Topologically consistent modelling in a spatio-temporal context with moving objects in city models
Final Report Abstract
Das Projekt beschäftigte sich mit der Untersuchung der topologischen Konsistenz von statischen wie auch zeitabhängigen attributbehafteten Objekten der Bau- und Geoinformatik und deren „Reparatur", mit anderen Worten deren Konsistentmachung. Zunächst wurde eine simple Definition des Begriffs „ topologische Konsistenz" gefunden, welche im Einklang mit der ISO-Norm 19107 ist und somit als Grundlage für die weitere Projektarbeit dienen konnte. So konnte zunächst klar erkannt werden, dass das weit verbreitete Datenformat CityGML topologisch inkonsistente Stadtmodelle in vielfältiger Weise zulässt. Um aus topologisch inkonsistenten Drahtmodellen (was CityGML einschließt) topologische Raumzeitmodelle herzustellen, wurde ein Verfahren entwickelt, welches rekursiv geometrische Schnitte berechnet und anschließend mittels Wegefindungsalgorithmen in Graphen aus den gefundenen Objekten Zellen der nächsthöheren Dimension zusammenfügt. So konnte eine Volumenberechnung von Stadtmodellen in CityGML durchgeführt werden. Da die geometrische Schnittberechnung anfällig ist für numerische Fehler in den Geometrieralgorithmen, wurde eine Sensitivitätsanalyse der erhaltenen Volumina wie auch der Topologien durchgeführt. Im Hinblick auf zukünftige Parallelisierungsmethoden wurde auch die Abhängigkeit von der Partitionierung der Eingangsdaten untersucht. Das Ergebnis erlaubt die integrative Modellierung von Raumzeitmodellen mit Thematik (Semantik) auf verschiedenen Detaillierungsstufen. Kinematik wurde dabei als Zeitabhängigkeit jeder möglichen vorkommenden Größe aufgefasst, sodass sich hier neben der Geometrie auch die Thematik zeitlich ändern kann, wodurch auch komplexere Vorgänge wie z.B. Drehtüren modellierbar wurden. Implementiert wurde das Ganze zu einem DB4GeOGmphS-Core-Framework mithilfe einer geeigneten Anwendung des Property-Graph-Konzepts zur Verwaltung der möglichen Topologien auf den Objektmengen. Die zugehörigen Relationen umfassen dabei Aggregation, Inzidenz und Abstraktion. Um topologische Anfragen an Modelle durchführen zu können, wurde eine topologische Zugriffsmethode TOpological Access Method (TOAM) auf der Basis der Property Graphen entwickelt. Um zukünftig parallelisiert Anfragen bearbeiten zu könenn, wurden in einem ersten Schritt hierarchische Indexstrukturen auf der Basis der sog. p-adischen Zahlen entwickelt und erprobt, da diese eine natürliche hierarchische Struktur aufweisen. Dadurch werden skalierbare Simulationsmodelle in größerem urbanen Kontext ermöglicht. Positive Überraschungen: Eine generische API statt einer spezifischen XML-Schnittstelle wurde entwickelt und implementiert. - Die Überlagerung wurde als universell erkannt, was die interaktive Korrektur obsolet machte. - Der neue p-adische Index zeigte sich als geeignet zur Bewältigung größerer Datenmengen. Negative Überraschungen: Obwohl bei der Modellierung von Stadtmodellen oft verwendet, ist die Boundary Representation (B-Rep) problematisch, da dabei bekanntlich das Innere von Objekten nicht mitmodelliert wird. - Problematisch war die Numerik bei geometrischen Schnittalgorithmen, daher die Sensitivitätsanalyse. - Die Implementierung der Zellenerzeugung ist sehr aufwändig, daher im Projekt nur bis 3D realisiert.
Publications
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TOPOLOGICALLY CONSISTENT MODELS FOR EFFICIENT BIG GEO-SPATIO-TEMPORAL DATA DISTRIBUTION. ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, IV-4/W5, 65-72.
Jahn, M. W.; Bradley, P. E.; Al Doori, M. & Breunig, M.
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DETECTION AND EVALUATION OF TOPOLOGICAL CONSISTENCY IN CITYGML DATASETS. ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, IV-4, 59-66.
Giovanella, A.; Bradley, P. E. & Wursthorn, S.
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Topologically Consistent Space, Time, Version, and Scale Using Alexandrov Topologies. Advances in Civil and Industrial Engineering, 52-82. IGI Global.
Bradley, Patrick E. & Paul, Norbert
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Evaluation of Topological Consistency in CityGML. ISPRS International Journal of Geo-Information, 8(6), 278.
Giovanella, Anna; Bradley, Patrick Erik & Wursthorn, Sven
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Geospatial Data Management Research: Progress and Future Directions. ISPRS International Journal of Geo-Information, 9(2), 95.
Breunig, Martin; Bradley, Patrick Erik; Jahn, Markus; Kuper, Paul; Mazroob, Nima; Rösch, Norbert; Al-Doori, Mulhim; Stefanakis, Emmanuel & Jadidi, Mojgan
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On the Behaviour of p -Adic Scaled Space Filling Curve Indices for High-Dimensional Data. The Computer Journal, 65(2), 310-330.
Bradley, Patrick Erik & Jahn, Markus Wilhelm
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COMPUTING WATERTIGHT VOLUMETRIC MODELS FROM BOUNDARY REPRESENTATIONS TO ENSURE CONSISTENT TOPOLOGICAL OPERATIONS. ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, VIII-4/W2-2021, 21-28.
Jahn, M. W. & Bradley, P. E.
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A Robustness Study for the Extraction of Watertight Volumetric Models from Boundary Representation Data. ISPRS International Journal of Geo-Information, 11(4), 224.
Jahn, Markus Wilhelm & Bradley, Patrick Erik
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Automatische redundanzfreie Generierung von Topologie aus multidimensionalen geographischen Datenbeständen. Doktorarbeit, Karlsruher Institut für Technologie. [6]
Giovanella, A.
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Distributed & Parallel Data Management to Support Geo-Scientific Simulation Implementations. Doktorarbeit, Karlsruher Institute für Technologie, [10]
Jahn, M.W.
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EFFICIENT SPATIO-TEMPORAL MODELLING TO ENABLE TOPOLOGICAL ANALYSIS. ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, X-4/W2-2022, 137-144.
Jahn, M. W.; Kuper, P. & Breunig, M.
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Topological Access Methods for Spatial and Spatiotemporal Data. ISPRS International Journal of Geo-Information, 11(10), 533.
Jahn, Markus Wilhelm & Bradley, Patrick Erik
