Digital geoTwin Vienna: Towards a Digital Twin City as Geodata Hub

Abstract

Virtual 3D city models usually evolved from other geodata sets and were not set up from scratch. As traditional geodata used to be only 2D and 2.5D for a long time, 3D city models started naturally with 3D building models. On the one hand, this has a technical aspect, because buildings, especially when being modelled in a higher level of detail, can neither be described in 2D nor in 2.5D. On the other hand, this is because buildings form the identity of a city. This can clearly be seen when looking at the sights of a city, which are usually historic or modern buildings, such as cathedrals, palaces, skyscrapers, etc. In many cases, the 3D building models themselves were called 3D city model, because they are so essential for a virtual 3D city. A common way to create a 3D city model beyond the buildings is to combine them with 2D (i.e. city map) and 2.5D (i.e. digital terrain model) GIS data sets. In case the models are used for visualization purposes only, the city map is normally used in a raster format as texture on the terrain model. In case semantic 3D models are aimed for in order to use them for analysis, 2D city map vector data are raised, e.g. to a terrain model or a 3D point cloud. Continuative steps to enrich the virtual scene are often adding 3D bridge models or vegetation created by a set of template tree models and point-based tree information with height and tree top diameter as attributes to the point information. Problems usually occur due to temporal incoherence of the data sets. While for visualization purposes, these problems might be neglectable, they have to be tackled in case the resulting 3D city model should serve as basis for a city information model. In this paper, we want to discuss a new strategy in producing the 3D city model as well as other geodata products of Vienna which completely rethinks and reverses the geodata workflows currently in use. The centre of the strategy is to use the existing three-dimensional surveying and mapping data and potentially further input data to directly model a Digital geoTwin—a virtual, semantic 3D replica of all elements and objects of the city. Digital twins are an upcoming concept of digitizing elements, processes and systems of physical entities in order to create living digital simulation models as collaborative platform for many disciplines. We chose to add the prefix geo to our neologism Digital geoTwin to emphasize our focus on the geodetic, geometric aspect of creating semantic geo-objects for a digital twin. This Digital geoTwin should allow to derive other needed GIS data sets from it, which in corollary ensure full temporal coherence for all derived products. By linking the objects of the Digital geoTwin with further data and information, e.g. census data, socio economic data, energy consumption data, maintenance management data, etc., a city information model can be built up to serve as basis for a living digital twin of Vienna.

Zusammenfassung

Digitaler geoZwilling Wien: Auf dem Weg zu einem digitalen Zwilling der Stadt als Geodaten-Hub. Virtuelle 3D-Stadtmodelle sind in der Regel aus bestehenden Geodatensätzen entstanden und wurden nicht von Grund auf neu erstellt. Traditionelle Geodaten existierten für lange Zeit nur als 2D-oder 2,5D-Daten. Der Aufbau von 3D-Stadtmodellen begann daher naturgemäß mit 3D-Gebäudemodellen. Das hatte einerseits technische Gründe, da Gebäude, insbesondere, wenn sie in einem höheren Detaillierungsgrad modelliert werden, weder in 2D noch in 2,5D beschrieben werden können. Andererseits bilden die Gebäude die "Identität" einer Stadt. Dies ist deutlich daran zu erkennen, dass die Sehenswürdigkeiten einer Stadt meist historische oder moderne Gebäude, wie z.B. Kathedralen, Paläste oder Wolkenkratzer, sind. In vielen Fällen wurden die 3D-Gebäudemodelle selbst als 3D-Stadtmodell bezeichnet, weil sie für eine virtuelle 3D-Darstellung einer Stadt so wichtig sind. Ein üblicher Weg zur Erstellung eines 3D-Stadtmodells, das nicht nur Gebäude enthält, ist die Kombination mit 2D-oder 2,5D-GIS-Datensätzen, d.h. mit einem Stadtplan und einem digitalen Geländemodell. Für reine Visualisierungsanwendungen wird der Stadtplan normalerweise als Textur dem Geländemodell überlagert. Falls semantische 3D-Modelle für Analysen erforderlich sind, werden die Vektordaten eines 2D-Stadtplans z.B. auf ein Geländemodell oder eine 3D-Punktwolke angehoben. Zur Bereicherung der virtuellen Szene kommen oft 3D-Brückenmodelle und Vegetation hinzu. Letztere wird aus einem Katalog vorbereiteter Baummodelle in Verknüpfung mit Position und Attributen wie Höhe und Kronendurchmesser abgeleitet. Probleme treten oft wegen zeitlicher Inkohärenz, d.h. unterschiedlicher Aktualitätsstände der beteiligten Datensätze auf. Während diese Probleme bei Visualisierungsanwendungen möglicherweise vernachlässigbar sind, müssen sie im Falle der Verwendung als Stadtinformationsmodell beseitigt werden.

In diesem Beitrag stellen wir eine neue Strategie zur Erstellung des 3D-Stadtmodells sowie anderer Geodatenprodukte von Wien vor. Für die Strategie werden die aktuellen Geodaten Workflows komplett neu überdacht und umgekehrt. Im Mittelpunkt der Strategie steht die Nutzung der vorhandenen dreidimensionalen Vermessungs- und Kartierungsdaten sowie potenziell weitere Datenquellen zur direkten Modellierung eines Digitalen geoZwillings – einer virtuellen semantischen 3D-Kopie aller Objekte der Stadt. Digitale Zwillinge sind ein aufstrebendes Konzept zur Digitalisierung von physikalisch vorhandenen Objekten, Prozessen und Systemen für die Erstellung von dynamischen digitalen Simulationsmodellen als gemeinsame Plattform für viele Fachanwendungen. Wir haben uns entschieden, das Präfix geo für unseren Neologismus Digitaler geoZwilling zu verwenden, um den geodätischen und geometrischen Aspekt der Erstellung von semantischen Geo-Objekten für unseren digitalen Zwilling zu betonen. Dieser Digitale geoZwilling soll es ermöglichen, andere erforderliche GIS-Datensätze aus ihm abzuleiten und so deren zeitliche Kohärenz zu garantieren. Durch die Verknüpfung der Objekte des Digitalen geoZwillings mit weiteren Daten und Informationen, z.B. Volkszählung, sozioökonomischen Daten, Energieverbrauch und Instandhaltungsmanagement, entsteht ein Stadtinformationsmodell als Grundlage eines "lebenden" digitalen Zwillings von Wien.