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Historische 3D-Stadtmodelle

Das Amt für Städtebau erarbeitet im Rahmen eines wissenschaftstechnischen Pionierprojektes bis Ende 2024 eine Reihe digitaler 3D-Stadtmodelle. Am 3. März 2022 wurden die ersten zwei Zeitschnitte veröffentlicht: Sie zeigen Zürichs Pfahlbauten des Neolithikums (um 3000 v. Chr.) sowie die neuzeitliche Stadt um das Jahr 1800.

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Bild: Aus dem 3D-Modell, Zürich um 1800

Eine Pionierarbeit aus dem Amt für Städtebau: Digitale 3D-Stadtmodelle zur Vergangenheit Zürichs

In diesen 3D-Stadtmodellen lässt sich das historische Zürich zu unterschiedlichen Zeitpunkten betrachten. Das in seiner Detaillierung und Umfang einzigartige Projekt resultiert in einem für die Öffentlichkeit frei zugänglichen Produkt, das zur Auseinandersetzung mit der historischen Stadt anregen soll.

Adressiert sind u.a. auch die Tourismusbranche, Game-Entwickler, die Forschung und selbstverständlich das Schulwesen – welche nun auf wissenschaftlich präzise Grundlagen in sehr anschaulicher Formzurückgreifen können. Gleichzeitig entfalten die 3D-Stadtmodelle verwaltungsintern Wirkung als Kommunikations- und Informationsmittel bei Planungs- und Baubewilligungsprozessen.

Das Projekt hatte 2020 im Rahmen eines Wettbewerbes einen Innovationskredit von Smart City Zürich gewonnen. Die öffentlich zugänglichen digitalen Darstellungen aus verschiedensten Zeitepochen werden in die kürzlich veröffentlichte Applikation «Zürich 4D» integriert.

Zu den historischen 3D-Stadtmodellen

Die technische Umsetzung orientiert sich an den heute etablierten Standards, was ein Zusammenspiel mit aktuellen Geodatensätzen garantiert. Die historischen 3D-Stadtmodelle werden mit ihrer Veröffentlichung auf Zürich 4D freigeschaltet und können direkt erkundet werden. Die total sechs Zeitschnitte erweitern so den bestehenden Digitalen Zwilling, das räumliche, digitale Abbild der Stadt Zürich. Sie fügen sich ein in die bestehende 3D-Geodatenbasis und steuern zudem wertvolle historische 2D-Geodaten bei, welche für unterschiedlichste Analysen, Simulationen und Visualisierungen verwendet werden können.

Die im Amt für Städtebau erarbeiteten Grundlagen stehen als Open Government Data für versierte NutzerInnen zum Download zur Verfügung.

Archäologie: Kulturerbe vermitteln – neuste Erkenntnisse sichtbar machen

Zu Recht gelten historische Lebensbilder als wichtiges Instrument zur Sichtbarmachung und Vermittlung archäologischer Erkenntnisse. Mit der Ratifizierung zweier wegweisender Europäischer Übereinkommen zum Kulturerbe hat sich die Schweiz zudem unlängst verpflichtet, dem Aspekt der Teilhabe und Vermittlung angemessen Bedeutung zuzustehen.

In früheren Zeiten behielten solche historischen Illustrationen über Jahrzehnte ihre Gültigkeit. Die Halbwertszeit solcher Bilder ist heutzutage stark verkürzt: Die gegenwärtig hohe Baudynamik löst viele Bodeneingriffe aus, welche das archäologische Wissen teils sprunghaft anwachsen lassen. Dieser Herausforderung kann mit den neuen digitalen 3D-Stadtmodellen begegnet werden – sie sind jederzeit und mit minimalem Aufwand aktualisierbar.

Die ersten zwei 3D-Stadtmodelle

Den Auftakt machen zwei Zeitschnitte die rund 5'000 Jahre auseinanderliegen. Es handelt sich um eine Ansicht unseres Siedlungsraumes zur Zeit der Pfahlbauten des Neolithikums (um 3000 v. Chr.) und um ein Stadtmodell des neuzeitlichen Zürich um das Jahr 1800.

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Zürich um 3000 v. Chr. visualisiert basierend auf den erarbeiteten 3D-Stadtmodelldaten

Die Besiedlung Zürichs zur Zeit der jungsteinzeitlichen Seeufersiedlungen im ausgehenden 4. Jt. v.Chr. ist von kurzlebigen Dörfern geprägt, die ihre Standorte oft um wenige Hundert Meter am Ufer verlagerten. Teils standen sogar mehrere in Sichtweite voneinander. Das Kapital der Menschen war die intensiv gestaltete Kulturlandschaft mit Obsthainen, zyklisch intensiv genutzten Baumbeständen, Hecken, Feldern, Brachen und den zur Laubheugewinnung geschneitelten Bäumen. 

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Zürich um 1800 visualisiert basierend auf den erarbeiteten 3D-Stadtmodelldaten

Die Stadt Zürich ist um 1800 geprägt von der barocken Befestigung, die sich sternförmig um den mittelalterlichen Stadtkern und dessen Mauern legt. Die Fraumünsterabtei und die übrigen Klöster der Stadt sind als Gebäudekomplexe noch intakt. Im neu erschlossenen Gebiet zwischen Altstadt und Schanzen hat sich das frühindustrielle Textilgewerbe angesiedelt. Hier liegen gleichzeitig die vornehmen Wohnbauten der Besitzerfamilien. Die 1893 und 1934 eingemeindeten Vororte von Zürich sind noch kleine, ländlich geprägte Dörfer.

Vier weitere Zeitschnitte, die vom Mittelalter bis zurück in die römische Kaiserzeit reichen, werden zurzeit erarbeitet und gestaffelt bis Ende 2024 vorgelegt. 

Technische Hintergründe zum Projekt

Damit sich diese historischen 3D-Stadtmodelle als Datenprodukt etablieren können, ist deren Aktualität in Bezug auf archäologische und denkmalpflegerische Erkenntnisgewinne zentral. Deshalb werden die Datengrundlagen in 2D verwaltet und nachgeführt. Diese Grundlagen werden anschliessend durch automatisierte Prozesse in 3D Modelle umgewandelt.

Als Datenquellen stehen historische Karten, Grabungsauswertungen und verschiedenste historische Dokumente und Abbildungen zur Verfügung. Fehlen jegliche Informationen, so schliessen aktuelle, wissenschaftliche Hypothesen diese Lücken. 

Einblick in die Digitalisierung der historischen Quellen am Beispiel einer Ackerfläche. Als Grundlage dient der sehr detaillierte Müllerplan von 1793.

Datenebenen

Jeder der sechs Zeitschnitte besteht aus knapp zehn Datenebenen. Dies ermöglicht das einfache Erfassen und Nachführen der Daten. So werden zum Beispiel Strassen als Liniendatensatz geführt, welcher wesentlich einfacher zu editieren ist, als wenn die Strassen als Flächen geführt würden.

Die Abbildung links zeigt die verwendeten Ebenen, wobei sich deren Auswahl und Struktur an heute bestehenden Datensätzen orientiert (z.B. widerspiegelt die Datenebene Bodenbedeckung_A die heutige Amtliche Vermessungen Bodenflächen). Dies ermöglicht den direkten Vergleich mit aktuellen und zukünftigen Geodaten.

Sachdaten und das Zusammenspiel von 2D und 3D

Die 2D Geodaten sind mit verschiedenen relevanten Sachdaten ergänzt. So sind für jede Fläche der Bodenbedeckung nebst deren Art (z.B. Obsthain) auch die Quelle, die Art der Quelle sowie deren Verlässlichkeit angegeben. Diese Zusatzinformationen ermöglichen eine differenzierte Betrachtung und Analyse der Daten besonders in der Unterscheidung von dokumentierten Erkenntnissen und wissenschaftlichen Hypothesen, welche für eine Rekonstruktion in dieser Ausdehnung unumgänglich sind.

Alle erfassten Elemente sind mit zusätzlichen Informationen angereichert. Hier am Beispiel eines Wohnhauses und eines Obsthains im Modell zu Zürich um 1800.

So werden zum Beispiel die Informationen zur Topographie in der Form von Höhenlinien und -punkten erfasst. Dies ermöglicht schnelle und einfache Anpassungen des Terrains aufgrund von neusten Erkenntnissen, indem einzelne Linien angepasst oder neu erfasst werden. Die Umwandlung in ein flächiges 3D Terrain erfolgt automatisiert und generiert je ein Terrain mit sowie ohne die Gewässeruntergründe. Die Terrainoberfläche wird in einem nächsten Schritt mit Informationen der Bodenbedeckung visualisiert.

Die Informationen zur Bodenbedeckung werden in der Form von einfachen Flächen (z.B. Äcker), Linien (z.B. Landstrassen) und Punkten (z.B. Einzelbäume) gespeichert und verwaltet. Diese einfachen Datenformen werden anschliessend in automatischen Prozessen mit unterschiedlichsten Geodatenverarbeitungsmethoden kombiniert und durch Details wie Wagenspuren oder Uferbereichen ergänzt. In Kombination mit fotorealistischen Abbildungen der entsprechenden Oberflächen ergibt sich eine Art "historisches Satellitenbild", lange bevor die ersten Satelliten um die Erde gekreist sind.

Parametrisches Modellieren

Über verschiedene Parameter (z. B. Dachform) lässt sich basierend auf dem Grundriss das Aussehen des Hauses steuern. Dies ermöglicht es mit wenigen Klicks das Erscheinungsbild eines Hauses komplett zu verändern und den verfügbaren Quellen zu seinem Aussehen anpassen.

Das letzte und visuell zentrale Element bildet die Bebauung. Auch hier werden die Daten initial in einem einfachen 2D Format erfasst. Aus diesen Grundrissen werden dann mithilfe sogenannt "parametrischer Modellierung" die 3D Modelle automatisch erzeugt. Die verfügbaren Parameter decken Dachformen, Fassadenmaterialien, Stockwerkanzahl und eine Vielzahl weiterer für die Form und das Aussehen der Gebäude zentraler Faktoren ab. Die verwendeten fotorealistischen Texturen, welche die Bebauung zieren, sind zu einem Grossteil aus bestehendem, im Baugeschichtlichen Archiv archiviertem Bildmaterial abgeleitet.

Projektgeschichte

Die Idee zum Vorhaben kam von aussen an das Amt für Städtebau: Der freischaffende wissenschaftliche Illustrator Raphael Volery hat  in aufwendiger jahrelanger Arbeit Entwürfe von historischen 3D-Stadtmodellen entwickelt. Diese gaben der Stadt den Anlass mit eigenen geografischen und archäologischen Daten das Thema aufzugreifen und in einer uns dienlichen Präzision zur Reife zu bringen.

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