Automatische Ableitung und Anwendung von Regeln für die Rekonstruktion von Fassaden aus heterogenen Sensordaten

Doctoral thesis German OPEN
Becker, Susanne (2011)
  • Related identifiers: doi: 10.18419/opus-3854
  • Subject: Rekonstruktion , Fassade , Formale Grammatik , Architektur <Informatik> , Punktwolke , Segmentierung , Registrierung <Bildverarbeitung> | 620 | Zellenzerlegung | cell decomposition

3D-Stadtmodelle finden seit einigen Jahren in immer stärkerem Maß und in den verschiedensten Bereichen Verwendung. Sie bilden unter anderem die Grundlage bei Stadtplanungen, für virtuelle Stadtrundgänge oder für die Berechnung von Simulationen. Internetdiensten wie Google Earth oder Microsoft Bing Maps ist es zu verdanken, dass 3D-Darstellungen von Gebäuden mittlerweile auch für eine breite Öffentlichkeit allgegenwärtig sind. Die erhöhte Nachfrage nach 3D-Gebäudemodellen verlangt nach effizienten Rekonstruktionsmethoden, die sich vor allem durch einen hohen Automationsgrad auszeichnen. Als Datengrundlage werden häufig luftgestützt erfasste LiDAR-Punktwolken oder Bilder eingesetzt. In der Natur dieser Daten liegt es begründet, dass die daraus rekonstruierten Gebäude üblicherweise zwar detaillierte Dachstrukturen, aber ebene, nicht ausmodellierte Fassadenflächen besitzen. Neue Trends in der Computergraphik, der Unterhaltungsindustrie oder im Bereich der Navigationssysteme treiben jedoch die Entwicklung wesentlich komplexerer und realistischerer Modelle voran. Der geforderte Detailreichtum ist dabei nicht auf die geometrische Ausgestaltung der Gebäudefassaden beschränkt, sondern bezieht ebenso den semantischen Informationsgehalt mit ein. Die für das Anreichern ebener Fassadenflächen notwendige Strukturinformation wird in der Regel aus terrestrisch erfassten LiDAR-Punktwolken oder Bilddaten abgeleitet. Rein datengetriebene Auswertungen führen nur bei qualitativ hochwertigen Messungen zu sicheren und realitätsnahen Ergebnissen. Je nach Aufnahmekonfiguration und Sensorgenauigkeit weisen Datensätze jedoch häufig eine heterogene Qualität bezüglich Genauigkeit, Abdeckung und Dichte auf. Dies gilt sowohl für Daten aus hoch spezialisierten Messsystemen, wenn beispielsweise Sichthindernisse zu partiellen Verdeckungen führen, als auch insbesondere für Daten aus kostengünstigen, einfach einsetzbaren Sensoren. Um auch im Fall unscharfer oder unvollständiger Sensordaten realistische 3D-Geometrien erzeugen zu können, muss die Rekonstruktion durch Objektwissen gestützt werden. Entsprechende Algorithmen integrieren Wissen beispielsweise in Form vordefinierter Regelsysteme, die eine prozedurale Modellierung von Gebäudestrukturen in einem bestimmten vorgegebenen architektonischen Stil erlauben. Ziel der Arbeit ist die Verfeinerung bestehender grober Gebäuderepräsentationen, indem Fassadenelemente wie Fenster oder Türen in Form expliziter 3D-Geometrien mit bekannter Semantik integriert werden. Die Fassadenrekonstruktion soll vollautomatisch ablaufen und robust gegenüber fehlerhaften und unvollständigen Sensordaten sein. Zudem soll sie möglichst wenig vordefinierten Regeln unterworfen sein. Realisiert wird dies über eine Kombination datengetriebener und wissensbasierter Methoden. Die datengetriebene Komponente beruht im Wesentlichen auf der Interpretation terrestrischer LiDAR-Daten und auf dem Prinzip der Zellenzerlegung. In Gebäudebereichen mit guter Sensordatenqualität werden 3D-Fassadengeometrien extrahiert. Sie repräsentieren für das jeweilige Gebäude charakteristische Strukturen und dienen somit als eine Art Wissensbasis, aus der eine formale Grammatik, eine sogenannte Fassadengrammatik, automatisch abgeleitet werden kann. Durch eine Segmentierung der Fassade in semantisch homogene Regionen werden in einem ersten Schritt die Grundbausteine der Grammatik, die Terminale, bestimmt. Ausgedrückt als eine Sequenz von Terminalen kann die Fassade anschließend über einen stringbasierten Algorithmus auf wiederkehrende und hierarchische Strukturen untersucht werden. Die erkannten Strukturen werden automatisch in Produktionsregeln überführt; die Fassadengrammatik ist damit vollständig bestimmt. Sie enthält die Information, die zur Rekonstruktion von Gebäuden im Stil der beobachteten Fassade notwendig ist. Durch Anwendung der Produktionsregeln kann sie genutzt werden, um selbst für solche Fassadenbereiche realistische Fassadenstrukturen zu generieren, die entweder gar nicht beobachtet wurden oder mit Sensordaten von nur ungenügender Qualität abgedeckt sind. Das Potenzial des vorgestellten Ansatzes wird anhand von Ergebnissen aufgezeigt. Für die Bewertung der erzeugten Fassadenmodelle werden Qualitätsmetriken bereitgestellt, über die sich eine Aussage treffen lässt, wie gut das architektonische Erscheinungsbild des jeweiligen Gebäudes wiedergegeben ist. Das Verfahren zur Fassadenrekonstruktion erweist sich als geeignet, um mit Beobachtungsdaten heterogener Qualität umzugehen, und ist darüber hinaus flexibel hinsichtlich der darstellbaren Fassadenstrukturen.
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