Deutschlands digitaler Zwilling: auf dem Weg zu einer Smart Digital Reality™

Die menschliche Bevölkerung hat sich seit 1975 verdoppelt. Dasselbe gilt für den Kohlendioxidausstoß. Im Sommer 2021 wurde Deutschland selbst Opfer der Folgen des Klimawandels: Schwere Überschwemmungen forderten zahlreiche Tote und verursachten enorme Sachschäden. Anschließend erwischte uns noch die COVID-19-Pandemie kalt und stellte unsere Gesellschaft und unsere Systeme auf eine harte Probe. Doch gleichzeitig förderte die Pandemie eine weitgehende Digitalisierung und demonstrierte das Potenzial und die Produktivität digitaler Zusammenarbeit.

Unsere Erfahrungen während der Pandemie haben ein neues Zeitalter digitaler Zwillinge und entsprechender Spiegelwelten eingeläutet – eine grundlegende Voraussetzung für die künftige digitale Zusammenarbeit. Mit dem Aufkommen des Internets wurden Informationen digital und maschinenlesbar. So können Algorithmen aus praktisch unbegrenzten Datenmengen Antworten auf alle erdenklichen Fragen entnehmen. Der nächste Entwicklungsschritt muss die Digitalisierung unserer physischen Welt sein, um sie maschinenlesbar zu machen. Bei Hexagon sprechen wir von der Erfassung von Smart Digital Realities. "At Hexagon, we talk about creating a Smart Digital Reality."

Was man nicht sehen kann, kann man nicht messen

Ein berühmter Satz des Management-Gurus Peter Drucker lautet: „Was man nicht messen kann, kann man nicht lenken.“ Eine Extrapolation dieses Satzes trifft auf digitale Abbilder zu: Was man nicht sehen kann, kann man nicht messen. Nehmen wir die Hochwassersicherheit in Deutschland als Beispiel:

Wir wissen, dass sich Wasser immer am tiefsten Punkt sammelt. Was also, wenn wir voraussagen könnten, welche Bereiche bei Hochwasser unter Wasser stehen werden? Modernste Lösungen zur Erfassung der Realität erlauben uns die Erstellung eines hochaufgelösten topografischen Modells, das die Infrastruktur, Gebäude und Vegetation eines kompletten Landes – wie in diesem Fall Deutschlands – detailliert abbildet. Dank Einzelphotonen-LiDAR sind solche 3D-Modelle nun wirtschaftlich geworden.

Unsere Lösung ist vier- bis zehnmal effizienter als herkömmliche LiDAR-Methoden. Gleichzeitig wurde die Bildauflösung zumindest vervierfacht. Ganz Deutschland lässt sich mit einem Flugzeug in 3.700 Flugstunden vermessen. Dabei ist die benötigte Höhengenauigkeit von zehn Zentimetern spielend erreichbar. Mit Einzelphotonen-LiDAR und Geiger-Modus-LiDAR können wir große Flächen in der hohen Auflösung erfassen, wie sie zur zuverlässigen Erkennung von Objekten erforderlich ist, und sogar realistische Spiegelbilder von Terrains unterhalb von Bewuchs oder Infrastrukturanlagen wie Brücken und in bis zu 10 Meter Wassertiefe erstellen. Das Ergebnis ist ein extrem detailliertes und homogenes topografisches Modell.

Zur Simulation von Hochwasserszenarien sind Uferbereiche von besonderer Bedeutung. In der Regel findet sich dort Bewuchs, doch im Modell können die Bäume entfernt werden, um darunter zu blicken. Das Gelände unter Wasser ist ein entscheidender Parameter für das Abflussverhalten von Flüssen. Mithilfe von Algorithmen können wir prognostizieren, wo und wie viel Wasser sich bei Starkregenereignissen sammelt, die wissenschaftlichen Erkenntnissen zufolge in Westeuropa durch den Klimawandel 3 bis 19 % intensiver und bis zu neunmal so häufig auftreten werden.

Ein nationales, standardisiertes topographisches Modell wäre eine wertvolle Informationsquelle für eine ganze Reihe von Branchen. Digitale Zwillinge werden sich als unerlässliche Hilfsmittel für Unternehmen und Behörden erweisen, wenn es um die Entwicklung, Planung und Verwaltung verbundener Infrastrukturelemente geht. Energieversorgern helfen sie bei der Planung und Wartung ihrer Netze, und Telekommunikationsanbietern bei der Gewährleistung einer vollständigen 5G-Netzabdeckung. Andere potenzielle Nutznießer dieser Technologie sind Forstwirtschaft, Wasserbau und Luftfahrt.

Wenn Träume wahr werden

In dicht besiedelten Gebieten wie Städten liefern Hybridsensoren ein vollständiges, fotorealistisches Spiegelbild der wirklichen Welt. Durch die Kombination verschiedener Arten von Datensätzen wie Luftbildscans und Streetview-Daten generiert Hexagon ein Supermesh-Modell, das Stadtplanern die rasche und einfache Visualisierung von Planungsbeziehungen erlaubt. Ein Supermesh ermöglicht die Anzeige städtischer Lebensräume in allen Details – vom Boden und aus der Luft.

Darüber hinaus werden Objekte – wie Dächer, PV- oder Gleisanlagen – mittels künstlicher Intelligenz (AI) mit einer Genauigkeit von bis zu 99 % klassifiziert. AI-Algorithmen können semantische Bilddaten extrahieren und jedem Pixel in der Vermaschung Attribute zuweisen. So können wir bis zu 20 % mehr versiegelte Flächen erkennen und die genaue Menge an Grünflächen, einschließlich Bäumen, bestimmen. Solche Daten helfen z. B. Stadtplanern bei der Abschätzung des für Baumaßnahmen verfügbaren Platzes. Die erneute Vermessung solcher Gebiete in regelmäßigen Abständen erlaubt die Fortschrittsüberwachung.

Komplexe Systeme verbinden, um sie zu managen

Um Daten aussagekräftige Informationen über komplexe Herausforderungen entnehmen zu können, müssen wir sie kombinieren. Daraus ergibt sich ein Metaversum oder, wie wir es nennen, eine Smart Digital Reality.

Die Smart Digital Reality erlaubt Entscheidungsträgern die Bewältigung komplexer Herausforderungen, wie der Überhitzung im urbanen Raum. Unsere Modelle dienen zur Simulation verschiedenster Wind- und Luftaustauschszenarien, aus denen strukturelle Maßnahmen zur langfristigen Verbesserung des Stadtklimas abgeleitet werden können. Zudem können Echtzeit-3D-Daten von Überwachungssensoren in den digitalen Zwilling kritischer Infrastrukturen integriert werden, um faktengestützte sicherheitsrelevante Entscheidungen zu ermöglichen.

Hexagons Antwort auf das Metaversum ist die Smart Digital Reality-Lösung HxDR – eine cloudbasierte Speicher-, Visualisierungs- und Kollaborationsplattform für Reality Capture und georäumliche Daten, in der die Spiegelwelten ganzer Städte und Länder verschmelzen. HxDR is becoming our marketplace for Hexagon aerial data and for Metro HD. The first cities to be added to our Digital City Models data program include Munich, Cologne, Stuttgart, Frankfurt, Vienna, Milan, Amsterdam, Stockholm, Dallas, New York and Tokyo. Hexagon setzt alles daran, entscheidende Beiträge zur effizienteren und nachhaltigeren urbanen digitalen Transformation zu leisten. We look forward to the challenging yet rewarding projects ahead.