Fachspezifische 3-D-Modelle in Oracle Spatial

Fachspezifische 3-D-Modelle in Oracle Spatial


Frank Herrmann1, Felix Kunde2, Prof. Dr. Petra Sauer1

1Beuth Hochschule für Technik Berlin, 2virtualcitySYSTEMS GmbHBerlin


Inhalt

❏ Standardisierung von 3-D-Modellen und die Besonderheit von CityGML

❏ Fachspezifischer XML-Standard CityGML

❏ Umsetzung von CityGML in eine Oracle Datenbank

❏ Nutzung der Option Spatial

❏ Einsatz der 3DCityDB im interdisziplinären Forschungsprojekt ArcoFaMa

❏ Vorstellung des Projektes und der Projektpartner❏ Integrationsplattform❏ Transformationsschritte von CAD zu CityGML / Spezifika im Bereich

Facility Management

DOAG Konferenz 2013Dienstag, 19. November 2013 1


3-D-Modelle, Standard und Besonderheiten

❏ Paradigmenwechsel bei 3-D-Modellierung: von Geometrie-, Grafikorientierten Formaten zu semantischen Objektmodellen

❏ Verbindung von 2-D-Karten- und 3-D-Grafikmodellen

❏ CityGML: standardisiert - interoperabel - anwendungsunabhängig einsetzbar

❏ 3-D-Modellierung für die Darstellung der Realität und nicht ausschließlich für die Planung

❏ Beinhaltet eine 3-D-Geometrie, Topologie, Semantik und die Erscheinung/Darstellung

Folie DOAG Konferenz 2013Dienstag, 19. November 2013




CityGML - Standard des OGC

❏ Seit 2008 offizieller Standard des Open Geospatial Consortiums

❏ Modell für Stadt- und Landschaftsobjekte, u.a. Gelände, Gebäude, Landschaftsnutzung, Stadtmöblierung

❏ Thematisches, topologisches, geometrisches und semantisches Datenmodell

❏ Standard für den interoperablen Austausch und die Speicherung von 3-D-Stadtmodellen

❏ Allgemeines Informationsmodell - Ontologie für 3-D-Stadtmodelle



Aufbau und Struktur

❏ Datenmodellkern (Core) ist erweiterbar

❏ Anwendungen, die das CityGML-Dateiformat verwenden wollen, benötigen das Appearence- und Generics-Modul für die Darstellung und spezifische Attribute

❏ Thematische Module ergänzen den Standard und sind optional

❏ Eigene Module können über eine ADE (Application Domain Extension) dem Schema hinzugefügt werden

❏ basiert auf der Geography Markup Language (GML), welches grundlegende Objekte und Attribute für Geodaten in einem Anwendungsschema definiert







Aufbau und Struktur

❏ Hierarchische Struktur - Konzept der Level of Details (LOD)

❏ Kapselung von Objekten ergibt Vererbungsbaum - geometrisch wie semantisch

❏ Rekursive Beschreibung - Gebäudeteil eines Gebäudeteils etc.

❏ Hierarchische Beschreibung - Haus mit Begrenzungsflächen und Öffnungen zu anderen Räumen

❏ Ermöglicht redundanzfreie Integration unterschiedlich detaillierter Datensätze aus verschiedenen fachlichen Quellen



Aufbau und Struktur

❏ Geometrisches Modell - Boundary Representation (Oberflächenmodell)

❏ Geometrische Körper (Solids) werden durch Aggregation ihrer Begrenzungsflächen beschrieben

❏ Seit 2003 ist Boundary Representation im ISO-Standard Spatial Schema

❏ Vorteil durch Verwendung des Oberflächenmodell: CityGML braucht nur eine Teilmenge der GML-Geometrien abbilden

❏ Verwendete CityGML-Geometrien: Punkte, Linien, Flächen, Solids, Composite- und Multi-Geometrietypen



Konzept der Level of Detail (LOD)

❏ Darstellungsebenen werden unterschiedlich (vornehmlich inhaltlich)

detailliert

❏ Fünf Stufen: LOD 0 bis LOD 4

❏ LOD 0: Regionalmodell basierend auf einem Digitalen Geländemodell

❏ LOD 1: Volumengeometrie repräsentiert alle Gebäudeteile,

“Klötzchenmodell” da keine Dachformen abgebildet sind



Konzept der Level of Detail (LOD)

❏ LOD 2: Gebäudebegrenzungsflächen (Dächer, Wände) haben eine

Geometrie, semantische Untergliederung ermöglicht Texturierung

❏ LOD 3: Architekturmodell, detaillierte Hausfassaden (Fenster, Türen etc.)

❏ LOD 4: Innerer Aufbau wird berücksichtigt, Räume (Volumengeometrie),

Einrichtunsgsgegenstände (Objektgeometrie)




LOD 1 2 3 4

Größe der XML-Datei

5,9kB 14,8 kB 289,4 kB 20,9 MB










Datenmodell und relationales DB-Schema

❏ Datenmodell von CityGML ist objektorientiert

❏ Mittels der Unified Modelling Language und Klassendiagrammen beschrieben

❏ Aufgrund der geringen Verarbeitungsgeschwindigkeit von XML-Dokumenten und angepasster Modifizierungsfunktionalität erfolgte Entwurf für ein relationales Datenbankschema - 3DCityDB

❏ Entwickelt von Mitarbeitern des Institutes für Geodäsie und Geoinformationstechnik an der TU Berlin

❏ 2012: Oracle Spatial Excellence Award for Education and Research



Datenmodell und relationales DB-Schema

❏ Oracle Datenbank kam aufgrund der Spatial Option und der Versionierung zum Einsatz

❏ Neben Datentyp SDO_GEOMETRY, ORDImage für Texturen

❏ Zwei besondere Aspekte:

❏ Speicherung von Luftbildern in beliebiger Größe - SDO_GEORASTER

❏ Versionsmanagement/Speicherung der Verlaufsgeschichte: Oracle Workspace Manager







Relationales DB-Schema

❏ Ziele der Abbildung: ❏ Komplexität vermeiden❏ Performante Abfragen

❏ Zentrale Objektklassen in eigene Tabellen

❏ Referenz zum Elternobjekt ist im Objekt enthalten - Rekursionstiefe wird flacher

❏ Komplexe Datentypen aus CityGML (Codelisten, Vektoren, Matrizen) wurden durch Strings ersetzt

❏ N:M Beziehungen wurden, wo möglich, durch 1:N Beziehungen ersetzt





Relationales DB-Schema

❏ Modellierung einer Komposition bRepMember mittels zusätzlicher ID-

Spalten (parent_id, root_id)

❏ Konkrete Realisation über nur eine Tabelle SURFACE_GEOMETRY

❏ Alle Objekte lassen sich direkt über die Attribute GMLID, GML_NAME und

NAME_CODESPACE identifizieren - keine extra Tabelle für die

übergeordnete Basisklasse Feature





Geometriemodell



Importer/Exporter-Software

❏ Komfortables Laden von CityGML-Dokumenten (> 4GB)

❏ Implementierung in Java mit JDBC und JAXB (Architecture for XML Binding)

❏ Validierung und Prozessierung des Dokuments in Java-Objekte

❏ Vollständiges Laden des Dokumentes nötig damit Referenzen und Rekursionen aufgelöst/berücksichtigt werden können

❏ Lösung: Aufteilung in kleinere Datenblöcke, Verarbeitung mittels SAX-Ereignissen, Ablage und Freigabe des Zwischenspeichers

❏ Threading und Threadpools erhöhen Verarbeitungsgeschwindigkeit durch Nebenläufigkeit





Folie

Flächenbasiertes Geodatenmanagement - Konzepte und Szenarien für die Integration von Geodaten und Gebäudeinformation (BIM) im Bereich Facility

Management (FM)

DOAG Konferenz 2013Dienstag, 19. November 2013


Projektziele

❏ Aufzeigen von erfolgversprechenden Anwendungsszenarien von Geodaten im FM

❏ Regelbasierte Transformation von Geodaten aus CAD-Plänen mit FM-Kontext in eine Geodatenbank

❏ Aufbau einer Integrationsplattform von Geo- und CAFM-Daten mit Hilfe von NoSQL-Datenbanken

❏ Nutzung des offenen IFC-Standards zum Austausch von Geodaten mit CAFM- und BIM-Daten

❏ Nachweis der Einsatzfähigkeit der Integrationsplattform über zwei prototypische Pilot-Implementierungen




▪ Förderung

▪ Institut für Angewandte Forschung

▪ Technologiepartner

▪ Aviant GmbH

▪ Fell & Kernbach GmbH

▪ Anwendungspartner

▪ Botanischer Garten und Botanisches

Museum Berlin-Dahlem


Vorgehen / Methoden

❏ Analyse der IT-Landschaft des Botanischen Gartens

im Kontext der Geodaten-Nutzung für das FM

❏ Aufbau typischer Anwendungs-Szenarien von Geodaten im FM (Use-Case-

Cluster) und Validierung durch eine Branchenumfrage

❏ Entwurf und Implementierung der Integrationsplattform

❏ Realisierung von zwei Pilotanwendungen zur Evaluation der

Integrationsplattform



ETL-Prozess

❏ Themenspezifische Extraktion von Geometrien aus den CAD-Daten

❏ Transformation und semantische Auszeichnung mittels CityGML-Syntax

❏ Gegebenenfalls Anreicherung der Objekte mittels anderer Datenquellen

oder Verlinkung einer externen Datenquelle

❏ Laden der Daten in das CityGML-Format

❏ Import der CityGML-Datei in die 3DCityDB - BGBM




Ausschnitt aus dem Bestandsplan für Brunnenwasserleitungen / BGBM


ADE - Utility Network

❏ Aufbau eines Graphen - Rohre, Rohre mit Ableitungen, Hydranten etc.

❏ Semantische Auszeichnung mittels CityGML-Syntax

ADE Versorgungsnetzwerk - Objekt NetworkFeature

❏ Interessant für den Bereich FM:

Havariefall, Instandhaltungsmanagement

❏ Entwicklung einer Abbildung der neuen Objekte in das 3DCityDB-Schema




RAUM-DB

(SQL-Server)

Dokumente

(Excel, CAD,…)

City-DB(Postgres

SQL)BoGART

Schlüssel-

Datenbank

WaveFM-DB

(SQL Server)

Bim-Server(Key-Value-Store)

Browser

(MS-ACCESS)-Formular

e

MS-ExcelAutoCAD

…


e


e

GIS

IFC-Viewer(Open

Source)

WaveFMClient-

programm

MobilerClient

Spezifische Clients der Fachprogramme (Native Clients)

Datenquellen

Integrationsplattform

Browserbasierter Zugriff

Interner Mitarbeiter; FM, Bioinformatik, Museum…;

…

Interner Mitarbeiter; FM, Bioinformatik, Museum…;

…

Externer-DL

Besucher

ArcoFaMa Integrationsplattform


Kontaktinformationen und weiterführende Links:

Folie Dienstag, 19. November 2013 DOAG Konferenz 2013

http://www.arcofama.de

http://www.3dcitydb.net

Frank HerrmannBeuth Hochschule für Technik [email protected]

Felix Kunde virtualcitySYSTEMS [email protected]

Prof. Dr. Petra Sauer Beuth Hochschule für Technik [email protected]







Transformation CAD-Datenbestand

▪ Feature Manipulation Engine (FME) als Transformationswerkzeug, Safe Software Inc.

▪ Das Projekt ArcoFaMa nutzt FME mittels einer Academic License (freundlicherweise von der Firma ConTerra zur Verfügung gestellt)

▪ Prozessorientierte Bearbeitung: Extract – Transform – Load

▪ Extrahiert über einen Reader Autocad-Dateien (DWG,DXF)

▪ Ermöglicht durch anwenderspezifische Parametrisierung die Transformation der Daten

▪ Schreibt die angepassten Daten in ein für die Weiterverarbeitung geeignetes Format (Geodatenbank, Flat-File)





Problematik Georeferenzierung:

▪ CAD-Daten besitzen i.Allg. nur lokales Bezugssystem

▪ Notwendig: Umrechnung der Koordinaten und Zuweisung eines Bezugssystems

▪ Werkzeuge: Open Source GIS -> GRASS GIS (Umrechnung), QGIS / UDIG – Visualisierung

▪ Verwendete Datenformate: ESRI-Shape-File, DWG

▪ Durch Verschiebung der geometrischen Objekte wird eine Anpassung in das gewünschte Bezugssystem vorgenommen

▪ Danach erfolgt die Umrechnung der Koordinaten und die Zuweisung des Bezugssystems



Problematik semantische Analyse :

▪ CAD-Daten besitzen je nach Erstellungsweise verschiedene Layer mit unzugeordneten Objekten, Ziel: druckfertige Ausgabe

▪ Notwendig: Thematische Identifikation zusammengehöriger Layer; Basiskarte; Aufbereitung verschiedener CAD-Datentypen

▪ Werkzeuge: Feature Manipulation Engine, Formattransformationstool DWG->DXF, DXF-Viewer (Visualisierung), Text-Editor

▪ Verwendete Datenformate: DWG, DXF

▪ Objekte in verschiedenen Layer werden durch Transformationen von Attributen in gemeinsame Geodatenobjekte überführt

Documents

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