Modul Nr. 1608, M.Sc. Bau: Geodäsie und GIS Teil GIS Kapitel 5€¦ · Modul Nr. 1608, M.Sc. Bau:...
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Modul Nr. 1608, M.Sc. Bau: Geodäsie und GIS
Teil GIS – Kapitel 5:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Reinhardt
AGIS / Inst. Für Angewandte Informatik (INF4)
Universität der Bundeswehr München
www.agis.unibw.de
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Digitale Geländemodelle (DGM)
Einführung und Überblick
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Ziele und Inhalte – Vorlesung GIS
Kap3:
Digitale Geländemodelle, Einführung, Überblick über ausgewählte Verfahren der
Interpolation und Triangulation, Anwendungsmöglichleiten
Ziele: Grundprinzipien kennen
Wissen was man mit GIS bearbeiten kann
Einfache Aufgaben durchführen können,
primär im Zusammenspiel GIS/DGM
Inhalte :
• Kap 1: Einführung
• Kap 2: Grundlegende Konzepte
• Kap 3: Daten
• Kap 4: Datenbanken
• Kap 5: Digitale Geländemodelle
• Übungen
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Digitale Geländemodelle - Überblick
- Digitales Höhenmodell (DHM)
- Digitales Geländemodell (DGM)
- Digitales Oberflächenmodell (DOM)
- DGM-Datenarten
- DGM-Datenerfassung
- Strukturierung
- Anwendungsbeispiele
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Digitales Höhenmodell - Definition
- Als Digitales Höhenmodell (DHM) bezeichnet man die Menge der digital gespeicherten Höhenwerte, die als Funktion der Lage der Punkte die Höhenstruktur des Objekts hinreichend repräsentieren.
ein spezieller Fall eines DHM ist das Digitale Geländemodell,
bei dem die natürliche Geländeoberfläche
ohne Bebauung und Vegetation wiedergegeben wird.
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Digitales Oberflächenmodell
Ein Digitales Oberflächenmodell
enthält auch die Gebäude, Vegetation etc.
Beispiel: digitales 3D Stadtmodell in versch. Farbdarstellungen
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Digitale StadtmodelleGrundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
LOD 4 – Interior model
walls, ceiling … are modelled
„Walkable“ architectural models
LOD 3 – City / Site model
Detailed architectural model
LOD 2 – City / Site model
Explicit roof structures
LOD 1 – City / Site model
„Block model“ without roof structures
LOD 0 – Regional model
Digital Terrain Model
Level of Detail (LoD)
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Digitale StadtmodelleGrundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten Anwendungsbeispiele
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Digitales Geländemodell - Übersicht
Schritte zum DGM Aufbau:
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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DGM-Datenarten
Massenpunkte mit unterschiedlicher Anordnung, je nach Erfassungsverfahren
Erfassungsverfahren: Geod. Verfahren, Laserscanning (s.u), Photogrammetrie, Fernerkundung …
Daten mit geomorphologischem Bezug Geländekanten … (s. Beispiele)
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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DGM-Datenarten - Beispiel
Geländekanten
Hinweis: Direkt messen oder Massenpunkte sehr dicht aufnehmen!
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Datenerfassung mit Airborne Laserscanning
• Das AirborneLaser ScanningSystem erlaubt die berührungslose Erfassung der Geländeoberfläche mit hoher Präzision.
• Der Laserstrahl des Scanners wird quer zur Flugrichtung abgelenkt und ein Geländestreifen entlang des Flugwegs mit einer Zick-Zack-Linie abgetastet.
• Die Entfernung zur Erdoberfläche wird über Laufzeitmessung ermittelt.
• Die äußere Orientierung, d. h. die Position und die Lage des Sensors im Raum, wird aus GPS-und Inertialmessungen berechnet.
• Es werden i.d.R. sehr viele Punkte aufgenommen (z.B. 1-8 P/m2) mit sehr hoher Genauigkeit (ca. 1-2 dm erreichbar)
• Standard für großräumige DGM / DOM
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Datenerfassung mit Airborne Laserscanning
• Im Unterschied zur Photogrammetrie handelt sich dabei um aktive Erfassungssysteme, bei denen von einem Sender ausgestrahlte Laserimpulse verwendet werden.
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Beispiel aus Bayern
Quelle: W. Henninger, LVG Bayern
Schliersee
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Beispiel aus Bayern
Quelle: W. Henninger, LVG Bayern
• Aus den gemessenen Punkten werden regelmäßige Gitter (s. unten) abgeleitet und an Nutzer abgegeben (kostenpflichtig)
Gitter 50 mGitter 10 mGitter 2 m
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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DGM und DOM (Beispiel aus Bayern)DGM
ICE-Trasse N – IN
Höhe Denkendorf
Gitter 1m
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DGM und DOM (Beispiel aus Bayern)DOM
ICE-Trasse N – IN
Höhe Denkendorf
Gitter 1m
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Strukturierung der Daten
Strukturierung mittels Gitternetzen Strukturierung mittels
Dreiecksnetzen
Strukturierung mittels hybrider
Netze (Dreiecke und Gitter)
Gemessen: Punkte / Linien
Gewünscht: kontinuierliche Beschreibung /
Oberfläche
Strukturierung: Grundlage für Oberflächenbildung
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Definition
Eine Triangulation ist ein planarer Graph, bei dem alle Maschen Dreiecke sind.
Die Triangulation einer Menge von Punkten MT ist ein planarer Graph mit einer maximalen Anzahl von Kanten.
MT - Anzahl Punkte,MU- Anzahl Punkte auf UmrandungspolygonNE - Anzahl Kanten (edges),NT - Anzahl Dreiecke (triangles)
NE = 3(MT-1) - MU </= 3MTNT = 2(MT-1) - MU </= 2MT
=> verschiedene Triangulationen für eine gegebene Menge von Punkten möglich
=> Einführung von Bedingungen für eine eindeutige Lösung notwendig
Beispiele:=> minimum edge length (Summe der Dreiecksseiten minimal)=> maxmin Winkel-Triangulation (Maximierung des minimalen Winkels)
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Voronoi-Polygon
Beispiel eines Voronoi-Diagramms
Anwendungen: • Postamtproblem • Schulzuordnung
• weitere
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Delaunay-Triangulation (DT)
Die DT ist der duale Graph des Voronoi-Diagramms.
Hinweis:
• die DT ist die "Standard"-Triangulationsmethode
• hinreichende Bedingung: Dreiecksumkreisbedingung (wird sehr häufig bei der Implementierung genutzt)
• sehr viele Algorithmen vorgeschlagen, DT wird idR ohne Voronoi-Diagramm erzeugt
Erweiterung:
Berücksichtigung von Kanten, DT in den Bereichen zwischen den Kanten (Kanten als Zwangsseiten)
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Datenorganisation und Verwaltung von
Triangulationen
Beispiel: Organisation nach Dreiecken und Nachbardreiecken
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Triangulationen, Standard im Straßenbau
Beispiel, Quelle: Nemetschek (http://www.cadfamily.com)
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Interpolation eines Gitter-DGM
Gegeben: Gemessene Punkte in beliebiger Lage, Lage der Gitterpunkte
Gesucht: Höhen der Gitterpunkte
Viele Berechnungsmöglichkeiten verfügbar, z.B. Kriging,
ein Beispiel im folgenden erläutert
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Gleitendes Mittel (1)
Gemessene Punkte (Primärpunkte) zu berechnende Gitterpunkte (Sekundärpunkte)
Verzichtet auf die Erzeugung mathematisch bestimmbarer Teilflächen,
berechnet den z-Wert eines beliebigen Punktes aus den Werten der
Punkte in einer gewissen Umgebung.
zq = (p1 z1 + ... + pn zn) / (p1 + ... + pn)
• einfaches Modell, einfache Berechnung;
• aber Problematik: welche/wieviele Punkte sind zu berücksichtigen?
• Wie sind die Gewichte zu berechnen?
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Gleitendes Mittel (2)
Ansätze:
Wahl der Gewichte umgekehrt proportional zur Entfernung
(auch Quadrat der Entfernung)
statistische Betrachtung (Kovarianzfunktion für die Punkte Pi),
Beispiele:
f(d)= 1/d Reziproke Distanz
f(d)= e-ad**2 Gaußsche Glockenkurve
Anmerkungen:Bestimmung der Kovarianzfunktion ist nicht ganz einfach Ziel: „Angemessene“ Filterung der MesspunkteNicht zu starke Glättung der Geländeoberfläche (vgl. Literatur)
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
Viele weitere Methoden vorgeschlagen!
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Interpolation der Höhe eines beliebigen Punktes
Allgemeine Interpolationsverfahren:
- Lineare Interpolation
- Bilineare Interpolation
PiPi
Gegeben: Dreicks- bzw. Gitter-DGM, Pi mit x,y
Gesucht: Höhe für Punkt Pi
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Lineare InterpolationGrundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Bilineare Interpolation
Bei 4 geg. Punkten: 2 Dreiecke
oder: bilineare Interpolation (Fläche 2. Ordnung! -> hyperbolisches Paraboloid)
z(u,v) = (1-u)(1-v) zP1 + (1-u) v zP2 + u (1-v) zP3 + u v zP4 u, v = 0, ... 1
umgeformt:
Interpolation von zq eines Punktes Q (xq, yq)
zq = a0 + a1 xq + a2 yq + a3 x q yq
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Digitale Geländemodelle -
Folgeprodukte und Einsatzmöglichkeiten
- DGM – Folgeprodukte
- Einsatzmöglichkeiten von DGM (1)
- Einsatzmöglichkeiten von DGM (2)
- Einsatzmöglichkeiten von DGM (3)
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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DGM - Folgeprodukte
-Einzelpunkthöhen
-Längsprofile
-Profile für die Orthoprojektion
-Querprofile
-Höhenlinien (Beispiel)
-Höhenschichten (Beispiel)
-Neigungsmodell
-Neigungslinien
-Neigungsklassen (Beispiel)
-Exposition (Beispiel)
-Automatische Schattierung (Beispiel)
-Perspektive bzw. Axonometrische Darstellung (Beispiel)
-Sichtbarkeitskarten (Beispiel)
-Differenzenmodell
-Differenzenlinien (auch => Klassen)
-Volumen (z.B. Prismenverfahren, Quaderverfahren)
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Ammergauer Alpen, Höhenlinien aus DGM 5m, Basiert auf Laserscanning
Folgeprodukte – Beispiel aus BayernGrundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Folgeprodukte – Beispiel aus BayernAmmergauer Alpen, Schattierung („Schummerung“), DGM 2m
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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DGM – Folgeprodukte - Beispiel
Höhenlinien
Hier:
Für 2 versch.
Epochen
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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DGM – Folgeprodukte - Beispiel
Höhenschichten
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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DGM – Folgeprodukte - Beispiel
Neigungsklassen
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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DGM – Folgeprodukte - Beispiel
Exposition
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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DGM – Folgeprodukte - Beispiel
Perspektive bzw. Axonometrische Darstellung
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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DGM – Folgeprodukte - Beispiel
Sichtbarkeitskarte
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Einsatzmöglichkeiten von DGM
Was kennen Sie bzw. was können Sie sich vorstellen?
Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Einsatzmöglichkeiten von DGM (1)Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Einsatzmöglichkeiten von DGM (2)Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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Einsatzmöglichkeiten von DGM (3)Grundlagen
DGM – Stukturierung
DGM – Folgeprodukte und
Einsatzmöglichkeiten
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