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Tracking und Visualisierung in 3D-Modellen

Indoor-Positionsermittlung und -Navigation

Tracking und Visualisierung in 3D-Modellen

In einem brennenden Haus auf dem kürzesten Weg den Ausgang finden – dieses Szenario lässt sich mittels der Indoor-Positionsermittlung realisieren. Auf diese Weise lassen sich Personen aber auch mobile Einsatzmittel orten, in zentralen Leitsystemen visualisieren und steuern. Insbesondere in großen Gebäudekomplexen und Industrieanlagen kann die Indoor-Positionsermittlung mit einer georeferenzierten 3D-Visualisierung attraktive Anwendungsbereiche eröffnen. Welche Anforderungen bestehen an die Georeferenzierung und den Aufbau von 3D-Modellen, um diese zur Visualisierung und Positionsermittlung in Gebäuden und Liegenschaften anzuwenden?

Bild: Navka/In GmbH

In großen Gebäudekomplexen und Industrieanlagen bietet die Indoor-Positionsermittlung in Verbindung mit einer georeferenzierten 3D-Visualisierung vielfältige Anwendungsbereiche. Sie reichen von der Lokalisierung bis zur Zielansteuerung. So lassen sich beispielsweise Wächterrundgänge überwachen oder Mitarbeiter anleiten. Die 3D-Visualisierung kombiniert die Ortsdaten beweglicher Objekte und Sensorinformationen mit georeferenzierten Gebäudemodellen und Grundrissen. Über einen Fernzugriff auf die zentrale Datenhaltung kennt der Anwender in der Leitstelle die Gegebenheiten und Positionen. Mit zunehmend kommerzieller Nutzung erobert die 3D-Technologie immer mehr professionelle Anwendungsgebiete. Bei der Herstellung von Fahrzeugen und Produktionsanlagen wird das Produkt in nahezu all seinen Eigenschaften virtuell entwickelt, simuliert und erprobt, bevor das erste Material bearbeitet wird.

Gebäude als 3D-Modell

Auch Gebäude werden zunehmend als dreidimensionales Modell entworfen und ermöglichen Simulationen, noch bevor das Gebäude entsteht. Werden solche Modelle während der Nutzung der Einrichtung mit realen, positionsbezogenen Informationen kombiniert, lassen sich neue Nutzungsmöglichkeiten bei Management-Leitsystemen erschließen. Bereits heute existieren erste Anwendungen, die die Visualisierung von umfangreichen 3D-Modellen in Leitständen mit eingebetteten Realdaten zur Darstellung und Überwachung von Zuständen und Gefahrensituationen nutzen. Ebenso liegen Erfahrungen bei der Bestimmung und Visualisierung von Positionen bewegter Objekte in Gebäuden vor. Welche Anforderungen gilt es jedoch bei der Erzeugung und Nutzbarmachung solcher Modelle zu beachten? Und mit welchen Lösungsansätzen und Services werden diese adressiert? Für die Ermittlung und Visualisierung von Indoor-Positionen sind 3D-Gebäudemodelle erforderlich, in denen zumindest für alle Stockwerke die Innenräume, Türen, Fenster, Treppen et cetera modelliert sind. Im Anwendungsbereich der Leitstände kommen gegebenenfalls noch Einbaugegenstände, Möblierung sowie die Positionen von Sensoren und Aktoren hinzu.

Die Anforderung an das 3D-Modell beinhaltet neben den rein geometrischen Eigenschaften auch eine Modellstruktur, welche die spätere Anwendung berücksichtigt. So bietet sich eine Modellstruktur an, die ausgehend von der Liegenschaft, einzelne Gebäude, dann Stockwerke, Räume sowie deren zugehörige Maueröffnungen wie Fenster und Türen logisch korrekt abbildet. Ebenso sind Einrichtungsgegenstände, Sensoren und Aktoren den entsprechenden Gebäuden, Stockwerken und Räumen zuzuordnen. Um bei späteren Anwendungen Abläufe sowohl bei der Visualisierung als auch bei der Bedienung automatisieren zu können, ist ein strukturierter Aufbau des Modells erforderlich. Um Objekte an der entsprechenden Position sichtbar darstellen zu können, müssen darüber liegende Stockwerke ausgeblendet oder transparent geschaltet werden können. Für die jeweilige Situation geeignete 3D-Ansichten helfen dem Anwender, Ereignisse schneller zu erfassen. Dabei sind Informationen wie die Sichtbarkeit oder logische Zuordnung eines Ereignisses zu einem Raum relevant.




Die Grafik zeigt die Datenflüsse bei der 3D-Indoor Positionsübermittlung. Bild: In-GmbH

Fünf Detaillevel

Welche Basisdaten können außer gegebenenfalls vorhandenen Architektenmodellen für die Erzeugung von 3D-Gebäudemodellen herangezogen werden? In der City Geography Markup Language (City GML) werden fünf Levels of Detail (LoDs) unterschieden. Diese reichen vom einfachsten Grad, der einem digitalen ‚2,5D‘-Geländemodell entspricht, über die Erweiterung um standardisierte Dachformen und einfache Texturen in Stufe 2 bis hin zur zusätzlichen Modellierung von Öffnungen wie Türen und Fenster und Anbauten wie Balkone und Außentreppen in Stufe 3. Im Level 4 ist zusätzlich der Innenraum in Form von Etagen, Innenräumen und evtl. Texturen modelliert. Geht man vom aktuellen Stand der Modellbildung seitens der Vermessungsämter aus, so erhält man Informationen nur bis Stufe 2. Befinden wir uns im Inneren von Gebäuden, so ist der Detaillierungsgrad des Levels 4 erforderlich. Innerhalb von Gebäuden können Räume mit beweglichen Objekten und festen Bestandteilen abgebildet werden. Ausgehend von einem Einsatz der 3D-Modelle bei Managementleitsystemen, mittels derer reale Ereignisse in Echtzeit in dem Modell dargestellt werden müssen, ergeben sich zusätzliche Anforderungen an die nachträgliche Bearbeitung und Pflege der 3D-Modelle.

Während es bei der Erstellung von Designstudien beispielsweise seitens der Architekturbüros auf eine möglichst realitätsnahe Abbildung ankommt, ist für die Leittechnik meist die Rechenzeit von hoher Bedeutung. Für die Leittechnik muss ein Bildaufbau ohne längere Unterbrechungen bei Bewegungen im Modell gewährleistet sein. Ein weiterer Schritt besteht im Aufbau der Modellstruktur, die das automatische Heranzoomen von Räumen, Fenstern oder vordefinierten kritischen Bereichen ermöglicht. Die Modellstruktur kann zusätzlich auch Räume oder Bereiche mit besonderen Sicherheitsanforderungen enthalten, deren unbefugtes Betreten später signalisiert wird. Sollen im späteren Anwendungsfall Sensorzustände im 3D-Modell eingeblendet oder Aktoren angesteuert werden, müssen diese ebenfalls als Symbole mit entsprechenden dynamischen Eigenschaften im Modell eingebracht werden. Um später optimal darstellen zu können, ist die Hinterlegung vordefinierter Ansichten oder Kamerafahrten im Modell erforderlich. Über diese Ansichten können dann beispielsweise zugehörige reale Kameras im Gebäude automatisch auf das relevante Objekt ausgerichtet und das Realbild zusätzlich zum 3D-Modell eingeblendet werden.

Georeferenzierung vonnöten

Sofern das 3D-Modell in Kombination mit Realpositionen eingesetzt wird, zum Beispiel um die Lage von Sensoren oder die Positionen von Personen oder Fahrzeugen im Gebäude oder Gelände darzustellen, ist die Georeferenzierung des Modells unumgänglich. Steht das georeferenzierte 3D-Modell im Leitstand schließlich zur Verfügung, ist es möglich, sich frei in dem virtuellen Gebäude zu bewegen, um beispielsweise herauszufinden, in welchem Raum an welchem Fenster ein Glasbruchmelder ausgelöst hat. Die Zustandsveränderung des Melders wird dabei ausgehend von der Gebäudetechnik in das 3D-Modell eingebracht und in allen Visualisierungen synchron entsprechend des hinterlegten dynamischen Verhaltens dargestellt – zum Beispiel durch einen farbigen Rand um das Fenster. Wenn sich nun Sicherheitsmitarbeiter im Gebäude bewegen, kann deren Position ebenfalls übermittelt und in das 3D-Modell oder alternativ in die 2D-Grundrissdarstellung eingebracht und in den aufgeschalteten Visualisierungen dargestellt werden. Neben den zuvor dargestellten Indoor-Szenarien ergibt sich im realen Anwendungsfall die Anforderung nach einer übergangslosen Positionsermittlung vom Außenbereich in das Gebäude. Voraussetzung hierfür ist ebenfalls die Georeferenzierung der Gebäudemodelle in dem Bezugssystem Outdoor-Positionssensoren.

Sinnvoll einsetzbar

3D-Modelle von Gebäuden sind georeferenziert und für Managementleitsysteme inklusive Indoor-Positionsermittlung sinnvoll einsetzbar. Insbesondere bei der Überwachung von komplexen Liegenschaften mit örtlich verteilten Gebäuden können mit 3D-Modellen und eingebetteten Daten zudem neue Konzepte umgesetzt werden. Dieses gilt sowohl für die Bedienerseite als auch für die Anbieter von Serviceleistungen. Die Ausrüstung von Personal mit entsprechender Technologie und Sensorik kann helfen, Gefahren und Risiken beim Einsatz von Menschen zu minimieren.