Deutschlands digitaler Zwilling Gebäude

Das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) erstellt einen digitalen Zwilling Deutschlands, mit dem unterschiedliche Zukunftsszenarien simuliert werden können, um gesellschaftlichen Herausforderungen wie zunehmendem Flächenverbrauch, steigendem Energiebedarf und Unwetter angemessen zu begegnen. Dieses digitale Abbild Deutschlands wird als intelligente 3D-Welt aufgebaut, die alle wesentlichen Geoobjekte enthält und eine ganzheitliche Planung zusammenhängender Prozesse auf Basis einer gemeinsamen Datengrundlage ermöglicht. Dies soll eine schnellere, fundiertere und zuverlässigere Entscheidungsfindung unterstützen.

Digitale Zwillinge sind seit jeher ein zuverlässiges Werkzeug in der industriellen Produktion, um ganze Prozesse umzukehren. Alle relevanten Aspekte, Funktionen und Eigenschaften eines Objekts oder Herstellungsprozesses werden bei der Modellierung berücksichtigt, um die Simulation oder Überwachung von Alternativen als Grundlage für schnellere, fundiertere und zuverlässigere Entscheidungen zu ermöglichen. Die Übertragung dieses Konzepts auf einen größeren geografischen Bereich, beispielsweise ein ganzes Land, bringt Herausforderungen mit sich, die von der technologischen Skalierung und Modellierung bis hin zum Informationsmanagement und der Datenintegration reichen. Die jüngsten Fortschritte in der Informationstechnologie – wie die Erhöhung der Verarbeitungsfähigkeiten durch Cloud Computing und künstliche Intelligenz sowie verbesserte Scantechniken und -methoden, die eine präzise Lidar-Erfassung in großem Maßstab ermöglichen – bringen die Aussicht auf einen landesweiten digitalen Zwilling jedoch in greifbare Nähe und Erweitern Sie das Potenzial von Huge ungenutzt.

Informationen, Erkenntnisse, Wirkung

Zunehmender Flächenverbrauch, steigender Energiebedarf, begrenzte natürliche Ressourcen, soziodemografische Veränderungen und extreme Wetterereignisse sind nur einige der Herausforderungen, denen sich aktuelle und zukünftige Regierungen gegenübersehen. Die Ursachen und Auswirkungen dieser Probleme überschneiden sich häufig. Um sie effektiv verarbeiten zu können, bedarf es datenbasierter Methoden. Ein umfassender, domänenübergreifender Ansatz bietet die Möglichkeit, ihre Wechselbeziehungen zu berechnen und zusätzliche Einblicke zu liefern. Eine explizite und räumlich umfassende gemeinsame Datenbasis ist daher fester Bestandteil einer wachsenden Zahl von Entscheidungen in den Ministerien. Oft sind die Lösungen für diese Probleme nicht binär, sondern beinhalten eine Kombination aus Alternativen und Minderungsmaßnahmen. Um die Auswirkungen unterschiedlicher politischer Entscheidungen vergleichen zu können, ist eine gemeinsame Datenbasis und ein gemeinsamer Rahmen entscheidend – und genau das will die Plattform „Digitaler Zwilling Deutschland“ bieten.

Warum ist LiDAR wichtig?

Welches Potenzial bergen diese Daten? Genaue topografische Informationen werden bereits für unzählige wissenschaftliche Projekte, Machbarkeitsstudien, Planungsbewertungen und mehr verwendet. Wenn es um Geodaten geht, sind keine Grenzen gesetzt. Bestehende Projekte reichen von soliden hydrologischen Modellen zur Simulation von Sturzfluten aufgrund von Starkregen bis hin zu Stadtklimaanalysen, die Informationen über die Höhe von Gebäuden benötigen, um Luftströmungen zu modellieren. Breitband-Lidar, wie z. B. Einzelphotonen- oder Geigermodus-Lidar, ist eine genaue Methode zum Sammeln von Daten zur Kronenhöhe und Baumdichte in einem Wald. Die Daten können dann in biogeochemischen Modellen verwendet werden, um die Kohlenstoffbindung abzuschätzen. Lidar-Daten können auch bestehende Anwendungen wie Fernerkundungsdaten skalieren.

Die Plattform „Digitaler Zwilling Deutschland“ beinhaltet die konsistente Erfassung von Daten für das gesamte Land/Bundesgebiet in nie dagewesener Detailtiefe, so dass zusammenhängende Probleme sichtbarer und einfacher für Akteure innerhalb von Regierungen und anderen Interessengruppen zielgerichtet werden können. Die Verbesserung der Daten- und Höhengenauigkeit wird auch bestehende Lösungen verbessern und neue Möglichkeiten eröffnen.

Machen Sie Sinn aus 3D-Daten

Ein hochauflösendes 3D-Modell, das mit modernster Airborne-Laserscanning-Technologie erfasst wird, bildet die Grundlage des Digitalen Zwillings Deutschland. Um ein Gebiet so groß wie Deutschland rechtzeitig zu erfassen, reichen traditionelle Lidar-Methoden nicht aus. Alternativ sind moderne Erfassungstechniken wie Geiger-Mode-Lidar (GmL) oder Single-Photon-Lidar (SPL) erforderlich. Diese Systeme bieten ein ausgewogenes Verhältnis zwischen großflächiger Abdeckung und Beibehaltung der hohen Auflösung, die für eine schnelle und effiziente Vermessung von Strukturmerkmalen im ganzen Land erforderlich ist. Diese beiden Methoden basieren wie traditionelles oder lineares Lidar auf dem Laufzeitmessverfahren: der Laufzeitdifferenz zwischen dem ausgesendeten Laserpuls und dem reflektierten Echo-Erkennungseffekt.

Beide Verfahren ermöglichen die Erfassung ganzer Objekte mit hoher Punktdichte. Die beiden Methoden unterscheiden sich jedoch in den verwendeten Wellenlängen; SPL verwendet Wellenlängen im grünen Spektrum. Dieser Laser wird unter Verwendung eines optischen Beugungselements in ein 10×10-Array von Strahlen unterteilt (siehe Abbildung 2).

Um eine Höhenauflösung besser als 10 cm zu erreichen, wurde die Punktdichte des Digitalen Zwillings Deutschland mit 40ppm² vorgeschlagen (siehe Abb. 3). Diese Auflösung ermöglicht es, Objekte zuverlässig zu erkennen und ein realistisches Spiegelbild zu erstellen, das sogar Büsche unter Baumkronen einschließen kann. Alle drei Jahre wird das gesamte Areal saniert. Dies unterstützt nicht nur eine genaue und konsistente Messung und Simulation, sondern auch eine Kovariatenanalyse.

Die Genauigkeit und der Umfang des digitalen Zwillings sind derzeit in Deutschland einzigartig. Die Datenqualität wird weiter verbessert, indem Satellitendaten und Echtzeitdaten hinzugefügt werden, die durch künstliche Intelligenz (KI) erleichtert werden. Durch den Einsatz von KI können Objekte automatisch aus Rohdaten erkannt, kategorisiert und für spätere Analysen zur Verfügung gestellt werden.

Expertendaten mTasche der Unterschied

In einem zweiten Schritt wird der Basisdatensatz mit verschiedenen Ebenen von Experteninformationen angereichert, darunter beispielsweise Informationen zu Klima, Infrastruktur, Landwirtschaft, Verkehr und Satellitenbildern. Diese zusätzlichen Informationen werden der virtuellen 3D-Welt überlagert. Zusammen mit anderen fortschrittlichen digitalen Technologien und Methoden, wie dem Internet der Dinge (IoT), künstlicher Intelligenz, Cloud Computing, Big Data Analytics und modernen Visualisierungstechnologien, eröffnen sich immer mehr Möglichkeiten im Geoinformationssektor. Das Ergebnis wird ein hochkomplexes, konsistentes und dynamisches Modell für Deutschland sein, das möglichst viele Daten der Bundesverwaltung enthält. Da das BKG der Hauptanbieter der Geodateninfrastruktur des Bundes ist, verfügt es über eine große Menge an landesweiten Geodaten. All diese Daten bilden den Ausgangspunkt für den Aufbau des digitalen Zwillings Deutschlands. Damit allen Nutzern vergleichbare und interoperable Daten zur Verfügung stehen, werden die Daten kontinuierlich im gesamten Bundesgebiet erhoben und regelmäßig aktualisiert.

Hamburger Stadtbefragung

Derzeit läuft beim BKG ein Pilotprojekt, um die Machbarkeit dieser Vision zu testen. In einem gemeinsamen Projekt mit dem Landesamt für Geoinformation und Vermessung der Freien und Hansestadt Hamburg und der Metropolregion Hamburg werden Anwendungen getestet, Daten validiert sowie Techniken und Methoden erforscht. Dafür wurde ein großes Gebiet des Hamburger Großraums von Hexagon mit einem vermessen Leica SPL100. Ziel ist es, Erfahrungen in der Datenverarbeitung zu sammeln und alle Aspekte des Digital-Twin-Prozesses kennenzulernen, von der Datenerfassung über das Datenmanagement bis hin zur Analyse. Das Pilotprojekt soll im Frühjahr 2022 enden. Die gewonnenen Erkenntnisse werden an das Hauptprojekt selbst angepasst, das die vollständige Übernahme der Bundesrepublik Deutschland zum Ziel hat und 2023 starten soll.

Nicht nur eine technische Lösung

Wie bereits erwähnt, geht Digital Twin Germany weit über die Architektur des 3D-Modells hinaus. Darüber hinaus ist es das Ziel, Kommunikationskanäle und Netzwerke für Akteure auf Bundes- und Landesebene zu entwickeln und zu etablieren. Im Allgemeinen soll es politischen Entscheidungsträgern und Entscheidungsträgern ermöglichen, bestimmte Bedingungen und Testszenarien zu beobachten. Es können Vorhersagen darüber gemacht werden, wie das System auf Änderungen und Modifikationen reagieren wird. Dadurch entstehen neue Entscheidungshilfen, mit denen Beschäftigte im öffentlichen Dienst ihre Aufgaben optimal bewältigen können. Eine der interessanten Anwendungen der Bundesverwaltung ist beispielsweise das bundesweite Umweltmonitoring. Von besonderem Interesse sind Details zu Präzisionslandwirtschaft, Wassermanagement, Luftverschmutzung und Klimawandel. Potenzial gibt es auch in Richtung Smart Cities, wo digitale Zwillinge Stadtverwaltungen dabei unterstützen, ihre Aufgaben umwelt-, wirtschafts- und sozialverträglicher zu erfüllen. Sie können verwendet werden, um Zukunftspläne zu visualisieren und Lösungen für die komplexen Probleme zu testen, mit denen Städte konfrontiert sind. Weitere Anwendungen sind Raumplanung unter Berücksichtigung des Klimawandels, Überwachung und Modellierung von Ökosystemen, Simulation des Meeresspiegelanstiegs in Nord- und Ostsee, Überwachung des Waldzustands sowie klassische Anwendungsgebiete der Veränderungsanalyse.

Interoperabilität: Schnittstellen zu anderen digitalen Zwillingen

Der Digital Twin Germany ist ein wesentlicher Baustein auf dem Weg Deutschlands zum Smart Country. Die Europäische Kommission (EC) hat das Potenzial digitaler Zwillinge erkannt und plant, innerhalb des nächsten Jahrzehnts eine digitale Nachbildung der Erde zu erstellen. Die Initiative „Destination Earth“ baut auf den Programmen „Green Deal“ und „Digital Transformation“ der Europäischen Kommission auf. Auf lokaler Ebene laufen mehrere duale Digitalinitiativen für Städte und Gemeinden. Das BKG will sich mit seinen Bemühungen in der Lücke zwischen internationalen und lokalen Initiativen positionieren. Daher sind die Interoperabilität von Diensten und Daten sowie der Austausch von Wissen, Daten und Tools entscheidende Schritte, um das volle Potenzial nicht nur eines Projekts, sondern all dieser Projekte auszuschöpfen.

Fazit

Als Vorreiter bei der Umsetzung der neuesten Entwicklungen in Lidar spielt das BKG eine wichtige Rolle bei der Unterstützung Deutschlands auf seinem Weg zu einem intelligenten Land, das darauf abzielt, schneller bessere Entscheidungen zu treffen.

Dank und Anerkennung

Das BKG dankt Hexagon für die Daten zum Pilotprojekt sowie für die Bereitstellung von Bildern und Zahlen für diesen Beitrag.