3D-Daten für die Verkehrssimulation

Mobilitäts- und Verkehrssysteme werden immer komplexer. Sie effizient und nachhaltig zu gestalten, wird wiederum zur immer größeren Herausforderung. Wie lassen sich Verkehrsabläufe sicher, effizient und nachhaltig für alle Verkehrsteilnehmenden gestalten? Verkehrssimulationen sind ein wichtiges Werkzeug, um diese Fragestellungen zu untersuchen und finanzielle Mittel sowie vorhandene Ressourcen für den Aus- oder Umbau eines Verkehrssystems so effizient wie möglich einzusetzen.

Vorstellung des Projekts

Im Zuge einer Machbarkeitsstudie für die Stadt Zürich konnten wir aufzeigen, dass sich Drohnenaufnahmen in Verbindung mit unserer CityGRID-Software sehr gut für die Modellierung ganzer Straßenzüge eignen. So eine Gebietsgröße ist typischerweise auch für Verkehrssimulationen in PTV Vissim relevant. Daher haben wir im Zuge unserer Machbarkeitsstudie auch den 3D-Import von Gebäudemodellen via FBX-Format zur Simulationssoftware und zusätzlich die entsprechende Erweiterung unserer Vissim-CityGRID-Schnittstelle getestet.

Die Methode

3D-Datenerfassung

Für die Datenerfassung setzte man eine Drohne des Typen DJI Mavic 3E ein. Eine solche Vermessungsdrohne hat eine eigene Steuerung. Mit dieser fotografiert sie ein vorgegebenes Gebiet rasterförmig ab, so dass am Ende hochüberlappende Aufnahmen vorliegen. Aus solch einer Aufnahmeanordnung kann man automatisch eine 3D-Punktwolke berechnen. In unserem Projekt setzten wir dafür die Software Pix4D ein.

Die Aufnahmen der 3D-Punktwolke lassen sich nun in unsere CityGRID-Software importieren, um daraus halbautomatisch 3D-Gebäude zu modellieren. Im Preprocessing extrahiert das System zunächst Dach- und Fassadenebenen aus der Punktwolke und schlägt die wahrscheinlichen Kanten, in denen sich jeweils zwei der Ebenen schneiden, als „Kandidaten“ vor. Die Bestätigung der tatsächlichen der Realität entsprechenden Dachkanten erfolgt anschließend halbautomatisch. Auf diese Art nutzt CityGRID die menschliche Erfahrung, um schnell realitätskonforme Gebäude zu modellieren.

Der detaillierte Ablauf der Gebäudemodellierung mit CityGRID ist in unserem Video „From drone to city model with CityGRID“ dargestellt:

Die 3D-Gebäudemodelle sind mit der fotorealistischen Textur aus den Drohnenaufnahmen versehen und lassen sich im FBX-Format abspeichern. In dieser Form kann der Anwendende sie nun auch nach PTV Vissim importieren.

Zusätzliche Möglichkeiten bietet unsere Vissim-CityGRID-Schnittstelle, die wir beireits in einem eigenen Blogartikel beschrieben haben. Mit unserer aktuellen Erweiterung wird sowohl das 2D- also auch das 3D-Arbeiten in der Simulationssoftware unterstützt.

Verkehrssimulation in Vissim ohne Geländemodell

In der herkömmlichen Arbeitsweise wird das Planungsgebiet in Vissim der Einfachheit halber als horizontale Ebene angenommen. Dennoch sind in diesem „2D“-Modus 3D-Gebäudemodelle hilfreich für die ungefähre Beurteilung von räumlichen Sichtbeziehungen und Verkehrssicherheitsbetrachtungen. Unsere Schnittstelle unterstützt diese herkömmliche Arbeitsweise, indem die Lösung bei der Übernahme der Planungsdaten von Vissim diese automatisch auf das in CityGRID unterlegte Geländemodell interpoliert. Das in CityGRID dargestellte 3D-Stadtmodell bezieht sich immer auf ein Geländemodell und die Gebäude befinden sich auf ihrer der Realität entsprechenden Höhe. Bei der Übertragung nach Vissim im „2D“-Modus setzt CityGRID die Gebäude automatisch auf die Höhe 0, so dass sie zum angenommenen horizontalen Gelände der Simulationssoftware passen.

Verkehrssimulation in Vissim mit Geländemodell

Vissim unterstützt auch den Import Geländemodellen im FBX-Format. Unsere Schnittstelle bietet einen einfachen Weg, um die Verkehrssimulation auf dieses Geländemodell zu interpolieren. Somit ist auch in Vissim die Arbeit mit realen 3D-Daten möglich.

Darstellung der Verkehrssimulation in CityGRID

CityGRID kann also helfen, 3D-Objekte nach Vissim zu übertragen. Darüber hinaus lassen sich aber auch mit Vissim erstellte Verkehrssimulationen nach CityGRID übertragen und dort abgespielen. Dieses Abspielen funktioniert auch ohne direkte Verbindung zu Vissim, was für die Verteilung an einen größeren Personenkreis interessant ist.

Außerdem lässt sich in CityGRID der Straßenraum auch durch die eingangs beschriebene 3D-Punktwolke ganz realitätsnah darstellen: mit den richtigen Bäumen und allen sonstigen Objekten, die sich zum Zeitpunkt des Drohnenfluges im Straßenraum befanden. Die Darstellung der Verkehrssimulation in dieser realitätskonformen Umgebung bietet zusätzliche Vorteile, wie z. B. die Beurteilung der tatsächlichen Sichtbeziehungen. Das macht wiederum eine Optimierung der Verkehrsplanung möglich. Und fördert darüber hinaus die Verkehrssicherheitsarbeit.

Fazit

3D-Daten wie die umgebenden Gebäude lassen sich einerseits mittels Drohnen und unserer CityGRID-Software sehr effizient modellieren. Andererseits bietet PTV Vissim nun mit der FBX-Schnittstelle auch nutzerfreundliche Möglichkeiten, solche 3D-Umgebungsdaten direkt zu übernehmen. Unsere Vissim-CityGRID Schnittstelle gewährt dabei einige Erleichterungen bei der Erstellung von Verkehrssimulationen auf Basis realer Geländehöhen. Durch die zusätzliche Darstellung der Gebäudemodelle lassen sich Sichtbeziehungen besser abschätzen und in der Planung berücksichtigen.

Die Darstellung und das Abspielen der mit PTV Vissim berechneten Verkehrssimulation in CityGRID erlauben es zusätzlich, den realen Zustand des Straßenraumes in Form der 3D-Punktwolke zu berücksichtigen. Sichtbeeinträchtigungen durch Bäume, Plakatständer etc. lassen sich so realitätskonform überprüfen und in einem weiteren Planungsdurchgang berücksichtigen. Die Beachtung von 3D-Umgebungsdaten kann auf diese Art helfen, die Qualität der Verkehrsplanung zu verbessern.