Diese Dissertation befasst sich mit der Rolle, die Photogrammetrie und Voxelmodelle als räumliche Datenstrukturen für die Kodierung von räumlichem Wissen beim datengesteuerten Entwurf in Architektur und Planung spielen können. Gegenwärtig wird architektonische Geometrie in CAD- und BIM-Systemen konventionell als eine Sammlung von oberflächenbasierten Objekten dargestellt. Diese computergestützte Darstellung schränkt die Integration mit interdisziplinären Werkzeugen ein, die zur Analyse der Auswirkungen von Elementen der gebauten Umwelt auf die natürliche Umwelt und umgekehrt eingesetzt werden. Disziplinäre Analysemethoden im Bereich der Geomatik nutzen üblicherweise rasterbasierte Datendarstellungen und spezielle hochauflösende 3D-Punktwolkendatensätze. Photogrammetrische und LiDAR -basierte Datensätze könnten in datengesteuerten Entwurfsprozessen genutzt werden, wenn geeignete räumliche Datenstrukturen zur Verfügung stünden. Die voxelbasierte Darstellung räumlicher Daten kann eine integrierte Darstellung der vorhandenen Umgebung und der im Entwurfsprozess konstruierten Architekturgeometrie ermöglichen. Daher wird die voxelbasierte Datenintegration hochauflösender photogrammetrischer Datensätze untersucht, um datengesteuertes Entwerfen voranzutreiben.Die Photogrammetrie ist seit ihrer Erfindung im Jahr 1867 mit der Architektur verbunden (Grimm, 2007). Die heutige digitale Version wird in der architektonischen Denkmalpflege zur Gebäudedokumentation und in der Geomatik als dreidimensionale Kartierungstechnik eingesetzt. Heutige 3D-Scans und Kartierungen werden in einem breiten Spektrum von Maßstäben durchgeführt, wobei Techniken wie Photogrammetrie und Laserscanning zum Einsatz kommen. Punktwolken, die mit 3D-Scanverfahren erstellt werden, werden üblicherweise als unstrukturierte Sammlungen von 3D-Punkten unterschiedlicher Dichte und Auflösung gespeichert. Die Einschränkungen, die sich aus der uneinheitlichen Dichte und Auflösung ergeben, können durch die Anwendung von Methoden, die ursprünglich für die Verarbeitung von Voxelmodellen entwickelt wurden, behoben werden. Die Erfindung von Voxelmodellen geht auf die 1970er Jahre zurück und liegt noch vor der allgegenwärtigen Verfügbarkeit von Personal Computern. Eine frühe Konzeptualisierung von Voxelmodellen als “räumliche Wissensrepräsentationsschemata” wurde von Srihari vorgeschlagen (Srihari, 1981). Die potenzielle Rolle von Voxelmodellen im computergestützten Design wurde von Jense (1989) wieder aufgegriffen, obwohl er sich nicht explizit mit Architekturdesign befasste. In jüngster Zeit ist ein wachsendes Interesse an der Anwendung von 3D-Scanning- und Voxel-Modellierungstechniken für datengesteuertes Design im Architekturdesign zu beobachten (Carpo, 2017, Melsom und Fraguada, 2018, Girot, 2019, Hurkxkens et al., 2020).Obwohl es einige experimentelle Ansätze gibt, werden Voxelmodelle und Photogrammetrie im datengesteuerten Entwurf nicht häufig verwendet. Insbesondere photogrammetrische Punktwolken im Zentimeter- und Subzentimeterbereich, die präzise georeferenzierte Informationen enthalten, werden nur selten in Planungsprozesse einbezogen. Dies mag an der disziplinären Trennung und der hohen Einstiegsschwelle in Bezug auf Hardware und Expertenwissen liegen, die für die Erstellung solcher Datensätze erforderlich sind. Aufgrund dieser Einschränkungen beteiligen sich Planer nur selten an der Erstellung von photogrammetrischen Datensätzen in Vermessungsqualität. Folglich trägt ihr disziplinäres Fachwissen nicht zur Identifizierung von Parametern bei, die für die Integration hochauflösender, punktbasierter 3D-Daten in datengesteuerte Entwurfsprozesse erforderlich sind. Daher gehen einige Informationen, die für die Konstrukteure nützlich sein können, in der Datenverarbeitungspipeline verloren. Relevante Informationen sind oft nicht verfügbar, da die Daten, die zur Generierung der Informationen erforderlich sind, für die Experten, die die Datenerfassung und -verarbeitung durchführen, nicht von primärer Bedeutung sind. Typische großmaßstäbliche Geodatensätze enthalten beispielsweise häufig lückenhafte Daten zur Beschreibung vertikaler Oberflächen und Punktklassifizierungsdaten, die für eine architektonische Entwurfsaufgabe ungeeignet sind. Für architektonische datengesteuerte Entwurfsprozesse wären eine detaillierte Beschreibung der Geometrie vertikaler Oberflächen und feinkörnige Klassifizierungsdaten erforderlich, die auf den Charakter der Entwurfsaufgabe abgestimmt sind.Der in dieser Dissertation untersuchte und entwickelte Ansatz baut auf dem Wissen aus der Geomatik über die Übersetzung photogrammetrischer Daten in Punktwolken und anschließend in Karten im räumlichen Maßstab und Zeichnungen im Gebäudemaßstab auf. Es wird die Möglichkeit evaluiert, dass Architekturdesigner Geodatensätze speziell für eine Entwurfsaufgabe konstruieren. Die Vorteile für den Entwurfsprozess, die sich aus der Nutzung solcher Datensätze und der Einbeziehung zusätzlicher räumlicher Informationen ergeben, werden untersucht. Dazu gehören semantische Informationen, z.B. GIS-basierte Analyse- und Simulationswerkzeuge, angewandt auf maßgeschneiderte photogrammetrische Datensätze. Grundsätzlich konzentriert sich diese Forschung auf die Frage der Kodierung von räumlichem Wissen, das die Beziehungen zwischen Gebäuden, ihrer lokalen Umgebung und ihrer Umwelt beschreibt. Insbesondere wird untersucht, inwieweit räumliches Wissen, das in einem Voxelmodell kodiert ist, für datenintegrierte Entwurfsprozesse genutzt werden kann, um die Komplexität der Strategien für nachhaltige Entwicklung zu bewältigen.Diese Dissertation ist von Natur aus interdisziplinär und bezieht die folgenden Disziplinen ein: digitale Architektur und Raumplanung, Fernerkundung, Geomatik und GIS-Wissenschaften sowie Datenwissenschaft und Informationstechnologien. Das Format einer kumulativen Dissertation wurde gewählt, um diese interdisziplinäre Forschung zu erleichtern, mit dem Ziel, Experten aus den genannten Disziplinen in verwandte Elemente der Forschung einzubeziehen und wissenschaftliche Artikel gemeinsam mit den jeweiligen Experten zu verfassen. Insgesamt besteht diese Dissertation aus drei Artikeln, die in wissenschaftlichen Fachzeitschriften mit Peer-Review veröffentlicht wurden, sowie einem verbindlichen Text und einem Anhang, der einen Bericht enthält, der im Rahmen des Horizon 2020 FET Open Forschungsprojekts Ecolopes - ecological building envelopes erstellt wurde. Dieser Bericht beschreibt eine Anwendung der voxelbasierten Datenintegration für spartenübergreifendes Design in der Architektur. Der erste Artikel stellt eine ausführliche Literaturübersicht vor, welche die Anwendungen von Voxelmodellen in der Architektur, der Raumplanung, der Geomatik, den Geowissenschaften, der Computer Vision, der Fertigung sowie im Maschinen- und Bauingenieurwesen aufzeigt. Dieser Überblick hat die Diskussion über mögliche Anwendungen von Voxelmodellen für die interdisziplinäre Datenintegration angestoßen. Im zweiten Artikel wurden die Ergebnisse eines interdisziplinären Datenintegrationsansatzes vorgestellt, der als Composite Voxel Model (CVM) bezeichnet wird. Die vorgeschlagene voxelbasierte Datenintegrationsmethode kombiniert bereits vorhandene und selbst beschaffte räumliche Informationen mit analytischen Informationen, die rechnerisch daraus abgeleitet wurden. In der ausgewählten Fallstudie wurde die Umweltleistung von terrassierten Weinbergen im Zusammenhang mit der Sonnenexposition untersucht. In dieser Fallstudie sind Landschaftsgestaltung, architektonische Elemente und Umwelteinflüsse wie beispielsweise das Mikroklima, eng miteinander verknüpft, so dass eine Datenintegration der entsprechenden interdisziplinären Datensätze erforderlich ist. Diese Studie wurde durch die Kombination von Wärmebildtechnik mit einem speziellen photogrammetrischen 3D-Kartierungsverfahren durchgeführt. Im dritten Artikel wird die Anwendung des CVM im Zusammenhang mit der datengesteuerten Gestaltung der terrassierten Weinberge in Lamole vorgestellt, wobei der Schwerpunkt auf einem einzelnen terrassierten Weinberg liegt. Auf der Grundlage der ausgewählten Fallstudie wurde ein Rahmen für einen datenintegrierten, leistungsorientierten computergestützten Planungsprozess entwickelt. Parametrische Entwurfsprozesse, die in Rhinoceros 3D und Grasshopper implementiert wurden, wurden mit voxelisierten photogrammetrischen und LiDAR-Daten kombiniert, die mit analytischen Parametern, die in einzelnen Voxelzellen kodiert wurden, ergänzt wurden. Die Leistungskennzahlen wurden aus der Analyse des repräsentativsten terrassierten Weinbergs in Lamole abgeleitet. Die Ergebnisse der Analyse und ein spezieller parametrischer Berechnungsprozess wurden kombiniert, um einen generativen Entwurfsansatz für terrassierte Weinberge umzusetzen. Dieser Ansatz ermöglichte es, räumliches Wissen, das die lokale Terrassenweinberg-Typologie charakterisiert, in einem voxelbasierten und datengesteuerten Entwurfsprozess zu erfassen. Die Vorteile dieses Ansatzes liegen darin, dass der entwickelte Voxel-Modellierungsansatz die Integration multiskalarer Datensätze ermöglicht, was wiederum die Designer in die Lage versetzt, einen datenintegrierten Entwurfsprozess mit umsetzbaren Erkenntnissen aus interdisziplinären Analysen in verschiedenen Maßstäben zu untermauern. Der vorgeschlagene datenintegrierte Entwurfsansatz integriert sowohl das implizite Wissen von Designern und Praktikern als auch das explizite Wissen, das durch die systematische Struktur des Composite Voxel Model repräsentiert wird.
