Das 3D-Stadtmodell von Salzburg

Die MA 6/03-Vermessung und Geoinformation fungiert als Dienstleistungsbetrieb innerhalb der Stadtverwaltung und für Externe, wobei ein Großteil von Entscheidungsprozessen einen (geodätischen) Raumbezug aufweist.

In den letzten Jahren haben sich neben der Verwendung von bekannten zweidimensionalen Geobasisdaten mit teilweisen Höhenangaben wie Liegenschaftskataster, Naturbestand, Gelände oder Luftbilder zusehends dreidimensionale Stadtmodelle etabliert, die in unterschiedlichen Detaillierungsgraden oder sogenannten „Level-of-Detail-Stufen“ im Einsatz sind.
Unterschieden wird hier zwischen einem LoD 0 – Regionalmodell (2,5D Geländemodell mit Luftbildtextur, LoD 1 - Klötzchenmodell (Gebäudeblock mit „hochgezogenem“ Gebäudeumring), LoD 3 - 3D-Modell der Außenhülle mit einfachen Dachstrukturen und eventuell Texturen, Architekturmodell (Modell der Außenhülle mit Details wie Dachaufbauten, Erkern oder Balkonen und eventueller Textur) und dem LoD 4 – Innenraummodell (3D-Modell des Gebäudes mit Etagen, Innenräumen, etc. und Texturen).

Für den beschriebenen Bereich sind primär die LoD-Stufen 1,2 und teilweise 3 relevant, wobei die Geometrie der Objekte die Grundlage von sogenannten „Digitalen Zwillingen“ ist, die zukünftig die (virtuelle) Abwicklung von diversen Verwaltungsprozessen ermöglichen bzw. erleichtern sollen.

Die Ausprägungen des städtischen 3D-Modells (geometrische Objekte bzw. Oberflächenmodell/3D-Mesh) wurde wegen begrenzter personeller und finanzieller Ressourcen aus Airborne-Laserscanning Punktwolken (Flug vom 3.3.2022) und Daten eines digitalen Bildfluges vom 18.6.2024 generisch erstellt bzw. abgeleitet.
Eine laufende Evidenzhaltung ist nicht möglich und erfolgt somit periodisch ca. alle 4-5 Jahre.

Grundlegende Anwendungen des Stadtmodells in Berücksichtigung seiner Genauigkeit und Aktualität sind (derzeit) die Dokumentation bzw. Bewertung der (umgebenden) Baustruktur bei Neubauprojekten, die Durchführung von Sonnenstandanalysen, die Erstellung von Lärmkarten, die Aufbereitung von Projektstudien für den Gestaltungsbereit oder die Unterstützung von raumbezogenen Fragestellungen im Zuge von Präsentationen.

Airborne Laserscanning (ALS):

Bei der Methode des ALS wird über Laserstrahlen die Topografie der Erdoberfläche vom Flugzeug aus mit einem Laserstrahl, dem sogenannten Airborne Laserscanning abgetastet bzw. detektiert. Anhand der Signallaufzeit, der Reflexion sowie der Position und Lage des Flugzeugs kann das Gelände bzw. die Oberflächensituation detektiert bzw. abgetastet und durch Punktwolken hoher Dichte „abgebildet“ werden (Abb. 2).
(schematische Darstellung einer ALS-Befliegung, Abb. 2). Nachfolgend werden die Rohdaten der Punktwolken um Fehlreflexionen reduziert, georeferenziert und in ein vorgegebenes Koordinatensystem transformiert sowie in (z.B.:) Bodenpunkte, Vegetation, Gebäudepunkte, Tiefpunkte, Wasser, Luftseile, Masten, Brückenpunkte klassifiziert.
In Verbindung mit Daten der Digitalen Stadtkarte (hier: Gebäudepolygone) lt. Abb. 3 (unten ersichtlich) und Punkten der Gebäudeklasse wurden generisch geometrische 3D-Gebäude erzeugt.

Ähnlich verhält es sich mit der Vegetation, wo im Zuge einer speziellen Modellierungsart aus klassifizierten Vegetationspunkten Baumstämme mit modellierter Belaubung („BigLeaf“) erzeugt wurden.
Gebäude und Vegetation „fußen“ auf einem sogenannten Geländemodell (DGM), das aus den klassifizierten ALS-Bodenpunkten erstellt wurde (Abb. 4, unten ersichtlich), in Kombination mit einer Luftbildinformation (Orthofoto).

In Kombination der genannten Datensätze (Gebäude, Vegetation, Digitales Geländemodell und Orthofotos) ergibt sich somit nachfolgende 3D-Modellierungsvariante, Abb. 5 (unten ersichtlich).

Digitaler Bildflug:

Bei dieser Methode wurden von großformatigen Luftbildkameras (große Spezialkameras der Photogrammetrie) Aufnahmen in senkrechter und schräger Richtung (bezeichnet auch als Nadir- und Obliquebilder) erzeugt, wobei das Messflugzeug entsprechend einer Flugplanung in sich „überlappende“ Luftbilder aufnimmt (Abb. 6).

Im Zuge der sogenannten Aerotriangulation wurden die Luftbilder zu einem festen Bildverbund verknüpft und mit Hilfe von Passpunkten innerhalb eines (vorgegebenen) Koordinatensystems orientiert. Aus den orientierten Messbildern (hier: Senkrechttaufnahmen) werden durch Orthorektifizierung Verzerrungen im Luftbild (z.B.: Kameraperspektive, Höhenunterschiede im Gelände, Erdkrümmung) unter Verwendung eines
digitalen Geländemodells (DGM) oder Oberflächenmodells (DOM) sogenannte Orthofotos oder True-Orthofotos erstellt, die weitgehend verzerrungsfrei sind und einen einheitlichen Maßstab aufweisen. True Orthofotos vermitteln dabei eine Senkrechtsicht auf die Erdoberfläche, wobei „Gebäudeverkippungen“ eliminiert werden und damit eine Sicht auf nahezu jeden Punkt des Bodens gewährleistet ist.
Unter Berücksichtigung der Bodenauflösung können dann Maße und Koordinaten abgegriffen werden. (Abb. 7, unten ersichtich)

Als 3D-Modellierungsvariante wurden benachbarte Punkte (Pixel) aus den Messbildern (Nadir und Oblique) in einem Triangulationsverfahren (3D-Meshing) zu einem dichten Polygonnetz (bestehend aus Drei- und Vierecken) verbunden. Dieses diente als Grundlage zur Texturierung der im Bildflug aufgenommenen Farbinformation aus den hochaufgelösten Bilddaten. Das Ergebnis ist die Vermaschung eines geschlossenen, texturierten Polygonnetzes (Gitternetz, 3D-Mesh), (Abb. 8, unten ersichtlich).

3D-Stadtmodell in MAGIS

Das 3D-Stadtmodell (in beiden Modellierungsvarianten) ist in der 3D-Komponente des neuen MAGIS eingebettet, welches mittelfristig das interne Web-GIS (GeoMedia WebMap) und die Stadtplanapplikation unter maps.stadt-salzburg.at wegen dessen veralteter Technologien ablösen wird. MAGIS ist dabei eine Eigenentwicklung der MD/03-IKT auf Basis der VC-Map der Fa. Virtual City Systems. Die Entwicklung der 2D-Komponente erfolgt mit Open-Layers (Programmierschnittstelle auf Basis von JavaScript), bei der 3D-Komponente mit dem Open Source Tool „Cesium“ (Abb. 9 und 10, unten ersichtlich). Der Vorteil von MAGIS ist die gemeinsame Anwendung für Internet, Intranet (mit Dateneinsicht und zukünftig auch Editierung) sowie mobile Anwendungen, wobei das Berechtigungssystem über die Inhalte der drei genannten Varianten entscheidet. Mit unterschiedlichen Funktionen in der Werkzeugleisten können neben diversen Visualisierungen (inkl. spezieller Sichten, Kameraflüge, Schattendarstellungen) im 3DStadtmodell u.a. Messungen durchgeführt, Profile bzw. Schnitte erzeugt oder Daten exportiert werden.

Auf Grund von Vorgaben der Europäischen Union (Veröffentlichungspflicht von „Dokumenten“) und zur Wertsteigerung werden (auch) immer mehr 2D- und 3D-Geodaten unter dem „Schlagwort“ Open Government Data praktisch zur freien Verfügung gestellt. (Lizenzbedingungen siehe u.a. unter creativecommons.org/licenses/by/4.0/) Die Bereitstellung erfolgt derzeit (noch) über die Stadtplanapplikation maps.stadtsalzburg.at , wobei nun auch 3D-Gebäudedaten im Bereich (Reiter) „Raum“ in unterschiedlichen Formaten zur Verfügung stehen. (Abb. 12)

Resümee:
Die Entwicklung im Vermessungs- und Geoinformationswesen ist sehr rasant, wobei unterschiedliche Sensoren (Luftbildkameras, terrestrische und luftgestützte Laserscanner, Satelliten) die Erboberfläche heutzutage detailliert erfassen können. Die Abbildung in digitalen „Plänen“ wird immer mehr von einer dreidimensionalen Darstellung ergänzt bzw. zukünftig abgelöst. Da ein überwiegender Teil von Entscheidungen einen Raumbezug aufweist, profitieren unzählige Nutzer magistratsintern (besonders im Bau- und Raumplanungswesen) aber auch Externe.

Des Weiteren war und ist bei abteilungsübergreifenden Projekten ein gutes Zusammenspiel der Beteiligten (MA 6/03 als Auftraggeber und Projektleiter, MA 5/03 als Hauptnutzer und der MD/03-IKT als Bereitsteller der Infrastruktur mit Datenhaltung, MAGIS-Betreuung) essentiell und hier besonders hervorzuheben (Abb. 13).