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3D-Visualisierung numerischer Hochwassersimulationen (Echtzeitnavigation)

3D-Visualisierung numerischer Hochwassersimulationen (Echtzeitnavigation)
Ansprechpartner:

Dr.- Ing. Peter Oberle

Starttermin:

2002

Endtermin:

2004

Projektlaufzeit:  2002 - 2004

Auftraggeber:   Gewässerdirektion (GwD) Neckar – Bereich Besigheim

In Zusammenarbeit mit: Institut für Betriebs- und Dialogsysteme (Universität Karlsruhe)

Veranlassung: 
Die Erfahrung hat gezeigt, dass der Einsatz moderner Visualisierungstechniken die Wirksamkeit der Öffentlichkeitsarbeit im Rahmen des Hochwassermanagements nachhaltig unterstützt. Dreidimensionale Ansichten und Animationen bieten eine hervorragende Möglichkeit, z.B. die Ausbreitung einer Hochwasserwelle innerhalb einer Ortslage eindrucksvoll und realitätsnah zu visualisieren und somit die von einem zukünftigen Hochwasserereignis ausgehende Gefahr bewusst zu machen. Zur Erstellung von 3D-Animationen existiert eine Vielzahl an „Rendering“-Softwaresystemen, die jedoch alle ein hohes Maß an speziellem technischem Know-how erfordern. Zudem sind die Rechenzeiten zur Erstellung einer realitätsnahen Filmsequenz enorm, eine freie Navigation (Echtzeit) bei größerer Datenmenge bzw. Modellauflösung sogar unmöglich.

Zielsetzungen:

  • Entwicklung einer Software zur realitätsnahen 3D-Visualisierung von Hochwasserszenarien mit
    - Interaktive Navigation (Echtzeit) durch hochaufgelöste Geodaten großräumiger Flussgebiete
    - Export benutzerdefinierter Filmsequenzen
  • Praxisorientierte Handhabung / Anwendung bei den Wasserwirtschaftsbehörden zur Öffentlichkeitsarbeit im Rahmen des Hochwassermanagements
  • Schnittstellen zur ArcView-Geodatenbank des „HN-Flussmodells Neckar im Rahmen der IKoNE“ (200 Fluss-km)

Methoden / Entwicklungen:

  • Einsatz dynamischer Reduktionsalgorithmen („Continuous Level Of Detail”; Optimierungskriterien: aktueller Betrachterabstand, Steigungsgradienten)
  • Weitere Optimierung der Berechnungszeiten („Rendering“) über einen Kachelmanager (Unterteilung aller Eingangsdaten in quadratische Kacheln unterteilt, die während der Navigation sukzessive geladen werden.
  • Automatische Generierung von Gebäudemodellen auf Basis der Vektordaten des ALK-Daten B.-W. (Flurstücksgrenzen, Nutzungsklassifizierung)
  • Verschneidung instationärer hydrodynamisch-numerischer Berechnungsergebnisse (zeitabhängige Wasserspiegellagen) mit dem Digitalen Geländemodell
  • Texturbelegung mit beliebige georeferenzierte Bilddateien (Orthofotos) und Landnutzungsdaten (ATKIS)


Ergebnis:

Es wurde ein Visualisierungswerkzeug entwickelt, welches den Anwendern die Möglichkeit einer interaktiven Navigation und der Erstellung realitätsnaher Hochwasseranimationen gibt. Aufgrund der enormen Menge an hochaufgelösten Geoinformationen (1x1m-Raster, Texturdaten) werden dynamische Reduktionsverfahren eingesetzt. Über das Programm werden die digitalen Geländemodelle der Neckarstauhaltungen mit den Höheninformationen eines oder mehrerer Wasserspiegelraster stationär oder instationär berechneter Abflusszustände verschnitten. Zwischen den einzelnen Abflusszuständen wird linear interpoliert und somit das Ansteigen und Abschwellen eines Hochwassers simuliert.
Zur Analyse der gefährdeten Objekte werden auf Grundlage der ALK-Daten automatisch Gebäudemodelle generiert und lagegenau auf die Geländeoberfläche plaziert. Ihre Oberflächentextur bzw. Erscheinung wird in Abhängigkeit der jeweiligen Nutzungsattribute gewählt. Als Geländetextur können georeferenziertes Kartenmaterial, Orthofotos oder ATKIS-Landnutzungspolygone vorgegeben werden.
Die frei wählbaren Navigationspfade können aufgezeichnet und als Filmdatei exportiert werden. Alle zugrundliegenden komplexen Automatisierungsroutinen sind über einfach strukturierte Bedienoberflächen ohne größere Einarbeitungszeiten zu steuern.


Literatur / Veröffentlichungen:

Bender, J.; Oberle, P. (2003): „Werkzeuge zur 3D-Visualisierung (Echtzeitnavigation) der Ergebnisse numerischer Hochwassersimulationen am Neckar“ – In: Schlussbericht zu Phase I „Prototyp“ im Auftrag des Landes B.-W., Institut für Wasserwirtschaft und Kulturtechnik / Institut für Betriebs- und Dialogsysteme, Universität Karlsruhe
Ehrmann, W. (2003): „Anwendungsbeispiele zum HN-Modell Neckar im Rahmen der IKoNE“; Tagungsband der Informationsveranstaltung „Hydraulik naturnaher Fließgewässer“, veranstaltet durch die LfU B.-W. in Zusammenarbeit mit dem IWK am 2.12.2003 an der Universität Karlsruhe

Interaktive 3D-Echtzeit-Navigation durch Geodatenbestände zur Hochwassersimulation