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F. Rottensteiner:
"Automatische Ableitung detaillierter Ge-bäudemodelle für 3D Stadtmodelle";
Talk: Verleihung des Karl Rinner Preises der Österreichischen Geodätischen Kommission, TU Wien (invited); 2005-11-11 - 2005-11-11.

3D Stadtmodelle sind zu einem wichtigen Produkt der photogrammetrischen Auswer-tung geworden, mit Anwendungen z.B. in der Stadtplanung, im Umweltschutz oder bei der Planung von Sendeanlagen für Mobilfunknetzwerke. Dabei bestehen je nach Anwendung unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich Detaillierungsgrad und Genauigkeit der darin enthaltenen Gebäudemodelle. Während für manche Fragestellungen die Modellierung von Gebäuden mittels Prismen mit horizontalen Dächern ("Blockmodelle") ausreicht, ist für andere Anwendungen die Kenntnis der Neigungen der Dachflächen und damit eine detailliertere Modellierung der Dachlandschaft eine notwendige Voraussetzung. Blockmodelle können relativ einfach aus bestehenden GIS-Daten erzeugt werden. Die Erfassung und Fortführung von detaillierten Gebäudemodellen ist hingegen mit hohem Aufwand verbunden, weshalb eine Automatisierung dieser Aufgabe angestrebt wird.

Dazu eignen sich besonders flugzeuggestützte Laserscannerdaten und digitale Luft-bilder. Laserscannerdaten weisen dabei das höhere Potenzial hinsichtlich Automatisierung und Höhengenauigkeit auf. Digitale Luftbilder hingegen ermöglichen einen höheren Detaillierungsgrad und eine bessere Lagegenauigkeit. Durch Fusion von digitalen Luftbildern und flugzeuggestützten Laserscannerdaten hofft man, die Vorteile beider Datenquellen ausnützen zu können.

Die automatische Gebäudeextraktion umfasst zwei Aufgabenbereiche, nämlich die Gebäudedetektion und die geometrische Rekonstruktion von Gebäuden.

Zur Gebäudedetektion wurde ein Verfahren zur Fusion von Laserscannerdaten und multispektralen Bildern auf Basis der Theorie von Dempster-Shafer an Hand der dabei erzielten Ergebnisse beschrieben. Dabei handelt es sich um einen Klassifizierungsprozess, zu dem die Laserscannerdaten die Höhe von Objekten über dem Gelände, die Höhendifferenz zwischen erstem und letzten Laserpuls und die Oberflächenrauhigkeit beitragen, während die multispektralen Bilder über den NDVI vor allem zur Trennung von Vegetation und anderen Objekten dienen. Es konnte an Hand von zwei Testgebieten gezeigt werden, dass damit bei einer Auflösung von ca. 1 m Gebäude mit einer Fläche größer als 120 m2 in mit hoher Zuverlässigkeit gefunden werden. Die Genauigkeit des Klassifizierungsergebnisses nimmt mit abnehmender Gebäudefläche stark ab, wobei die Hinzunahme der Multispektraldaten die Ergebnisse vor allem für kleinere Gebäude um 5-10% verbessert.

In der Gebäurekonstruktion werden die Ge-bäude durch Polyeder modelliert. Die Re-konstruktion umfasst drei Schritte:

1. Detektion von Dachebenen: Hierzu eignen sich die Laserscannerdaten, weil sie direkt Auskunft über die lokale Rauhigkeit der Oberfläche geben, auf deren Basis Saatregionen für ein Bereichswachstumsverfahren gefunden werden.
2. Bestimmung der Randpolygone der Dach-flächen: Auf Basis einer Klassifizierung der Nachbarschaftsbeziehungen der Dachflächen wird erkannt, ob zwei Flächen einander schneiden oder nicht. Für einander schneidende Flächen enthalten die beiden Randpolygone die Schnittlinie. Andernfalls liegt ein Höhensprung vor, und die genaue Form des Verlaufs der beiden Randpolygone muss durch Kantenextraktion gefunden werden. In der im Vergleich zu Luftbildern schlechteren Definition der Randpolygone an Höhensprüngen liegt der Grund für die geringere Lagegenauigkeit von aus Laserscannerdaten abgeleiteten Gebäudemodellen.
3. Konsistente Parameterschätzung: Aus den Dachpolygonen kann ein Polyedermodell erstellt werden. Im letzten Schritt werden die Parameter dieses Modells in einer Gesamtausgleichung unter Verwendung aller vorhandenen Sensordaten sowie unter Einbeziehung von Information über die Objektstruktur und geometrische Regularitäten geschätzt. Dabei entstehen regularisierte Modelle mit geringerem Rauschen an den Höhensprüngen.

Diese Schritte können allein auf Basis von Laserscannerdaten durchgeführt werden, wobei der Detaillierungsgrad der dabei entstehenden Modelle durch die Laserscannerauflösung beschränkt wird. Um zu besseren Ergebnissen zu kommen, können entweder Laserscannerdaten mit höherer Auflösung herangezogen werden, was aber oft nicht möglich ist, oder es können digitale Luftbilder als zusätzliche Informationsquelle mit höherer Auflösung verwendet werden. Hier wurden Möglichkeiten zur zweiten Vorgangsweise präsentiert:

1. Extraktion von Dachebenen: Die Ergebnisse der Ebenenextraktion aus Laserscannerdaten können unter Einbeziehung von Luftbildern verfeinert werden, was bessere Näherungswerte für die Bestimmung der Randpolygone liefert.
2. Bestimmung der Randpolygone: Die Qualität der Randpolygone an Höhensprüngen kann durch Zuordnung von Bildkanten zu den Objektkanten des Polyedermodells verbessert werden.
3. Parameterschätzung: Auch hier können die Bildkanten durch zusätzliche Beobachtungen berücksichtigt werden.

Die vorgestellten Verfahren zur Gebäuderekonstruktion sind zum Teil noch in Entwicklung begriffen. Das Potenzial dieser Methoden konnte aber dennoch an Hand von Beispielen demonstriert werden.