Visualization of computer-generated 3D cities using GIS data

Abstract

Die ständige Leistungssteigerung von Algorithmen und Hardware in den letzten Jahrzehnten ermöglichte neue Wege, Daten zu sammeln, die vor wenigen Jahren undenkbar gewesen wären. Dies gilt insbesondere im Bereich der Geodäsie. Die Freigabe von GPSTracking- Smartphones ermöglichte es Benutzern aus der ganzen Welt, georeferenzierte Daten zu sammeln und hochzuladen. Darüber hinaus begannen die Regierungen, ihre georeferenzierten Daten öffentlich zugänglich zu machen. Durch diese Entwicklungen erschienen vielfältige Datenbanken mit georeferenzierten Informationen im Internet. Durch den Zugriff auf diese Datenbanken können zahlreiche neue Applikationen implementiert werden. Diese Masterarbeit konzentriert sich auf die Erzeugung von dreidimensionalen Modellen, die sich leicht in beliebige Game-Engines integrieren lassen. Der praktische Teil dieser Arbeit besteht aus vier Schritten. Der erste Schritt beinhaltet die Datenerfassung. Wie bereits erwähnt, gibt es für ein solches Projekt verschiedene Datenquellen, aber in dieser Arbeit werden alle Daten aus einer öffentlichen Datenbank der österreichischen Regierung abgerufen. Diese Datenbank wurde gewählt, weil sie bereits alle Grundrisse und Höhen der Gebäude Wiens enthält. Im zweiten Schritt werden die erfassten Daten mit Matlab analysiert und vorverarbeitet. Durch die Verwendung von Filtern, die in Matlab implementiert sind, können Artefakte eliminiert werden, die sich aus dem in den Daten enthaltenen Rauschen ergeben. Im dritten Schritt wird eine Applikation vorgestellt, die die Datensätze kombinieren kann. Quantum GIS bietet eine komplette Open-Source-Applikation, die in der Lage ist, georeferenzierte Daten zu kombinieren, anzuzeigen, zu verarbeiten und zu exportieren. Dieses Werkzeug enthält Lösungen für alle Probleme, die während dieser Projektphase beschrieben wurden. Der letzte Schritt ist die Implementierung der Web-Applikation, die die dreidimensionalen Modelle durch den Import der im vorherigen Schritt erzeugten Dateien erzeugt. Diese Web-Applikation wurde mit WebGL implementiert, so dass die meisten Berechnungen auf der Grafikkarte des Clients durchgeführt werden. Die dreidimensionalen Modelle wurden mit den Modellen der österreichischen Regierung verglichen, um zu zeigen, dass das präsentierte Framework in der Lage ist, ähnliche Modelle kostengünstig in einer beliebigen Game-Engine für Virtual Reality zu produzieren. Tatsächlich wurden die Ergebnisse dieser Arbeit im Rahmen eines weiteren Projektes getestet. Dabei wurden die Stadtmodelle eingesetzt, um ein Skydiving-Erlebnis über die Stadt Wien in virtueller Realität zu schaffen. Die Benutzer dieses Projekts fanden die vorgestellten dreidimensionalen Modelle der Stadt sehr zufriedenstellend.

The constant performance increase of algorithms and hardware over the last decades enabled new ways to collect data, which would have been unthinkable just a few years ago. This is especially true in the sector of geodesy. The release of gps-tracking smartphones enabled users from all over the world to easily collect and upload georeferenced data. Additionally governments also started to make their georeferenced data available to everyone. Through these phenomenons countless databases containing georeferenced information appeared on the Internet. By accessing these databases numerous new applications can be implemented. This thesis focuses on the creation of three-dimensional models that can be easily integrated in a virtual reality environment. The practical part of this thesis consists of four steps. The first step is the data acquisition.As mentioned before nowadays there are various eligible data sources for such a project, however in this work all the data is fetched from a public database of the Austrian government. This database has been chosen because it already contains all required buildings’ footprints and heights. In the second step the acquired data is analysed and pre-processed using Matlab. By using the filters implemented in Matlab artefacts resulting from the noise contained in the data can be removed. In the third step a suite capable of combining the data-sets is presented. Quantum GIS offers a complete open source suite capable of combining, displaying, processing and exporting georeferenced data. This tool contains solutions for all the problems proposed during this step of the project. The final step is the implementation of the web-application, which creates the three-dimensional models by importing the files generated during the previous step. This web-application has been implemented using WebGL so that most of the calculations are done on the client’s graphics card. The three-dimensional models have been compared with the models offered by the Austrian government for the sake of showing that the presented framework is capable of producing similar models at a lower performance cost in a virtual reality environment. Practically, the presented framework has been implemented and its results have been tested during the course of another project, in which the city models were used in order to create a skydiving experience over the city of Vienna in a virtual reality environment. Over the course of the mentioned project the models were found satisfactory by the users.