Die Ausgangslage
Die Stadt Kassel verfügt über ein qualitativ hochwertiges digitales 3D Stadtmodell. Dieses Modell wurde in den vergangenen Jahren vom städtischen Amt für Vermessung und Geoinformation aufgebaut und wird von diesem auch mit der Software CityGRID der Firma UVM Systems aktuell gehalten. Vom Straßenverkehrs- und Tiefbauamt bestand der Wunsch, dieses Stadtmodell für die anschauliche Darstellung von Verkehrsplanungsprojekten zu nutzen.
Anlässlich der geplanten Neugestaltung des Brüder-Grimm-Platzes, verkehrstechnisch ein neuralgischer Punkt in der Kasseler Innenstadt, die vom großen öffentlichen Interesse begleitet wird, bestand der Wunsch nach einer möglichst effizienten Lösung: Beide beteiligten Ämter sollen sich auf ihre Kernaufgabe konzentrieren können, das Vermessungsamt auf die Führung des 3D Stadtmodells und das Tiefbauamt auf die Verkehrsplanung im gewohnten Stil. Es soll weder das Stadtmodell in Vissim importiert werden müssen, noch die Verkehrsplanung in die 3D Datenbank des Stadtmodells. Vielmehr sollte die Verkehrsplanung und das Stadtmodell in einer 3D Visualisierung zusammengeführt und gemeinsam dargestellt werden.
Konkret sollte die Lösung durch eine Schnittstelle der Visualisierungssoftware CityGRID Scout erfolgen, die eine Echtzeitkopplung mit PTV Vissim ermöglicht und die dort erstellte Verkehrssimulation in Echtzeit in der 3D Visualisierung des Stadtmodells darstellt.
Die Methode
CityGRID Scout ist eine 3D Visualisierungssoftware (ein „3D Viewer“) welche von UVM Systems auf Basis der Unity Engine entwickelt wurde. Unity stammt aus dem Computerspiele Bereich und ist besonders mächtig im 3D Bereich. Die im Zuge eines Vissim Projektes erstellten Simulationen liefern quasi schon ein „Drehbuch“ für die 3D Animation eines jeden Verkehrsteilnehmers. Neben der Bewegungstrajektorie wird von Vissim auch weiteres verkehrsrelevantes Verhalten realitätstypisch simuliert, wie z.B. Bremsen, Blinken, Türe öffnen, bzw. Fußgänger und Radfahrer sowohl in Bewegung als auch wartend. Dieses Verhalten ist natürlich auf die Ampelsteuerung abgestimmt und es wird auch die entsprechende Steuerung von jeder Lichtsignalanlage simuliert. Die „Drehbücher“ für das geplante Verhalten von Lichtsignalanlagen und das entsprechende realitätstypische Verhalten von vielen tausend Verkehrsteilnehmern werden von Vissim bereitgestellt.
Zur Realisierung haben wir eine Software Schnittstelle (API) entwickelt, die mittels COM- Server in Echtzeit mit Vissim kommuniziert. Mit dieser Schnittstelle werden die Informationen einer in Vissim gestarteten Simulation in entsprechend synchronisierte 3D Animationen in CityGRID Scout umgesetzt.
Anlegen einer 3D Bibliothek
Als Voraussetzung für die 3D Animation der Verkehrssimulation müssen „Bibliotheksobjekte“ erstellt werden, das sind Mustermodelle die in verschiedenen Varianten (z.B. in verschiedenen Farben) in CityGRID Scout mehrfach instanziiert werden können. Alle Bibliotheksmodelle liegen in mindestens zwei LOD-Stufen vor, um eine performante Visualisierung gewährleisten zu können. Folgende Bibliotheksobjekte wurden z.B. für das Projekt Brüder-Grimm-Platz modelliert:
- Lichtsignalanlagen, vorbereitet für die von Vissim simulierten Ampelschaltungen. Insgesamt wurden über 100 verschiedene Typen von Lichtsignalanlagen modelliert.
- Fußgänger, die sowohl gehen als auch stehenbleiben können.
- Radfahrer, fahrend und angehalten mit abgestelltem Bein.
- Motorradfahrer, fahrend und angehalten mit abgestelltem Bein.
- LKWs und PKWs mit steuerbaren Bremslichtern und Blinkern. Einige davon auch mit Innenraum für die Simulation aus der Fahrerperspektive.
- Für den öffentlichen Verkehr Kassels typische Busse. Zusätzlich zu den Eigenschaften der PKWs und LKWs können sich bei den Bussen auch die Einstiegstüren öffnen.
- Die für Kassel typischen Straßenbahnen, ebenfalls mit steuerbaren Türen.
Sobald die erforderlichen Bibliotheksobjekte erstellt wurden, kann von CityGRID Scout aus entweder ein neues Vissim Projekt gestartet oder eine vorhandene Verkehrssimulation mit Vissim geöffnet werden. Beide Programme sind nun mit Hilfe der oben beschriebenen Schnittstelle gekoppelt.
Ergebnisse nachschärfen
Die nach CityGRID Scout übernommenen Straßenachsen und Positionen der Lichtsignalanlagen werden automatisch auf das 3D Geländemodell des Stadtmodells interpoliert.
Sollte es noch Unstimmigkeiten in der Lage einzelner Straßenachsen oder Lichtsignalanlagen geben, so können diese auch direkt in CityGRID Scout noch in die korrekte Position im Stadtmodell verschoben werden. Die solcherart erzeugten plausibilisierten 3D Straßenachsen bzw. Signalanlagen können nun wiederum nach Vissim übernommen werden, um dort die Verkehrssimulation mit korrekter räumlicher Situation zu berechnen.
Simulationsmodus
Im Simulationsmodus des CityGRID Scout wird nun die von Vissim berechnete Simulation in Echtzeit übernommen und durch entsprechende 3D Animationen im 3D Stadtmodell dargestellt. Zugleich kann der Benutzer frei durch das Stadtmodell navigieren und so die räumlichen Effekte der Verkehrssimulation aus allen Blickwinkeln beurteilen. Je nach Computerkonfiguration und Komplexität der Planung kann Vissim zwischen 10 und 20 Berechnungsschritte pro Sekunde durchführen. Entsprechend ist dann auch die „Framerate“ der Animationen in CityGRID Scout. Für die technische Beurteilung der Simulation ist das an sich ausreichend, allerdings wirken 3D Animationen erst bei ca. 30 Frames pro Sekunde, oder besser 60 Frames pro Sekunde flüssig.
Für die Vorbereitung einer visuell ansprechenden und flüssigen 3D Visualisierung haben wir daher einen weiteren Modus „Wiedergeben“ realisiert. Zur Vorbereitung dieses Modus kann man die von Vissim berechnete Simulationen – noch in Echtzeitkopplung – in CityGRID Scout aufzeichnen und dann abspeichern.
Wiedergabemodus
In diesem Modus können aufgezeichnete und abgespeicherte Animationen in CityGRID Scout wiedergegeben werden. Dafür ist keine Echtzeitkopplung mehr erforderlich und die Wiedergabe kann unabhängig von Vissim erfolgen – und zwar durch Interpolation mit 60 Frames pro Sekunde. Auch kann man die Wiedergabe der Animationen bei Bedarf mit Hilfe einer Zeitleise, ähnlich wie bei einem Videoplayer, steuern. Zugleich ist eine freie Navigation durch das 3D Stadtmodell möglich.
Man kann dabei zu jedem Verkehrsteilnehmer navigieren und sich per Mausklick in das entsprechende animierte Fahrzeug setzen. So lässt sich die Verkehrssimulation auch aus der Fahrerperspektive beurteilen. Der Wiedergabe Modus eignet sich besonders gut für die öffentliche Präsentation, die Visualisierung mit den 3D Animationen im Stadtmodell kann an Bürger weitergegeben oder in Installationen an ausgewählten Orten der Stadt zugänglich gemacht werden.
Planungen für Politik und Bevölkerung greifbar machen
Bei der Verkehrssimulation des Brüder-Grimm-Platzes wurden ca. 60 Lichtsignalanlagen und ca. 500 Verkehrsteilnehmer in einem 3D Stadtmodell von ca. 1km2 Ausdehnung animiert. Das Straßenverkehrs- und Tiefbauamt der Stadt Kassel wird diese 3D Visualisierung zur Abstimmung der Planungsvariante in der Stadtverordnetenversammlung einsetzen sowie zur baubegleitenden Information für die Bürger. Dazu soll eine öffentlich zugängliche Installation der 3D Visualisierung eingerichtet werden, in der die Besucher mittels Gestensteuerung durch das Projektgebiet navigieren und zusätzlich die simulierte Verkehrssituation aus verschiedenen Fahrerperspektiven erleben können.
Für zukünftige Projekte will das Tiefbauamt die 3D Visualisierung der Verkehrssimulation im Stadtmodell einsetzen, um den Bürgern ausgewählte Planungsvarianten besser veranschaulichen zu können – mit dem Ziel, den Entscheidungsprozess bis hin zur konsensfähigen Variante effizienter zu gestalten.
Ähnliche Projekte zur Visualisierung von Verkehrsplanungen im 3D Stadtmodell sind in allen Städten Deutschlands möglich. In allen Bundesländern stehen – zumindest einfache – Geländemodelle und 3D Gebäudemodelle von amtlicher Seite zur Verfügung. Auch in der Schweiz gibt es von der swisstopo flächendeckend recht ansprechende 3D Gebäudemodelle.
Zusätzlich verfügen die meisten größeren Städte in Deutschland, der Schweiz und Österreich über eigene detaillierte 3D Stadtmodelle. Wesentliche Datengrundlagen für eine 3D Visualisierung von Verkehrssimulationen sind also oft bereits vorhanden und es Bedarf in vielen Regionen nur noch vergleichsweise geringer Investitionen, um Verkehrsplanungen in kritischen Bereichen besser mit den Bürgern kommunizieren zu können.
Die Autoren
Günter Sükar Seit 2011 Geschäftsführer von UVM Systems und Senior Developer des CityGRID Software Systems. Hauptverantwortlich für Konzeption und Realisierung der Vissim-CityGRID Scout Schnittstelle.
DI Dr. Gerald Forkert Studium Vermessungswesen und Photogrammetrie an der TU Wien. Seit 2011 Geschäftsführer von UVM Systems, hauptverantwortlich für das Projektmanagement.