Visualisierung der Kontinentaldrift und der tektonischen Platten: Ihre Bewegung muss man bei millimetergenauen Vermessungen berücksichtigen. Bild: LMU München

Gute Nachricht für die Universität Bonn: Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) richtet gleich zwei hochkarätige neue Forschergruppen am Institut für Geodäsie und Geoinformation der Universität Bonn ein. Das Team von Dr. Axel Nothnagel erhält rund 1,8 Millionen Euro für die Berechnung eines globalen Koordinatensystems. Die Gruppe um Prof. Dr. Wolfgang Förstner bekommt rund 1,5 Millionen Euro für die Erfassung und Identifikation unzugänglicher Objekte mit Hilfe von Drohnen.

„Es gibt keinen Fixpunkt auf der Erde – die Erdoberfläche ist durch Kontinentaldrift, Erdbeben und andere Erdkrustendeformationen ständig in Bewegung“, berichtet Dr. Axel Nothnagel vom Institut für Geodäsie und Geoinformation der Universität Bonn. Er ist Sprecher der neuen Forschergruppe „Space-Time Reference Systems for Monitoring Global Change and for Precise Navigation in Space“. Um aber etwa den Anstieg des Meeresspiegels zweifelsfrei berechnen zu können, braucht man eine Genauigkeit von einem Millimeter für Referenzpunkte auf der Erde und für die Bahnen der Erdbeobachtungssatelliten. „Eine ähnliche Präzision benötigt man für die Beobachtungsstationen auf der Erde, um Raumsonden von der Erde aus zuverlässig steuern zu können, weil sich die Fehler mit dem Abstand vervielfachen“, sagt Dr. Nothnagel.

Seine Forschergruppe wird ein globales Koordinatensystem berechnen, das diesen hochpräzisen Ansprüchen auf den Millimeter genügt. Dazu greifen die Wissenschaftler auf rund 500 permanente Beobachtungsstationen zurück, die seit vielen Jahren Messdaten sammeln. „Unsere methodischen Erkenntnisse sollen auch auf den Mond und auf ausgewählte Planeten angewendet werden“, berichtet Nothnagel. Die Bonner Wissenschaftler arbeiten in der Forschergruppe mit Kollegen in Hannover, Berlin, Dresden, Frankfurt, München, Wien und Zürich zusammen. In den nächsten drei Jahren fördert die DFG das Vorhaben mit rund 1,8 Millionen Euro.

Um die Entwicklung und Erprobung von Verfahren zur schnellen dreidimensionalen Identifikation und Erfassung unzugänglicher Objekte mit Hilfe von unbemannten Luftfahrzeugen kümmert sich die Forschergruppe um Prof. Dr. Wolfgang Förstner vom Institut für Geodäsie und Geoinformation der Universität Bonn. Er ist Sprecher des Vorhabens „Mapping on Demand“, das von der DFG mit rund 1,5 Millionen Euro gefördert wird. Plattform ist eine leichte Drohne, die unter anderem mit Kameras, Sonarsystemen, Laserabtaster und einem GPS-Empfänger bestückt wird. „Damit soll die Position auf eine Genauigkeit im Zentimeterbereich bestimmt werden“, berichtet Prof. Förstner.

Die Drohne soll automatisch Hindernisse erkennen und umfliegen, das Gelände und die Erhebungen visuell erfassen und die Messdaten an die Bodenstation funken. „Nach Möglichkeit noch während des Flugs sollen für den Nutzer relevante Informationen über das Objekt vorliegen, die für Folgeentscheidungen verwendet werden“, sagt der Geodät. Anwendungen für „Mapping on Demand“ (Kartierung nach Bedarf) können Erkundungen in Gebieten mit reichlich Vegetation sein, wie sie etwa für Vorstadtgebiete typisch sind. Dort ist eine Vorplanung des Flugwegs auf der Grundlage bestehender Karten nicht möglich. Die Sensoren auf den Drohnen könnten dann etwa für die Brandbekämpfung relevante Treppen und Terrassen oder auch zügig Schäden nach einem Sturm auf den Zentimeter genau erfassen. An der Forschergruppe sind neben den Geodäten auch Informatiker der Universität Bonn sowie ein Wissenschaftler der Technischen Universität München beteiligt.

Die DFG-Forschergruppen bieten Wissenschaftlern die Möglichkeit, sich aktuellen und drängenden Fragen in ihren Fächern zu widmen und innovative Arbeitsrichtungen zu etablieren. Außerdem sollen die Verbünde orts- und fächerübergreifend arbeiten. Sie werden für die nächsten drei Jahre gefördert – mit der Option, noch einmal um die gleiche Periode verlängert zu werden.

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Moderne Solarmodule sind einfach zu verbauen. Quelle: www.wagner-solar.com

Bereits seit März vorigen Jahres bietet auch Bonn ein so genanntes Solardachkataster online an. Es zeigt mit wenigen Mausklicks am heimischen PC, ob sich ein Gebäude grundsätzlich für den Aufbau einer Photovoltaik- oder Solarthermieanlage eignet. In einer Kartendarstellung zeigen dazu unterschiedlich gefärbte Dachflächen, wieviel Sonneneinstrahlung ein Dach erreicht. Schrittweise lassen sich darüber hinaus weitere Informationen zum Beispiel zur installierbaren Leistung und zum Ertrag einer Photovoltaikanlage abrufen und die Wirtschaftlichkeit über einen Ertragsrechner kalkulieren. Das Solardachkataster ist in das städtische Geoinformationssystem eingebunden, das eine Vielzahl von Datenangeboten beinhaltet.

Grundlage für das Kataster war das hoch aufgelöste digitale Geländemodell der Bezirksregierung Köln (GeoBasisNRW). Es basiert auf Ergebnissen von Laserscan-Befliegungen aus dem Jahr 2007. Zusätzlich wurde die genaue Lage der Gebäudegrundrisse aus dem Automatisierten Liegenschaftskataster (ALK) des städtischen Kataster- und Vermessungsamtes mit in die Berechnungen einbezogen. Allerdings kann das Angebot nicht das konkrete Zusammenspiel von Dachform, Ausrichtung, Abschattung und eventuell störenden Dachaufbauten wie Gauben und Schornsteinen berücksichtigen, sondern es zeigt das grundsätzliche Potenzial eines Daches.

Vor diesem Hintergrund hat das Institut für Geodäsie und Geoinformation (IGG) der Universität Bonn in Zusammenarbeit mit dem Satelliten- und Luftbildspezialisten EFTAS nun HABIS entwickelt. Das Akronym steht für Hybrid Automatic Building Interpretation System und ist der Prototyp einer Software, die auf der Basis zumeist vorhandener Geodatensätze von Kommunen und Landesbehörden vollautomatisch Dachflächen sehr präzise dreidimensional modelliert und damit neben dem Solarpotenzial auch Einschätzungen darüber erlaubt, ob auf einer (Dach-)Fläche tatsächlich eine Solaranlage installiert weden kann.

Um das zu verwirklichen werden in einem mehrstufigen Verfahren drei Datensätze kombiniert: Das sind zum einen Laserscandaten aus Befliegungen, die in Form drreidimensionaler Punktwolken die Landschaft erfassen, zum zweiten gut aufgelöste Stereo-Luftbilddaten und als Basisinformation zum dritten die amtlichen Katasterinformationen (ALK bzw. ALKIS). Alle drei Datenarten liefern entscheidende Informationen: Das Kataster zeigt Lage und Form der Gebäudegrundrisse, die Laserscan-Punktwolken erfassen die vollständige Oberfläche der Gebäude und die stereoskopischen Luftbilder erlauben es, Dachkanten und zusätzliche Objekte wie Schornsteine und Gauben abzuleiten.

Das Verfahren von HABIS setzt dabei insgesamt auf eine Methode wachsender Verfeinerung der Analyseergebnisse und Modellierungen. Im ersten Schritt werden dazu Katasterdaten und Punktwolken verschnitten, so dass für jedes Haus die zugehörigen Messpunkte der Gebäudeoberfläche ermittelt werden. Dann erzeugt die Software allein auf Grundlage der Gebäude-Punktwolken die möglichen passenden Dachmodelle, so dass zunächst noch verschiedene Hypothesen zum Aussehen des Dachse sowie des Gebäudes nebeneinander existieren. Dabei werden vorherrschende Basisdachmodelltypen wie Walm-, Pult-oder Satteldach berücksichtigt. In diesem „Modellraum“ sollen 90 Prozent der Gebäudedächer korrekt erstellt werden. Architektonische Sonderformen, wie etwa komplexe Kirchendächer, fließen in die Qualitätsvorgabe entsprechend nicht ein. Die Dach-Hypothesen werden im dritten Schritt durch Untersuchung und Extraktion der Dachkanten in den Luftbildern verifiziert. Dabei werden zugleich auch Dachaufbauten und in die Dachneigung integrierte Schrägfenster erfasst. Schließlich gelangt man zu einem Gebäudemodell, dass mit höchster Wahrscheinlichkeit Form und Größe des realen Gebäudes wiedergibt.

Die gesamte Prozesskette läuft vollautomatisch ab. Am Ende steht ohne jedes händische Zutun eines Mitarbeiters ein so genanntes Level of Detail (LoD) Modell 2 in CityGML, einem am IGG maßgeblich entwickelten und inzwischen international etablierten Standard des OGC (Open Geospatial Consortiums) für 3D-Modelle. In dieser Form ist es offen für zahlreiche Nutzungen in einer Vielzahl von GIS-Lösungen. Durch die Analyse der Einstrahlungsverhältnisse das spezifische Solarpotenzial für jedes Gebäude auszurechnen und so fundierte Aussagen über die Wirtschaftlichkeit einer Solaranalage zu treffen ist daher nicht das einzige Anwendungsszenario von HABIS.

Das mit Mitteln des Bundswirtschaftsministeriums im Rahmen des Programms ZIM (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand) geförderte Projekt liefert gleich in mehrfacher Hinsicht Ansätze für künftige Szenarien. So ist der Schritt vom hochqualitativen und detaillierten 3D-Dachmodell einer Stadt zum echten 3D-Stadtmodell nicht sonderlich groß. Denkbar wäre dann, einzelnen Dach- und Wandflächen aufgrund von ergänzenden Informationen wie Baujahr und Material Dämm-Eigenschaften zuzuweisen und so großflächig den energetischen Sanierungsbedarf abzuschätzen. Auch könnten die mittels HABIS künftig viel leichter produzierbaren großflächigen 3D-Modelle bei der Stadt- und Verkehrsplanung Verwendung finden.

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Hans Sünkel von der TU Graz überreicht die Ehrendoktorwürde an Wolfgang Förstner. Foto: TU Graz/Frankl

Hohe Ehre für große Leistung: Die TU Graz hat Professor Wolfgang Förstner (Foto links) aus Bonn den „Doktor der technischen Wissenschaften ehrenhalber“ verliehen, um ihn als exzellenten Wissenschafter auf dem Gebiet der Photogrammetrie und Computer Vision auszuzeichnen. Überreicht wurde die Rolle von TU-Rektor Hans Sünkel (rechts), die Laudatio auf den Jubilar hielt Prof. Franz Leberl vom Institut für Maschinelles Sehen und Darstellen.

Der 1946 geborene Wissenschaftler wurde nach einem Studium der Mathematik, Geodäsie und Photogrammetrie an den Universitäten Frankfurt und Stuttgart 1990 Professor der Photogrammetrie an der Universität Bonn. Förstner hat unter seinen internationalen Kollegen den Ruf eines hervorragenden Wissenschafters mit außerordentlichen Talenten in Mathematik und Informatik. Die TU Graz würdigt Wolfgang Förstner als Brückenbauer zwischen den Disziplinen: „in Anerkennung seiner langjährigen wissenschaftlichen Verdienste bei der Verknüpfung von Photogrammetrie und Computer Vision“. Drei revolutionäre und weltweit angesehene mathematische Methoden und Erfindungen gehen auf ihn zurück, eine davon trägt sogar seinen Namen: der Förstner-Interest-Operator.

Als Interest-Operatoren werden im Bereich der Bildverarbeitung Algorithmen bezeichnet, die markante Stellen in Bildern extrahieren und gleichzeitig eine oder mehrere Kenngrößen liefern. Markante Stellen sind dabei diejenigen Punkte, die in einer begrenzten Umgebung möglichst einzigartig sind. Weitere Anforderungen sind eine bleibende Erkennbarkeit bei Bildänderungen wie geometrischen und radiometrischen Verzerrungen und die Unempfindlichkeit gegenüber Bildrauschen. Die automatisierte Auswertung z.B. von Luft- und Satellitenbildern wäre ohne Interest-Operatoren nicht möglich.

Darüber hinaus gilt Förstner auch als Pionier in der 3D-Modellierung von Gebäuden und Städten. Förstner ist Mitglied mehrerer Fachvereinigungen und bereits Träger zahlreich internationaler Auszeichnungen, unter anderem des Gino Cassinis-Award der International Society for Photogrammetry and Remote Sensing (ISPRS – Internationale Gesellschaft für Photogrammetrie und Fernerkundung) Den „Dr.h.c“ erhalten ausschließlich Personen, die „aufgrund ihrer wissenschaftlichen, wissenschaftlich-technischen, technisch-ökonomischen oder technisch-künstlerischen Leistungen in Fachkreisen hohes Ansehen genießen.

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Der UN-Campus im ehemaligen Regierungsviertel in Bonn war Tagungsort des OGC-Meetings. Foto: Stadt Bonn

Rund 200 Teilnehmer aus aller Welt kamen vom 28. Februar bis 4. März 2011 in Bonn zum Treffen des Technischen- sowie des Planungskomitees des Open Geospatial Consortiums (OGC) zusammen. Tagungsort war der UN-Campus im ehemaligen Regierungsviertel. Das Umweltprogramm der Vereinten Nationen (UNEP) war offizieller Gastgeber, unterstützt von dem in Bonn ansässigen Büro der UN-Plattform for „Space Based Information for Disaster Management and Emergency Response“ (UN-SPIDER).

Auf der Tagesordnung der wichtigsten Standardisierungsorganisation in der Geoinformation – die unter anderem ihrerseits Mitglied des World Wide Web Consortiums (W3C) – standen Diskussionen über zahlreiche technische Spezifikationen für den Datenaustausch, die sich derzeit in verschiedenen Stadien der Entwicklung und Abstimmung befinden. Dabei geht es zum Beispiel um Sensordaten aus der Fernerkundung, hydrographsiche Daten aus dem Wasserbau oder den Standard für eine georeferenzierte SMS-Nachricht (GeoSMS). In zahlreichen parallelen Arbeitsgruppen haben die Experten in Bonn in ihrem jeweiligen Aufgabengebiet dazu Vereinbarungen getroffen und die weiteren Fahrpläne für neue Spezifikationen abgestimmt.

Das OGC arbeitet seit seiner Gründung 1994 daran, den technischen Umgang mit Geodaten durch allgemeingültige Standards zu vereinfachen und vor allem den automatisierten Austausch von Daten über unterschiedliche Systemlösungen hinweg zu harmonisieren. Die Entwicklung der dazu notwendigen offenen Standards beruht auf frei verfügbaren Spezifikationen, die von abstrakten Beschreibungen des Aufbaus, der Komponenten und der Funktionsweise eines dienstebasierten GIS im Sinne des OGC bis hin zu detaillierten Spezifikationen der Implementierung der Dienste reichen. Hierbei wird jedoch nicht die konkrete Umsetzung der Software vorgeschrieben, sondern die verschiedenen Schnittstellen eines Dienstes sowie dessen Eigenschaften und Verhalten festgelegt. Der Weg zu diesen Spezifikationen läuft über einen langen Diskussionsprozess im OGC, dessen Ergebnis schließlich in einer „Spezifikation“ resultiert. Mitglieder des OGC sind Unternehmen, Universitäten und Behörden.

Aus der Region Bonn stammen die meisten deutschen Firmen, die im OGC engagiert sind, darunter CPA Systems aus Siegburg, Interactive Instruments, Metaspatial sowie lat/lon, die allesamt auch als offizielle Sponsoren des Meetings auftraten. lat/lon ist als einziges deutsches Unternehmen zudem Principal Member des OGC und bestimmt damit über die Gesamtausrichtung der Organisation mit. Weitere Principal Member sind zum Beispiel Google, Oracle und EADS Astrium. Die nächsten Treffen der im OGC engagierten technischen Experten aus aller Welt finden im Juni in Taiwan und im September in Boulder im US-Bundesstaat Colorado statt.

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Gäste der Intergeo-Preview. Von links: Dr. Jens Riecken, Prof. Dr. Klaus Greve, Jörg Amend, Dr. Andreas Müterthies, Olaf Freier, Hagen Graeff

Die Teilnehmer der fünften INTERGEO-Preview waren sich einig: Für den Umweltschutz müssen sich die Geo-Fachdisziplinen zukünftig enger mit einander vernetzen, statt sich abzugrenzen. Den Geoexperten fällt eine besondere Verantwortung zu: „Umweltinformation ist immer Geoinformation“, sagte Prof. Dr. Klaus Greve. Der Geschäftsführende Direktor des Geographischen Instituts der Universität Bonn arbeitete bei dem Treffen in Köln die Umweltinformation als eine „umweltpolitische Währung“ heraus. Er verwies in diesem Zusammenhang auf den informierten Bürger als eine spezielle Lobby, um umweltpolitische Maßnahmen durchsetzen zu können. Es gehe deshalb um die Aufgabe, die vielfältigen vorhandenen Informationen über die Umwelt zusammenzuführen und zu sach-, planungs- und politikgerechten Aussagen zu verdichten. Und dies nicht nur, um die Umwelt zu überwachen, sondern auch, um die Kommunikation über umweltrelevante Tatbestände zu unterstützen. „Dies wird auf der EnviroInfo 2010 ein großes Thema sein.“ Ein Schwerpunkt der seit 1986 vom Fachausschuss Informatik für den Umweltschutz der Gesellschaft für Informatik an wechselnden Orten im In- und Ausland veranstalteten Konferenz sei in diesem Jahr deshalb zum Beispiel das von der Europäischen Union geplante „Gemeinsame Europäische Umweltinformationssystem“ (Shared Environmental Information System – SEIS). Neben Initiativen und Projekten wie GMES (Global Monitoring for Environmental and Security) und dem Satellitennavigationssystem Galileo ist dies das wichtigste Instrument für eine grenzüberschreitende, europäisch abgestimmte Umweltpolitik.

Vor diesem Hintergrund nahm Dr. Andreas Müterthies die Europäische Initiative Global Monitoring for Environment and Security (Globale Umwelt- und Sicherheitsüberwachung, GMES) und das Europäische Satellitennavigationssystem GALILEO in den Fokus. Für 2014 kündigte der Fachmann der EFTAS Fernerkundung Technologietransfer GmbH den operationellen Status von GMES an und zeichnete ein beeindruckendes Bild von den Potenzialen der integrierten Nutzung beider Weltraumprojekte. Precision Farming in der Landwirtschaft, das die Düngemittel dort ausbringt, wo sie hingehören, exakte Sicherungsmaßnahmen von Bodenbewegungen oder punktgenaue Lenkung zur Deichsicherung waren Stichworte. „Wenn wir die Technologie zur Anwendung bringen, sie sinnvoll anwenden und sie die Nutzer sinnvoll verwenden, dann werden wir die Umwelt erfolgreich sichern“, sagte Müterthies.

Der Intergeo fällt nach Ansicht ihrer Veranstalter eine wichtige Bedeutung im Sinne einer „Connected Community“ zu. Olaf Freier, Geschäftsführer des Intergeo-Organisators Hinte GmbH, verwies auf die Besonderheit der Kongressmesse als Kommunikationsnetzwerk und bei der Moderation von Themen. Die Veranstaltung generiere rund 1,2 Millionen Fachkontakte via Kongress, Messe, Presse und Internet.

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