SmartLine-Werkzeug werden nun die
Gebäudegrundrisse konstruiert (Abb. 3.16, rechts).
Abb. 3.16 Konstruktion in Microstation
Die referenzierten Orthofotos dienen zur Orientierung und Hilfe. Abbildung 3.17
links zeigt die Arbeitsfläche in Microstation nur mit dargestellten
Punktwolkenschnitten, aber ohne eingeblendeten Orthofoto. Eine eindeutige und
schnelle Ermittlung der Gebäudegrundrisse ist aufgrund der fehlenden
Orientierung nicht möglich.
Abb. 3.17 Darstellung in Microstation: links nur Punktwolkenschnitte, rechts
Unterstützung mit Orthofoto
22
Der Verlauf der Stadtmauer wird in Liniensegmenten nachgebildet. Die in der
Mauer und den Stadttoren befindlichen Türme werden als Vieleckflächen
konstruiert (Abb. 3.18).
Abb. 3.18 Konstruktion der Stadtmauer
Beim Export als DXF-Datei von fertig gestellten Grundrissen müssen folgende
Einstellungen in den Speicheroptionen beachtet werden:

Unter der Kartei Allgemein die Option Erweitert öffnen und die DXFGenauigkeit mit vielen Dezimalstellen angeben (bewährt haben sich 10).
Die Gebäudegrundrisse werden im Modellmaßstab konstruiert und müssen
noch in das Google Earth Koordinatensystem überführt werden. Die
Nutzung einer geringen Anzahl von Dezimalstellen kann bewirken, dass die
Gebäude nach der Transformation nicht mehr rechtwinklig sind.

Wiederum in der Kartei Allgemein die Optionen Entitätszuordnung und
ungefüllte 2D-Elemente öffnen. Die zu exportierenden Gebäudegrundrisse
müssen als Polyline ausgegeben werden, damit das Programm zur
automatisierten Objektableitung die Daten verarbeiten kann.

Unter der Kartei Referenzen muss die Option Externe Referenz auf
„Auslassen“ gewählt sein, damit Referenzen und Rasterdatei nicht
mitexportiert werden.
23
3.3 Zusammenfassung der automatisierten Objekterstellung
Das vorgestellte Verfahren zur Ableitung der Gebäude aus Laserscannerdaten
ermöglicht eine einfachere, genauere und schnellere Auswertung als dies mit
einer manuellen Auswertung möglich wäre. Eine manuelle Modellierung, zum
Beispiel mit dem Programm Cyclone, ist aufgrund der kleinen Objektgrößen und
der zum Teil dicht nebeneinander befindlichen Objekte nahezu unmöglich.
Der zeitliche Aufwand, um einen Bereich (ca. 50 Objekte) komplett zu erstellen,
liegt bei einer bis 1,5 Stunden. Den zeitlich größten Anteil nimmt dabei die
Grundrissableitung in Microstation ein.
Als Resultat der automatisierten Auswertung steht eine DXF-Datei zur Verfügung,
die zur Weiterbearbeitung in eine Modellierungssoftware importiert werden kann.
Die nächsten, manuell auszuführenden Arbeitsschritte sind die Transformation
der Gebäude in das Google Earth-Koordinatensystem sowie eine mögliche
Überarbeitung und Behebung von Fehlern.
3.4 Manuelle Auswertung
Alle Objekte der Holzmodelle, die nicht mit dem Programm zur automatisierten
Objektableitung beschrieben werden können, müssen mit der Software Cyclone
manuell ausgewertet werden. Dies können Bauwerke mit einer besonderen
Struktur wie Kirchen mit ihren Türmen, Stadttore oder Stadtmauer sein. Ein
Beispiel ist die auf den Abbildungen 3.19 gezeigte Salvatorkirche.
Abb. 3.19 Vergleich eines Bauwerks im Modell und als Punktwolke
24
Cyclone lässt eine freie Navigation in der 3D-Punktwolke zu, so dass das
Betrachten der Objekte erleichtert wird. Um eine bessere Interpretation von
Höhen zu erreichen, können die Punkte der Punktwolke höhenbasiert mit einer
Farbe versehen werden.
Ausgewertet werden die Maße, die zur Rekonstruktion eines Objektes nötig sind.
Nach Auswahl einer Limit Box werden nur die Punkte eines ausgewählten
Bereiches dargestellt. In dieser Darstellung sind die Auswahl von Punkten und
das Messen von Abständen gut möglich (Abb. 3.20). Die gemessenen Strecken
werden zur Modellierung der Objekte in der Modellierungssoftware SketchUp
(Kapitel 4.3) umgesetzt.
Abb. 3.20 Manuelle Auswertung mit Cyclone
3.5 Georeferenzierung der Modell-Orthofotos in Google Earth
Zur Transformation der 3D-Modelle müssen vorab die Modell-Orthofotos in
Google Earth (Kapitel 4.2) georeferenziert werden. Da in der Realität (und somit
auf aktuellen Orthofotos sichtbar) nur noch Bauwerke vorhanden sind, die auch
1566 existierten, wird als Erstes das Orthofoto des 1566er Modells in Google
Earth angepasst. Die Anpassung der Modell-Orthofotos 1000 und 1200 erfolgt
anhand von identischen Punkten mit dem 1566er Orthofoto.
25
In Google Earth kann mit der Funktion Bild-Overlay ein Foto hinzugefügt und auf
das Geländemodell projiziert werden. Mit Hilfe eines Schiebebalkens kann die
Transparenz des Fotos geregelt werden, so dass das Anpassen an identischen
Punkten übersichtlich dargestellt werden kann. Die Anpassung selber erfolgt
solange durch manuelles Verschieben, Drehen und Skalieren des Fotos bis sich
die gewählten Passpunkte zwischen Google Earth Orthofoto und eingefügten
Orthofoto überlappen. Als identische Punkte für das 1566er Modell-Orthofoto
werden die in großen Anteil erhaltene Stadtmauer mit ihren Türmen sowie die
Salvatorkirche genutzt (Abb. 3.21).
Abb. 3.21 Verwendete Passpunkte zur Georeferenzierung des Modell-Orthofotos 1566
Durch Messen von Abständen von identischen Punkten in der Punktwolke und im
georeferenzierten Orthofoto kann der Modellmaßstab 1:500 bestimmt werden.
26
4. Modellierung und Visualisierung
Die Auswertung der geometrischen Grundlagendaten mit dem automatisierten
Ableiten der Gebäude durch das eigens dafür entwickelte Programm bringt die
Ausgangsdaten für die Modellierung und Visualisierung der 3D-Modelle mit. Die
ersten Schritte der Weiterverarbeitung dieser Daten haben das Ziel die Objekte
in das Google Earth-Koordinatensystem zu überführen, mögliche Fehler der
Automatisierung zu beheben und den Gebäuden weitere Details hinzuzufügen. In
weiteren Arbeitsabläufen werden die in Bereichen aufgeteilten Gebäude zu einem
3D-Stadtmodell zusammengefügt und mit zusätzlichen Objekten ergänzt. Die
Ausgestaltung der Objekte sowie Veränderungen und Ergänzungen gegenüber
den Holzmodellen erfolgt in Abstimmung mit der Stadtarchäologie Duisburg.
Die folgenden Abschnitte verdeutlichen die Vorgehensweise bei der Modellierung
und Visualisierung der 3D-Szenarien Duisburgs in Mittelalter. Ziel ist es 3DStadtmodelle für Google Earth zu veröffentlichen, die keine hochmoderne
Rechnerleistung benötigen, sondern Nutzern mit normaler PC-Ausstattung die
Betrachtung der Szenarien zu ermöglichen.
4.1 3D-Stadtmodelle
Digitale 3D-Stadtmodelle haben das Ziel eine räumliche Rekonstruktion einer
Situation mit Geländemodell und den darauf befindlichen Aufbauten zu
ermöglichen. Diese Situation kann eine Szene der Gegenwart, Vergangenheit
oder Zukunft präsentieren. Modelliert werden, neben dem Gelände, insbesondere
Gebäude, Wasser- und Verkehrsflächen, Vegetation, Strassenmöbilierung und
Landnutzungen.
3D-Stadtmodelle finden vorwiegend Anwendung in Bereichen der Stadtplanung,
Umweltschutzes,
Telekommunikation,
Fahrzeugnavigation
und
Katastrophenschutzes. Die Verknüpfung der 3D-Modelle mit Fachinformationen
präsentiert nicht nur eine reine Visualisierung, sondern gibt Möglichkeiten eines
Geoinformationssystems wieder. Immer häufiger werden daher Geodaten auch
für die Bereiche Stadtmarketing, Wirtschaftsförderung, Tourismus und
Immobilienwirtschaft in 3D-Stadtmodellen eingesetzt (POMASKA 2007).
Im Zuge der stetigen Entwicklung von 3D-Stadtmodellen bedarf es an
einheitlichen Datenformaten zum Austausch geobezogener Objekte, um eine
Mehrfachnutzung zu ermöglichen. Das Open Geospatial Consortium (OGC) hat
die Geographic Markup Language (GML) als offenes Datenaustauschformat für
3D-Daten mit Raumbezug definiert. GML basiert auf dem XML-Schema
(Extensible Markup Language). Eine Basis für ein interkompatibles Datenformat
für 3D-Stadtmodelle ist CityGML, das von der Special Interest Group 3D (SIG
3D) der Initiative Geodateninfrastruktur NRW entwickelt wurde. Das CityGML
setzt auf das GML auf und ermöglicht eine einheitliche Definition der
27
Modellierung und Visualisierung
geometrischen und topologischen Eigenschaften der Geo-Objekte eines
Stadtmodells. Es ist auf dem Weg zu einem OGC-Standard. Eine weitere
Entwicklung der SIG 3D ist die Leitlinie für die einheitliche Beschreibung des
Detaillierungsgrades von Modellen (Level of Detail), die im Folgenden
beschrieben wird (OGC 2008, CITYGML 2008, POMASKA 2007).
Das Austauschformat zur Anwendung mit Google Earth ist das Keyhole Markup
Language (KML). KML basiert ebenfalls auf XML. KML wird zur Visualisierung
geographischer Informationen mit dem Google Earth Client verwendet. Seit April
2008 ist es ein Standard des OGC (OGC 2008). Im weiteren Verlauf dieser
Diplomarbeit wird näher auf dieses Format eingegangen.
4.1.1 Detaillierungsgrad von Modellen
Die SIG 3D hat mit der Unterscheidung von 3D-Stadtmodellen in
Detaillierungsgraden eine praktikable Leitlinie herausgegeben. Das LoD (Level of
Detail) gibt den Detailgrad in fünf Stufen an. Die Unterschiede in den Modellen
orientieren sich am Umfang der darzustellenden Objekte, der Objektauflösung
(Detailreichtum) und der Genauigkeit. Die Modelle werden mit wachsenden LoD
jeweils um die nachfolgenden Elemente ergänzt (CITYGML 2008, POMASKA 2008).
Die Stufen sind wie folgt unterteilt (Tabelle 4.1):

LoD 0 Regionalmodell
Besteht aus digitalen
Geländemodell
Kann mit Satelliten-, Luft- oder
Kartenbild texturiert sein
LoD 1 Blockmodell
Auch als 2,5D-Modell bekannt
Gebäudehöhen aufgrund der
Geschosszahlen geschätzt
Keine Dachformen und Texturen
Mehrere Gebäude können zu
einem Block zusammengefasst
sein
28

LoD 2 Strukturmodell
Dachstrukturen
Texturen
LoD 3 Architekturmodell
Differenzierte Dachstrukturen
Fassadenstrukturen (Balkone,
Treppen, Wandöffnungen)
LoD 4 Innenraummodell
Sehr detailliertes Gebäudemodell
Strukturen von Innenräumen
Tab. 4.1 Detaillierungsgrade von Modellen
29
4.2 Google Earth
Als Darstellungsmedium der historischen 3D-Stadtmodelle Duisburgs wird der
Earth-Browser Google Earth verwendet.
Earth-Browser sind Programme, die ein Abbild des Planeten Erde und
Informationen mit geographischem Bezug darstellen. Aufgrund ihrer hohen
Massentauglichkeit und stetigen Weiterentwicklung erreichten sie in den letzten
Jahren eine hohe Beliebtheit. Der dabei erfolgreichste und am weitesten
verbreitete Earth-Browser ist Google Earth. Durch das Austauschformat KML
stehen unzählige Geodaten und 3D-Modelle für Google Earth von
verschiedensten Anwendern zur Verfügung. Ein Werkzeug zur Erstellung von 3DModellen, die Modellierungssoftware SketchUp, wird ebenfalls von Google
bereitgestellt (KOPPEL 2007).
4.2.1 Allgemeines
Google Earth kann in einer kostenlosen Version von Google bezogen werden.
Benutzern ist es möglich, Satelliten- und Luftbilder auf dem digitalen
Geländemodell der ganzen Erde zu betrachten sowie Vektordaten und 3DModellen der Ansicht hinzuzufügen.
Die Bilddaten werden bei der Navigation permanent gestreamt. Google Earth
verwendet dafür eine direkte Datenübertragung zu den Google Servern. Im Juni
2006 betrug die Größe der Datenbank 70,5 Terabyte Bilddaten. Nach mehreren
großen Updates wird der aktuelle Umfang auf 150 Terabyte geschätzt (WIKIPEDIA
2008). Die Auflösung der Bilddaten ist sehr unterschiedlich:

Die Basisauflösung beträgt weltweit 15 m (ein Pixel entspricht 15 * 15 m).

Städtische und stark bevölkerte Gebiete sind mit einer Auflösung von 6070 cm/Pixel abgedeckt.

Aus Luftbildern stammen Daten mit einer Auflösung von 15 cm. Einige
kleinere Bereiche sind mit einer Auflösung von 8 cm/Pixel dargestellt.
Für die Projektion wird das Bezugssystem World Geodetic System 1984 (WGS84)
verwendet.
Die Daten des digitalen Geländemodells (DGM) stammen aus der Shuttle Radar
Topography Mission (SRTM) der NASA, mit der erstmals ein einheitliches,
hochauflösendes DGM von fast der gesamten Erdoberfläche erstellt wurde. Die
Rasterweite beträgt ca. 30 Meter bei einer absoluten Genauigkeit von ± 16 m
(relative Genauigkeit ± 6 m). Google Earth verwendet jedoch eine Rasterweite
von ca. 60 Metern, um das Datenvolumen gering zu halten (KOPPEL 2007).
Die Bilddaten können mit vektoriellen Daten wie z.B. Strassen- und
Grenzverläufe und Tourismusinformationen sowie 3D-Modellen überlagert
30
werden. Durch die Möglichkeit Sachdaten der raumbezogenen Daten abrufen zu
können, ist Google Earth ein weltweites geographisches Informationssystem.
4.2.2 Bedienung und Funktionen
Diese Beschreibung bezieht sich auf die bei der Verfassung dieser Diplomarbeit
aktuell verfügbare Google Earth Version 4.3.7191 (beta), Stand Juni 2008.
Der Standardbildschirm (Abb. 4.1) von Google Earth ist in die drei Teile
Menüleiste, Seitenleiste und Darstellungsfenster eingeteilt.
Abb. 4.1 Der Google Earth Standardbildschirm
In der Seitenleiste befinden sich die drei Bereiche Suchen, Orte und Ebenen:

Suchen (Abb. 4.1, 1a): Hier lässt sich nach Orten, Koordinaten, Branchen
und Routen suchen und die Ergebnisse können im Darstellungsfenster
betrachtet werden.

Orte (Abb. 4.1, 1b): Navigation und Darstellungseinstellung von so
genannten Placemarks (Ortsmarken) und 3D-Modellen. Alle Orte, die
während einer Sitzung betrachtet werden, werden unter dem
übergeordneten Ordner „Temporärer Orte“ aufgelistet, alle vom Benutzer
gespeicherten Orte unter „Meine Orte“.
31

Ebenen (Abb. 4.1, 1c): Ein- und Ausschalten von Layern (z.B. Strassen,
Karten und 3D-Gebäude), die von Google Earth oder Partnerdiensten von
Google bereitgestellt werden.
Im Darstellungsfenster (Abb. 4.1, 2) befindet sich im unteren Bereich die
Statusleiste (Abb. 4.1, 2a). In ihr sind die Angaben zur aktuellen Koordinate und
Höhe im Gelände, der Sichthöhe, des Aufnahmedatums des dargestellten
Luftbildes sowie Statusinformationen zur Bildübertragung. Die Navigation im
Darstellungsfenster ist sehr vielfältig und kann mit Hilfe der Maus, den
Navigationsbedienelementen und der Tastatur geschehen.
Die wichtigsten Bedienfunktionen mit der Maus:

Linke Maustaste: Verschieben der Ansicht

Doppelklick linke Maustaste: Hereinzoomen auf geklickten Punkt

Rechte Maustaste: Drehen und Zoomen der Ansicht

Doppelklick rechte Maustaste: Herauszoomen

Mausrad drehen: Zoomen

Mausrad drücken oder mittlere Taste: Ansicht neigen und drehen (auch
mit Shift + linke Maustaste möglich)

Strg + linke Maustaste: Umsehen wie von einem Aussichtspunkt aus
Die Navigationsbedienelemente (Abb. 4.1, 2b) haben
folgende Funktionen:
1. Ausrichtung der Ansicht nach Norden
2. Umsehen wie von einem Aussichtspunkt aus
3. Verschieben der Ansicht
4. Zoomen bzw. Neigen beim Annähern an die
Erdoberfläche
Nur mit der Tastatur lässt sich über die Pfeiltasten
kombiniert mit den Tasten Shift und Strg sowie den +/Tasten navigieren.
Abb. 4.2
Navigationsbedienlemente
Oberhalb des Darstellungsfensters befinden sich einige Werkzeuge und
Funktionen (Abb. 4.1, 2c). Es besteht die Möglichkeit, eigene Placemarks,
Polygonflächen, Pfade und Bild-Overlays auf das Geländemodell zu platzieren,
Ausgestaltung sowie Beschreibung anzugeben. Eine Strecke kann mit dem
Linealwerkzeug gemessen werden. Mit der Sonne-Funktion werden die Sonne
32
und der Verlauf des Sonnenlichtes über der Erde angezeigt. Mit einem
Schieberegler kann die Uhrzeit und somit der Stand der Sonne geändert werden.
Eine weitere Funktion wechselt über in eine Weltraumansicht.
Die Menüleiste (Abb. 4.1, 3) hat die typischen Menüpunkte Datei, Bearbeiten,
Ansicht und Hilfe. Im Menüpunkt Tools | Optionen können diverse Einstellungen
vorgenommen werden. Hier kann unter Anderem die Anzeige der Koordinaten,
die Geländequalität sowie eine Höhenverstärkung des Geländes geändert und
Anpassungen an die eigene Hardware durchgeführt werden.
In der kostenlosen Version von Google Earth wird ein Import der Datenformate
KML bzw. KMZ und GPS-Routen mit geographischem Bezug sowie diverse
Bildformate und Collada-Modelldateien ohne geographischen Bezug ermöglicht.
KML- bzw. KMZ-Daten können Placemarks, Routen oder auch komplexe 3DModelle sein. Über Netzwerklinks können diese auch direkt von einem Server
geladen werden. Bilder lassen sich über die Partnerseite von Google,
Panoramio.com, hochladen und georeferenzieren und werden in Google Earth
integriert. Das DXF-Dateiformat kann, mit einem Umweg, über die
Modellierungssoftware SketchUp eingelesen und dort im KML- oder KMZ-Format
exportiert werden. Weitere Importfunktionen bieten die kostenpflichtigen
Versionen von Google Earth:

Google Earth Plus ($20 im Jahr): GPS-Datenimport und –Echtzeitverfolgung, Datenimport aus CSV-Tabellenkalkulationsblättern mit
maximal 100 Positionen

Google
Earth
Pro
($400
im
Jahr):
Datenimport
aus
CSVTabellenkalkulationsblättern mit bis zu 2500 Positionen, GIS-Datenimport
(z.B. Shapedateien)
Eigene, in Google Earth erstellte Placemarks, Routen und Flächen können im
KML- oder KMZ-Format exportiert werden. Diese können über die Google Earth
Community oder andere Verbreitungsformen weitergegeben werden (GOOGLE
EARTH 2008).
4.2.4 Das Datenaustauschformat KML
Keyhole Markup Language (KML) ist das Austauschformat für Google Earth. Es
entspricht dem XML-Schema und ist ein Standard des Open Geospatial
Consertium (OGC). KML enthält Elemente der existierenden Standards GML
(Geography Markup Language), WFS (Web Feature Service) und WMS (Web Map
Service). Aktuell liegt die Version KML 2.2 vor (OGC 2008).
Mit KML lassen sich Punkte, Linien, Polygone und Bilddateien definieren.
Zusätzlich
können
verschiedene
Parameter
wie
zum
Beispiel
Betrachtungsposition und –winkel sowie Stilvorlagen gespeichert werden. Gemäß
33
der XML-Spezifikation besteht KML aus einer Tag-Struktur mit Namen, Attributen
und Inhalten. Das Beispiel zeigt den Inhalt einer KML-Datei für ein Placemark:
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<kml xmlns="http://earth.google.com/kml/2.2">
<Placemark>
<name>Hochschule Bochum</name>
<description>Beispiel Placemark</description>
<Point>
<coordinates>7.27164400419312,51.44791649139567,0</coordinates>
</Point>
</Placemark>
</kml>
Die Struktur einer KML-Datei ist folgendermaßen aufgebaut:

In der ersten Zeile befindet sich immer der XML-Header.

Die zweite Zeile beschreibt immer die KML-Namensraum-Deklaration

Es folgt der Tag des Placemarks mit den Attributen:
o
Name
o
Beschreibung
o
Geometrieart mit Koordinaten
Innerhalb dieser KML-Datei können nun weitere Placemarks, Groundoverlays
usw. folgen (KML TUTORIAL 2008).
3D-Modelle werden nicht in der KML-Datei beschrieben, sondern werden in einer
Collada-Datei gespeichert. Collada ist ein offenes, ebenfalls XML-basierendes
Austauschformat für 3D-Programme. Es dient der Beschreibung von Modellen
und Texturen. Innerhalb der KML-Datei wird auf die Collada-Datei mit dem 3DModell verwiesen. Die Informationen zur Lage und Orientierung des Modells sind
ebenfalls in der KML-Datei gespeichert. Ein 3D-Modell, beschrieben durch die
KML- und Collada-Datei und durch Texturen, wird gemeinsam in einer
datenkomprimierten KMZ-Datei (Abb. 4.3) gespeichert (POMASKA 2007).
Abb. 4.3 Aufbau einer KMZ-Datei
34
4.2.5 3D-Stadtmodelle in Google Earth
Die hohe Verbreitung von Google Earth ist für viele Städte ein Grund ihr
Stadtbild sowie herausragende und bekannte Bauwerke einem breiten Publikum
als 3D-Stadtmodell zu präsentieren. Die Ausgangsdatenbasis besteht aus
vorhandenen Geodaten wie zum Beispiel Digitale Höhenmodelle, Orthofotos und
ALK-Daten und wird mit 3D-Daten aus Photogrammetrie und Laserscanning
ergänzt. In vielen Fällen ist das 3D-Stadtmodell, welche zum Betrachten in
Google Earth bereitgestellt wird, abgeleitet von einem vorhandenem 3DStadtmodell,
zum
Beispiel
auf
Basis
der
Software
LandXplorer
(HTTP://WWW.3DGEO.DE). Grundsätzlich kann eine KML- oder KMZ-Datei, die nur
einen Netzwerklink zu dem entsprechenden Server enthält, heruntergeladen
werden. In diesem Kapitel werden einige 3D-Stadtmodelle für Google Earth
vorgestellt.
4.2.5.1 Berlin 3D
Als erste deutsche Großstadt hat die Hauptstadt im Frühjahr 2007 ihr 3DStadtmodell weltweit zur Verfügung gestellt. Darin sind rund 10 Prozent des
gesamten Berliner Stadtgebiets dargestellt.
Rund 44.000 Gebäude werden im LoD-1 gezeigt, wobei die Fassaden und Dächer
texturiert sind. Aus ca. 800 Fotos von Berliner Fassaden wurden die
Modellfassaden nach dem Zufallsprinzip texturiert. Die Dachtexturen
entstammen aus Orthofotos. Von diesen Gebäuden wurden 500 besondere
Gebäude mit ihren zugehörigen Fassaden versehen. Weitere 40 Gebäude werden
im LoD-3 dargestellt. Besonders hervorzuheben sind die 4 Gebäudemodelle
Reichstagsgebäude, Hauptbahnhof, Sony-Center und Olympiastadium, die im
LoD-4 vorliegen und somit auch im Innenbereich besichtigt werden können.
Zusätzlich kann der ehemalige Verlauf der Berliner Mauer angezeigt werden (3DSTADTMODELL-BERLIN 2008).
Abb. 4.4 3D-Modell Berlin: links Texturierung der LoD-1 Gebäude, rechts der Innenraum
des Reichstags (LoD-4)
35
4.2.5.2 Dresden 3D
Rund 154.000 Bauten umfasst das Modell - Dresden 3D ist damit etwa dreimal so
groß wie das virtuelle Berlin und weltweit der größte online verfügbare Nachbau
einer Stadt (SPIEGEL.DE 2007). Im Sommer 2007 hat Dresden sein Modell
veröffentlicht, das einen Bereich von 328 km² umfasst.
Im LoD-1 sind etwa 154.000 Gebäude erfasst. Weitere 300 Bauwerke sind im
LoD-2 verfügbar. In einem LoD-3 Detaillierungsgrad werden 70 Gebäude
dargestellt, wovon 30 Bauten mit der zugehörigen Fassadentextur versehen sind.
Zusätzlich sind auch 35.000 Bäume in einer Billboarddarstellung zu sehen (FREE
EARTH 2007).
Abb. 4.5 3D-Modell Dresden: links Bauwerke im LoD-3, rechts Gebäude in LoD-1 und
LoD-2
4.2.5.3 Bamberg 3D
Im Gegensatz zu den 3D-Modellen
Berlins und Dresdens wurde das
Bamberger 3D-Modell nicht in der
Software LandXplorer entwickelt. Mit
über 1.000 Gebäuden kann es auch
nicht mit der Anzahl der beiden großen
Stadtmodelle mithalten, dafür sind alle
Gebäude
mindestens
im
LoD-2
modelliert und besitzen hochwertige,
den Fassaden zugehörige Texturen.
Zusätzlich wurde im Bereich eines
Bauwerks ein eigenes Geländemodell
für eine realitätsnahe Darstellung
realisiert (STADTPLANUNGSAMT BAMBERG
2008).
Abb. 4.6 3D-Modell Bamberg
36
4.2.5.4 Nachteile von 3D-Stadtmodellen in Google Earth
Die Veröffentlichung von komplexen 3D-Modellen zur Anwendung in Google Earth
bringt zwei große Nachteile mit sich: Transfer der Daten und Missbrauch der
Daten.
3D-Stadtmodelle werden über eine KML- oder KMZ-Datei geöffnet, die einen
Netzwerklink zu den Modellen auf einem Server enthält. Nach und nach werden
die Gebäude in Google Earth aufgebaut. Je komplexer das Modell, desto länger
ist die Ladezeit zum Aufbau des Modells. Seitens der Benutzer sind daher eine
schnelle Internetverbindung und eine gute Hardware Vorraussetzung, um einen
schnellen Aufbau der Modelle in Google Earth zu erreichen. Aber auch auf Seite
der Anbieter muss darauf geachtet werden, einen möglichen Ansturm auf das
veröffentlichte Stadtmodell mit entsprechender Serverleistung gerecht zu
werden.
Eine mögliche Verletzung des Datenschutzes ist ein weiterer Nachteil, der beim
Veröffentlichen eines 3D-Modells für Google Earth entsteht. Die Modelle werden
zwar nicht in einer KMZ-Datei heruntergeladen, sondern über eine
Netzwerklinkdatei geöffnet, dennoch ist es möglich den Speicherort der Modelle
auf dem Server herauszufinden und alle Modelle samt der Texturen
abzuspeichern. Die Adresse des Speicherortes lässt sich leicht über Aufruf der
Eigenschaften eines Modells in der Seitenleiste ermitteln. Die Möglichkeit, die
Collada-Modelldateien und die Texturdateien für den Download serverseitig zu
sperren, ist nicht durchführbar, da sonst der Google Earth Client diese Dateien
ebenfalls nicht laden kann.
4.3 SketchUp Pro 6
In Kapitel 3 wurden die Vorgehensweisen zur Auswertung der terrestrischen
Laserscannerdaten und der Orthofotos beschrieben. Dabei wird das Verfahren
vorgestellt, dass eine automatisierte Objektableitung aller Gebäude der
Holzmodelle ermöglicht. Somit liegen die Gebäude der Holzmodelle als 3DModelle im Modellmaßstab als DXF-Datei vor. Die Weiterverarbeitung dieser
Gebäudedaten sieht folgende Schritte vor:

Transformation und Georeferenzierung der 3D-Modelle nach Google Earth

Überprüfung und gegebenenfalls Behebung von Fehlern

Modellierung von Gebäudedetails

Texturierung
Als Modellierungssoftware dafür und für alle weiteren Modellierungsaufgaben
bezüglich der historischen 3D-Stadtmodelle, wird Google SketchUp Pro 6
verwendet (SKETCHUP 2008).
37
4.3.1 Allgemeines
Google SketchUp ist eine Software zum Erstellen von 3D-Modellen am Computer.
Da es grundsätzlich für konzeptionelle Entwürfe entworfen ist und nicht zur
Detailkonstruktion, ist es nicht mit herkömmlichen CAD-Programmen zu
vergleichen. Die Software wurde ursprünglich für den Architekturbereich
konzipiert und dann von Google aufgekauft, da sie sich unter anderem zum
effizienten Erstellen von Gebäudemodellen für Google Earth eignet (WIKIPEDIA
2008).
Die Bedienung und Funktionen von SketchUp sind schnell und einfach erlernbar.
Es ist dabei mit besonderen Arbeitsweisen ausgestattet, wie zum Beispiel der
Extrusionsmöglichkeit von Flächen. Die Konstruktion von Modellen unterstützt
SketchUp, in dem es ableitet, welcher Konstruktionsschritt als nächster möglich
ist (inference engine). Durch diese Ableitungsfunktionen werden vorhandene
Punkte gesucht oder erschlossen. Dies kann unter Anderem das Konstruieren
einer Linie an bereits vorhandene Linien unterstützen. Die Software informiert
den Anwender darüber mit Farbmarkierungen oder Tooltips (POMASKA 2007,
SKETCHUP 2008).
Google
bietet
über
die
Internetplattform
3D
Warehouse
(HTTP://SKETCHUP.GOOGLE.COM/3DWAREHOUSE) die Möglichkeit, eigene SketchUp
Projektdateien zu veröffentlichen und somit anderen Nutzern die Benutzung der
eigenen Modelle zu ermöglichen. Diese Datenbank bietet eine hohe Anzahl
verschiedenster Modelle.
In der Grundversion ist SketchUp kostenlos. Die kostenpflichtige Pro-Version
bietet weitergehende Funktionalitäten (SKETCHUP 2008):

Export in verschiedene Formate

2D-Vektorbilder exportieren

Designdokumente erstellen
SketchUp zeigt sich als ein bewährtes Tool um auch komplexe 3D-Modelle zu
Konstruieren. Durch entsprechende Importmöglichkeit können Modelle aus CADDateien eingefügt und bearbeitet werden. Anhand dieser Diplomarbeit soll die
Möglichkeit, eine komplette Stadtmodellsituation mit SketchUp darzustellen,
untersucht werden.
4.3.2 Benutzeroberfläche
SketchUp ist ein Programm, mit dem komplexe Modelle entworfen werden
können. Die Bedienung ist dabei einfach gehalten und schnell erlernbar. Dennoch
bietet es eine hohe Anzahl an Funktionen und Möglichkeiten. Eine komplette
Beschreibung aller Werkzeuge und Funktionen kann im Benutzerhandbuch unter
http://de.download.sketchup.com/OnlineDoc/gsu6_win/gsuwin.html eingesehen
werden.
38
Abb. 4.7 Benutzeroberfläche von Google SketchUp
Die Benutzeroberfläche (Abb. 4.7) von SketchUp hat die Bestandteile:
1. Titelleiste: Angabe zum Projektnamen und zur SketchUp-Version.
2. Menüleiste.
3. Symbolleisten: Beinhalten Werkzeuge und Funktionen.
4. Zeichenbereich: Der 3D-Zeichenraum wird durch die Zeichnungsachsen
gekennzeichnet (4a).
5. Statusleiste:
Anzeige
Zeichnungsfunktion.
von
Möglichkeiten
für
die
ausgewählte
6. Wertefeld: Anzeige und Eingabe von Abmessungen.
Die verschiedenen Symbolleisten können je nach Bedarf auf die
Benutzeroberfläche platziert werden. Sie enthalten alle Werkzeuge und
Funktionen.
Beispiele
dafür
sind
Konstruktionswerkzeuge,
Navigation,
Ansichtseinstellungen und Import von sowie Export nach Google Earth.
39
Zwei weitere wichtige Fenster, die zugeschaltet werden können, sind:
7a. Layer: Steuerung und Verwaltung aller Layer eines Projektes.
7b. Elementinformation: Zeigt Informationen wie Typ, Layerzugehörigkeit
und verwendete Textur/Farbe eines ausgewählten Elementes an.
SketchUp bietet mit der Symbolleiste
Google Toolbar (Abb. 4.8) eine direkte
Schnittstelle mit Google Earth und
dem 3D Warehouse an. Sie beinhaltet
die Funktionen:
Abb. 4.8 Google Toolbar
1. Aktuelle Ansicht übernehmen: Importiert den aktuellen Bildausschnitt aus
Google Earth als 2D-Ansicht und Geländemodell.
2. Gelände ein/aus: Schaltet zwischen 2D-Ansicht und Geländemodell um.
3. Modell platzieren: Das in SketchUp erstellte und georeferenzierte Modell
wird in Google Earth dargestellt.
4. Modell gemeinsam verwenden: Das erstellte Modell wird im 3D Warehouse
bereitgestellt.
5. Modelle übernehmen:
Warehouse.
Herunterladen
von
Modellen
aus
dem
3D
Die mit der Funktion Aktuelle Ansicht übernehmen importierte 2D-Ansicht und
das importierte Geländemodell werden jeweils einem Layer zugewiesen und
können im Layerfenster verwaltet werden. Beide dienen zur Georeferenzierung
von 3D-Modellen. Mit Hilfe der 2D-Ansicht können Modelle lagemäßig angepasst
werden. Das Geländemodell ermöglicht eine höhenmäßige Anpassung (SKETCHUP
HANDBUCH 2008).
Beide SketchUp-Versionen besitzen die gleichen Möglichkeiten zum Datenimport.
Die kostenpflichtige Pro-Version bietet im Gegensatz zur kostenlosen Version
mehrere Exportmöglichkeiten an. Die Tabelle 4.2 zeigt alle Import- und
Exportformate.
40
SketchUp 6
Importformate
2DExportformate
3DExportformate
SketchUp Pro 6
3DS (*.3ds)
AutoCAD (*.dwg, *.dxf)
DEM (*.dem, *.ddf)
SketchUp (*.skp)
JPEG Image (*.jpg)
Portable Network Graphics (*.png)
Tagged Image (*.tif)
Targa Image (*.tga)
Windows Bitmap (*.bmp)
JPEG Image (*.jpg)
JPEG Image (*.jpg)
AutoCAD (*.dwg, *dxf)
Encapsulated PostScript (*.eps)
Piranesi Epix (*.epx)
Portable Document (*.pdf)
Google Earth 4 (*.kmz)
Google Earth (*.kmz)
3DS (*.3ds)
AutoCAD (*.dwg, *.dxf)
Google Earth 4 (*.kmz)
Collada (*.dae)
Google Earth (*.kmz)
FBX (*.fbx)
OBJ (*.obj)
VRML (*.wrl)
XSI (*.xsi)
Tab. 4.2 Vergleich Import-/Exportformate
Des Weiteren können mit der Pro-Version Filmsequenzen erstellt und im AVIFilmformat (Audio Video Interleaved) exportiert werden.
Georeferenzierte Modelle können auf zwei Arten für eine Darstellung in Google
Earth exportiert werden:
Mit der Funktion Modell platzieren wird das erstellte Modell direkt in Google Earth
angezeigt. Dort kann es im KMZ-Format gespeichert werden. In der neusten
Google Earth Version 4.3.7191 (beta) wird die KML-Datei innerhalb der KMZDatei in der Version KML 2.2 ausgegeben.
Über das Exportmenü von SketchUp bestehen zwei Möglichkeiten, Modelle als
kmz-Dateien zu exportieren:

Google Earth 4: KML-Version 2.1 (Geometrien in einer Collada-Datei und
Fototexturen in entsprechenden Dateien hinterlegt)

Google Earth: KML-Version 2.0 (keine Fototexturen möglich, keine
Collada-Datei, Geometrien in der KML gespeichert)
Ab KML-Version 2.1 enthält die KML-Datei die Informationen zur Lage und
Orientierung eines Modells und verweist auf die Collada-Datei mit den
Geometrien (Kapitel 4.2.4). Die Koordinaten, die die KML-Datei enthält, beziehen
41
sich dabei auf den Koordinatenursprung der Zeichnungsachsen in SketchUp. Das
Modell wird also nur über einen Punkt georeferenziert. Alle weiteren Geometrien
des Modells werden in einem lokalen System innerhalb der Collada-Datei
definiert. Vor dem Export aus SketchUp ist daher das Zurücksetzen der
Zeichnungsachse in den Koordinatenursprung zu beachten.
Das auf dem ersten Blick einfache Verfahren beherbergt dennoch einen Fehler
beim Export von Modellen ab KML-Version 2.1. Modelle, die in SketchUp mittels
der 2D-Ansicht lagemäßig exakt referenziert sind, werden nach dem Export in
Google Earth mit einer leichten Rotation dargestellt. Besonders bei großen
Gebäuden ist dies deutlich erkennbar, wie es die Abbildung 4.9 verdeutlicht:
Abb. 4.9 Rotation von Modellen in Google Earth (rechts) nach Export aus SketchUp
(links)
Da Modelle nur über einem
Punkt georeferenziert sind,
kann in Google Earth die
Rotation schnell korrigiert
werden.
Dazu
wird
das
Eigenschaften-Fenster eines
Modells
geöffnet.
Es
erscheint um das Modell eine
gelbe
Box,
die
die
Möglichkeiten zur Skalierung,
Translation und Rotation des
Modells
beherbergt
(Abb.
4.10). Das so korrigierte
Modell kann in Google Earth
als
KMZ
abgespeichert
werden.
Abb. 4.10 Rotieren eines Modells in Google Earth
42
Eine nachgewiesene Erläuterung für diese Ursache kann nicht gefunden werden.
Es ist wahrscheinlich, dass Google Earth und SketchUp unterschiedliche
Nordausrichtungen besitzen.
4.4 Weiterverarbeitung der abgeleitenden Gebäudedaten
Die aus der automatisierten Auswertung erstellten Gebäude (Kapitel 3.1) liegen
als DXF-Dateien vor. SketchUp bietet, wie im vorherigen Kapitel beschrieben,
über die Importmöglichkeiten auch das Einlesen des DXF-Formats an. Beim
Import ist die gleiche Angabe der Maßeinheit mit der im lokalen
Koordinatensystem der Laserscannerdaten vorhandenen Einheit zu beachten (in
der Regel Meter). Alle importierten Modelle werden in SketchUp in einer Gruppe
zusammengefasst und können gemeinsam bearbeitet werden.
4.4.1 Transformationsfunktionen in SketchUp
SketchUp bietet eine einfache Handhabung
zur Translation, Rotation und Skalierung von
Modellen an. Diese Funktionen befinden sich
in der Änderungssymbolleiste (Abb. 4.11):
Abb. 4.11 Änderungssymbolleiste
1. Translation durch einfaches Verschieben einer ausgewählten Gruppe. Mit
den Pfeiltasten auf der Tastatur wird festgelegt, entlang welcher
Zeichnungsachsen verschoben werden soll (L oder K = blaue Achse, I =
grüne Achse, J = rote Achse).
2. Rotationen können auf verschiedenen Ebenen durchgeführt werden (Abb.
4.12).
Abb. 4.12 Rotation von Modellen: 1-3 um Zeichnungsachsen, 4 auf Ebene einer Fläche
43
3. Mit der Skalierfunktion können Teile
der Geometrie in Relation zu anderen
Elementen des Modells in ihrer Größe
geändert
werden.
Das
Wertefeld
(Kapitel 4.3.2) ermöglicht die Eingabe
eines entsprechenden Faktors. Eine
proportionale Skalierung wird durch
Auswahl des in Abbildung 4.13
gezeigten
Kästchens
erreicht
(SKETCHUP HANDBUCH 2008).
Abb. 4.13 Skalierung von Modellen
4.4.2 Georeferenzierung der Gebäudemodelle
Der Skalierungsfaktor mit dem Wert 500 ist aus dem in Kapitel 3.5 ermittelten
Modellmaßstab bestimmt.
Für die lagemäßige Referenzierung der Gebäudemodelle wird aus Microstation
(Kapitel 3.2.2) ein Bild mit der Darstellung der Grundrisse eines Bereiches und
des hinterlegten Orthofotos erstellt (über Menüpunkt Extras | Bild | Speichern).
Dieses Bild wird in Google Earth durch Angleichen an das angepasste ModellOrthofoto (Kapitel 3.5) georeferenziert (Abb. 4.14). Die Aktuelle Ansicht
übernehmen Funktion der Google Toolbar importiert den Google Earth
Bildausschnitt in SketchUp als 2D-Ansicht und Geländemodell. Dort erfolgt nun
durch Translation und Rotation die Anpassung der Gebäudemodelle eines
Bereiches an die Darstellung der Grundrisse (Abb. 4.15).
Abb. 4.14 Orthofoto mit
Grundrissdarstellung
Abb. 4.15 Lagemäßige Georeferenzierung
anhand der Grundrissdarstellungen
44
Die Ermittlung der Gebäudehöhen erfolgt mit einer manuellen Auswertung der
Punktwolken in Cyclone (Kapitel 3.4). Für die Anpassung der Gebäudehöhen
werden einzelne Gebäudemodelle in Teilbereiche zusammengefasst. In jedem
Teilbereich dient ein Gebäude zur höhenmäßigen Anpassung aller Gebäude in
dem Teilbereich. Durch Messen der Fassadenhöhe dieses Gebäudes in der
Punktwolke mit Hilfe von Cyclone wird die Gebäudehöhe im Modellmaßstab
bestimmt. Dieser Wert, multipliziert mit dem Skalierungsfaktor, wird in SketchUp
an diesem Gebäudemodell mit Bezug auf das Geländemodell angepasst (Abb.
4.16). Alle anderen Gebäude in dem Teilbereich werden dadurch gleichzeitig
höhenmäßig an das Geländemodell georeferenziert. Die Unterkellerung der
Gebäude wird in einem späteren Bearbeitungsschritt beachtet (Kapitel 4.6.1).
Abb. 4.16 Anpassung der Gebäudehöhen
4.4.3 Konstruktionswerkzeuge in SketchUp
SketchUp bietet einfach bedien- und erlernbare Werkzeuge, die dennoch die
Konstruktion von komplexen Modellen ermöglichen. Neben den aus anderen
Modellierungs- und CAD-Programmen bekannten Werkzeugen (z.B. Flächen- und
Linienzeichnungsfunktionen, Abb. 4.17) stellt SketchUp weitere Werkzeuge zur
3-dimensionalen Modellierung zur Verfügung.
Abb. 4.17 Zeichensymbolleiste
Abb. 4.18 Konstruktionssymbolleiste
45
Eine wichtige Funktion bei der Konstruktion von
Modellen
ist
das
Ausrichten
der
Zeichnungsachsen (Abb. 4.18, 2), zum Beispiel
an Gebäudeseiten. Damit wird ein orthogonales
Modellieren
im
3-dimensionalen
Raum
gewährleistet.
Ebenfalls
in
der
Konstruktionssymbolleiste
befindet sich die Maßbandfunktion (Abb. 4.18,
1). Sie besitzt, neben dem Messen von
Abständen, die Funktionalität Konstruktionslinien
und –punkte zu erstellen (Abb. 4.19).
Abb. 4.19 Erstellen einer
Konstruktionslinie
Zwei Besondere Werkzeuge in
SketchUp sind Drücken/Ziehen und
Folge mir aus Änderungssymbolleiste
(Abb. 4.20).
Mit der Drücken- /Ziehfunktion (Abb. 4.20, 1) können aus beliebigen Flächen
Volumen in gewünschter Größe erstellt oder vorhandene Volumen entlang der
ausgewählten Fläche verkleinert werden.
Die Folge mir Funktion (Abb 4.20, 2) dupliziert das Profil einer Fläche entlang
eines Pfades (zum Beispiel einer Linie). Das folgende Beispiel in der Abbildung
4.21 zeigt die Funktion:
Abb. 4.21 Die "Folge mir" Funktion
SketchUp bietet mehrere Möglichkeiten, Elemente
von Modellen mit der Auswahlfunktion aus der
Grundsymbolleiste auszuwählen (Abb.4.22). Die
Tabelle 4.3 zeigt die Funktionen, die durch Klicken
der linken Maustaste genutzt werden können:
Abb. 4.22 Grundsymbolleiste
46
Ein Klick auf Element
Zwei Klicks auf Element
Drei Klicks auf Element
Auswahl der Fläche oder
Linie
Auswahl der Fläche und
der umfassenden Linien
oder Auswahl der Linie und
der angrenzenden Flächen
Auswahl aller physisch
verbundenen Linien und
Flächen
Tab. 4.3 Auswahlfunktionen durch Klicken der linken Maustaste
Durch Verwendung der folgenden Kombinationstasten lassen sich weitere
Möglichkeiten zur Auswahl von Elementen nutzen:

Strg-Taste: Cursor verwandelt sich in ein Pluszeichen und ermöglicht das
Hinzufügen von weiteren Elementen zum Auswahlsatz.

Umschalttaste: Cursor verwandelt sich in einen Pfeil mit Plus- und
Minuszeichen und kehrt den Auswahlstatus eines Elements um.

Umschalttaste + Strg-Taste: Cursor verwandelt sich in ein Minuszeichen
und ermöglicht das Entfernen von Elementen vom Auswahlsatz.
Eine Auswahl von mehreren
Auswahlrechteck geschehen:
Elementen
kann
ebenfalls
mit
einem

Das Aufziehen eines Auswahlrechteckes von links nach rechts im
Zeichenbereich von SketchUp wählt nur die Elemente aus, die sich
innerhalb des Rechteckes vollständig befinden.

Ein Aufziehen von rechts nach links wählt alle Elemente innerhalb des
Auswahlrechteckes aus, auch wenn diese nur teilweise im Rechteck
enthalten sind.
Die
Funktion
Kanten
abmildern
(über
rechte
Maustaste
auf
ein
ausgewähltes
Modell)
ermöglicht das Abmildern
und Glätten von Kanten
(Abb.4.23).
Abgemilderte
Kanten werden automatisch
ausgeblendet
(SKETCHUP
HANDBUCH 2008).
Abb. 4.23 Links: unbearbeitet, Mitte: abgemildert,
Rechts: geglättet
47
4.4.4 Manuelle Nachbearbeitung
Die manuelle Nachbearbeitung der abgeleitenden Gebäudemodelle muss in zwei
Arten unterteilt werden: Zum einen in eine mögliche Behebung von Fehlern der
automatisierten Auswertung, zu anderen in die weitere Ausgestaltung der
Gebäudemodelle. Die Nachbearbeitungen an den abgeleiteten Gebäudemodellen
finden vollständig in SketchUp statt.
4.4.4.1 Fehlerbehebung der abgeleiteten Gebäudemodelle
Fehler bei der automatisierten Ermittlung der Traufen- und Dachhöhen der
Gebäude aus der Punktwolke können folgende Gründe haben:

Fehlinformationen in der Punktwolke aufgrund von Abschattung durch
andere Objekte oder aufgrund einer Aufsplittung des Laserstrahls an
Kanten entstandener Punktwolkenschweif (Abb. 4.24).

Gebäudemodelle,
Reihenhäuser).

Andere Dachausrichtung und -form oder keine L-Form bei sechsseitigen
Gebäuden (siehe Kapitel 3.1.2.2).
die
direkt
aneinander
gebaut
sind
(Anbauten,
Abb. 4.24 Beispiel eines Punktwolkenschweifs
Des Weiteren werden mit dem Programm zur automatisierten Objektableitung
keine Dachhöhen und –formen bei Gebäuden mit mehr als sechs Seitenwänden
abgeleitet (Kapitel 3.1.2.2).
48
Eine Überprüfung der Traufen- und Dachhöhen erfolgt durch einen Vergleich der
Gebäudemodelle mit Digitalkamerabildern der Holzmodelle, die am Aufnahmetag
erfasst wurden (Abb. 4.25), und den Einzelaufnahmen der Photogrammetrie, die
je nach Aufnahme eine seitliche Sicht auf die Gebäude erlauben (Kapitel 2.2).
Die zur Korrektur benötigten Maße und Höhen werden aus einer manuellen
Auswertung bestimmt (Kapitel 3.4).
Abb. 4.25 Beispiele von Digitalkamerabildern der Holzmodelle
4.4.4.2 Weitere Ausgestaltung der abgeleiteten Gebäudemodelle
Weitere Gebäudedetails, die nicht in der automatisierten Auswertung beachtet
werden, müssen manuell konstruiert werden. Dies sind bei den Objekten der
Holzmodelle folgende Elemente:

Kirchtürme

Dachgauben

Verzierte Dachgiebel
Der Großteil der Kirchen besteht aus
einem Satteldach und wird bis auf dem
Kirchturm (Abb. 4.26) automatisiert
erstellt. Die Maße und die Form der
Kirchtürme
werden
aus
Punktwolkenmessungen mit Cyclone
abgeleitet.
Abb. 4.26 Modellierter Kirchturm
Anhand der Orthofotos wird untersucht, an welchen Gebäuden Dachgauben und
verzierte Dachgiebel vorhanden sind. Die Art und Form von Dachgauben und
Dachgiebeln wird mit Hilfe der Einzelaufnahmen der Photogrammetrie, die je
49
nach
Bild
eine
Schrägsicht
Digitalkamerabildern ermittelt.
der
Gebäude
ermöglichen,
und
den
Dachgauben sind für das jeweilige Gebäude individuell modelliert. Die Abbildung
4.27 zeigt die gängigsten Arten in den Modellen:
Abb. 4.27 Dachgauben: 1. Schleppgaube, 2. Giebelgaube, 3. Walmgaube, 4. Spitzgaube
Verzierte Dachgiebel sind in den Formen als Treppengiebel und Schweifgiebel
vorhanden. Verschiedene Arten dieser Giebel (Abb. 4.28) sind in einer Vorarbeit
zu
konstruieren
und
werden
anschließend
an
den
entsprechenden
Gebäudemodellen angebracht.
Abb. 4.28 Beispiel verschiedener Dachgiebel
Eine Ausnahme bei der automatisierten Ableitung der Gebäude stellen Objekte
mit einem besonderen strukturellen Aufbau dar. Dies sind die Objekte der
Stadtmauer, Kirchen mit einer komplexeren Struktur und weitere herausragende
Gebäude wie zum Beispiel Mühlen. Die Höhen dieser Gebäude können nur im
geringen Maß automatisiert abgeleitet werden, die besonderen Strukturen
werden nicht automatisch ermittelt. In diesen Fällen erfolgen eine vollständige
manuelle Auswertung der Maße aus den Punktwolken in Cyclone und ein hoher
Konstruktionsaufwand in SketchUp. Im Nachfolgenden werden die modellierten
Objekte Salvatorkirche und Stadtmauer aus dem Stadtmodell 1566 vorgestellt.
50
Die Salvatorkirche ist das
einzige aller auf den drei
Holzmodellen
vorhandenen
Gebäude, das heute noch
erhalten ist. Abweichungen
von der Darstellung der
Kirche
im
Corputius-Plan
(Abb. 4.29) gegenüber dem
heutigen Zustand ist im
Hauptsächlichen der Aufbau
des Turmes, der in Folge der
Jahrhunderte
verschiedene
Zerstörungen
und
neue
Baustufen durchlief. Auch der
Aufgang zur Salvatorkirche,
der heutzutage seitlich vom
Alten Markt angebracht ist,
ist im Corputius-Plan frontal
zur Kirche dargestellt.
Abb. 4.29 Salvatorkirche
im Corputius-Plan
Abb. 4.30 Grundriss der
Salvatorkirche
(SALVATORKIRCHE 2008)
Abb. 4.31 Salvatorkirche
im Holzmodell
Abb. 4.32 Punktwolke der
Salvatorkirche
Die Rekonstruktion der
Salvatorkirche erfolgt durch
Ableitung des Modells aus
dem Originalgrundriss (Abb.
4.30). Alle Höhen sind aus
der Auswertung der
Punktwolke des Holzmodells
entnommen (Abb. 4.31 und
4.32). Für die Ermittlung der
weiteren Strukturen der
Kirche dient die Darstellung
des Corputius-Planes. Die
Abbildung 4.33 zeigt das
fertig gestellte 3D-Modell.
51
Abb. 4.33 Modellierte Salvatorkirche
Der Verlauf der Stadtmauer mit ihren
Türmen und Toren sind aus der
automatisierten
Ableitung
ermittelt.
Höhe und Dicke der Mauer sowie Höhe
und Struktur von Türmen und Stadttoren
werden
aus
den
Punktwolken
ausgewertet.
Weitere
Details
der
Stadtmauer werden aus dem CorputiusPlan und Archivinformationen (Abb.
4.34) übernommen. Die Abbildung 4.35
zeigt Teile der Stadtmauer des 1566er
Modells.
Abb. 4.34 Rekonstruktion der
Stadtmauer aus dem 12. Jahrhundert
Abb. 4.35 Modellierte Stadtmauer des 1566er Modells
52
4.5 Texturierung der Stadtmodelle
Die Ausgestaltung der Stadtmodelle mit Texturen wurde in Absprache mit der
Stadtarchäologie Duisburg vollzogen.
Wie im vorherigen Kapitel schon erwähnt ist die Salvatorkirche das einzige
erhaltene Gebäude, das auf den Holzmodellen dargestellt ist. Ein weiteres
Gebäude, das auch auf dem Corputius-Plan in einer seiner ersten Bauphasen zu
sehen ist, stellt das so genannte Dreigiebelhaus dar (Abb. 4.36). Das
Dreigiebelhaus ist zwar das einzig erhaltene Wohnhaus in Duisburg aus dem
Mittelalter, die jetzige Gestalt ist allerdings die aus der letzten Bauphase des 17.
Jahrhundertes und unterscheidet sich erheblich zu der Darstellung im CorputiusPlan (STADT DUISBURG 2008B). Auch ist der bei der Erbauung aufgetragene Putz
schon verfallen.
Abb. 4.36 Das Dreigiebelhaus (HTTP://WWW.DREIGIEBELHAUS.COM)
Daher ist bis auf die Salvatorkirche kein weiteres Gebäude aus der Zeit, die die
Holzmodelle repräsentieren, erhalten. Auch detaillierte Zeichnungen oder
Gemälde sind nicht vorhanden. Einzig der Corputius-Plan gibt Rückschlüsse auf
das Aussehen der Gebäudefassaden und Dachdeckungen für das 1566er
Stadtmodell. Eine Interpretation, wie die Gebäudefassaden im Detail ausgesehen
haben könnten, wird daher aus archäologischen Kenntnissen, der erhaltenen
Fassade des Dreigiebelhauses (für das 1566er Modell) und Vergleich von Bauten,
die aus dieser Zeit an anderen Orten noch erhalten oder rekonstruiert sind,
ermittelt. Die Abbildungen 4.37 bis 4.40 zeigen Beispielreferenzen, die von der
Stadtarchäologie zur Verfügung gestellt wurden.
53
Abb. 4.37 Haus aus dem 16.
Jahrhundert
Abb. 4.38 Häuser aus dem 12. Jahrhundert
Abb. 4.39 Butzenglasfenster des 16.
Jahrhunderts
Abb. 4.40 Rekonstruktion eines Fachwerkshauses
des 10. Jahrhunderts
Von der historischen Stadtbefestigung sind im Bereich des
heutigen
Innenhafens
große
zusammenhängende Teile erhalten (Abb. 4.41). Sie zeigen
aber nur das Mauerwerk aus
Tuffstein und das Bruchsteinfundament, der bei Erbauung im
Mittelalter aufgetragene Putz ist
nicht mehr vorhanden.
Abb. 4.41 Erhaltener Teil der Stadtmauer
54
4.5.1 Texturenerstellung in Adobe Photoshop CS3
Das Erstellen der Texturen anhand von Vorlagen wird mit dem
Bildbearbeitungsprogramm
Adobe
Photoshop
CS3
durchgeführt
(WWW.ADOBE.COM). Da die Stadtarchäologie Duisburg nur Beispielfotos und –
daten zur Verfügung stellen kann, wird der größte Anteil an Texturen aus
Fotovorlagen, die von Internetanbietern für frei verwendbare Texturen
bereitgestellt sind, gestaltet. Quellen von freien Texturen aus dem Internet sind
zum Beispiel:

www.texturenwelt.de (über 300, zum größten Teil kachelbare Texturen frei
verfügbar)

www.robotjam.com/freebies/textures.htm (nicht kachelbare
Fassadenelemente wie Türen und Fenster vorhanden)

www.cgtextures.com (sehr große Auswahl an hochauflösenden Bildern und
vielen Fassadenelementen, auch von historischen Objekten)
Mit den Bildbearbeitungsfiltern stellt
Photoshop
Möglichkeiten
zur
Verfügung, eigene Texturen zu
erstellen. Solche selbst erstellten
Texturen werden vorrangig zur
Darstellung des Geländes genutzt.
Die Abbildung 4.42 zeigt zwei
solcher Geländetexturen, die nach
Anleitung
des
Tutorials
www.3d.diehlsworld.de
gefertigt
sind.
Texturen,
Abb. 4.42 Durch Bildbearbeitungsfilter
erstellte Texturen: links Wasserfläche, rechts
Grasfläche
Um kachelbare Texturen zu Erstellen werden zwei Methoden angewandt:

Durch vertikales und horizontales Spiegeln von Kopien einer Textur.

Über den Filter Verschiebungseffekt (Filter | Sonstige Filter |
Verschiebungseffekt).
Die
Übergangsbereiche
müssen
mit
dem
Kopierstempel-Werkzeug fließend gestaltet werden.
Bei der ersten Methode ist das Ergebnis ein Bild das die zweifache Ausdehnung
der Eingangstextur hat, während bei der zweiten Methode die Textur ineinander
verschoben wird. Vorlagen für kachelbare Texturen sollten eine homogene
Struktur aufweisen, so dass keine deutlich sichtbare Wiederholung auftritt.
55
4.5.2 Texturierung in SketchUp
In der Grundsymbolleiste befindet sich die
Füllungsfunktion (Abb. 4.43), die Modellflächen eine
Farbe oder Textur zuweist.
Nach Auswahl dieser Funktion öffnet
sich der Material-Browser, der die
Bibliotheken der Farben und Texturen
enthält und verwaltet (Abb.4.44,
links). Texturen können im MaterialBrowser in ihrer Ausdehnungsgröße,
Farbe und Transparenz bearbeitet
werden (Abb. 4.44, rechts). Nachdem
einer Fläche eine Textur zugewiesen
ist, kann diese mit rechter Maustaste
auf die Fläche und Auswahl von
Textur | Position in ihrer Position und
Ausrichtung geändert werden (Abb.
4.44).
Abb. 4.44 Material-Browser
Abb. 4.45 Texturänderungen in SketchUp
1. Textur verschieben
2. Textur proportional skalieren und drehen
3. Textur senkrecht skalieren und neigen
4. Textur verformen
56
Über Auswahl Textur | Projiziert können Texturen auf Flächen projiziert werden.
Nützlich ist diese Funktion, wenn die Rückseite eines Gebäudes die gleiche Textur
besitzen soll wie die Vorderseite (SKETCHUP HANDBUCH 2008).
Für
die
Texturierung
der
Gebäudefassaden werden verschiedene
Fassadentexturen, die Fenster, Türen
und Holzladen
beinhalten, in einer
Vorarbeit erstellt (Abb. 4.46). Dadurch
ist
eine
große
Auswahl
an
Gebäudefassaden vorhanden, die auf
alle Gebäude der Stadtmodelle verteilt
werden. Bei der Erzeugung der
Texturen ist darauf zu achten, dass die
Dateigröße
der
einzelnen
Bilder
aufgrund der Veröffentlichung der
Modelle über das Internet nicht hoch
ist.
Abb. 4.46 Beispieltexturen der
Häuserfassaden
Die Texturen der Salvatorkirche und der Minoritenkirche, die an der gleichen
Position und mit ähnlicher Form wie die im Corputius-Plan dargestellte Kirche
wiederaufgebaut ist, werden aus Fotografien des heutigen Zustands abgeleitet
(Abb. 4.47 und 4.48). Da der Status der Kirchen im Jahre 1566 gezeigt werden
soll, werden die Fassadenfotos in der Weise bearbeitet, dass die Texturen einen
neueren Zustand der Kirchen wiedergeben. Einzelne Fassadenelemente der
Salvatorkirche werden auch zur Darstellung der anderen Kirchen des 1566er
Modells genutzt.
Abb. 4.47 Minoritenkirche: Links Fassadenfoto, rechts texturiertes Modell
57
Abb. 4.48 Salvatorkirche: Links und Mitte Fassadenfotos, rechts texturiertes Modell
4.6 Modellierung weiterführender Objekte
Um ein realitätsnahen und anschaulichen Eindruck der historischen
Stadtszenarien Duisburgs zu zeigen, reicht eine alleinige Visualisierung von
Gebäuden nicht aus.
Erst mit weiteren Objekten wird ein vollkommenes
Stadtbild dargestellt. Die Ausgestaltung der weiteren Detailmodelle erfolgt in
Abstimmung mit der Stadtarchäologie Duisburg. Für das Modell 1566 dient der
detaillierte Corputius-Plan als vollständige Vorlage.
4.6.1 Geländeoberfläche
Die Präsentation einer historischen Stadtsituation in Google Earth benötigt eine
andere Geländedarstellung als das in Google Earth verwendete Bildmaterial, das
einen gegenwärtigen Zustand zeigt. Die Darstellung von Strassen und Wegen,
von Wasserverläufen und Vegetationsunterschieden, angepasst an die
historischen Modelle, wird aus den Orthofotos der Holzmodelle abgeleitet. Das
Resultat soll folgende Anforderungen erfüllen:

Darstellung des kompletten Stadtgebiets und des Umlands gemäß den
Orthofotos der Holzmodelle,

Erkennbarkeit einer Struktur auch bei nahen Heranzoomen in Google
Earth,

Kein hoher Speicherbedarf,

Möglichkeit schnell Veränderungen durchzuführen.
In Anbetracht der Anforderungen zeigt die Tabelle 4.4 die Möglichkeiten zur
individuellen Darstellung einer großflächigen Geländeoberfläche in Google Earth
auf.
58
Möglichkeit
Vorteile
Eine Bilddatei
Darstellung der originalen
Modelloberflächen
Georeferenziert
Weiterverwendung
des HolzmodellOrthofotos
Erstellung eines
eigenen
Untergrundbildes in
Größe des Modells
Erstellung von
mehreren eigenen
Untergrundbildern,
die in Google Earth
lückenlos angepasst
werden
Ableitung des
originalen Google
Earth
Geländemodells in
SketchUp,
Modellieren und
Texturieren der
Topographie nach
HolzmodellOrthofotos

Eine Bilddatei
Bei gleicher Ausdehnung wie
Orthofoto ist eine erneute
Georeferenzierung nicht
nötig
Strukturen bei nahen
Heranzoomen erkennbar

Strukturen bei nahen
Heranzoomen erkennbar
Änderungen leicht machbar
Georeferenziert
Eine Collada-Modelldatei
Kachelbare Texturen
benötigen kleine
Speichergröße

Nachteile
Sehr hohe Nachbearbeitungen notwendig
(Wegretuschieren von
Gebäuden, Bäumen,
gespiegelten Blitzlicht bei
Wasseroberflächen)
Anzeige einer hochauflösenden Struktur bei
nahen Heranzoomen nicht
möglich (Abb. 4.49)
Änderungen aufwändig
Anzeige einer hochauflösenden Struktur bei
nahen Heranzoomen nicht
möglich (Abb. 4.49)
Viele Kacheln bei großen
Stadtgebieten notwendig
Anpassung in Google Earth
aufwändig
Hoher Speicherbedarf
Geländemodell muss in
Google Earth höher gesetzt
und Ränder angepasst
werden
Navigation unter Geländemodell möglich
Tab. 4.4 Gegenüberstellung der Möglichkeiten zur Darstellung einer Geländeoberfläche
Bei der Verwendung eines einzigen Bildes als Bild-Overlay (Kapitel 3.5), wie die
ersten beiden Möglichkeiten es darstellen, besteht der Nachteil, dass die
Auflösung des Bildes in Google Earth begrenzt ist. Google schlägt im Handbuch
vor, keine Bilddateien mit einer höheren Auflösung als 2000 * 2000 Pixel
einzuladen, da sonst die Rechnerperformance beeinträchtigt wird (GE HANDBUCH
2008). In Tests ist das Einlesen von Bildern mit einer Auflösung von 8000 * 6000
Pixel und einer Speichergröße von 8,5 MByte erreicht worden, allerdings ist eine
starke Rechnerauslastung deutlich merkbar. Auch sind zu große Bilddateien für
das Laden eines kompletten Stadtmodells von einem Server unbrauchbar. Das
Einladen noch größerer Bilddateien quittiert Google Earth mit einer
Fehlermeldung und Programmabsturz.
Aufgrund der begrenzten Auflösung der Bilddateien besteht der Nachteil, bei
großflächigen Bild-Overlays keine deutliche Struktur beim näheren Heranzoomen
an das Bild zu erkennen (Abb. 4.49). Eine Alternative ist das Verwenden mehrere
Bilder, die in Google Earth so zueinander angepasst werden, das die Darstellung
59
einer vollständigen Geländeoberfläche entsteht. Bei dieser Möglichkeit ist
wiederum ein hoher Speicherbedarf nötig, der bei einer Internetnutzung sowie
aus Gründen der Rechnerperformance ein großer Nachteil ist.
Abb. 4.49 Großflächiges Bild-Overlay beim
näheren Ranzoomen
Abb. 4.50 Eigenes Geländemodell beim
näheren Ranzoomen
Die meisten Vorteile für die Anwendung einer eigenen, großflächigen
Geländeoberfläche für Google Earth bietet daher das Erstellen eines eigenen
Geländemodells, das vom Google Earth Geländemodell abgeleitet und über
diesem dargestellt wird. Ein eigenes Geländemodell lässt sich schnell in SketchUp
nachträglich bearbeiten und zeigt beim näheren Heranzoomen die bestmögliche
Darstellung von Texturen (Abb. 4.50).
Als Vorlage zur Darstellung der Topografie dienen die in Google Earth
georeferenzierten Orthofotos der Holzmodelle. Nach Anpassung der Ansicht im
Darstellungsfenster von Google Earth stehen nach Import in SketchUp die 2DAnsicht und das Geländemodell zur Verfügung (Kapitel 4.3.3).
Die weiteren Arbeitsschritte zum
Ableiten
einer
eigenen
Geländeoberfläche werden in der
Tabelle 4.5 erläutert:
Abb. 4.51 Sandkistensymbolleiste
1
Ränder
der
eigenen
Geländeoberfläche
heruntersetzen. Dadurch schwebt es nicht
über
den
Google
EarthGeländemodell, sondern ist auf
diesen angepasst.
60
2
Nachzeichnen der Topografie auf
der
2D-Ansicht
mit
dem
Linienzeichnungswerkzeug.
3
Projektion der nachgezeichneten
Kanten auf das Geländemodell
mit der Fläche verbinden Funktion
aus der Sandkistensymbolleiste
(Abb. 4.51).
4
Texturierung
des
eigenen
Geländemodells mit kachelbaren
Texturen (Kapitel 4.5).
5
Export des Geländemodells nach
Google
Earth
und
dortige
Höhenanpassung.
Als
Höheneinstellung
Absolut
verwenden,
damit
das
Geländemodell fixiert über der
Google Earth-Geländeoberfläche
dargestellt wird (mit Einstellung
Relativ zum Boden kann ein
Springen des eigenen Modells
beim Aufbau der Google EarthGeländeoberfläche
entstehen,
Kapitel 4.8.2).
Tab. 4.5 Erstellung eines eigenen Geländemodells
Aufgrund des Imports des Google Earth-Geländemodells in SketchUp ist das
eigene Geländemodell direkt georeferenziert. So muss keine lagemäßige
Anpassung mit den Gebäuden und der Stadtmauer erfolgen. Eine höhenmäßige
61
Anpassung der Gebäude ist ebenfalls nicht notwendig, da das eigene
Geländemodell vom Google Earth-Geländemodell abgeleitet wird. Der Nachteil
bei der Verwendung eines eigenen Geländemodells ist, dass 3D-Modelle in
Google Earth kein Kollisionsmodell besitzen, dass heißt es lässt sich durch
Modelle navigieren. Anwender können so auch unter das eigene Geländemodell
gelangen. Daher ist es sinnvoll, die Geländedarstellung von Google Earth
unterhalb des eigenen Geländemodells mit Hilfe eines Bild-Overlays (Kapitel 3.5)
in einer neutralen, einfarbigen Farbe (z.B. schwarz) abzudecken und die
Unterkellerung der Gebäude zu entfernen (Kapitel 4.4.2). Letzteres wird schnell
ausgeführt, in dem eine Verschneidung der Gebäude mit dem Geländemodell
durchgeführt sowie die Unterkellerung mit dem Auswahlrechteck ausgewählt und
gelöscht wird. Ein Betrachter erkennt so schnell, dass er sich unter die
Geländeoberfläche navigiert hat.
4.6.2 Vegetation
Die Darstellung von Vegetation ist für die Visualisierung der mittelalterlichen
Stadtszenarien Duisburgs ein wichtiger Bestandteil. Während für die
Stadtsituation im 10. und 12. Jahrhundert ein geringer Baumbestand vermutet
wird, zeigt der Corputius-Plan für das Jahr 1566 einen hohen Nutzbaumbestand.
Eine gängige Möglichkeit, Bäume in 3D-Visualisierungen darzustellen, ist die
Nutzung von Billboards. Als Billboards werden bei 3D-Visualisierungen texturierte
Rechteckflächen bezeichnet. Bei der Verwendung von Bilddateien als Textur, die
einen Transparenzkanal enthalten (z.B. PNG, Portable Network Graphics),
können detailreiche Objekte visualisiert werden. Aufgrund ihres Vorteils, wenig
Speicher- und Rechnerbedarf zu benötigen, scheinen Billboards ein ideales Mittel,
um einen hohen Baumbestand darzustellen. Mit dem Erscheinen der, zur Zeit
dieser Diplomarbeit, neuesten Google Earth Version 4.3.7191 beta (Stand Juli
2008), ergibt sich aber ein Problem bei der Nutzung von Texturen mit einem
Transparenzkanal. Beim Betrachten auf Flächen mit einer transparenten Textur
in Google Earth werden alle 3D-Modelle, die im Sichtfeld dahinter liegen,
ausgeblendet. Zur Veranschaulichung dieses Problems zeigt die Abbildung 4.52
eine Fläche mit einer grün-transparenten Texturfarbe innerhalb eines
Stadtmodells mit eigenem Geländemodell. Alle Gebäude und das eigene
Geländemodell verschwinden hinter der Fläche und das Google EarthGeländemodell und die Darstellung des Himmels werden sichtbar. Bei
transparenten Texturen mit einer dargestellten Figur (z.B. ein Baum) tritt dieser
Effekt um die Figurdarstellung herum auf (Abb. 4.53).
62
Abb. 4.52 Transparenzproblem von Google
Earth
Abb. 4.53 Billboardbaum in Google Earth
Da dieses Problem bei früheren Google Earth Versionen nicht auftritt, wird ein
Zusammenhang mit der in der neuesten Version eingeführten SonnenverlaufsFunktion vermutet. Aufgrund dieses Effekts, der besonders bei einer hohen
Anzahl von Billboards sehr deutlich und unschön auffällt, wird eine
Billboarddarstellung von Vegetation für die Stadtmodelle nicht angewandt.
Die Alternativlösung zur Darstellung von Vegetation ist die Nutzung von
texturierten 3D-Modellen. Bei der Verwendung von 3D-Bäumen in Stadtmodellen
ist auf ein ausgewogenes Verhältnis zwischen möglichst einfach gehaltenen und
geometriearmen
Modellen
zur
Vermeidung
einer
unnötig
hohen
Rechnerauslastung und der dennoch aussagekräftigen Darstellung von Bäumen
zu achten. Die für die historischen Stadtmodelle konstruierten 3DVegetationsmodelle
enthalten
daher
mehrere
einfache,
texturierte
Dreieckflächen, die sich eng beieinander befinden und somit den Eindruck eines
vollständigen Blattwerkes vermitteln. In Tabelle 4.6 werden einige verwendete
Vegetationsmodelle vorgestellt:
Collada-Dateigröße
Anzahl Texturen
Anzahl Dreiecke
Weinrebe
Obstbaum
Großer Baum
72 KByte
2
484
219 KByte
2
526
1708 KByte
2
4592
Tab. 4.6 Verwendete Vegetationsmodelle
63
Bei den in der Beispieltabelle gezeigten
Vegetationsmodellen
spiegelt
das
Obstbaummodell die Konstruktionsart der
meisten Baummodelle wieder. Mit einer
Speichergröße von 150 KByte bis 250
KByte der Collada-Datei sind solche
Baummodelle schnell in Google Earth
geladen und zeigen eine ruckelfreie
Anzeige
beim
Navigieren.
Ein
Vegetationsmodell wie das des großen
Baumes wird im 1566er Stadtmodell zur
Visualisierung von nur zwei markanten
Bäumen genutzt, die im Corputius-Plan
ersichtlich sind (Abb. 4.54). Eine höhere
Anzahl solcher detailreichen Modelle kann,
je nach verwendeter Hardware des
Anwenders, eine flüssige Darstellung der
Stadtmodelle beeinträchtigen.
Abb. 4.54 Markante Baumdarstellung
im Corputius-Plan
Das Platzieren der Vegetationsmodelle erfolgt auf dem eigenen Geländemodell.
Dabei werden die einzelnen Baummodelle nicht kopiert und die Kopie an einen
anderen Ort gesetzt. Bei der Verwendung einer solchen Methode würden die
Geometriedefinitionen für jedes kopierte Modell in der Collada-Datei neu
abgespeichert. Somit erhöht sich die Speichergröße der Collada-Datei
proportional mit jedem kopiertem Einzelmodell. Die Ergebnisse und Nachteile
dieser Methode sind:

Große Collada-Dateien

Weniger darstellbare Einzelmodelle

Lange Ladezeiten, vor allem bei einer Serveranwendung.
Um ein Aufblähen der Collada-Datei bei der Verwendung von gleichen
Einzelmodellen entgegenzuwirken, stellt SketchUp die Möglichkeiten zu
Verfügung, aus Modellen Komponenten zu erstellen und diese zu platzieren.
Komponenten können nach Auswahl von
Elementen mit der Funktion Komponente
erstellen aus der Grundsymbolleiste (Abb.
4.55) definiert werden.
64
Daraufhin erscheint ein Dialogfeld, bei dem folgende Angaben zu tätigen sind:

Name der Komponente

Beschreibung

Ausrichtung der Komponente festlegen

Ausgewählte Elemente durch die erstellte Komponente ersetzen
Im aktuellen SketchUp-Projekt steht
die erstellte Komponente nun zur
Verfügung.
Unter
Fenster
|
Komponenten wird der KomponentenBrowser geöffnet (Abb. 4.56). Ähnlich
wie beim Material-Browser (Kapitel
4.5.2) werden hier die Komponenten
verwaltet. Über Rechtsklick auf ein
Komponentensymbol
kann
die
Komponente als SketchUp-Projektdatei
exportiert werden. Mit der Funktion
Bibliothek öffnen werden SketchUpProjekte als Komponenten definiert
(SKETCHUP HANDBUCH 2008).
Abb. 4.56 Komponenten-Browser
Der große Vorteil bei der Nutzung von Komponenten ist, dass die
Geometriedefinitionen des als Komponente erstellten Modells nur einmal in der
Collada-Datei abgelegt wird, egal wie viele einzelne Komponenteninstanzen
platziert werden. Dabei können die einzelnen Komponenteninstanzen beliebig
gedreht und skaliert werden. Die einzelnen Komponenteninstanzen werden
innerhalb der Collada-Datei mit Verweis auf die Geometrien und Angabe zu
Position im Modell, Skalierung sowie Drehung definiert. Der größte Teil einer
Collada-Datei, die Definition der Geometrie eines Modells, wird aber nicht mehr
wiederholt. Die Vorteile von Komponenten im Gegensatz zum Kopieren von
Modellen sind daher:

Collada-Dateigröße erhöht sich nur vernachlässigbar
Hinzufügen einer weiteren Komponenteninstanz

Hohe Anzahl an Einzelmodellen zur Darstellung möglich

Schnelle Ladezeiten
minimal
beim
Besonders bei Vegetationsmodellen, bei der die Darstellung einer gleichen
Modellart in hoher Anzahl wiederholt wird, ist die Nutzung von Komponenten die
beste Lösung.
65
4.6.3 Detailobjekte
Die weitere Ausgestaltung mit Details soll dem Betrachter Objekte präsentieren,
die im mittelalterlichen Stadtbild Duisburgs vorkamen. Auf Basis von
archäologischen Archivinformationen werden diese Objekte mit SketchUp
nachkonstruiert. In Tabelle 4.7 werden einige Objekte vorgestellt:
Objekt
Kogge
für 16.
Jahrh.
Vorlagen
Kogge auf dem
Stadtsiegel von
Stralsund (1329)
3D-Modell
Kogge von 1350
(WWW.GESCHICHTE-SH.DE)
Marktplatz
1566
(Marktstände,
Brunnen,
Pranger)
Ausschnitt aus dem Corputius-Plan
Gotischer Pranger (frühes 16. Jahrhundert) auf
dem Marktplatz von Schwäbisch Hall (WIKIPEDIA
2008)
Tab. 4.7 Detailobjekte: Vorlagen und 3D-Modelle
66
Ein wichtiges Ausgestaltungselement ist die Darstellung von Grundstücksgrenzen
mit Zäunen, Mauern und Toren, die einen ausgefüllteren Eindruck der
Stadtmodelle bewirken. Für das Stadtmodell 1566 kann der Corputius-Plan, der
sehr detailreich verschiedene Zäune und Mauerwerke darstellt, als Vorlage
verwendet werden (Abb. 4.57). Die Ausgestaltung mit Zäunen und Mauern der
Modelle des 10. und 12. Jahrhunderts erfolgt auf Grundlage der Holzmodelle und
in Absprache mit der Stadtarchäologie.
Abb. 4.57 Darstellung von Zäunen und Mauerwerken im Corputius-Plan
Das Konstruieren von Zäunen und Mauerwerken erfolgt senkrecht auf dem
eigenen Geländemodell. Dabei werden Zäune als einfache Flächen erstellt. Beide
Seiten der Fläche werden mit einer Bilddatei, die einen Transparenzkanal
beinhaltet, texturiert. Der im vorherigen Kapitel beschriebene Effekt in Google
Earth, bei dem 3D-Modelle, die sich hinter einer transparenten Textur im
Sichtfeld des Darstellungsfenster befinden, ausgeblendet werden, tritt auch bei
den Zauntexturen auf. Allerdings besitzen die Zaundarstellungen der Texturen
eine geringere Struktur im Vergleich zu einer Baumdarstellung, so dass dieser
Effekt einem Anwender nur beim genaueren Betrachten auffällt. Eine
Verbesserung der Darstellung wird ebenfalls durch das Positionieren eines
schwarzfarbigen Bild-Overlays auf dem Google Earth-Geländemodell erreicht, wie
es in Kapitel 4.6.1 beschrieben ist. Dadurch wird erreicht, dass dieser Effekt nicht
aufgrund des Bildmaterials des Google Earth Geländemodells auffällt (der Effekt
stellt dann nur das schwarze Bild dar).
67
4.7 Änderungen gegenüber den Originalmodellen
In Abstimmung mit der Stadtarchäologie Duisburg müssen bei der Modellierung
der
virtuellen
Stadtszenarien
Änderungen
gegenüber
den
originalen
Holzmodellen durchgeführt werden. Diese Änderungen sind aufgrund von Fehlern
oder Falschinterpretationen bei der Rekonstruktion der Holzmodelle sowie
neuesten archäologischen Kenntnissen nötig. Besonders die Modelle 1000 und
1200 müssen in einem hohen Anteil neu konstruiert werden.
4.7.1 Änderungen im Stadtmodell 1566
Da das 1566er Holzmodell auf Grundlage des Corputius-Planes basiert, muss an
der Struktur des Modells keine aufwändigen Modifikationen vorgenommen
werden. Mögliche Falschdarstellungen im Holzmodell können durch einen
Vergleich mit dem Corputius-Plan ermittelt werden. Die wesentlichsten
Änderungen betreffen die Gestaltung der Stadtmauer und einzelner wichtiger
Gebäude, bei denen archäologische Ausgrabungsfunde eine andere Darstellung
beweisen. Beispielhaft werden in Tabelle 4.8 einige, gegenüber der
Holzmodellvorlage berichtigten Objekten vorgestellt:
Bauwerk
Hugenturm
Marienkirche
Schwanenstrasse
Rekonstruktion falsch
Vordere Kirchenschiffe
fehlen
Gebäude befinden sich
auf der Straße
Darstellung im
Holzmodell
Änderungsgrund
Corputius-Plan
/ Archivinformation
3D-Modell
Tab. 4.8 Beispiele von Änderungen im 1566er Modell
68
Ein Gebäudekomplex, an dem
ausführliche
archäologische
Untersuchungen durchgeführt
werden
konnten,
ist
die
Markthalle
(ARCHÄOLOGIE
DUISBURG
2008B).
Die
Ausgrabungsfunde
können
heutzutage am Alten Markt
begutachtet
werden
(Abb.
4.58). Das Gebäudemodell auf
dem Holzmodell zeigt nur eine
sehr
einfache
Darstellung
(Abb.
4.59,
rechts).
Mit
Unterstützung
eines
Grundrissplanes
und
einer
bildlichen Rekonstruktion wird
ein detailliertes 3D-Modell der
Markthalle erstellt (Abb. 4.60).
Abb. 4.58 Ausgrabungsfunde Markthalle
Abb. 4.59 Markthalle: links Ausschnitt des
Corputius-Plans, rechts Holzmodell
Abb. 4.60 Markthalle: links Grundriss, Mitte bildliche Rekonstruktion, rechts 3D-Modell
Die Besonderheit bei der Visualisierung der Markthalle ist die Nutzung einer
Öffnung im eigenen Geländemodell, um die Treppenzugänge zu den
Kellereingängen darzustellen. Ein Modell, welches auf dem Google Earth
Geländemodellen aufliegen würde, könnte diese Darstellung nicht ermöglichen.
69
4.7.2 Änderungen in den Stadtmodellen 1000 und 1200
Die Rekonstruktion der Holzmodelle der Jahre 1000 und 1200 konnte nicht, wie
es beim 1566er Holzmodell der Fall ist, anhand eines historischen Plans oder
einer Darstellung ermöglicht werden. Vielmehr entstanden diese Modelle infolge
einer Interpretation der damaligen archäologischen Kenntnisse. Hinsichtlich des
neuesten archäologischen Wissens müssen die Stadtmodelle des 10. und 12.
Jahrhunderts im Vergleich zu den Holzmodellen stark abgeändert werden, um
eine originalgetreuere Visualisierung zu erreichen. Alle Änderungen und
Ergänzungen werden dabei von der Stadtarchäologie Duisburg vorgegeben.
Die Abbildung 4.61 zeigt die Gebiete (grüne Flächen), aus denen weiterhin eine
Ableitung der Gebäude aus Laserscannerdaten möglich ist:
Abb. 4.61 Darstellung der Gebiete, aus denen Laserscanner-Daten abgeleitet werden
können (links Modell 1000, rechts Modell 1200)
Zu erkennen ist, dass die Gebäude im Pfalzbereich, die Pfalzgebäude selber
sowie die alten Bauwerke der Salvatorkirche übernommen werden können. Alle
weiteren Gebäude des Stadtbereiches stellen nach aktuellen archäologischen
Kenntnissen die Situation in den Jahrhunderten nicht richtig dar. Vermutet wird,
was auch historische Informationen aus vergleichbaren Städten belegen, dass in
diesen Jahrhunderten die Grundstücke in Parzellen aufgeteilt waren, in denen
sich Wohn- und Lagerhäuser, Ställe und Scheunen befanden. Eine solche
Darstellung ist in den Holzmodellen des 10. und 12. Jahrhunderts nur
ansatzweise vorhanden. Diese Gebäude werden mit Absprache der
Stadtarchäologie Duisburg als 3D-Modelle konstruiert und nach Vorlage im
Stadtmodell platziert.
Gebäude, die durch archäologische Ausgrabungen belegt sind, werden
dementsprechend im Stadtmodell rekonstruiert. Die Stadtarchäologie Duisburg
stellt dafür Karten, in dem Grabungsbefunde dargestellt sind, zur Verfügung.
Diese Pläne werden in Google Earth georeferenziert (Kapitel 3.5), so dass diese
Gebäude lagerichtig abgebildet werden. Das Bild 4.62 zeigt die Grabungsbefunde
im Bereich des Alten Marktes und der Pfalz.
70
Abb. 4.62 Grabungsbefunde am Alten Markt und Pfalzbereich
Am Beispiel des blau umrandeten
Grabungsbefunds im Bild 4.62 wird der
Weg zur Rekonstruktion eines Gebäudes
beschrieben. Die Abbildung 4.63 stellt
den detaillierten Grabungsplan dar. Mit
Hilfe des Maßstabes kann der Grundriss
des Gebäudes nachgebildet werden. Die
Konstruktion des 3D-Modells (Abb. 4.64,
rechts) erfolgt mit einer Vorlage (Abb.
4.64, links).
Abb. 4.63 Grabungsplan eines Gebäudes
Abb. 4.64 Links Rekonstruktionsvorlage, rechts 3D-Modell
71
Wie im Kapitel 3.5 beschrieben, wurde zunächst das Orthofoto des 1566er
Modells aufgrund vieler heutzutage noch vorhandener Bauwerke georeferenziert.
Die Anpassung der Orthofotos des Modells 12. Jahrhundert soll dann über
identische Punkten mit dem Modellfoto 1566 erfolgen, die Georeferenzierung des
1000er Orthofoto über gleiche Punkte mit dem des 1200er Orthofotos. Bei der
Georeferenzierung des 1200er Orthofotos ist aber festzustellen, dass das
Holzmodell den Verlauf von Stadtmauer und die Position der Marienkirche in
Vergleich zum 1566er Orthofoto falsch wiedergibt. Der Verlauf der Stadtmauer
muss in der kompletten östlichen Hälfte der Stadtgrenze identisch mit dem
Verlauf im Jahr 1566 sein. In Folge dessen werden die Orthofotos der Modelle
1000 und 1200 in die Bereiche aufgeteilt, aus denen eine Ermittlung der
Gebäude aus Laserscanner-Daten erfolgt (Abb. 4.61). Diese Orthofototeile der
einzelnen Bereiche werden nur georeferenziert. In Abbildung 4.65 wird der
östliche Verlauf der Stadtmauer aus dem Orthofoto 1566 mit dem im Pfalzbereich
georeferenzierten 1200er Orthofoto verglichen.
Abb. 4.65 Vergleich des
Stadtmauerverlaufs zwischen Orthofoto
Modell 1200 und 1566
Abb. 4.66 Schematische Darstellung der
Situation im 12. Jahrh.
Der weitere Verlauf der Stadtmauer muss im Modell 1200, wie die schematische
Darstellung Abb. 4.66 zeigt, nach neusten archäologischen Informationen
ebenfalls korrigiert werden. Die Visualisierung der Topografie auf den eigenen
Geländemodellen wird den Änderungen entsprechend angepasst.
72
4.8 Visualisierung in Google Earth
Aufgrund des hohen Aufwandes, den die Modellierung eines Stadtmodells
aufweist, wird im Rahmen dieser Diplomarbeit nur das historische Stadtmodell
1566 vollständig erstellt. Die beiden Stadtmodelle des 10. und 12. Jahrhunderts
werden im Kontext des Projekts „RuhrZeiten.de“ auf Basis dieser Arbeit
weitergeführt.
4.8.1 Export des Stadtmodells
Wie in der Auswertung im Kapitel 3.2.1 beschrieben, werden alle Gebäude und
die Stadtmauer des Stadtmodells in Bereiche aufgeteilt. In den einzelnen
Bereichen erfolgt die Georeferenzierung der Objekte innerhalb eines eigenen
SketchUp-Projekts (Kapitel 4.4.2). Das Zusammenfügen aller Bereiche wird mit
der Möglichkeit SketchUp-Dateien zu importieren, in einem neuen GesamtProjekt durchgeführt.
Das Exportieren des Stadtmodells erfolgt nicht als Ganzes, sondern aufgeteilt in
die einzelnen Modellbestandteile. Der Vorteil einer Aufteilung des Stadtmodells in
die einzelnen Modellbestandteile ist, dass beim Laden der Modelle in Google
Earth der Aufbau nacheinander erfolgt. Ein Anwender erkennt so, dass der
Aufbau des Stadtmodells vollzogen wird.
Der größte Modellbestandteil sind die Gebäudemodelle. Damit ein Anwender
beim Öffnen des Stadtmodells permanente Fortschritte auch beim Aufbau der
Gebäude erkennt, werden alle Gebäudemodelle in insgesamt zwölf Einzelbereich
aufgeteilt (Abb. 4.67).
Abb. 4.67 Aufteilung der Gebäudemodelle
73
Der Export erfolgt im datenkomprimierenden Format KMZ (Kapitel 4.2.4). Mit
einem gängigen Komprimierungsprogramm (z.B. WinRAR) können die KMZDateien entpackt werden. Somit wird der Zugang zur KML- und –Collada-Datei
sowie den Texturen des jeweiligen exportierten Modellbestandteils ermöglicht
(Abb. 4.68).
Abb. 4.68 Ablauf: Export aus dem SketchUp-Projekt
Im
weiteren
Schritt
findet
die
Zusammenfassung
der
einzelnen
Modellbestandteile zum Stadtmodell statt. Beim Export einer KMZ-Datei aus
74
Google Earth oder SketchUp werden innerhalb der KMZ die Ordner models, in der
sich alle Collada-Dateien befinden, und der Ordner images, der alle Texturen
beherbergt, angelegt. Diese Ordnerstruktur wird für das Stadtmodell ebenfalls
verwendet. Alle exportierten Collada-Dateien der einzelnen Modellbestandteile
werden in einem Ordner models eingefügt und alle Bilddateien in den Ordner
images.
Die Verwaltung des Stadtmodells erfolgt in einer KML-Datei. Aus allen
exportierten KML-Dateien wird der Eintrag des Modellbestandteils in diese KMLDatei übernommen. Im Folgenden wird die Tag-Struktur eines Modellbestandteils
gezeigt:
<Placemark>
<name>Bereich01</name>
<description><![CDATA[]]></description>
<Model>
<altitudeMode>relativeToGround</altitudeMode>
<Location>
<longitude>6.761388293758</longitude>
<latitude>51.434763669270</latitude>
<altitude>0.000000000000</altitude>
</Location>
<Orientation>
<heading>0</heading>
<tilt>0</tilt>
<roll>0</roll>
</Orientation>
<Scale>
<x>1.0</x>
<y>1.0</y>
<z>1.0</z>
</Scale>
<Link>
<href>models/Bereich01.dae</href>
</Link>
</Model>
</Placemark>
Die Tag-Struktur Location zeigt die Koordinate an, mit dem das Modell
georeferenziert wird (Kapitel 4.3.3), Orientation und Scale sind Rotations- und
Skalierungsangaben. Im Tag Link wird auf die Collada-Datei, die das Modell
definiert, verwiesen.
75
Mit dem Tag Folder erfolgt das Zusammenfassen mehrerer, gleichartiger
Modellbestandteile in eine Ordnerstruktur. Nachfolgend werden die Ordnerinhalte
des Stadtmodells 1566 dargestellt:
1. Hauptobjekte:
Alle
Gebäude,
Stadtmauer,
Geländeoberfläche,
Zäune/Mauern, schwarzes Bild-Overlay (Kapitel 4.6.1)
2. Vegetation: Alle Vegetationsarten
3. Strassendetails
4. Boote
Nach Öffnen des Stadtmodells in Google Earth werden die Hauptobjekte direkt
geladen, alle weiteren Modelle sind individuell einschaltbar. Das Auslassen der
Detailmodelle beim Start des Stadtmodells stellt sicher, dass Anwender, die eine
schlechtere Rechnerleistung verwenden, zunächst möglichst problemlos im
Hauptmodell navigieren können.
4.8.2 Anpassungen in Google Earth
Wie im Kapitel 4.6.1, Tabelle 4.5, beschrieben, muss das eigene Geländemodell,
und somit alle Modelle, höhenmäßig in Google Earth angepasst werden. Keine
Höhenanpassung würde bedeuten, dass sich das eigene Geländemodell auf
gleicher Höhe wie das Google Earth-Modell befindet. Durch Aufruf des
Eigenschaftenfensters eines Modells mit rechter Maustaste in der Google Earth
Seitenleiste wird in der Registerkarte Höhe die Einstellung durchgeführt
(Abb.4.69).
Abb. 4.69 Höheneinstellung in Google Earth
76
Für die Höheneinstellung stellt Google Earth drei Optionen zur Verfügung (GE
HANDBUCH 2008):

An Boden gebunden: Objekt
Geländemodells gebunden.
an
Bodenhöhe
des
Google
Earth-

Relativ zum Boden: Die Höhe des Objekts ist in Relation zur Bodenhöhe
des darunter befindlichen Google Earth-Geländemodells.

Absolut: Die Höhe des Objekts bezieht sich auf den Meeresspiegel.
Bei der Verwendung eines eigenen Geländemodells ist die Option Absolut zu
bevorzugen. Das Stadtmodell besitzt somit eine feste Höheneinstellung. Die
Option Relativ zum Boden bezieht sich dagegen auf eine Höhendifferenz zum
Google Earth-Modell. Da das Google Earth-Geländemodell je nach Ansicht
aufgebaut wird, kann beim Einstellen dieser Option ein „Springen“ von 3DModellen beobachtet werden. Der bei der Anpassung festgestellte Höhenwert
wird für alle Modellbestandteile in der KML-Datei eingefügt:
<Placemark>
<name>Strassendetails</name>
<Model>
<altitudeMode>absolute</altitudeMode>
<Location>
<altitude>39.000000000000</altitude>
</Location>
...
</Model>
</Placemark>
Die beim Export der Modelle aus SketchUp vorhandene Rotation (Kapitel 4.3.3)
wird bei einer Modellgröße wie die des Stadtmodells deutlich sichtbar. Da die
Stadtmauer der größte Modellbestandteil ist, wird dieses Modell zur Korrektur der
Rotation mit Hilfe des georeferenzierten Orthofotos verwendet (Abb. 4.70).
77
Abb. 4.70 Korrektur der Rotation in Google Earth
Der daraus resultierende Wert wird für jedes Modell über die KML-Datei
korrigiert:
<Placemark>
<name>obstbaeume</name>
<Model>
...
<Orientation>
<heading>-2.315356221789102</heading>
<tilt>0</tilt>
<roll>0</roll>
</Orientation>
...
</Model>
</Placemark>
Eine für die Präsentation des Stadtmodells wichtige Funktionalität ist das
Einstellen von Ansichten, die beim Öffnen des Stadtmodells oder beim Auswählen
eines Ordners gezeigt werden. Nach Positionieren einer Ansicht im
Darstellungsfenster enthält das Eigenschaftenfenster eines Modells oder Ordners
die Möglichkeit, diese Ansicht zu speichern. Diese Ansichtseinstellungen werden
wiederum für das ganze Stadtmodell und jeden Ordner in der KML-Datei
hinterlegt:
78
<LookAt>
<altitude>0</altitude>
<range>583.2645702510262</range>
<tilt>72.67199882780932</tilt>
<heading>29.32092658728979</heading>
<altitudeMode>relativeToGround</altitudeMode>
</LookAt>
4.8.3 Zusatzinformationen zu besonderen Objekten
Eine Beschreibung zu besonderen Objekten im Stadtmodell wird über Placemarks
realisiert.
Vorab erfolgen die Erstellung von Icons (Abb. 4.71), die die Objektart
repräsentieren, und die Ausgestaltung der Beschreibungsfenster. Die Definition
der Beschreibungsdarstellung einer Objektart wird im Tag Style zu einer
Stilgruppe zusammengefasst. Zur Formatierung der Beschreibung sind
bestimmte HTML-Tags (Hypertext Markup Language) zulässig (KML TUTORIAL
2008):

Schriftformatierungen

Verweise

Bilder

Listen

Tabellen
Abb. 4.71 Icons zur Placemarkdarstellung
<Style id="icon_turm">
<IconStyle>
<scale>1.4</scale>
Icongröße
<Icon>
<href>images/icons/turm.png</href>
Icondatei
</Icon>
</IconStyle>
<LabelStyle>
Beschriftungsstil im
<color>b2ffffff</color>
Google Earth
<scale>0.8</scale>
Darstellungsfenster
</LabelStyle>
<BalloonStyle>
...
Formatierung des
Beschreibungsfensters
</BalloonStyle>
</Style>
79
In Google Earth werden die Placemarks an geeigneter Position und Ansicht
gesetzt und als KML-Datei exportiert. Die Tag-Struktur der Placemarks, die die
Koordinate und Ansichtseinstellungen enthält, wird in die KML-Datei des
Stadtmodells übernommen und einer Stilgruppe zugeordnet. Im Tag Description
erfolgen das Einfügen des Beschreibungstextes sowie Bilder des Objektes (Abb.
4.72).
Abb. 4.72 Beschreibungsfenster
4.9 Zusammenfassung der Modellierung und Visualisierung
Die Modellierung und Visualisierung des Stadtmodells zeigt, dass obwohl der
größte Teil der Ausgangsdaten aus einer automatisierten Auswertung stammt,
der Aufbau eines hochwertigen Modells immer noch mit einem hohen manuellen
Arbeitsaufwand verbunden ist. Die Tabelle 4.9 gibt Auskunft über den
ungefähren zeitlichen Aufwand für die Bearbeitung der abgeleiteten
Gebäudedaten eines Bereiches des gesamten Stadtmodells:
Arbeitsschritt
Georeferenzierung
Überprüfung
+ Nachbesserung
Weitere Ausgestaltung
Texturierung
Schlusskontrolle
Zeitaufwand
60 min.
60 min.
45 min.
90 min.
30 min.
Tab. 4.9 Zeitlicher Aufwand zur manuellen Bearbeitung eines Bereiches
Bei insgesamt 23 Gebäudebereichen im Stadtmodell 1566 wird der zeitliche
Bearbeitungsaufwand eines aufwändigen und genauen Stadtmodells verdeutlicht.
80
Zusätzlich zu den abgeleiteten Gebäudedaten muss die manuelle Modellierung
der detailreichen Objekte wie der Stadtmauer und den Kirchen zugerechnet
werden.
Der Detaillierungsgrad (Kapitel 4.1.1) der meisten normalen Gebäudeobjekte ist
in zwei Hälften aufgeteilt. Gebäude ohne weitere Ausgestaltung sind im LoD 2,
Gebäude mit Dachgiebeln und –gauben sind im LoD 3 definiert. Ebenfalls im LoD
3 ist die komplette Stadtmauer sowie die herausragenden Salvator- und
Minoritenkirche modelliert.
Die Tabelle 4.10 gibt eine Zusammenfassung der Anzahl und Größe aller Dateien
des Stadtmodells 1566 an:
KML
Collada-Dateien
Texturdateien
Bilder und Icons der
Zusatzinformationen
Gesamt
Anzahl
1
27
195
52
Größe (MByte)
0,065 = 67 KByte
53,4
6,36
2,17
275
62
Tab. 4.10 Statistik der Dateien des Stadtmodells 1566
Deutlich fällt auf, dass die Collada-Dateien den größten Speicherbedarf
benötigen. Bei den Texturen kann aufgrund von Verminderung der Auflösung und
Qualität Speicherplatz gespart und schnellere Ladezeiten beim Aufbau des
Modells erzielt werden.
SketchUp zeigt sich geeignet um auch größere Stadtmodelle für Google Earth zu
modellieren und visualisieren. Allerdings ist bei der Größe des Modells eine gute
Hardware notwendig. Bemerkbar macht sich die große Datenmenge vor allem
mit sehr langen Rechenzeiten, zum Beispiel beim Abspeichern des SketchUpProjekts oder beim Import von anderen SketchUp-Projekten.
In einem Vergleich zu den in Kapitel 4.2.5 vorgestellten 3D-Stadtmodellen lassen
sich zum Bamberger Stadtmodell die meisten Parallelen aufweisen. Gleiche
Merkmale sind:

Das Anzeigen des kompletten Stadtmodells im Gegensatz zu den „großen“
Modellen, bei denen je nach Ansicht Gebäude geladen werden.

Die Nutzung eines eigenen Geländemodells (in Bamberg nur in einem
Bereich).

Gute Ausgestaltung aller Gebäude, keine Blockmodelle.
Dagegen weisen die vorgestellten Stadtmodelle keine Detailobjekte, kaum
Vegetation und keine Präsentation von textlichen Zusatzinformationen auf.
81
5. Publikation
Mit der Internetpräsenz „RuhrZeiten.de“ planen die drei Kommunalarchäologien
Dortmund, Essen und Duisburg, archäologische Ausgrabungsstätten und
historische Bauwerke mit Unterstützung einer Visualisierung von 3D-Modellen in
Google Earth einem breiten Publikum zugänglich zu machen. Interessierte
können so einen anschaulichen Eindruck über verschiedenste archäologische
Themen erlangen und sich über die geschichtlichen Hintergründe informieren.
Dieses Angebot wird anlässlich der Kulturhauptstadt 2010 Ruhrgebiet initiiert.
5.1 Aufbau und Gestaltung der Webseite
Das relevanteste Ziel der Gestaltung der Webseite „RuhrZeiten.de“ (Abb. 5.1) ist
ein aufgeräumtes Erscheinungsbild und eine gute Lesbarkeit der Inhalte.
Themenbezogene Hintergrundgrafiken sollen einen hohen Wiedererkennungswert
schaffen.
Abb. 5.1 RuhrZeiten.de
82
Publikation
Die komplette Formatierung und der Aufbau der Webseite werden über die
HTML-Ergänzungssprache Cascading Stylesheets (CSS) beschrieben. Alle
Einzelseiten haben das gleiche Design. Daher sind die CSS in einer separaten
Datei definiert, die in jeder Einzelseite eingebunden werden. Der Aufbau aller
Seiten zeigt die Abbildung 5.2:
Überschriften
Hintergrundbild
Hauptnavigation
Nebennavigation
Inhalt
(mit Bildern und
gegebenenfalls Downloadbereich)
Fußleiste
Abb. 5.2 Aufbau der Webseite
Die Webseite besitzt eine feste Breite (940 Pixel) und, bis auf die
Hintergrundbilder, einen schwarzen Hintergrund. Der Aufbau (Abb. 5.2) ist in
Bereichen unterteilt. Für jeden Bereich werden individuell Positionen,
Schriftgrößen, Listen und Tabellen mit CSS definiert. Dabei wird eine einheitliche
Schriftart in weißer Farbe verwendet. Aktuell aktivierte Verweise sowie Verweise,
über denen der Mauszeiger gerade positioniert ist, werden in den Navigationen
rot dargestellt.
Die Gesamtheit aller Seiten ist in einer hierarchischen Baumstruktur angeordnet.
Eine Flexibilität zwischen den Seiten wird über Querverweise erreicht. Die
Struktur der Webseite wird in Grafik 5.3 dargestellt.
83
Publikation
Index
Archäolog.
Grundlagen
Virtuelle
Realität 1
Archäolog.
Grundlagen 2
Virtuelle
Realität 2
Thematische
Sequenzen
Ziele
Projekte
Frühzeit
Oespel
Projekt 1
Mittelalter
Duisburg
Download
3D-Modell
Burgenland
Essen
Projekt 2
Kohle und
Stahl
Download
3D-Modell
Gegenwart
Projekt …
Abb. 5.3 Hierarchische Baumstruktur der Webseite
In den Projektfeldern sind die bisher fertig gestellten Visualisierungen enthalten.
Diese sind gegenwärtig (Stand Juli 2008) die Visualisierungen zum
Weltkulturerbe Zeche Zollverein, Krupp´sche Hauptverwaltung Essen, Alte
Synagoge Essen, Haus Scheppen Essen, Burgenland Essen, Schloß Borbeck
Essen sowie die Stadt Duisburg um 1566. Weitere Projekte, unter anderem
Duisburg um 1000 und 1200, werden in Zukunft noch folgen.
In der Abbildung 5.3 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit die Verweise der
Einzelseiten Kontakt und Impressum sowie ausgewählten externen Links
(Hochschule Bochum, Stadt Essen, Kulturhauptstadt Ruhr 2010) nicht
dargestellt. Diese Verweise können von jeder Einzelseite aus der Fußleiste des
Webseiten-Layouts angesprochen werden.
84
Publikation
Getestet ist die Webseite auf folgenden gängigen Webbrowsern:

Mozilla Firefox Version 1 bis 3

Microsoft Internet Explorer ab Version 5

Apple Safari Version 3
Der Internet Explorer unterscheidet sich dabei von den anderen Browsern, da er
viele CSS-Definitionen nicht standardkonform interpretiert. Daher sind für eine
korrekte Darstellung des CSS-basierten Layouts so genannte Browserweichen für
den Internet Explorer notwendig, die von den Browser dementsprechend richtig
aufgefasst werden (SELFHTML 2008).
5.2 Rubrik Projekte
In der Rubrik Projekte sind alle Visualisierungen und Hintergrundinformation mit
Bildern der einzelnen Projekte aufrufbar (Abb.5.4).
Abb. 5.4 Projektseite Duisburg 1566
85
Publikation
Neben dem Herunterladen
der 3D-Modelle besteht die
Möglichkeit zu jedem Modell
Videos
in
verschiedenen
Videoformaten zu beziehen.
Die Auswahl der Formate
erfolgt
über
eine
Auswahlliste (Abb. 5.5).
Abb. 5.5 Auswahlliste Videoformate
Nach Auswahl eines Videoformats wird über Betätigen des Buttons Download das
gewählte Video heruntergeladen. Um zu verhindern, dass ein Media Player das
Video nach Betätigen des Buttons abspielt, erfolgt der Download über
Ansprechen eines PHP-Skripts (Hypertext Preprocessor).
In der Auswahlliste ist für jeden Eintrag ein entsprechender Verweis zum PHPSkript gespeichert:
<select name="Videos" class="videoauswahl" size="1">
<option value="download.php?where=4&what=40">
Windows WMV, 720x576 Pixel, 24,8 MB</option>
<option value="download.php?where=4&what=41">
Windows WMV, 320x240 Pixel, 3,9 MB</option>
...
</select>
Where gibt das Verzeichnis an, in dem das Video gespeichert ist, what steht für
den Dateinamen. Nach Betätigen des Buttons Download erfolgt die Ausführung
eines kleinen Java-Skripts, die den jeweiligen PHP-Verweis anspricht:
<input type="button" class="button2" value="Download"
onClick="location = form.Videos.options[form.Videos.selectedIndex].value;" />
Innerhalb des PHP-Skripts sind alle Speicherorte der Videos und die Funktion für
den direkten Download von Dateien hinterlegt.
86
Publikation
Das Ansprechen des Downloads der Google Earth 3D-Modelle erfolgt auf einer
gesonderten Seite (Abb. 5.6):
Abb. 5.6 Downloadseite der 3D-Modelle
Nach Belehrung der Nutzungsrechte der 3D-Modelle kann ein Anwender ihnen
zustimmen oder verweigern. Bei einer Verweigerung erfolgt kein Download (Abb.
5.7). Eine Zustimmung stellt den Downloadlink bereit (Abb. 5.8).
Abb. 5.7 Ablehnen der Nutzungsrechte
Abb. 5.8 Zustimmen der Nutzungsrechte
87
6. Fazit
In dieser Diplomarbeit werden der Aufbau und die Präsentation von historischen
3D-Stadtmodellen für eine Visualisierung unter Google Earth gezeigt. Als
Ausgangsdaten der 3D-Modelle dienen Erfassungen durch terrestrisches
Laserscanning und Photogrammetrie von Holzmodellen, die in einem Maßstab
von 1:500 die historischen Stadtszenen Duisburgs darstellen, sowie
archäologische Archivinformationen.
Obwohl das verwendete 3D-Laserscanning-System Zoller+Fröhlich IMAGER 5006
nicht für eine Aufnahme derart kleinmaßstäbiger Objekte wie die der Holzmodelle
bestimmt ist, zeigt sich, dass eine Auswertung dieser Laserscanner-Daten
möglich ist. Bei der Auswertung wird aber auch deutlich, dass die Orthofotos der
Holzmodelle unentbehrlich sind.
Eine vollständige manuelle Auswertung aller Gebäudeobjekte der Holzmodelle
würde in einem hohen Arbeits- und Zeitaufwand resultieren. Die Verwendung
von eigens für solche Problemstellungen entwickelten Programme stellt eine
schnellere und präzisere Lösung dar. Da die Menge der zu bearbeiteten Daten
aufgrund der angewandten Aufteilung der Laserscannerdaten in Bereichen nicht
hoch ist, ist die Programmierumgebung Visual Basic 6 vollkommen ausreichend.
Allerdings ist auch bei einer automatisierten Auswertung ein gewisser Anteil an
manuellen Arbeiten notwendig. Mit dem Auswertesystem Cyclone wird schnell
und genau eine Bearbeitung der Laserscannerdaten durchgeführt. Die Erstellung
der Gebäudegrundrisse kann mit einen beliebigen CAD-Programm erfolgen.
Microstation zeigt eine einfache Handhabung bei der Referenzierung der
Orthofotos und Konstruktion der Gebäudegrundrisse.
Während die Durchführung der automatisierten Auswertung der Holzmodelle eine
Vereinfachung darstellt, ist dagegen bei der anschließenden Weiterverarbeitung
der Gebäudedaten ein hoher Arbeitsaufwand nötig. Das dafür verwendete
System Google SketchUp erweist sich als eine einfach zu bedienende und schnell
erlernbare Modellierungssoftware, die dennoch ein hohes Leistungspotential
enthält. Eine Weiterverarbeitung der ausgewerteten Daten und das
Zusammenfügen des gesamten Stadtmodells ist in SketchUp problemlos möglich.
Die Komponenten-Funktion (Kapitel 4.6.2) ermöglicht das effektive Erstellen von
komplexen Modellen und sollte konsequent angewandt werden. Allerdings stellt
sich die Modellierung und Visualisierung trotz der einfachen Handhabung von
SketchUp aufgrund der hohen Anzahl an Objekten der Stadtmodelle als sehr zeitund arbeitsintensiv dar. Daher ist es von Vorteil, ein sinnvolles Abwägen von
eingesetzten Aufwand und resultierenden Ergebnis durchzuführen und die
Modellierung und Visualisierung von komplexen Modellen diesem Ziel
anzupassen. Auch ist die durchgeführte Genauigkeit beim Ableiten von Gebäudeund Dachhöhen kritisch zu betrachten, da die Holzmodellvorlagen selbst nur eine
Rekonstruktion der historischen Stadtszenen darstellen.
88
Fazit
Bei der manuellen Weiterverarbeitung der abgeleiten Gebäudedaten zeigt sich,
dass die höhenmäßige Georeferenzierung der Gebäudeobjekte einen
verhältnismäßigen hohen Zeitaufwand beansprucht (Kapitel 4.4.2). Hier hätte
eine Verbesserung des entwickelten Programms insofern erfolgen sollen, dass ein
Ableiten der Gebäudehöhen in Bezug auf ein Geländemodell, erstellt aus den
Holzmodellen, oder über eine Durchschnittsbodenhöhe durchgeführt wird. In
Folge dessen muss allerdings eine manuelle oder automatisierte Anpassung an
das eigene Geländemodell geschehen.
Die Ausgestaltung der Modelle erfolgt in guter Absprache mit der
Stadtarchäologie Duisburg. Änderungen in den 3D-Stadtmodellen gegenüber den
Holzmodellvorlagen müssen aufgrund aktueller archäologischer Kenntnisse
vollzogen werden. In diesen Fällen ist jedoch eine bessere und permanente
Abstimmung mit der Stadtarchäologie nötig, da eine nachträgliche Korrektur der
3D-Modelle mit neuem Aufwand verbunden ist. Im bereits fertig gestellten
Stadtmodell 1566 sind erneut Modifikationen notwendig, so dass die geplante
Veröffentlichung vor Abgabe dieser Diplomarbeit verschoben ist.
Die Gestaltung der Webseite „RuhrZeiten.de“ hat das Ziel, dem Betrachter eine
ansprechende und übersichtliche Internet-Plattform zu bieten. Die Struktur der
Webseite ist dabei für eine weitere Pflege des Inhalts möglichst einfach gehalten.
Weiteren, am Projekt „RuhrZeiten.de“ beteiligten Mitarbeitern wird somit das
Erstellen und Einbinden neuer Projektseiten erleichtert.
Eine Präsentation der historischen 3D-Stadtmodelle für eine Visualisierung in
Google Earth ermöglicht das Ansprechen eines breiten Publikums. Aufgrund des
nacheinander folgenden Aufbaus der einzelnen Modellbestandteile erkennt ein
Betrachter, dass ein stetiges Laden des Modells vollzogen wird. Nachteilig bei der
Veröffentlichung von Modellen für eine Google Earth Darstellung ist die
Möglichkeit, den Speicherort der kompletten Modelldateien und Texturen
herauszufinden (Kapitel 4.2.5.4).
Der Aufbau eines historischen 3D-Stadtmodells für eine Nutzung unter Google
Earth am Beispiel der Stadt Duisburg stellt die Möglichkeiten und den hohen
Aufwand dar. Aufgrund der hohen Anforderungen bezüglich Genauigkeit und
Detailtreue ist innerhalb dieser Diplomarbeit das Stadtmodell für das Jahr 1566
fertig gestellt worden. Die Errichtung der historischen Stadtmodelle Duisburgs im
10. und 12. Jahrhundert erfolgt auf der Grundlage dieser Arbeit im Rahmen des
Projekts „RuhrZeiten.de“.
89
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Koppel, M. (2007): Vergleichende Untersuchung zum Aufbau, zur Funktionalität
und zur Nutzung aktueller Earth-Browser sowie exemplarische Erstellung
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90
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92
Abb. 1.1
Ausschnitt aus dem Corputius-Plan
2
Abb. 2.1
Holzmodell Stadt Duisburg 1566
3
Abb. 2.2
Nahaufnahme eines Modellobjekts
4
Abb. 2.3
Laserscannerstandpunkte
5
Abb. 2.4
3D-Ansicht eines Scans in Laser Control
6
Abb. 2.5
Photogrammetrische Erfassung der Holzmodelle
6
Abb. 2.6
Orthofoto Modell 1000
7
Abb. 3.1
Ablauf der Automatisierung der Auswertung
9
Abb. 3.2
Ablaufplan automatisierte Objekterstellung
10
Abb. 3.3
Programmoberfläche Höhendatenextraktion von Punktwolken
11
Abb. 3.4
Beispielhafte Darstellung zur Rasteranalyse: Z-Werte der grünen
Punkte werden übernommen, roter Punkt ist ein Ausreißer
12
Abb. 3.5
Programmoberfläche automatisierte Objektableitung
13
Abb. 3.6
Ermittlung der Traufenhöhen
16
Abb. 3.7
Ermittlung der Dachfirsthöhe
17
Abb. 3.8
Beispiel von Bäumen, die über Dachflächen herausragen
18
Abb. 3.9
Analyse L-förmiger Gebäude
18
Abb. 3.10 Ausschneiden von Daten in Cyclone
19
Abb. 3.11 Aufteilung der Gebäude in Bereiche, Beispiel Modell 1566
20
Abb. 3.12 Schnitterstellung der Punktwolke
20
Abb. 3.13 Haupt-toolbox
21
Abb. 3.14 AccuDraw
21
Abb. 3.15 Fangfunktionen
21
Abb. 3.16 Konstruktion in Microstation
22
Abb. 3.17 Darstellung in Microstation: links nur Punktwolkenschnitte, rechts
Unterstützung mit Orthofoto
22
Abb. 3.18 Konstruktion der Stadtmauer
23
Abb. 3.19 Vergleich eines Bauwerks im Modell und als Punktwolke
24
Abb. 3.20 Manuelle Auswertung mit Cyclone
25
Abb. 3.21 Verwendete Passpunkte zur Georeferenzierung des ModellOrthofotos 1566
26
93
Abb. 4.1
Der Google Earth Standardbildschirm
31
Abb. 4.2
Navigationsbedienlemente
32
Abb. 4.3
Aufbau einer KMZ-Datei
34
Abb. 4.4
3D-Modell Berlin: links Texturierung der LoD-1 Gebäude, rechts der
Innenraum des Reichstags (LoD-4)
35
Abb. 4.5
3D-Modell Dresden: links Bauwerke im LoD-3, rechts Gebäude in
LoD-1 und LoD-2
36
Abb. 4.6
3D-Modell Bamberg
36
Abb. 4.7
Benutzeroberfläche von Google SketchUp
39
Abb. 4.8
Google Toolbar
40
Abb. 4.9
Rotation von Modellen in Google Earth (rechts) nach Export aus
SketchUp (links)
42
Abb. 4.10 Rotieren eines Modells in Google Earth
42
43
Abb. 4.12 Rotation von Modellen: 1-3 um Zeichnungsachsen, 4 auf Ebene
einer Fläche
43
Abb. 4.13 Skalierung von Modellen
44
Abb. 4.14 Orthofoto mit Grundrissdarstellung
44
Abb. 4.15 Lagemäßige Georeferenzierung anhand der Grundrissdarstellungen 44
Abb. 4.16 Anpassung der Gebäudehöhen
45
Abb. 4.17 Zeichensymbolleiste
45
Abb. 4.18 Konstruktionssymbolleiste
45
Abb. 4.19 Erstellen einer Konstruktionslinie
46
46
Abb. 4.21 Die "Folge mir" Funktion
46
46
Abb. 4.23 Links: unbearbeitet, Mitte: abgemildert, Rechts: geglättet
47
Abb. 4.24 Beispiel eines Punktwolkenschweifs
48
Abb. 4.25 Beispiele von Digitalkamerabildern der Holzmodelle
49
Abb. 4.26 Modellierter Kirchturm
49
Abb. 4.27 Dachgauben: 1. Schleppgaube, 2. Giebelgaube, 3. Walmgaube, 4.
Spitzgaube
50
Abb. 4.28 Beispiel verschiedener Dachgiebel
50
94
Abb. 4.29 Salvatorkirche im Corputius-Plan
51
Abb. 4.30 Grundriss der Salvatorkirche (SALVATORKIRCHE 2008)
51
Abb. 4.31 Salvatorkirche im Holzmodell
51
Abb. 4.32 Punktwolke der Salvatorkirche
51
Abb. 4.33 Modellierte Salvatorkirche
52
Abb. 4.34 Rekonstruktion der Stadtmauer aus dem 12. Jahrhundert
52
Abb. 4.35 Modellierte Stadtmauer des 1566er Modells
52
Abb. 4.36 Das Dreigiebelhaus (HTTP://WWW.DREIGIEBELHAUS.COM)
53
Abb. 4.37 Haus aus dem 16. Jahrhundert
54
Abb. 4.38 Häuser aus dem 12. Jahrhundert
54
Abb. 4.39 Butzenglasfenster des 16. Jahrhunderts
54
Abb. 4.40 Rekonstruktion eines Fachwerkshauses des 10. Jahrhunderts
54
Abb. 4.41 Erhaltener Teil der Stadtmauer
54
Abb. 4.42 Durch Bildbearbeitungsfilter erstellte Texturen: links Wasserfläche,
rechts Grasfläche
55
56
Abb. 4.44 Material-Browser
56
Abb. 4.45 Texturänderungen in SketchUp
56
Abb. 4.46 Beispieltexturen der Häuserfassaden
57
Abb. 4.47 Minoritenkirche: Links Fassadenfoto, rechts texturiertes Modell
57
Abb. 4.48 Salvatorkirche: Links und Mitte Fassadenfotos, rechts texturiertes
Modell
58
Abb. 4.49 Großflächiges Bild-Overlay beim näheren Ranzoomen
60
Abb. 4.50 Eigenes Geländemodell beim näheren Ranzoomen
60
Abb. 4.51 Sandkistensymbolleiste
60
Abb. 4.52 Transparenzproblem von Google Earth
63
Abb. 4.53 Billboardbaum in Google Earth
63
Abb. 4.54 Markante Baumdarstellung im Corputius-Plan
64
64
Abb. 4.56 Komponenten-Browser
65
Abb. 4.57 Darstellung von Zäunen und Mauerwerken im Corputius-Plan
67
Abb. 4.58 Ausgrabungsfunde Markthalle
69
Abb. 4.59 Markthalle: links Ausschnitt des Corputius-Plans, rechts Holzmodell69
95
Abb. 4.60 Markthalle: links Grundriss, Mitte bildliche Rekonstruktion, rechts
3D-Modell
69
Abb. 4.61 Darstellung der Gebiete, aus denen Laserscanner-Daten abgeleitet
werden können (links Modell 1000, rechts Modell 1200)
70
Abb. 4.62 Grabungsbefunde am Alten Markt und Pfalzbereich
71
Abb. 4.63 Grabungsplan eines Gebäudes
71
Abb. 4.64 Links Rekonstruktionsvorlage, rechts 3D-Modell
71
Abb. 4.65 Vergleich des Stadtmauerverlaufs zwischen Orthofoto Modell 1200
und 1566
72
Abb. 4.66 Schematische Darstellung der Situation im 12. Jahrh.
72
Abb. 4.67 Aufteilung der Gebäudemodelle
73
Abb. 4.68 Ablauf: Export aus dem SketchUp-Projekt
74
Abb. 4.69 Höheneinstellung in Google Earth
76
Abb. 4.70 Korrektur der Rotation in Google Earth
78
Abb. 4.71 Icons zur Placemarkdarstellung
79
Abb. 4.72 Beschreibungsfenster
80
Abb. 5.1
RuhrZeiten.de
82
Abb. 5.2
Aufbau der Webseite
83
Abb. 5.3
Hierarchische Baumstruktur der Webseite
84
Abb. 5.4
Projektseite Duisburg 1566
85
Abb. 5.5
Auswahlliste Videoformate
86
Abb. 5.6
Downloadseite der 3D-Modelle
87
Abb. 5.7
Ablehnen der Nutzungsrechte
87
Abb. 5.8
Zustimmen der Nutzungsrechte
87
Abb. A.1
Startansicht des Stadtmodells 1566
103
Abb. A.2
Marientor, Marienkirche, Mühlenturm
103
Abb. A.3
Hugenturm, Wassermühle
103
Abb. A.4
Blick am Schwanentor
104
Abb. A.5
Markthalle
104
Abb. A.6
Alter Markt
104
Abb. A.7
Salvatorkirche
105
Abb. A.8
Minoritenkirche
105
Abb. A.9
Burgplatz
105
96
Abb. A.10 Stapeltor
106
Abb. A.11 Blick aus einer Gartenlandschaft
106
Abb. A.12 Boote
106
Abb. A.13 Geländeoberfläche Modell 1200
107
Abb. A.14 Marienhospital
107
Abb. A.15 Hugenturm
107
Abb. A.16 Lagerhäuser
108
Abb. A.17 Steinhaus, rekonstruiert nach Grabungsfund
108
Abb. A.18 Steinhaus
108
97
Tabellenverzeichnis
Tab. 2.1
Auflösungsstufen des IMAGER 5006 (ZOLLER+FRÖHLICH 2008)
5
Tab. 2.2
Punktabstand und -dichte in der Auflösungsstufe "super High"
6
Tab. 3.1
Vergleichsbeispiel Eingabe- und Ausgabedatei
12
Tab. 3.2
Beispiel Gruppen in einer DXF-Datei
14
Tab. 3.3
DXF-Elementtypen AcDbPolyline und 3DFace
15
Tab. 4.1
Detaillierungsgrade von Modellen
29
Tab. 4.2
Vergleich Import-/Exportformate
41
Tab. 4.3
Auswahlfunktionen durch Klicken der linken Maustaste
47
Tab. 4.4
Gegenüberstellung der Möglichkeiten zur Darstellung einer
Geländeoberfläche
59
Tab. 4.5
Erstellung eines eigenen Geländemodells
61
Tab. 4.6
Verwendete Vegetationsmodelle
63
Tab. 4.7
Detailobjekte: Vorlagen und 3D-Modelle
66
Tab. 4.8
Beispiele von Änderungen im 1566er Modell
68
Tab. 4.9
Zeitlicher Aufwand zur manuellen Bearbeitung eines Bereiches
80
Tab. 4.10 Statistik der Dateien des Stadtmodells 1566
Tab. A.1
Inhalt der beigelegten CD
81
109
98
Programm zur Höhendatenextraktion von Punktwolken
Start
XYZ-Eingabedatei öffnen
XYZ-Ausgabedatei öffnen
Extraktion
starten
Ende
XYZ-Koordinaten
speichern
Nein
2
Eingabedatei
gewählt?
Ja
Nein
Ausgabedatei
gewählt?
Ja
Min- und Max
Koordinaten suchen
Min-Max Koord. auf 3
Nachkommastellen
begrenzen
Quicksort: Alle
Eingabekoord.
sortieren
1
99
1
Aktueller Y-Wert
<= Max YKoord.?
Nein
Ja
Aktueller X-Wert =
Min X-Koord.
Nein
Aktueller X-Wert
<= Max XKoord.?
Ausgabe in XYZDatei
VRML-Datei
ausgeben?
Ja
Suche höchste und
zweithöchste Z-Koord.
in 1mm Raster
Nein
Differenz
höchste und
zweithöchste ZKoord. > 1mm?
Ja
Ausgabe in
VRML-Datei
DXF-Datei
ausgeben?
Zweithöchste ZKoord. übernehmen
Nein
Ja
Ja
Höchste Z-Koord.
übernehmen
Nein
Ausgabe in
DXF-Datei
2
100
Programm zur automatisierten Objektableitung
Start
Ende
DXF-Grundrissdatei öffnen
Eckkoord. der
Objekte speichern
XYZ-Eingabedatei öffnen
DXF-Ausgabedatei öffnen
Unterkellerungshöhe angeben
XYZ-Koordinaten
speichern
Objektableitung
starten
Nein
Alle Ein-/ Ausgabedateien geöffnet und
Unterkellerungshöhe
angegeben?
2
Ja
Unterkellerungshöhe
den Bodenpkten aller
Objekte zuweisen
1
101
1
i=1
i=1
Traufenhöhe eines
Objektes aus
Punktwolke ableiten und
zuweisen
Nein
Objekt mit 4
Seiten?
Nein
Ja
i <= Anzahl
Objekte
Satteldacherstellung
Ja
Objekt mit 6
Seiten?
Nein
Ja
L-förmige
Satteldacherstellung
Nein
i <= Anzahl
Objekte
Ja
Ausgabe in
DXF-Datei
2
102
Stadtmodell Duisburg 1566
Abb. A.1 Startansicht des
Stadtmodells 1566
Abb. A.2 Marientor,
Marienkirche, Mühlenturm
Abb. A.3 Hugenturm,
Wassermühle
103
Abb. A.4 Blick am
Schwanentor
Abb. A.5 Markthalle
Abb. A.6 Alter Markt
104
Abb. A.7 Salvatorkirche
Abb. A.8 Minoritenkirche
Abb. A.9 Burgplatz
105
Abb. A.10 Stapeltor
Abb. A.11 Blick aus einer
Gartenlandschaft
Abb. A.12 Boote
106
Bisher fertig gestellte Objekte des Stadtmodells 1200
Abb. A.13 Geländeoberfläche
Modell 1200
Abb. A.14 Marienhospital
Abb. A.15 Hugenturm
107
Abb. A.16 Lagerhäuser
Abb. A.17 Steinhaus,
rekonstruiert nach
Grabungsfund
Abb. A.18 Steinhaus
108
Anhang C: Inhalt der beigelegten CD
Ordner
Inhalt
Diplomarbeit
Diplomarbeit als PDF-Dokument
Orthofotos
Orthofotos aller Holzmodelle
Programme
Entwickelte Programme, als ausführbare EXE-Dateien
und VB-Projekt, mit Beispieldateien
Stadtmodelle
Komplettes Stadtmodell 1566 und bisher fertig
gestellte Objekte im Stadtmodell 1200
Videos
Videos des Stadtmodells 1566
Webseite
Inhalte der Webseite „RuhrZeiten.de“, ohne
Downloadinhalt
Tab. A.1 Inhalt der beigelegten CD
109