Dreidimensionale Modellierung mit CityGML€¦ · Constructive Solid Geometry CSG Boundary Representation BRep Boundary Representation BRep • Angabe der umschließenden Begrenzungsflächen

Dreidimensionale Modellierung mit CityGML

PD Dr. Gerhard GrögerInstitut für Geodäsie und Geoinformation

Universität Bonn

ISO/OGC-konforme Verfahren zum Aufbau von 3D-Stadt- und Landschaftsmodellen13. 10. 2008, Universitätsclub Bonn

Aufbau von 3D-Stadt/Landschaftsmodellen,13.10.08 3D-Stadtmodelle mit CityGML

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G. Gröger

Überblick

• Einleitung• Allgemeines• Detaillierungsgrade• Thematische Modelle• Gebäudemodell• Prototypische Objekte• Materialmodellierung• Erweiterbarkeit• Modularisierung• Resümee


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G. Gröger

Motivation

• Anwendungen: verstärkter Bedarf an 3D-Stadtmodellen– Stadtplanung, Navigation, Katastrophenmanagement,

Umweltschutz, …


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G. Gröger

Motivation


Umweltschutz, …– Semantik essentiell (auch für Teilobjekte)


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G. Gröger

Motivation


Umweltschutz, …– Semantik essentiell (auch für Teilobjekte)

• zunehmende Erfassung/Herleitung von 3D-Stadtmodellen• Probleme:

– Datenaustausch nicht einheitlich, Zoo von Formaten– selten Übertragung der Semantik möglich

Bedarf an Standard für verlustfreien Austausch von 3D-Stadtmodellen inkl. Semantik


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G. Gröger

CityGML: Allgemeines

• Modell zur Repräsentation der geometrischen, topologischen und semantischen Eigenschaften von 3D-Stadtmodellen sowie der Erscheinung– mehr als reine Visualisierung – herstellerneutral

• Standard des „Open Geospatial Consortium“ (OGC) seit August 2008

• Ergebnis eines Konsensprozesses zwischen Anwendern, Datenproduzenten, GIS-Herstellern und Wissenschaft

• interoperabel über Geo-Web-Dienste (Web Feature Service) austauschbar– da auf Standards der ISO und des OGC basierend


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G. Gröger

Standards, auf denen CityGML basiert

• GML 3 (Geography Markup Language)– Standard zum Austausch von Geo-Objekten– reichhaltiges Geometriemodell, Topologie, Raster,..– Herausgeber: Open Geospatial Consortium (OGC)– zugleich ISO-Standard 19136– auch Basis zum Austausch amtlicher Modelle in

Deutschland (Kataster, Topographie)– kompatibel zu ISO 19139 (Metadaten)

• ISO 19XXX-Reihe (Geoinformation), ISO TC 211– ISO 19107 „Spatial Schema“ (Geometrie/Topologie)– ISO 19111 Koordinatenreferenzsysteme– ISO 19115 Metadaten– ......


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G. Gröger

Open Geospatial Consortium (OGC)

• wichtigste internationale Standardisierungsorganisation der Geoinformation– neben offizieller internationaler Normungsorganisation

ISO– enge Kooperation ISO - OGC

• Mitglieder: Hersteller und Anwender von GIS, Geo-Daten-Provider, Behörden, Universitäten

• Standards:– Geo-Web-Dienste– Datenaustausch (GML 3, Rasterdaten, …)– …..


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G. Gröger

Entwickler von CityGML: SIG 3D

• „Special Interest Group 3D“ (SIG 3D)• Teil der Geodateninfrastruktur (GDI) NRW

– Initiative der Landesregierung NRW zur Aktivierung des Geodaten-Marktes (seit 1999)

• offene Arbeitsgemeinschaft• zur Zeit ca. 70 Teilnehmer aus Wirtschaft, Wissenschaft

und öffentlicher Verwaltung– aus ganz Deutschland (und GB, Österreich, Schweiz)

• Gründung im Mai 2002• 3 Arbeitsgruppen:

– Fortführung– Modellierung– ALKIS 3D


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G. Gröger

Mitglieder der SIG 3D (Auszug)

Kommunen• Berlin• Hamburg• Köln• Düsseldorf• Essen• Leverkusen• Wuppertal• Bochum• Kreis

RecklinghausenVerwaltungen• Bez.Reg. Köln,

Abt. 7• Ordnance

Survey UK

Firmen• T-Systems• Bayer Industry

Services• Graphisoft• Rheinmetall• CPA Geoinformation• Con Terra• Inpho• Real.IT• CyberCity (CH)• Nolimits (AT)• Snowflake (UK)

Wissenschaft• Univ. Bonn• TU Berlin• Univ. Hamburg• Univ. Potsdam• Univ. Hannover• Univ. Dortmund• Univ. Münster• TU Braunschweig• Fraunhofer Institut für

Graphische Datenverarbeitung, Darmstadt

• Forschungszentrum Karlsruhe


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G. Gröger

Entwickler von CityGML: SIG 3D

• „Special Interest Group 3D“ (SIG 3D)• Teil der Geodateninfrastruktur (GDI) NRW

– Initiative der Landesregierung NRW zur Aktivierung des Geodaten-Marktes (seit 1999)

• offene Arbeitsgemeinschaft• zur Zeit ca. 70 Teilnehmer aus Wirtschaft, Wissenschaft

und öffentlicher Verwaltung– aus ganz Deutschland (und GB, Österreich, Schweiz)

• Gründung im Mai 2002• 3 Arbeitsgruppen:

– Fortführung– Modellierung– ALKIS 3D


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G. Gröger

CityGML: unterstützende Werkzeuge

• raumbezogene Datenbank Oracle (ab Version 11g)• GIS ArcGIS (ESRI): Produkt FME (Feature Manipulation

Engine) der Fa. Safe Software– lesend ab 2008, schreibend ab 2009

• CAD/GIS Microstation (Bentley)• GIS SupportGIS (CPA Geoinformation)• Erfassungswerkzeug tridicon (GTA Geoinfomatik)• Visualisierungswerkzeug LandExplorer (3DGeo)


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G. Gröger

Überblick



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G. Gröger

Detaillierungsgrade (Level-of-Detail, LoD)

• LOD 0 – Regionalmodell– Geländemodell mit Luftbild/Karte

• LOD 1 – Stadtmodell– „Klötzchenmodell“

• LOD 2 – Stadtmodell– texturiert, Dachstrukturen

• LOD 3 – Stadtmodell– detaillierte Architekturmodelle

• LOD 4 – Innenraummodell– „begehbare“ Architekturmodelle


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G. Gröger

Detaillierungsgrade (LoD)

• Qualitätsmerkmal – Mindestanforderungen an Geometrie und Semantik

• Erleichtern Bewertung der Vergleichbarkeit von Datensätzen– Datenintegration, Interoperabilität

• Grade entsprechen den typischen Produkten der verschiedenen Erfassungsmethoden

• dasselbe Objekt kann zugleich in mehreren LoD vorliegen

Geometrie

Geometrie

Geometrie

Gebäude

Geometrie


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G. Gröger

Überblick



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G. Gröger

Thematisches Modell: Bereiche

• Bauwerke• Gelände• Vegetation• Verkehr• Gewässer• Stadtmöbel• Landnutzung


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G. Gröger

Gebäudemodell von CityGML

• verschiedene Level of Detail (LoD)• semantisch reichhaltiges Modell

– Attribute (Funktion, Baujahr, Adresse,…)– semantische Klassifikation/Attribute auch von

Bestandteilen (Balkone, Gauben, Räume,…)• semantische Reichhaltigkeit steigt mit LoD an• angepasste Modellierung

– einfach strukturierte Gebäude einfach modellierbar

– auch komplexe Strukturen möglich (Bestandteilshierarchien)


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G. Gröger

LoD1Terrain-Intersection gml:_MultiCurve

Gebäude in LoD1: UML-Diagram

LoD1Solid gml:_Solid

0..*

1

BuildingPart

_AbstractBuilding+class[0..1]:BuildingClassType+function[0..*]: BuildingFunctionT.+usage[0..*]:BuildingUsageType+yearOfConstruction[0..1]: xs:gYear+roofType[0..1]: RoofTypeType+measuredHeight[0..1]: gml:LengthT.…..

Building

0..1

0..*

0..* 0..1

LoD1MultiSurface gml:

MultiSurface0..* 0..1

Addressfrom xAL (OASIS)

0..1

0..*


20

G. Gröger

Gebäude-Hierarchie: Beispiel

BuildingName = "Marienhospital"

BuildingPartName = "Haupthaus"

BuildingPartFunct: Krankenhaus

_Solid

BuildingPartFunct: Kirche

BuildingPartName = "St. Maria"

BuildingPartFunct: Parkhaus

_Solid _Solid

Address Address

loD1Solid loD1Solid loD1Solid


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G. Gröger




0..*

1

BuildingPart


Building

0..1

0..*

0..* 0..1




0..1

0..*


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G. Gröger

Exkurs: Modellierung von 3D-Objekten

Constructive Solid Geometry

CSG

Constructive Solid Geometry

CSG

BoundaryRepresentation

BRep

BoundaryRepresentation

BRep• Angabe der umschließenden

Begrenzungsflächen• Angabe der umschließenden

Begrenzungsflächen• Volumenprimitive• Mengentheor. Operatoren

zur Kombination: ∪, ∩, \

• Volumenprimitive• Mengentheor. Operatoren

zur Kombination: ∪, ∩, \ ∪

∪


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G. Gröger

GML 3: Boundary Representation

• Geometrie eines Gebäudes: Volumenkörper („Solid“)• begrenzt von planaren Oberflächen („Surfaces“)

– Einschränkung der reichhaltigen Modellierungsmöglichkeiten von GML 3

Bsp. Satteldachhaus:• 7 planare Oberflächen


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G. Gröger

GML 3: Topologie

• Explizite Repräsentation der Nachbarschaft– z.B. Nachbarschaft

Haus – Garage– kein Teil des Raumes

mehrfach repräsentiert

• Vorteile: – Datenkonsistenz: Kontrolle der Durchdringung von Objekten– effiziente räumliche Analyse

• optional• Topologie: zwei alternative Repräsentationen

– originäre GML 3-Topologie (sehr komplex)– Mehrfachverweise (einfach, aber ausreichend)


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G. Gröger




0..*

1

BuildingPart


Building

0..1

0..*

0..* 0..1




0..1

0..*


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G. Gröger

TerrainIntersectionCurve (TIC)


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G. Gröger

LoD1Terrain-Inters.

Gebäude in LoD2: UML-Diagramm

0..* 0..1

LoD2MultiSurface

0..1

0..*0..1

BoundarySurface

boundedBy

0..* gml:MultiSurface

_AbstractBuilding+class[0..1]:BuildingClassType+function[0..*]: BuildingFunctionT.+usage[0..*]:BuildingUsageType............

LoD2Solid

LoD1Solid,

LoD1 LoD2

LoD2Terrain-Inters.

gml:_MultiCurve

gml:_Solid

BuildingInstallation

gml:_Geometry

RoofSurface

WallSurface

GroundSurface

ClosureSurface


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G. Gröger

LoD1Terrain-Inters.


0..* 0..1

LoD2MultiSurface

0..1

0..1

0..*

BoundarySurface

boundedBy

0..*

BuildingInstallation

gml:_Geometry

gml:MultiSurface


LoD1SolidLoD2Solid

LoD1 LoD2

LoD2Terrain-Inters. gml:_MultiCurve

gml:_Solid

LoD3

Window Door

Opening

LoD3Solid0..* 0..1

LoD3Terrain-Inters.

RoofSurface

WallSurface

GroundSurface

ClosureSurface


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G. Gröger

LoD3 Gebäude: Beispiel

Building

Building installation(Gaube)

Building part

Building part

Building

Wall surface

3D-Model: City of Coburg


30

G. Gröger

LoD1Terrain-Inters.


0..* 0..1

LoD2MultiSurface

0..1

0..1

BoundarySurface

boundedBy0..* gml:

MultiSurface


RoofSurface

WallSurface

GroundSurface

ClosureSurface

LoD1SolidLoD2Solid

LoD1 LoD2

LoD2Terrain-Inters. gml:_MultiCurve

gml:_Solid

LoD3

Window Door

Opening

LoD3Solid0..* 0..1

LoD3Terrain-Inters.

LoD4

CeilingSurface

Int. WallSurface

GroundSurface

LoD4SolidLoD4Solid

BuildingFurniture Room LoD4TerrainLoD4Terrain--IntersInters.

0..*

0..* 0..1


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G. Gröger

Externe Referenzen

• beliebige Objekte/Teilobjekte: Referenzen zum korrespondierendenObjekt in anderen Datenbeständen möglich– z.B. zu Gebäude in Kataster, – z. B. zu Tür in Gebäudemanagement-System

• Vorteile:– Beschaffung weiterer Informationen– Fortführung des CityGML-Datenbestandes

Kataster-DBGebäude-ManagementSystem

Telekomm.DB


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G. Gröger

Beispiel: Gebäude 1/3


33

G. Gröger


1.0 1.0 0.03.0 1.0 0.0..........................

.....................


34

G. Gröger



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G. Gröger

CityGML-Datei: Gerüst

3D Stadtmodell von Bonn


36

G. Gröger

Überblick



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G. Gröger

Prototypische Objekte

• GML 3 / ISO 19XXX-Standards:– georeferenzierte, absolute

Geometrie für jedes Geo-Objekt• 3D-Stadtmodelle: große Anzahl

identischer/gleichförmiger Objekte– z.B. Bäume, Parkbänke,

Ampeln• CityGML: Objekte mit

impliziter Geometrie– prototypisches Objekt: lokale Koordinaten– jede Instanz: Referenzpunkt und

Transformationsmatrix– analog zu Szenengraphkonzept der Computergraphik– Erweiterung von GML 3


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G. Gröger

Implizite Geometrien: UML Diagramm

BuildingFurniture

TransformationMatrixType

+field[16]: xs:double

lodXImplicitRepresentation, X∈[1..4]

gml:_GeometryImplicitGeometry

*

*

+mimeType[0..1]: MimeTypeType+libraryObject[0..1]: xs:anyURI+transformation[0..1]: TransformationMatrixT.

relativeGeometry0..1*

gml:Point*referencePoint

MimeTypeType

gml:_GML


39

G. Gröger

Überblick



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G. Gröger

Materialmodellierung

• Modellierung der beobachtbaren Eigenschaften von Oberflächen – z.B. Infrarot-Strahlung, Lärmreflexion, Aussehen– nicht nur reine Visualisierung

• Zuordnung von Materialeigenschaften zu Oberflächen:– Wände/Dächer: Texturkoordinaten/Transformationen– Gelände: georeferenzierte Texturen

• Erweiterung von GML erforderlich– GML unterstützt keine Texturkoordinaten/

Transformationen– Orientierung an Standards der Computergraphik


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G. Gröger

Zuordnung von Texturen: Beispiel

• Texturkoordinaten:1. 0,1 ; 0,052. 0,15 ; 0,053. 0,15 ; 0,54. 0,8 ; 0,5...............8. 0,1 ; 0,6

1

10

Jede Texturkoordinate entspricht genau einer 3D-Koordinate der zu texturierenden Fläche

21

3

4

5

6

7

8

1 2

3 4

5 6

78


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G. Gröger

Materialmodell: Texture Mapping

Textur none wrap

mirror clamp borderQuelle:HPI


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G. Gröger

_CityObject

CityModel

*+theme[0..1]: xs:string

Appearance

referencePoint

_TextureParameterization

_SurfaceData

_AbstractTexture

+imageURI[1]: xs:anyURI+mimeType[0..1]: MimeTypeType+textureType[0..1]: TextureTypeType….

X3DMaterial

ParameterizedTexture

GeoreferencedTexture

+lowerWorldFilePriority[0..1]: xs:boolean+orientation[0..1]: TransformationMatrix2x2Type+target[0..*]: xs:anyURI+uri[1]: xs:anyURI

TextureAssociation

gml::Point

Materialmodell: UML-Diagramm


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G. Gröger

Einfärben der Flächen eines Gebäudes: Bsp.

1 1 1

• Die beiden Geometrie-Flächen mit id wallund roof711 werden weiss gefärbt

.......

.......

.......


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G. Gröger

Beispiel: Gebäude mit Erscheinungen

...

...

..........


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G. Gröger

Textur zu Flächen des Gebäudes

roof.jpgimage/jpeg

...

...

roof1_tri1

roof1

roof1_tri2


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G. Gröger

Überblick



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G. Gröger

Erweiterbarkeit von CityGML

1. Definition von Fachschalen (Application Domain Extensions, ADE)• festes Schema

2. Generische Objekte/Attribute• ad hoc Erweiterung um neue Attribute/Objekte


49

G. Gröger

Application Domain Extensions (ADE)

• ADE: Konzept zur Definition von Fachschalen auf Basis von CityGML– z.B. für Lärmsimulation und –kartierung,

Denkmalschutz, Immobilienmanagement• Definition eines Fachschemas (XML Schema) auf Basis

des CityGML-Schemas– Erweiterung existierender CityGML-Objekte

• gezielte Zuweisung von Attributen/Geometrien zu Klasse, z.B. Gebäude

– Definition neuer Objekte • typsicher• Format bleibt CityGML

– reine CityGML-Reader überlesen Fachinformationen• Mischen verschiedener ADE in einem Datensatz möglich


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G. Gröger

Fachschalen (ADE) für CityGML: Beispiel

32001905 …… 128800000


51

G. Gröger

Beispiel: XML-Schema für Fachschale


52

G. Gröger

Erweiterung CityGML Schema

……

……….


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G. Gröger

Generische Objekte/Attribute

• ad Hoc: erfordern keine Erweiterung des Schemas• Generische Objekte

– Definition neuer Objektarten– z.B. PKW

• Generische Attribute– Hinzufügen neuer Attribute zu Objekten– z.B. Einheitswert eines Gebäudes

• Regel: Generische Objekte/Attribute nur erlaubt, wenn keine passende/s CityGML-Objektart/Attribut vorhanden– Wahrung der Interoperabilität


54

G. Gröger

Generische Attribute: Beispiel

…..

500000

…….


55

G. Gröger

Überblick



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G. Gröger

Modularisierung

• ab CityGML Version 1.0• Definition jedes thematischen Modells (Building, Vegetation,

Materialeigenschaften, …) in eigenem Modul• jedes Modul hat

– eigenen Namespace– eigenes Schema-Dokument

• Definition von Profilen als Menge von Modulen– auf Anwendung zugeschnittene Teilmenge von CityGML, präzise

definiert– z.B. Navigations-Profil: nur Gebäude mit Texturen und Verkehr– ermöglicht Verringerung der Komplexität des Gesamtmodells– getrennt versionierbar

• Nachteil: CityGML-Dokumente mit Version < 1 werden invalide


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G. Gröger

Module in CityGML

• cityGMLBase• Building• Appearance• Transportation• Water bodies• Vegetation• Relief• CityFurniture• Generics• Groups• LandUse


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G. Gröger

Instanzendokument: Beispiel

….

…

…


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G. Gröger

Resümee

• CityGML: Standard zur Repräsentation von 3D Stadtmodellen– Geometrie, Topologie, Semantik, Relationen

• Unterstützung der Datenintegration und Fortführung• Bereitstellung in Geodateninfrastrukturen

– reibungsloser, verlustfreier Datenaustausch– Nutzung offener, internationaler Standards

• breite Unterstützung durch GIS-Werkzeuge• Geobasisdaten: Konsens aller Beteiligter

– erweiterbar für Fachanwendungen• internationaler Standard des OGC

– erfolgreich getestet: OWS 4 Testbed 2006– spielt große Rolle im aktuellen Testbed OWS 6

• geplant: Einbringung in Modelle der EU-Richtlinie INSPIRE (Infrastructure for Spatial Information in Europe)


60

G. Gröger

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Weitere Informationen:• www.citygml.org• www.citygmlwiki.org• www.ikg.uni-bonn.de/SIG3D

Dreidimensionale Modellierung �mit CityGMLÜberblickMotivationMotivationMotivationCityGML: Allgemeines Standards, auf denen CityGML basiertOpen Geospatial Consortium (OGC)Entwickler von CityGML: SIG 3DMitglieder der SIG 3D (Auszug)Entwickler von CityGML: SIG 3DCityGML: unterstützende WerkzeugeÜberblickDetaillierungsgrade (Level-of-Detail, LoD)Detaillierungsgrade (LoD)ÜberblickThematisches Modell: BereicheGebäudemodell von CityGMLGebäude in LoD1: UML-DiagramGebäude-Hierarchie: BeispielGebäude in LoD1: UML-DiagramExkurs: Modellierung von 3D-ObjektenGML 3: Boundary RepresentationGML 3: TopologieGebäude in LoD1: UML-DiagramTerrainIntersectionCurve (TIC)Gebäude in LoD2: UML-DiagrammGebäude in LoD3: UML-DiagrammLoD3 Gebäude: BeispielGebäude in LoD4: UML-DiagrammExterne ReferenzenBeispiel: Gebäude 1/3Beispiel: Gebäude 2/3Beispiel: Gebäude 3/3CityGML-Datei: GerüstÜberblickPrototypische ObjekteImplizite Geometrien: UML DiagrammÜberblickMaterialmodellierungZuordnung von Texturen: BeispielMaterialmodell: Texture MappingEinfärben der Flächen eines Gebäudes: Bsp.Beispiel: Gebäude mit ErscheinungenTextur zu Flächen des GebäudesÜberblickErweiterbarkeit von CityGMLApplication Domain Extensions (ADE)Fachschalen (ADE) für CityGML: BeispielBeispiel: XML-Schema für FachschaleErweiterung CityGML SchemaGenerische Objekte/AttributeGenerische Attribute: BeispielÜberblickModularisierungModule in CityGMLInstanzendokument: BeispielResümee

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Dreidimensionale Modellierung mit CityGML€¦ · Constructive Solid Geometry CSG Boundary Representation BRep Boundary Representation BRep • Angabe der umschließenden Begrenzungsflächen