Productbeschrijving 3D basisvoorziening

1.1 De 3D Basisvoorziening

De 3D Basisvoorziening bestaat uit drie producten die allemaal automatisch worden gegenereerd:

1. het 3D Basisbestand Volledig (combinatie van LoD1.2 gebouwen + terrein (en bruggen))
2. het 3D Basisbestand Gebouwen (LoD1.3, met daaraan gekoppeld attributen die de kwaliteit van ieder gebouwmodel beschrijven)
3. het 3D Hoogtestatistieken Gebouwen

Het product 3D Basisbestand Volledig (een combinatie van LoD1.2 gebouwen + terrein (en bruggen)) dat nu beschikbaar is, bestaat uit terreinvlakken, gegenereerd uit BGT maaiveld-objecten met in het terrein geïntegreerde gebouwen.

De gebouwen in dit product worden gegenereerd door de BAG-geometrie van het gebouw op te trekken tot een enkele hoogte, d.w.z. de zogenaamde LoD1.2-weergave, zie onderstaande figuur.

Het horizontale grondvlak van de gebouwmodellen is altijd ingesteld op het laagste snijpunt met het maaiveld om te voorkomen dat het gebouw gaat zweven. De twee andere producten worden later dit jaar beschikbaar gesteld. Het 3D Basisbestand Gebouwen bevat blok-modellen waarbij aanzienlijke hoogtesprongen binnen een gebouw in het model worden onderscheiden (conform LoD1.3). Denk bijvoorbeeld aan een kerk met met een toren of een huis met een aangebouwde schuur.

Het product 3D Hoogtestatistieken Gebouwen bevat de 2D BAG-geometrieën van gebouwen waaraan verschillende hoogte-waarden zijn toegekend. Deze verschillende hoogte-waarden representeren verschillende referentiehoogten die berekend worden op basis van verschillende statistische parameters van de hoogtepunten die zich binnen een BAG polygoon bevinden. Afhankelijk van de toepassing kan een gebruiker beslissen welke referentiehoogte moet worden gebruikt om het 3D model te reconstrueren. Het bestand 3D Hoogtestatistieken Gebouwen komt zowel voor LoD1.2 als voor LoD1.3 beschikbaar. In dat laatste geval is de geometrie opgeknipt in verschillende delen op basis van hoogtesprongen.

3.1 Voorbewerking van BAG en BGT

Om de geometrieën van de BAG en de BGT als input te kunnen gebruiken voor het automatische reconstructie proces zijn een aantal voorbewerkingen uitgevoerd om de objecten te valideren en daarnaast te verrijken met informatie of geometrisch te integreren met omliggende objecten. Hierbij moet worden opgemerkt dat niet alle geometrische bewerkingen correcties zijn op de BGT, maar dat het gaat om het geschikt maken van de data voor het 3D reconstructieproces. Hierdoor zijn de 2D objecten niet altijd meer dezelfde als in de oorspronkelijke BGT en BAG.

De belangrijkste geometrische bewerkingen zijn:

• het verwijderen van self-intersecties en arcs
• het verwijderen van dubbele objecten waarbij zoveel mogelijk het nieuwste object behouden wordt.
• het snappen van objecten die elkaar raken (hoek, overlap of gedeelde grens) waarbij eventueel datapunten worden toegevoegd. Dit wordt gedaan om gaten in - het BGT maaiveld dicht te krijgen, maar ook om in de BAG aansluitende panden ook werkelijk te laten aansluiten.
• het uitlijnen van datapunten op een grid ten behoeve van de nauwkeurigheid van alle validaties. Alle resulterende coördinaten worden in mm opgeslagen

Om de objecten te integreren met hun omgeving worden twee bewerkingen uitgevoerd:

• De topologie tussen verschillende hoogteniveaus wordt hersteld om 3d reconstructie mogelijk te maken. Hierbij worden waar nodig datapunten op gedeelde grenzen en bij kruisende objecten geïntroduceerd. Dit speelt met name voor overbruggingsdelen en bijzondere objecten.
• Topologische fouten die problemen kunnen veroorzaken in het reconstructieproces, zoals overlappingen, gaten, en zgn. spikes, worden opgespoord en automatisch gecorrigeerd. Hierbij worden ongeclassificeerde objecten gecreëerd voor gaten in de BGT.

3.2 Het genereren van de puntenwolken

Voor de reconstructie van 2D naar 3D is hoogte nodig voor de hoogtebepaling van BAG-panden en voor de hoogtebepaling van de maaiveld objecten (BGT). Deze hoogte wordt door middel van semi-global matching verkregen. Deze techniek wordt toegepast op de stereofoto’s die ingewonnen worden in de landelijke voorziening beeldmateriaal. Deze voorziening koopt voor de overheidspartijen in Nederland landsdekkend beeldmateriaal in voor het bijhouden van de basisregistraties BAG, BGT en BRT. Voor de hoogtebepaling uit beeldmateriaal worden de stereofoto’s van de wintervlucht gebruikt.

Tabel 2: kenmerken stereofoto’s 2018

De nauwkeurigheid van de resulterende hoogte wordt onder andere door de overlap in de strook en de vlieghoogte bepaald. Voor punten die worden gegenereerd uit luchtfoto’s ingewonnen op een vlieghoogte van 1700m is dat 15cm; voor punten gebaseerd op beelden ingewonnen op een vlieghoogte van 4300m is dat 35cm (sigma-1).

In een tweede stap wordt er een Digital Surface Model (DSM) gegenereerd op basis van de verkregen puntenwolken. Dit 2.5D model bevat voor elke gedefinieerde pixel in het grid één hoogtewaarde. Deze waarde wordt bepaald door de meest betrouwbare hoogste waarde te nemen. Gekozen is voor een pixelmaat van 20cm. Dus elke m2 bevat maximaal 25 punten. De nodata gebieden worden niet geïnterpoleerd.

Als laatste stap wordt het DSM geclassificeerd in de klassen gebouw, water, bruggen, hoge vegetatie, ground en not classified (de rest). Hierbij wordt voor water en bruggen gebruik gemaakt van BGT polygonen, voor gebouwen van BAG polygonen. De classificatie van hoge vegetatie maakt gebruikt van de infrarood gegevens van de lage resolutie zomervlucht van de LV Beeldmateriaal. Wanneer de ground detectie niet in staat is om maaiveld te detecteren in bosgebieden wordt data uit het AHN gebruikt. De klasse ground (ook wel aan te duiden met Digital Terrain Model (DTM)) wordt uitgedund naar 4 punten per m2.

Nu is de puntenwolk geschikt om in de reconstructie te gebruiken met 3Dfier om van 2D geometrieën uit de BAG/BGT 3D versies te genereren.

3.3 3D reconstructie met 3dfier

Voor de hoogte-toekenning aan de BGT maaiveld objecten gebruiken we de open source software 3dfier. Deze software is ontwikkeld in een samenwerking tussen Kadaster en de 3D geoinformation group van de TU Delft en kan voor verschillende scenario’s ingezet worden.

De software genereert automatisch 3D-representaties op basis van 2D-topografie en puntenwolken en houdt daarbij ook rekening met de semantiek van elke polygoon. De opgetrokken polygonen worden aan elkaar "gestikt" zodat één digitaal oppervlaktemodel wordt gereconstrueerd.

Hiermee wordt een landsdekkend waterdicht 3D terreinmodel verkregen, zonder overlap en gaten, waarbij BGT-gebouwen geïntegreerd zijn in het maaiveld om dit “dicht te rekenen”. Dit 3D terreinmodel kan vervolgens worden gebruikt als input voor bijvoorbeeld simulatiesoftware.

De LoD1.2 gebouwen zijn gereconstrueerd op basis van hun BAG geometrie en de 3D puntenwolk, waarbij een maximale en minimale hoogte is gebruikt om een volume te construeren. De maximale hoogte is bepaald op basis van het 90 percentiel van de hoogtepunten die binnen een BAG geometrie vallen. Om te voorkomen dat gebouwen boven het maaiveld zweven wordt het laagste punt in het maaiveld dat door de BAG geometrie geraakt wordt gebruikt voor de bepaling van de hoogte van het grondvlak.

4.1 Data-formaat

De 3D data wordt beschikbaar gesteld in CityJSON, dit is een JSON codering van het CityGML gegevensmodel (versie 2.0.0). CityGML is een open standaard en uitwisselingsformaat om digitale 3D-modellen van steden en landschappen te definiëren. CityGML is een officiële standaard van het Open Geospatial Consortium (OGC).

CityJSON beschrijft zowel de geometrie als de semantiek van de meest gebruikte 3D-objecten (zoals gebouwen, wegen, rivieren, bruggen, vegetatie en stadsmeubilair) en legt daarbij de relaties tussen objecten vast. Het definieert ook verschillende standaard LoDs voor de 3D-objecten, waardoor meerdere detailniveaus van objecten voor uiteenlopende toepassingen en doeleinden kunnen worden weergegeven.

CityJSON is ontwikkeld om programmeurs optimaal te faciliteren in het lezen en editen van 3D datasets door middel van tools en API's. Omdat met name bij web- en mobiele toepassingen snelheid van belang is, is een CityJSON-object zo compact mogelijk beschreven, waarbij alle voor het object relevante informatie volgens de CityGML behouden wordt.

4.2 Beschikbaarheid

Het 3D Basisbestand Volledig is beschikbaar via een downloadservice op PDOK. Hier kunnen de bestanden gedownload worden door middel van tegels (5km x 6km) die worden aangeboden door selectie op een geïndexeerde kaart.

Objecten die in meerdere tiles vallen zijn weggeschreven in alle tiles waartoe zij behoren. Dit is gedaan om ervoor te zorgen dat een gebruiker niet naar de tile op zoek hoeft waarin een object dat een tile-grens kruist zich bevindt. De gekozen tile-grootte sluit aan bij de kaartbladindeling van BRT (en AHN). Deze grootte van vooraf gedefinieerde tiles is een keuze waarbij soms tussen verschillende “kwaden” moet worden besloten: hoe kleiner de tile-size hoe beter de data te hanteren is. Maar hoe kleiner de tile size, hoe meer objecten er in meerdere tile vallen, dus hoe groter het datavolume. Een kleine tile-size heeft ook als nadeel dat meer objecten over meerdere tiles heenlopen.

Later wordt de beschikbaarheid op PDOK mogelijk uitgebreid met een 3D viewer en indien haalbaar zal de service ook downloads op basis van een willekeurig interessegebied gaan ondersteunen. Met dat laatste zal het redundant wegschrijven resulterend in enorme datavolumes zijn opgelost, omdat tiles on the fly (“on user request”) zullen worden gegenereerd.

Later dit jaar zullen ook het 3D Basisbestand Gebouwen en de 3D Hoogtestatistieken Gebouwen als downloads beschikbaar gesteld worden op PDOK.