tech-talk#60: Autopsie in 3d

31 Okt 2011
Erstellt von Christian Naujoks

Technische Nachweise: Controlling zur hydrodynamisch-numerischen Modellierung

Effiziente Planung in der Wasserwirtschaft ist ohne IT-Unterstützung nicht mehr denkbar. Inzwischen gibt es kaum noch eine Planungsaufgabe, zu der nicht ein Simulationsmodell eingesetzt wird. Die hohe Leistungsfähigkeit der Computersysteme, die Verfügbarkeit benutzerfreundlicher Modellsoftware, die digitale Messdatenerfassung und die zunehmende Komplexität der Planungsaufgaben haben die breite Anwendung von Modellen erheblich begünstigt.

Ob in der Hochwasservorsorge, zu Gütefragen im Gewässer, in der Abwassertechnik oder in der Grundwasserbewirtschaftung – die Modellunterstützung gehört zur Planung selbstverständlich dazu. Ein gelungenes Qualitätsmanagement für digitale Planungsprozesse entscheidet sich in der Frage nach Fehlerfreiheit und Präzision der Abbildung relevanter Prozesse aus der Natur in dem Modell. Diese Abbildungsqualität steht wesentlich im Zusammenhang mit der Güte der Eingangsdaten und der Kompetenz des Modellierers. Unentdeckte Fehler in frühen Arbeitsphasen haben zwangsläufig weitreichende Auswirkungen in der Funktionsfähigkeit geplanter Prozesse.

Eine moderne Verwaltung mit straff ausgelegter Budgetierung benötigt moderne Verfahren der Informationsunterstützung. Dazu bedarf es nicht immer neuer Software, denn schließlich gibt es seit Jahren etablierte, gute Lösungen. Allerdings ist es gerade die Vielfältigkeit einer möglichen Unterstützung, die den Akteuren bei der Auswahl geeigneter Instrumente das Leben schwer macht. Das Angebot reicht von der einfachen Tabellenkalkulation bis zur hoch spezialisierten Fachsoftware. Insbesondere das Flussgebietsmanagement mit räumlich sehr großen Planungseinheiten bedingt den Einsatz hoch effizienter Methoden, um den Projektdatenbestand im Griff zu behalten.

In der Verwaltung von topografischen Daten haben Geografische Informationssysteme ihren festen Platz. GIS-Werkzeuge dienen nicht einzig der Dateneinpflege und der kartografischen Darstellung. Zusätzlich lassen sich die Datenbestände für weitere Aufgaben nutzen. Auch die Berechnungsnetze für die HN-Simulationen lassen sich im GIS bearbeiten und für dreidimensionale Darstellungen vorhalten. Ein Beispiel für ein seit mehr als einem Jahrzehnt altbewährtes GIS für die Datenverarbeitung ist das ESRI Produkt ArcView 3.x mit einer modularen Erweiterung, dem Spatial Analyst. Mit dieser Software ist ein direkter VRML-Export möglich, um mit leistungsstarken Grafik-Engines Topografien in Echtzeit zu betrachten. VRML steht für Virtual Reality Modeling Language und ist eine webfähige Beschreibungssprache für 3D-Szenen. Die Geometrien lassen sich mit Effekten zur Ausleuchtungen, Animationen und Interaktionsmöglichkeiten inklusive platzierter Ton-, Bild- oder Videoquellen in der virtuellen Umgebung erweitern. Eine modernere Variante zu VRML ist das X3D Format, welches dem XML Standard folgt. Mit einem geeigneten Browser-Plugin, wie z. B. das der Münchner Firma Bitmanagement GmbH mit dem 3D-Echtzeitrenderer BS Contact, lassen sich die Flusslandschaften mit Überschwemmungsflächen über das Web betrachten. Ähnlich zu Google Earth werden virtuelle Landschaften dargestellt - allerdings mit der wesentlich höheren räumlichen Auflösung der HN-Modelle. Die Autopsie raumbezogener Projektdaten, insbesondere die von Geodaten, hat einen festen Platz in der Analyse von Strömungsvorgängen in offenen Fließgewässern eingenommen.

Die digitale Begehung des Strömungsmodells mit der topologischen Abbildung der Flussaue gibt einen räumlichen Eindruck von dem Detaillierungsgrad der Geländeoberfläche, auf deren Basis die numerischen Berechnungen erfolgen. Von unschätzbarem Vorteil ist die Betrachtung des Geländes aus einer Perspektive mit menschlichem Maßstab. Das Durchwandern der Landschaft mit Augen eines Avatars – das ist das Dependent des Menschen als Wanderer durch die Flusslandschaft im digitalen Modell – lassen geometrisch falsche Messungen oder degenerierte Simulationen förmlich ins Auge springen. Solche 3D-Situ-Begehungen sind eine obligatorische Prüfinstanz für Modellierer wie auch für ein effizientes Qualitätsmanagement.

Die Aufstellung zweidimensionaler HN-Modelle ist ein umfassender und komplexer Prozess, zu dem verschiedenste Expertengruppen und Fachabteilungen beitragen. Die Disziplinen reichen von der luft- und bodengestützten Vermessung, der Hydrologie und Hydraulik bis hin zur Biologie und Chemie. An der Zulieferung, Verwaltung, Bearbeitung und Anwendung der Projektdaten und -ergebnisse haben weite Kreise Anteil: Gewässerverwaltung und Unterhaltung bei Verbänden und öffentlichen Einrichtungen. Integriert in der Umsetzung der vielfältigen Aufgaben sind technische Abteilungen und Ingenieurbüros. Eine Schlüsselstellung im Qualitätsmanagement nimmt die Visualisierung ein, um in einem interdisziplinären Prozess allen Projektbeteiligten ein einheitliches Gesamtbild über die zusammengetragenen Daten und deren Raumbezug zur Umwelt zu vermitteln.

Das IB Namotec in Berlin ist auf die Prüfung und Zertifizierung großer Strömungsmodelle spezialisiert. Jahrzehntelange Erfahrung in der Anwendung mit hydraulischen Modellen ist der Fundus, um die immer komplexeren Aufgaben in der Modelltechnik durch geeignet Instrumentarien transparent zu gestallten. Eine Spezialität der ingenieurtechnischen Dienstleistung ist die Visualisierung des Standardformates der Berechnungsnetze, die mit dem Experten-Tool Surface Water Modeling System (SMS) erstellt werden. Das SMS Geo-Format ist das weltweit führende Austauschformat für die 2D HN-Modellierung. Die Umsetzung der Geodaten in ein webfähiges X3D-Format ist eine anschauliche Demonstration des gemeinsam erstellten Projektdatenbestandes. Über den Zugriff eines Web-Browsers können sich alle Projektbeteiligten einen Überblick über die Qualität des hydraulischen Modells verschaffen. Je nach Aufgabenstellung werden zusätzlich Raumobjekte in die 3D-Landschaft integriert, z.B. Fluchtstäbe mit Höhenangaben zum Vergleich der geodätisch aufgenommenen Geländehöhe mit dem digitalen HN‑Berechnungsnetz.

Auch zukünftig werden wir den Einsatz und die Weiterentwicklung von Modellen für die Wasserwirtschaft vorantreiben. Teilen Sie mit uns Ihre Erfahrungen und beschreiten Sie gemeinsam mit dem IB Namotec neue Wege - schauen Sie sich doch einmal in Ruhe um.