Cartographic abstraction and obfuscation techniques for 3D city models for privacy protection
Final Report Abstract
Zum Schutz der Privatsphäre von persönlichen Lebensräumen und sicherheitsrelevanten Einrichtungen (Schulen, Kindergärten, religiöse Begegnungsstätten, Krankenhäuser, Kraftwerke, Regierungsgebäude, etc.), die in virtuellen 3D-Stadtmodellen realitätsnah dargestellt sind, wurden Methoden zu deren kartographischer Abstraktion und Verschleierung entwickelt. Dies erfolgte unter der Arbeitshypothese, dass das räumliche Umfeld individuell stark ausgeprägt als privater Raum empfunden wird und dass entsprechend kartographisch aufbereitete 3D-Stadtmodelle somit eine höhere Akzeptanz insgesamt in der Bevölkerung erfahren; und dass der erschwerte Zugang zu hochpräzisen in 3D repräsentierten urbanen Räumen die allgemeine Sicherheit erhöht. Für die kartographische Verarbeitung von 3D-Stadtmodellen wurden zunächst grundlegende Werkzeuge entwickelt wie ein integriertes Detailstufenkonzept für Gebäudemodelle. Mit diesem können unterschiedlich detaillierte digitale Repräsentationen eines oder mehrerer Gebäudeobjekte als eine unteilbare Einheit geometrisch repräsentiert und in Datenbanken verwaltet werden. Aus den explizit modellierten Differenzen der Detailstufen lassen sich feingranular progressive Zwischenrepräsentationen der 3D-Gebäudemodelle als Abfolge simpler geometrieverändernder Operationen definieren, so dass sowohl kontinuierliche als auch gemischte Detailstufen möglich sind. Entsprechende Transformationsstrategien wurden entwickelt und auf ihr virtuelles Erscheinungsbild hin untersucht. Aufbauend darauf konnten kartographische Generalisierungsvorgänge für 3D-Gebäudemodelle wie die Simplifizierung, Aggregation und Symbolisierung realisiert werden. Mit dem Ziel, die aus dem Bereich der Datenbanken bekannten Anonymisierungsmaßnahmen für den Umgang mit personenbezogenen Daten auf 3D-Stadtmodelle zu übertragen, wurden Korrelationskriterien für 3D-Gebäudemodelle entwickelt. Dabei wurden die geometrischen Modellausprägungen auf verschiedenen Abstraktionsstufen betrachtet und die daraus abgeleiteten Informationen in Mehrskalengraphen modelliert. Durch elementare Netzwerkanalysen erfolgte die Identifikation und Bewertung von in gegenseitiger Nachbarschaft befindlicher Objekte mit kompatiblen geometrischen und semantischen Ausprägungen. So wurde u.a. untersucht, wie sich das Konzept der k-Anonymität realisieren lässt, indem Gebäude in einer Gruppe von k-1 weiteren Objekten verborgen wird, von denen sich das betroffene Objekt äußerlich nicht unterscheiden lässt. Der räumliche Kontext hat sich empirisch als sehr einschränkend für die Garantie eines gegebenen k erwiesen. Die Methodik selbst erlaubt jedoch eine Bezifferung des maximal erreichbaren Anonymisierungsgrads k, der z.B. situationsbedingt zur Wahl eines geeigneten Generalisierungsvorgangs führt. In virtuellen 3D-Abbildern realer Städte, welche die Privatsphäre bestmöglich berücksichtigen, sollen einzelne Gebäudeobjekte oder Gebäudegruppen je nach den Datenschutzbedürfnissen der betroffenen Personen in unterschiedlichen Detaillierungsgraden dargestellt werden. Dabei sind abrupte Übergänge zwischen Detailstufen möglichst zu vermeiden, um den Fokus eines Betrachters nicht unnötig auf diese sensitiven Bereiche zu lenken. Es wurden daher geometrische und bildliche Blendingtechniken entwickelt, welche den zur Verfügung stehenden Zwischenraum möglichst gleichberechtig berücksichtigt. Neben den geometrischen Ausprägungen der Gebäude selbst nehmen diese auch jeweils einen bestimmten umgebenden Bereich ein, der sich z.B. durch die benachbarten Objekte und die städtische Infrastruktur definiert. Eine auf dem geradlinigen Skelett basierende Methodik zur konfliktfreien Stadtaufteilung wurde entwickelt, die einen gleichberechtigten räumlichen Kontext in Privatsphärenzonen definiert. Deren Konturverläufe wurden zur optischen Aufwertung geglättet und durch Übergangsbereiche ergänzt, welche an den verfügbaren Raum angepasst sind. Flächendeckenden Grundkarten in unterschiedlichen Abstraktionsstufen werden in diesen Übergangsbereichen mittels Bildfusionstechniken sanft übergeblendet. Für die Verwaltung von 3D-Stadtmodellen in Datenbanksystemen unter Aspekten der Privatsphäre wurden Techniken entwickelt, um den Zugriff auf die unterschiedlichen Detaillierungsgrade aufgrund der Zugehörigkeit zu einer Anwendergruppe, deren geografischen Nähe zu den betreffenden Objekten und unter Berücksichtigung zeitlicher Aspekte zu steuern. Die Detailstufenbestandteile sind dabei kryptographisch in der Datenbank hinterlegt und die Abfragen werden mittels Verschlüsselungstechnologien geregelt. So kann ohne Autorisierung nur auf den geringsten öffentlich verfügbaren Detaillierungsgrad eines 3D-Stadtmodells zugegriffen werden, wohingegen die hochaufgelösten Versionen einem unautorisierten Benutzer durch die Verschlüsselung unzugänglich bleiben.
Publications
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