Generierung und Evaluierung eines 3D- Landschaftsmodells für eine CFD-Windsimulation - Masterthesis
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Generierung und Evaluierung eines 3D-
Landschaftsmodells für eine CFD-
Windsimulation
Masterthesis
Lukas Rothengaß, Studiengang Master Vermessung
Masterthesis-Präsentation 27.07.2018
Gliederung
• Einordnung des Themas
• Vorhaben
• Softwares FME, 3dfier
• Anwendung Windsimulation
• Anwendung Visualisierung
• Ergebnisse + Ausblick
Wind- Ergebnisse
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 2
simulation + Ausblick
Einordnung des Themas
• Landschaftsmodelle in 2D vorhanden: ATKIS-
Basis-DLM
• Erweiterung Stadtmodelle um zusätzliche
Objekte
• Weitere Anwendungen
Objektarten
3DS | 3D-DLM
Anwendungen
3
Projekt 3D Digitales Landschaftsmodell
• Testgebiet östlicher Bodensee (254 km²)
• Abschlussberichte
• Konzeptionsphase: Anwendungsszenarien,
Datenevaluierung, Datenmodellierung & Methoden zur 2D
-> 3D-Transformation
• Demonstrationsphase: Datenvorverarbeitung, Anwendung
des 3dfiers, Abbildung auf CityGML-Datenmodell,
Bereitstellung der Ergebnisdaten & Qualitätsbewertung
– Workflows als Grundlage erhalten
Wind- Ergebnisse
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 4
simulation + Ausblick
CityGML
• Standard für Stadtmodelle
• Weitere Objekte (z.B. Vegetation, Gewässer, Straßen)
-> 3D-DLM
• Unterschiedliche Detailgrade (LoD)
Wind- Ergebnisse
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 5
simulation + Ausblick
i_city-Projekt
• i_city-Handlungsfeld: Informationsplattform
und urbane Simulationssysteme
– U.a. CFD-Windfeldsimulationen
– Aktuell nur mit 3D Gebäudemodellen + Terrain
– Testgebiet Stuttgart-Stöckach
Wind- Ergebnisse
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 6
simulation + Ausblick
CFD-Windfeldsimulationen
• Numerische Strömungsmechanik
(Computational Fluid Dynamics)
• Anwendungen
– Luftaustausch,
Wärmeinseln
– Feinstaubausbreitung
– Potentialkarte für
Strömungsturbinen
– Komfort in Fußgängerzonen
Wind-
Einordnung Vorhaben Software
simulation
• Prozessablauf Windsimulation
Wind- Ergebnisse
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 8
simulation + Ausblick
Smart Villages – innovative Orte im ländlichen
Raum
– Webanwendung Niedernhall (Hohenlohekreis)
– Geometrie u. Semantik
9
Vorhaben
• Für zwei Anwendungsgebiete der 3D-DLM:
CFD-Windsimulation und Visualisierung in
Webanwendung
– Erzeugung des Workflows
– Test mit anders strukturierten Ausgangsdaten
– Validierung des Workflows mit einem zweiten
Testgebiet
Wind- Ergebnisse
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 10
simulation + AusblickSoftware
FME – Feature Manipulation Engine
• Verarbeitung von (Geo-)daten in Prozessen
Reader Transformer Writer
Wind- Ergebnisse
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 11
simulation + Ausblick3dfier
• Benötigt
– vollständige, überlappungsfreie 2D-Karte (Tessellation)
– klassifizierte 3D-Punktwolke (LiDAR)
Wind- Ergebnisse
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 12
simulation + Ausblick3dfier
Funktionsweise
Wind- Ergebnisse
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 13
simulation + AusblickWindsimulation
Anforderungen:
• 3D-Objekte als Volumenkörper (Solids)
– Einfache Geometrie,
keine spitzen Winkel
– Homogenes Gesamtmodell
– Tatsächliche Höhe der
Vegetation
• 2D-Rauhigkeitsflächen
– Gewässer, offenes Gelände,
Wald, Stadtgebiet
Wind- Ergebnisse
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 14
simulation + AusblickBewertung 3D-DLM aus 3dfier
• Geometrieanforderungen Windsimulation
nicht erfüllt
– Keine Solids
– Repräsentation ungeeignet
• Für andere Anwendungen geeignet – aber
nicht immer optimal
Einordnung Vorhaben SoftwareFolgen
Unterschiedliche Anforderungen an die 3D-Geometrie
und Semantik je nach Anwendung
• Windsimulation: • Webanwendung
Zusätzliche Objekte Niedernhall: 3D-
(Vegetation, DLM mit 3dfier u.
Rauhigkeitsflächen) andere
anders erzeugen Vegetationskörpern
Wind- Ergebnisse
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 16
simulation + AusblickRauhigkeitsflächen
• Repräsentieren im
äußeren 2D-Gebiet
unterschiedliche
Bodenrauhigkeiten
17Vegetationskörper
3 FME Workflows:
• Baumkataster
• 2D-Flächen
• 3D-Shape
• CityGML-Soldis
• 3D-PunktwolkeErste Ergebnisse Windsimulation
• Ausschneiden Luftraumvolumen mit
Vegetationskörpern
Wind- Ergebnisse
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 19
simulation + AusblickErste Ergebnisse Windsimulation
Wind- Ergebnisse
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 20
simulation + AusblickWorkflow Visualisierung
• Baumkataster 2D-Flächen
• Gebäudeumringe
• Basis-DLM • Tessellation
21• Tessellation
3dfier
• 3D-Punktwolke
22Mapping
Austausch
Objektarten
Validierung
u. PrüfungWebanwendung Niedernhall
Wind- Ergebnisse
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 24
simulation + AusblickWind- Ergebnisse
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 25
simulation + AusblickWind- Ergebnisse
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 26
simulation + AusblickOpenStreetMap
• Workflow übertragbar
• Mindestanforderungen an Datensätze
– Benötigte Objekte (Gebäude, Vegetation, Gleise, Straßen,
Brücken)
– Benötigte Attribute (Brücke, Tunnel)
• Datenmodell nicht definiert, Umsetzung
schwieriger
27novaFactory
• 3D-DLM Erstellungsmöglichkeiten theoretisch
betrachtet
• 3D-Anhebung aufgrund von Regeln (Projektion auf
DGM, Extrusion, etc.)
• Automatische, objektbezogene Vermaschung von
LiDAR-Daten
-> Keine Vegetationskörper
automatisiert mit realen Höhen
erstellbar
Wind- Ergebnisse
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 28
simulation + AusblickErgebnisse der Arbeit
Hypothesen
• 3D-DLM automatisiert erzeugbar und nutzbar für CFD-
Windfeldsimulationen (nicht ganzes 3D-DLM, aber
benötigte weitere Objekte)
• Workflow übertragbar
Forschungsziele
• Verbesserungen bei der Modellierung von
CityGML-Objekten
• Verbesserung der CFD-Windfeldsimulation
durch 3D-DLM ( , weitere Untersuchung
steht noch aus)
Wind- Ergebnisse +
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 29
simulation AusblickZusammenfassung
• Unterschiedliche Anforderungen an 3D-
Geometrie und Semantik je nach Anwendung
• 3D-DLM mit 3dfier automatisiert erstellbar, im
Detail Fehler
• Workflows hierzu übertragbar (räumlich und
auf andere Datenstrukturen)
• Vegetationskörper u. Rauhigkeitsgrenzen für
Windsimulation können weitestgehend
automatisch erstellt werden
Wind- Ergebnisse +
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 30
simulation AusblickAusblick Windsimulation
• Poröse Medien, Grad
der Durchlässigkeit
• Andere Geometrie
Wind- Ergebnisse +
Einordnung Vorhaben Software Visualisierung 31
simulation AusblickGenerierung und Evaluierung eines 3D-
Landschaftsmodells für eine CFD-
Windsimulation
?
Lukas Rothengaß, Studiengang Master Vermessung
Masterthesis-Präsentation 27.07.2018
32Bildquellen (1)
• S. 1:
– Ausschnitt aus Basis-DLM Niedernhall. © Landesamt für
Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg 2018
– Streilein, A (2012): swissTLM3D: Das Topografische Landschaftsmodell
der Schweiz - Ein Paradigmenwechsel ?! Vortrag.
https://www.vorarlberg.at/pdf/5_streilein.pdf, 12.03.2018
• S. 3:
– Ausschnitt aus Basis-DLM Niedernhall. © Landesamt für
Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg 2018
– Runder Tisch GIS e.V. (2017): Fiutak, G.; Marx, C.; Willkomm, P.;
Donaubauer, A.: Projekt 3D Digitales Landschaftsmodell (3D-DLM) am
Runden Tisch GIS e.V. Abschlussbericht (Konzeptionsphase):
Anwendungsszenarien, Datenevaluierung, Datenmodellierung &
Methoden zur 2D -> 3D-Transformation
33Bildquellen (2)
• S. 5:
– Unterschiedliche Level of Detail: Rautenbach, V.; Bevis, Y.; Coetzee, S.;
Combrinck, C. (2015): Evaluating procedural modelling for 3D models
of informal settlements in urban design activities. In: South African
Journal of Science Volume 111/2015.
https://www.researchgate.net/publication/284812241_Evaluating_pr
ocedural_modelling_for_3D_models_of_informal_settlements_in_urb
an_design_activities, 18.03.2018
• S. 6:
– i_city-Logo. Hochschule für Technik Stuttgart (o.D.): https://www.hft-
stuttgart.de/Forschung/i_city/Projekt/index.html/de, 18.07.2018
• S7:
– Partikelausbreitung mit 3D Stadtmodell: Schneider, S. und Piepereit, R.
(2017): Meilensteindokument zum i_city-Handlungsfeld 2, Teilprojekt
4: Werkzeuge und Verfahren zur Simulation des urbanen Mikroklimas.
Meilenstein 1: Spezifikation des Gesamtsystems und Aufbau
Geodatenserver. Hochschule für Technik, Stuttgart. Unveröffentlicht.
– Windsimulation mit Gebäudemodell. INEX (2014).
http://www.inex.fr/wp-content/uploads/2014/12/La-chappelle.png,
15.02.2018
34Bildquellen (3)
• S. 8:
– Prozessablauf Windsimulation: Schneider, S. und Piepereit, R. (2017):
Meilensteindokument zum i_city-Handlungsfeld 2, Teilprojekt 4:
Werkzeuge und Verfahren zur Simulation des urbanen Mikroklimas.
Meilenstein 1: Spezifikation des Gesamtsystems und Aufbau
Geodatenserver. Hochschule für Technik, Stuttgart. Unveröffentlicht.
• S. 9:
– Ausschnitt aus 3D-Webanwendung Niedernhall © Landesamt für
Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg.
• S. 12:
– Ausschnitt aus Tessellation Niedernhall. © Basis-DLM und Lod2-
Gebäudemodell: Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung
Baden-Württemberg.
– LiDAR-Punktwolkendatensatz, im Gewässerbereich mit DGM-Punkten
aufgefüllt. © Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung
Baden-Württemberg.
35Bildquellen (4)
• S. 13:
– Funktionsweise 3dfier: Commandeur, T. (2017): Generation of
simulation ready 3D models. Forum Digital City an der TU Delft
16.11.2017
• S. 14:
– Prinzipskizze zur CFD-Windsimulation: nach Deininger, M. (2018)
• S. 15:
– Ausschnitt aus 3dfier-Modell Stuttgart. © Basis-DLM und LiDAR-Daten:
LGL. © Baumkataster: Stadt Stuttgart
• S. 17:
– Ausschnitt aus Tessellation Stuttgart mit erzeugten Rauhigkeitsflächen.
© Basis-DLM: LGL
– Tabelle Rauhigkeitsgrenzen und Windgeschwindigkeit in Abhängigkeit
der Höhe und Landschaftsform: Deininger (2018)
36Bildquellen (5)
• S. 18 v.l.n.r.:
– Baumkataster und Tessellation Stuttgart. © Baumkataster und Lod2-
Gebäudemodell: Stadt Stuttgart. © Basis-DLM: LGL
– 3D-LiDAR-Punktwolke Niedernhall. © LGL
– Aus Baumkataster gebildete Vegetationsflächen. © Baumkataster:
Stadt Stuttgart.
– Aus Baumkataster und LiDAR-Daten gebildete Vegetationskörper ©
Baumkataster: Stadt Stuttgart. © LiDAR-Daten: LGL
– Aus Baumkataster und LiDAR-Daten gebildete Vegetationskörper in
CityGML, zusammen mit Lod1-Gebäudemodell und Terrain.
Vegetationskörper © Baumkataster und Lod2-Gebäudemodell: Stadt
Stuttgart. © LiDAR-Daten: LGL
• S. 19:
– Modellierung des Luftraumvolumen in ANSYS Academic: Deininger
(2018)
37Bildquellen (5)
• S. 20:
• Erste Ergebnisse der Windsimulation. Zum Vergleich links ohne, rechts
mit Vegetationskörpern: Deininger (2018). © Baumkataster und Lod2-
Gebäudemodell: Stadt Stuttgart. © LiDAR-Daten: LGL
• S. 21:
– Aus Baumkataster gebildete Vegetationsflächen. © Baumkataster:
Stadt Stuttgart
– Baumkataster und Tessellation Stuttgart. © Baumkataster und Lod2-
Gebäudemodell: Stadt Stuttgart. © Basis-DLM: LGL
– Ausschnitt aus Basis-DLM Stuttgart. ©: LGL
– Lod2-Gebäudeumringe. © Stadt Stuttgart
• S. 22:
– Tessellation Stuttgart. © Baumkataster und Lod2-Gebäudemodell:
Stadt Stuttgart. © Basis-DLM: LGL
– 3D-LiDAR-Punktwolke Niedernhall. ©: LGL
– 3dfier-Modell Stuttgart. © Baumkataster und Lod2-Gebäudemodell:
Stadt Stuttgart. © Basis-DLM: LGL
38Bildquellen (6)
• S. 23:
– Screenshots aus 3dfier-Modell Stuttgart. © Baumkataster und Lod2-
Gebäudemodell: Stadt Stuttgart. © Basis-DLM und LiDAR-Daten: LGL
– CityDoctor-Logo. Coors, V. (o.D.): https://www.coors-online.de/,
18.07.2018
– 3DCityDB-Logo. 3DCityDB (o.D.):
https://www.3dcitydb.org/3dcitydb/downloads/, 18.07.2018
• S. 24-25:
– Screenshots 3D-DLM in Webanwendung Niedernhall. © Baumkataster
und Lod2-Gebäudemodell: Stadt Stuttgart. © Basis-DLM und LiDAR-
Daten: LGL
• S. 26:
– Screenshots 3D-DLM Stuttgart © Baumkataster und Lod2-
Gebäudemodell: Stadt Stuttgart. © Basis-DLM und LiDAR-Daten: LGL
• S. 27:
– 3D-DLM Niedernhall und Ausschnitt aus 3D-DLM Stuttgart aus OSM-
Daten. © LiDAR-Daten: LGL. © OSM-Daten: ODbL, © Geofabrik-Daten:
CC BY-SA 2.0)
39Bildquellen (7)
• S. 28: Erstellung Vegetationsgeometrien in novaFactory durch Projektion
auf DGM und Extrusion um festen Betrag oder Attributwert: M.O.S.S.
(2017): novaFactory 7.3 Anwenderhandbuch. M.O.S.S. Computer Grafik
Systeme GmbH. Ausgabe November 2017. Taufkirchen.
• S. 31:
– Trees Modelling. Tree Semantic & Aerodynamics Modeling for Urban
Flow Simulations, Poh Hee Joo. National University of Singapore.
Institute of High Performance Computing, Agency for Science,
Technology and Research (A*STAR)
• S. 32: s. S. 1
40Quellen (1) • 3DCityDB (2016): 3D City Database for CityGML. Documentation Version 3.3.0. Chair of Photogrammetry and Remote Sensing & Chair of Cartography, Technische Universität München. https://www.3dcitydb.org/3dcitydb/fileadmin/downloaddata/3DCityDB_D ocumentation_v3.3.pdf, 30.05.2018 • AdV (2008): Dokumentation zur Modellierung der Geoinformationen des amtlichen Vermessungswesens (GeoInfoDok). ATKIS-Objektartenkatalog Basis-DLM. Version 6.0. Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Länder der Bundesrepublik Deutschland (AdV). • Bill, R. (2016): Grundlagen der Geo-Informationssysteme. 6., völlig neu bearbeitete und erweiterte Auflage. Wichmann-Verlag, Berlin. • Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG, 2018): Digitale Landschaftsmodelle. https://www.bkg.bund.de/DE/Produkte-und- Services/Shop-und-Downloads/Digitale- Geodaten/Landschaftsmodelle/landschaftsmodelle.html;jsessionid=81FF7 3B1DE7BD37ECC76124645DF81CB.live21, 15.02.2018 41
Quellen (2)
• Coors, V.; Andrae, C.; Böhm, K.H. (2016): 3D-Stadtmodelle : Konzepte und
Anwendungen mit CityGML. 1. Auflage. Wichmann-Verlag, Berlin.
• Coors V. und Voß U. (2017): i-city. Teilprojektbericht: Werkzeuge und
Verfahren zur Simulation des urbanen Mikroklimas. Hochschule für
Technik Stuttgart, unveröffentlicht.
• Deininger, M. (2018): Aussagen und Screenshots aus Emails und
Besprechungen. Dr. Martina Deininger führt an der HFT Stuttgart u.a. für
das i_city-Projekt die CFD-Windfeldsimulation im Testgebiet Stuttgart-
Stöckach durch und wirkt als Anwenderin der 3D-DLM, Rauhigkeitsgrenzen
und Vegetationskörper bei der Definition der Modellierungskriterien mit.
Darüber hinaus führt sie die Tests der abgegebenen Rauhigkeitsgrenzen
und Vegetationskörper in der Windsimulation aus und gibt Anregungen für
deren Verbesserung.
42Quellen (3)
• MLR (o.D.): Projektbeschreibung / -auftrag des Ministeriums für
Ländlichen Raum und Verbraucherschutz Baden-Württemberg: Smart
Villages – attraktive Orte im ländlichen Raum. Projekt im Rahmen der
Digitalisierungsstrategie digital@bw des Landes Baden-Württemberg.
Handlungsfeld „Smarte Daten / smartes Leben“: Digitalisierungsbereich
Smarte Geoinformation. Unveröffentlicht.
• M.O.S.S. (2017): novaFactory 7.3 Anwenderhandbuch. M.O.S.S. Computer
Grafik Systeme GmbH. Ausgabe November 2017. Taufkirchen.
• Rautenbach, V.; Bevis, Y.; Coetzee, S.; Combrinck, C. (2015): Evaluating
procedural modelling for 3D models of informal settlements in urban
design activities. In: South African Journal of Science Volume 111/2015.
https://www.researchgate.net/publication/284812241_Evaluating_proced
ural_modelling_for_3D_models_of_informal_settlements_in_urban_desig
n_activities, 18.02.2018
• TU Delft (2017): General 3dfier tutorial to generate LOD1 models.
https://github.com/tudelft3d/3dfier/wiki/General-3dfier-tutorial-to-
43
generate-LOD1-models, 13.02.2018Quellen (4)
• Runder Tisch GIS e.V. (2018 a): Fiutak, G.; Marx, C.; Willkomm, P.;
Donaubauer, A.: Projekt 3D Digitales Landschaftsmodell (3D-DLM) am
Runden Tisch GIS e.V. Abschlussbericht (Demonstrationsphase):
Datenvorverarbeitung, Anwendung des 3Dfiers, Abbildung auf CityGML-
Datenmodell, Bereitstellung der Ergebnisdaten & Qualitätsbewertung.
https://rundertischgis.de/images/5_projekte/3D-DLM-Phase-2---
Abschlussbericht.pdf, 26.06.2018
• Runder Tisch GIS e.V. (2018 b): Geo@Aktuell 2018: 3D in der Fläche.
https://rundertischgis.de/aktuelles/newsletter/518-newsletter-3-
2018.html#geoaktuell, 29.06.2018
• Runder Tisch GIS e.V. (2017): Fiutak, G.; Marx, C.; Willkomm, P.;
Donaubauer, A.: Projekt 3D Digitales Landschaftsmodell (3D-DLM) am
Runden Tisch GIS e.V. Abschlussbericht (Konzeptionsphase):
Anwendungsszenarien, Datenevaluierung, Datenmodellierung &
Methoden zur 2D -> 3D-Transformation.
44Quellen (5)
• Schneider, S. und Piepereit, R. (2017): Meilensteindokument zum i_city-
Handlungsfeld 2, Teilprojekt 4: Werkzeuge und Verfahren zur Simulation
des urbanen Mikroklimas.
Meilenstein 1: Spezifikation des Gesamtsystems und Aufbau
Geodatenserver. Hochschule für Technik, Stuttgart. Unveröffentlicht.
• TU Delft (2018): Beschreibung zu 3dfier.
https://github.com/tudelft3d/3dfier, 13.02.2018
• Streilein, A (2012): swissTLM3D: Das Topografische Landschaftsmodell der
Schweiz - Ein Paradigmenwechsel ?! Vortrag.
https://www.vorarlberg.at/pdf/5_streilein.pdf, 12.02.2018
• TU Delft (2018): 3dfier. https://github.com/tudelft3d/3dfier, 25.06.2018
• TU Delft (2017): General 3dfier tutorial to generate LOD1 models.
https://github.com/tudelft3d/3dfier/wiki/General-3dfier-tutorial-to-
generate-LOD1-models, 13.02.2018
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