Das digitale 3D-Stadtmodell


3D-Stadtmodell: Landtag NRW, Düsseldorf

3D-Stadtmodell: Landtag NRW, Düsseldorf


Was sind 3D-Stadtmodelle? Sie beschreiben die Höhenstruktur der Erdoberfläche einschließlich aller Gebäude und Bauwerke in digitaler Form und ermöglichen die Darstellung von Städten und Ortschaften in virtuellen Welten.

3D-Stadtmodelle finden in vielen Bereichen von Verwaltung, Wirtschaft und Wissenschaft Verwendung. Neben einer Nutzung in der Stadtplanung und der Stadtentwicklung unterstützen 3D-Daten die Planungen für Hochwasser- und Lärmschutzmaßnahmen, Versorgungsleitungen und Funknetze. 3D-Stadtmodelle sind aber auch für die Wirtschaftsförderung sowie die regionale Tourismuswirtschaft von Vorteil.

Das öffentliche Interesse an den politisch und gesellschaftlich relevanten Themen Stadtplanung und Stadtentwicklung nimmt ständig zu. Immer mehr Bürgerinnen und Bürger setzen sich intensiv mit Planungsvorhaben auseinander und hinterfragen diese. Demzufolge steigen auch die Anforderungen an die Art und Weise der Aufbereitung von planungsrelevanten Daten. Nur mit virtuellen 3D-Stadtmodellen können die konkreten Vorstellungen der Stadtplaner der interessierten Öffentlichkeit verständlich gemacht werden. Planungsinhalte werden plausibel dargestellt und bieten den Interessierten die Möglichkeit, sich virtuell in die Vor-Ort-Situation hineinzuversetzen. Missverständnisse, etwa bei Beteiligungsverfahren, können auf diese Weise vermieden werden.

Auch im Umweltbereich spielen 3D-Stadtmodelle eine immer wichtigere Rolle, z. B. bei der Berechnung des Stadtklimas oder bei der Suche nach Dachflächen, die für die Gewinnung von Solarenergie besonders geeignet sind. Hochwassergefährdete Bereiche und Überschwemmungsgebiete werden mit Hilfe von 3D-Modellen berechnet und visualisiert. Durch Simulation von Hochwasserereignissen können Sicherheitsmaßnahmen und Evakuierungen geplant werden. Anbieter von Navigationssystemen führen immer häufiger ihre Kunden mit Hilfe von dreidimensionalen Daten zum Ziel, mit denen die Orientierung deutlich erleichtert wird. Im Bereich der Wirtschaftsförderung und des Tourismus werden aus 3DStadtmodellen erzeugte Videos zur Kundengewinnung eingesetzt. Bei der Funknetzplanung werden die Daten für die Standortsuche neuer Funkmasten genutzt, denn nur bei einer optimalen Verteilung von Antennenstandorten ist sichergestellt, dass Funklöcher vermieden werden.

3D-Modelle haben in Nordrhein-Westfalen eine mehrjährige Geschichte: Bereits 2007 wurde – erstmals in einem Flächenland der Bundesrepublik Deutschland – ein erstes landesweites 3D-Modell der Gebäudestrukturen erstellt. Motivation hierzu waren die von der Europäischen Union verabschiedete „Richtlinie über die Bewertung und Bekämpfung von Umgebungslärm“ und deren Auswirkungen auf das Bundes-Immissionsschutzgesetz. Für die Ermittlung der Belastung durch Umgebungslärm infolge Straßen-, Schienen- und Flugverkehr sowie Industrie und Gewerbe wurde dringend ein einfaches 3D-Modell für Gebäude benötigt. Auf Grundlage der ermittelten Lärmbelastung konnten Aktionspläne mit dem Ziel erstellt werden, den Umgebungslärm zu verhindern oder zu mindern. Das seinerzeit entwickelte, einfach strukturierte Gebäudemodell wird heute als Klötzchenmodell bezeichnet. Darin wird jedes Gebäude ohne Berücksichtigung seiner tatsächlichen Dachform mit Flachdach dargestellt, als ein einfaches Klötzchen. Bis heute wird das Klötzchenmodell jährlich aktualisiert und steht Jedermann für eine Nutzung zur Verfügung.

Aufgrund zunehmender Anforderungen aus der Verwaltung, Wirtschaft und Wissenschaft reicht heute jedoch ein einfach strukturiertes Gebäudemodell wie das Klötzchenmodell nicht mehr aus. Differenzierte Dachformen sind unverzichtbar geworden und erfordern die Weiterentwicklung des Klötzchenmodells zum 3DStadtmodell. In diesem werden die Gebäude nunmehr mit ihren tatsächlichen Dachformen – z. B. Satteldächer, Walmdächer, Pultdächer –, ihrer Dachausrichtung und ihren Dachneigungen wirklichkeitsnah wiedergegeben.

Die Verantwortung für den Aufbau dieses landesweiten 3D-Stadtmodells haben wir, denn uns wurde mit der Abteilung Geobasis NRW die Zuständigkeit und Fachkompetenz für die nordrhein-westfälische Landesvermessung zugeordnet.

Mit rund neun Millionen Gebäuden und Bauwerken ist Nordrhein-Westfalen das Bundesland mit dem größten Gebäudebestand in Deutschland. Bei dieser Anzahl ist unmittelbar ersichtlich, dass der Aufwand, jedes einzelne Gebäude durch Fachleute manuell modellieren zu lassen, viel zu hoch und nicht leistbar ist. Es kommt demnach nur eine automatisierte Ableitung der Dachformen, Dachneigungen und Firstrichtungen in Betracht. Stetige Softwareentwicklungen im 3DBereich bieten heute leistungsfähige Methoden zur automatischen Ableitung von Stadtmodellen und unterstützen uns dabei, den weitaus größten Teil der Gebäude in einem vollautomatisierten Prozess zu erzeugen.

Zur Erstellung des Stadtmodells werden zum einen die Gebäudegrundrisse aus dem Liegenschaftskataster herangezogen. Aufgrund der im Lande geltenden Gebäudeeinmessungspfl icht liegen die Gebäudegrundrisse fl ächendeckend, aktuell und hochgenau vor. Zum anderen wird auf die fl ächendeckend und kontinuierlich erfassten Höheninformationen über die Oberfl äche (Erdboden, Baumwipfel, Gebäude) zurückgegriffen.

Es werden regelmäßig Messfl üge mit dem Ziel der Bestimmung der Form der Erdoberfl äche und zur Erfassung von deren Veränderungen durchgeführt. An Bord eines Flugzeugs ist ein Laserscanner installiert, dessen Laserstrahl kontinuierlich den Boden abtastet. Aus den Refl exionen des Laserstrahls werden die Höhen der Bodenpunkte berechnet. Auf diese Weise ist für ganz Nordrhein-Westfahlen ein Datenbestand entstanden, der pro m² mindestens einen Höhenpunkt aufweist.

Die Gebäudegrundrisse werden derzeit mit den Höhendaten verschnitten. Dabei entsteht ein Datenbestand, der nur noch aus den Höhenpunkten auf den Dächern besteht. Aus diesem Datenbestand kann man nun Gebäudehöhen, Dachformen und Dachausrichtungen rechnerisch ableiten. Komplexe Bauwerke mit vielen kleinteiligen Dachformen wie z.B. Kirchen, die durch den automatisierten Prozess zuweilen fehlerhaft erkannt werden, werden abschließend interaktiv nachbearbeitet. Danach wird das digitale 3D-Stadtmodell für die Nutzung durch Bürger, Wirtschaft, Wissenschaft und Verwaltung zur Verfügung stehen.

3D-Stadtmodelle werden für unterschiedlichste Aufgabenstellungen innerhalb und außerhalb der Verwaltung eingesetzt. Lärmausbreitungsberechnungen, Hochwasserschutzmaßnahmen, Simulation von Neubauten und Funknetzplanungen sind nur einige der zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten von 3DStadtmodellen. Die steigende Nachfrage nach den Daten erfordert eine interessenneutrale, fl ächendeckende, einheitliche, nachhaltige und wirtschaftliche Erfassung und Aufbereitung von amtlichen 3D-Informationen.

Mit dem Aufbau des landesweiten Klötzchenmodells sind wir dieser wichtigen Aufgabe bis heute bedarfsgerecht nachgekommen. Aufgrund der zunehmenden Anforderungen an die 3D-Daten ist die Erweiterung dieses Datenmodells durch strukturierte Dachformen der folgerichtige Schritt.

Der Einsatz vollautomatisierter Verfahren und die ausschließliche Nutzung von vorhandenem Datenmaterial erweist sich im Hinblick auf die Situation der öffentlichen Haushalte als richtige Entscheidung. Hier nimmt Nordrhein-Westfalen beim Aufbau seines 3D-Stadtmodells in Deutschland eine Vorreiterrolle ein.

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