Technik
Licht 2 | 2021

BIM und GIS

Georeferenzen in der Außenbeleuchtungsplanung

GIS-Daten können die BIM-Planung verbessern und die Beleuchtungsplanung nicht nur im Außenbereich vereinfachen. Welche Vorteile beide Welten bieten und warum es sich lohnt, dass GIS und BIM in Zukunft näher zusammenrücken.

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Geoinformationssysteme

Nicht nur für die Außenbeleuchtung dürfte eine genaue Verortung von Straßen, Gebäuden, Masten und Flurstücken interessant sein. Quasi alle Planer haben mit dem Ort ihrer Planung zu tun und müssen diesen auch beschreiben und fixieren. In GIS geht es um Daten mit einem Ortsbezug. Das kann schon eine einfache Tabelle oder Datenbank mit Orten sein. Klingt simpel, eröffnet aber viele spannende Anwendungen und Erkenntnisse. Die digitale Disziplin GIS ist in der Geografie und Vermessungslehre zu Hause und wurde dort akribisch weiterentwickelt und immer weiter perfektioniert. Mit der Verbreitung von GPS und später auch von Online-Karten und Routingdiensten, sind Geo-Koordinaten und Geoinformationssysteme für viele Menschen vertraut und aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken.

Seit Ausbruch der Covid-19 Pandemie sehen wir alle öfter auf GIS-Daten der Neuinfektionen und Inzidenzen. Eine sehr ansehnliche Demonstration und klassische Anwendung von GIS. Eine Menge an Daten wird orts- bzw. flächenaufgelöst abgebildet und mit Falschfarben visuell aufbereitet. Geoinformationssysteme sind bei Vermessungsingenieuren, Kommunen, (Umwelt-)Wissenschaftlern, Geologen, Archäologen, Logistikern, Veranstaltungsplanern, dem Militär und allen, die mit Karten zu tun haben, eine wichtige und essenzielle Basis.

Koordinatensysteme

Viele Planer sind sehr gut vertraut mit kartesischen Koordinatensystemen aus der CAD-Welt, die auch im BIM so weiterbestehen. Also drei Achsen x, y, z, einem Ursprung und einer linearen äquidistanten Skalierung. Auch mit modifizierten (gedrehten, skalierten und verschobenen) und mehren verschachtelten Koordinatensystemen im CAD-Umfeld kommen Planer gut zurecht. Lichtplanern ist durch die LVK zusätzlich auch ein polares Koordinatensystem mit Ebenen und Winkeln in 2D und 3D geläufig.

Das CAD-Koordinatensystem ist lokal und relativ. Das GIS-Koordinatensystem ist absolut und georeferenziert. Hier gibt es viele Bezugssysteme und Arten, um eine Position zu beschrieben. Längen- und Breitengrad sowie Höhe über Null sind die gängigsten. Da die Erde kugelartig ist und die Gradangaben ein polares Koordinatensystem darstellen, ist die Umrechnung auf ein vertrautes CAD-Koordinatensystem nicht einfach und direkt möglich. Gradabstände sind an verschieden Orten unterschiedlich weit entfernt. An den Polen sind zwei Längengrade nicht so weit entfernt wie am Äquator.

Abb.: Längen- und Breitengrad System, Quelle: Wikipedia Wikipedia

Hinzu kommt, dass die Erde real nicht mathematisch rund ist. Ja, nicht einmal ellipsoid; die Erde ist ein recht unförmiges Gebilde. Da es mehrere in Anwendung befindliche Koordinatensystem gibt (Gauß-Krüger, UTM mit verschieden Bezügen u.a.), ist eine Koordinatenumrechnung ein zentrales Feature von allen GIS-Anwendungen.

Auf begrenzten kleineren Flächen, im relevanten Bereich für eine Lichtplanung, ist eine Verwendung von GIS-Koordinaten in einer CAD-Planung durchaus möglich. Wenn Längen- und Breitengrade einfach metergenau auf ein lineares Koordinatensystem aufgelöst werden, taucht ein weiteres Problem auf: die großen Zahlen der Koordinaten bzw. Zahlen mit vielen Stellen hinter dem Komma. Man ist hier im neunstelligen Bereich und es gibt kein CAD-System, das mit einer solchen Genauigkeit arbeitet. Daher fallen viele Details im Meterbereich in eine Rundung und verkleben auf einem Punkt. Oder aus einer anderen Perspektive: Kein CAD-System könnte die Welt metergenau abbilden.

Hier hilft das Referenzieren eines Punktes, welcher dann zwischen CAD und GIS eine Beziehung bildet. Der Rest des Planes bleibt im CAD-Koordinatensystem. Eine andere Methode ist das Transformieren der großen Zahlen auf kleine Zahlen und damit ein Verlassen der GIS-Welt auf einen kleineren lokalen Bereich. Man teilt einfach alle Koordinaten durch einen Faktor. Mit diesem Faktor kann man dann auch wieder von CAD- auf Geo-Koordinaten zurück transformieren.

BIM und GIS

BIM und GIS haben eines gemeinsam: Im Wesentlichen wird nur eine räumliche Position bzw. Relation aller Objekte verwaltet, transportiert und dargestellt. Die Objekte verfügen dabei über viele Eigenschaften. Auf einer Informatik-Metaebene machen beide dasselbe. BIM und GIS haben auch beide »Information« im Namen. Dann wird es auch schon dünner mit den Gemeinsamkeiten. BIM ist eher präskriptiv, also bestimmend oder planend. Und GIS eher deskriptiv, also beschreibend oder erfassend. Formate, Software-Architektur und -Anbieter, fast alles ist unterschiedlich. Auch die Größenordnungen sind auf vielen Ebenen recht unterschiedlich: Nach Anzahl der Experten und Akteure kann GIS nicht mit BIM mithalten. Auf rund 100 BIM-Experten kommt gerade einmal ein GIS-Experte. Dabei beschreibt GIS die gesamte Welt und BIM nur einzelne Bauwerke (recht detailliert).

Es macht absolut Sinn, eine Brücke zwischen beiden Informationswelten zu bauen und diese immer weiter zu verbessern. Vermutlich wird es nie eine Fusion der beiden Bereiche geben. Dafür sind sie zu spezialisiert. Aber die Datenformate, Container und Schnittstellen werden sich immer weiter angleichen. Bauen, Planen und Betreiben (BIM) waren schon immer, auch schon vor BIM, stark mit Vermessung und Geodaten (GIS) verbunden. Und nicht nur im Tiefbau. Immer auf der jeweiligen Skala und im jeweiligen Koordinatensystem. Aber mit Verbindungen und Referenzen zum anderen.

In der Vermessung gibt es ein anderes LOD-Verständnis als das im BIM gebräuchlichen: Hier gibt es den LOA, Level of Accuracy. Dieser beschreibt, wie genau vermessen wurde. Ein LOA 50 bedeutet einen Unterschied zwischen Messpunkt und realen Punkt von unter 1 mm. Bei einem LOA 30 darf der Unterschied schon 15 mm betragen.

GML ist in GIS das herstellerneutrale Modellaustauschformat, ähnlich dem IFC bei BIM. Es ist ebenfalls normiert (ISO 19136) und frei verwendbar. In GML sind Positionen mit Objekten (Features genannt), Zeit, Einheit, Koordinatensystem und sogar dynamische Objekte in einer XML-Struktur transportierbar. Von GML gibt es verschiedene Derivate und Profile. Seit IFC4 ist mit den Elementen IfcMapConversion und IfcProjectedCRS eine gute Georeferenzierung mit IFC technisch möglich. Mit diesen Elementen ist ein Referenzieren einer Position des Gebäudemodells theoretisch gut möglich. Wenn auch leider noch nicht durchgängige Praxis.

Abb.: IFC4 Elemente zur Georeferenzierung, Quelle: Prof. Dr. Christian Clemen, www.dd-bim.org Prof. Dr. Christian Clemen

In Revit kann man, wie auch schon im AutoCAD, mittels Vermessungspunkten eine Georeferenzierung herstellen und so das Bauwerk verorten. Mittels PlugIns und GML-Dateien (CityGML) können ganze Städte im Revit dargestellt und ordentlich Georeferenziert werden.

Abb.: City2BIM Revit PlugIn, Quelle: Prof. Dr. Christian Clemen, www.dd-bim.org Prof. Dr. Christian Clemen

Normung

Die noch im Entwurf befindliche Norm ISO/DTR 23262 »GIS (Geospatial) / BIM interoperability« beschäftigt sich explizit mit einer GIS-BIM-Brücke. Hier sitzen seit 2018 Experten aus GIS und BIM in einer Joint Working Group auf ISO-Ebene zusammen und stellen Verbindungen zueinander her. Die ISO-Gruppe hält dabei enge Beziehungen zu den Vornormierungs-Organisationen buildingSMART und OGC.

In dem technischen Report werden die Semantik und die Geometrie zwischen den beiden Bereichen gemappt. Dies allerdings auf einer Metaperspektive ohne konkrete Anwendung für einen Planer. Im Wesentlichen werden hier beide Welten beschrieben und Verbindungen zwischen Begriffen und den jeweiligen spezifischen Normen hergestellt.

In der Norm wird auch eine weitere LOD-Form beschrieben: Level of Georeferencing (LoGeoRef). Das Spektrum reicht von LoGeoRef 10, welcher nur die Postadresse im BIM kennzeichnet bis zur LoGeoRef 50, der eine genaue Vermessung im BIM-Modell ausweist. Da derzeit nur ein Entwurf vorliegt, kann sich der Inhalt noch ändern. Auch wenn ein technischer Report schneller fertiggestellt und veröffentlicht werden kann als eine normale ISO-Norm, wird es vermutlich noch ein Jahr bis zu einer Veröffentlichung dauern.

Beleuchtung und GIS

Auch der Tiefbau kann von allen BIM-Vorteilen profitieren und vollzieht genauso wie der Hochbau eine digitale Weiterentwicklung. In Deutschland ist der Tiefbau dem Hochbau sogar etwas voraus. Die Deutsche Bahn hat schon 2016 mit einem Umbau zu BIM begonnen und ist damit in Deutschland einer der BIM-Pioniere. Grund war, dass das damalige Ministerium für digitale Infrastruktur, das BIM förderte, auch für Verkehr zuständig war und damit auch quasi Deutsche Bahn-Eigentümer.

Nicht nur bei Gleisfeldbeleuchtungsplanungen, sondern bei auch allen anderen Außenbeleuchtungsplanungen ist es sinnvoll, sich neben den CAD-Koordinaten auch mit Georeferenzen zu beschäftigen und diese mit in der Planung festzuhalten. Eine komplette Planung in einem Gauß-Krüger- oder UTM-Koordinatensystem ist nicht zu empfehlen und überfordert ein CAD- oder BIM-System.

Außenbeleuchtung ist generell in allen BIM-Systemen machbar. In BIM geht es um Bauwerke, nicht nur um Gebäude (im Deutschen können wir »Building« noch genauer differenzieren). Tunnel, Straßen, Gleise, Wasserwege etc. sind auch Bauwerke. Das IFC-Format hat in den letzten beiden Jahren sehr viel mehr Infrastruktur-Elemente erhalten. Die Leuchten-Beschreibung im IFC ist für Innen und Außen die gleiche und hat mit 48 Merkmalen und einer kompletten LVK-Definition auch eine relativ gute Repräsentanz. Auch im Revit lässt sich Infrastruktur mit Leuchten planen und modellieren. Selbst wenn es bessere spezialisierte Software für diesen Anwendungsbereich gibt.

Abb.: FlatBeam filed tests, Greece, Quelle: Dr. Costis Bouroussis, draft v1.0, mit Revit Dr. Costis Bouroussis

In Lichtplanungsprogrammen sind GIS-Daten eine gängige Praxis. Schon vor Google Maps haben Planer Luftbilder oder Karten als Hintergrund genutzt, um Straßenzüge, Gleisfelder, Stadien oder große Hallen zu modellieren. Dabei war die richtige Skalierung etwas abenteuerlich; meist aber zweckmäßig und ausreichend genau. Seit 2020 gibt es in RELUX auch eine direkte Verknüpfung zu GIS-Daten. Anwender können einfach einen Ort, eine Adresse oder Längen- und Breitegrade eingeben und einen referenzierten und bemaßten Kartenausschritt als Hintergrund nutzen.

Abb.: RELUX mit Geolokalisierung RELUX

Einen Schritt weiter gedacht ist eine stärkere Kombination und Durchdringung von GIS und Beleuchtung. Auf Grundlage eines GIS-Systems können Masten und Lichtpunkte mit all ihren Eigenschaften und Wartungsständen etc. verwaltet werden. Das ist heute nichts außengewöhnliches mehr. Ein weiterer Anwendungsfall von GIS in der Beleuchtung ist das Verwalten und Archivieren von lichttechnischen Berechnungs- und Messwerten mit Ortsbezug.

Das Sammeln und Darstellen von dynamischen Zuständen und das Steuern in Echtzeit in GIS über IoT ist noch neu, aber technisch bereits möglich. Gerade das Zusammenspiel mit Echtzeit-Sensordaten und einer Steuerung lassen ein Geoinformationssystem zu einem effektiven und dynamischen Lichtmanagementsystem anwachsen. An dieser Stelle kommen BIM und GIS wieder als IoT-Informations-Senke bzw. Verortungsgerüst zusammen. In diesem Punkt ist GIS ein Stückchen weiter als BIM. In GIS ist dynamisches und sensorbasiertes Lichtmanagement möglich. Ein Lichtmanagement in einer BIM-Umgebung ist technisch ebenfalls machbar, aber heute noch nicht auf dem Markt verfügbar. Vielleicht liegt es an den langen Distanzen zwischen den Leuchten und der Steuerung oder dem relativ kleinen Expertenkreis im Außenbereich, dass man hier schon weiter ist.

Weitere Informationen:

Text: Robert Heinze, Relux, www.relux.com

Abbildungen: sofern nicht anders angegeben RELUX

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