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Institut für Kartographie und GeoinformationProf. Dr. Lutz PlümerInstitut für Kartographie und GeoinformationProf. Dr. Lutz Plümer
Geoinformation IIIVorlesung 10
Normen und Standards in GIS
Gerhard Gröger - Geoinformation III - 5. Semester - WS 01/02 - Vorlesung 10 2
Überblick
• Welche Standards/Normen gibt es im GIS-Bereich?• Beispiel Spatial Schema (ISO)• Beispiel Simple Features (OGC)
– UML-Diagramm– Topologische Relationen
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Die wichtigsten Normen/Standards
• ISO (International Organization for Standardization)– siehe übernächste Folie
• CEN/DIN (Europäisches/Dt. Komitee für Normung)– Normen sind oder werden abgelöst durch ISO-Normen
• OGC (Open GIS Consortium) (www.opengis.org)– Simple Features
• für SQL (Relationale Datenbanken), CORBA, OLE/COM• für GML/XML (GISIII / Kolbe)
– Web Map Server (Karten im WWW)– Kataloge (Wo finde ich welche Daten?)– Koordinatentransformation
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Weitere GIS-Standards
• herstellerspezifische Standards, z.B.– Shapefiles (ESRI)– SQD (SICAD), ...
• anwendungsspezifische Standards, z.B.– ATKIS (topographische Daten)– ALK (Kataster - geometrisch)– ALB (Kataster - nichtgeometrisch)– EDBS (Datenaustausch für ATKIS/ALK)– DIGEST (Datenaustausch im militärischen Bereich)– ...
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ISO: die wichtigsten GIS-Standards• Spatial schema (Geometrie und Topologie)• Rules for application schema (Anwendungsobjekte und
Verknüpfung mit Geometrie und Topologie)• Temporal schema (Zeit)• Feature cataloguing methodology• Spatial referencing by coordinates• Spatial referencing by geographic identifiers• Quality principles• Metadata • Portrayal (Visualisierung)• Encoding (Datentransfer)• …… (insgesamt 25 Standards)
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Wozu Standards?
• Ermöglichung/Erleichterung des reibungslosen Datenaustauschs zwischen verschiedenen GIS-(Teil-)Systemen
• Interoperabilität
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GIS-Standards der ISO
• in der Phase der Verabschiedung als ISO-Norm: DIS (Draft International Standard)
• lösen die zur Zeit gültigen europäischen/deutschen Normen (CEN/DIN) ab
• Verwendung z.B. bei Vorhaben ALKIS – Neumodellierung des Katasters (ALK und ALB),
Vereinheitlichung mit ATKIS (Topographische Daten)
• Modellierung in UML (Klassendiagramme)
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Was leistet ISO/DIS 19107 Spatial Schema?
• Modellierung des Raumbezugs von GIS-Objekten• Geometrie
– 0 - 3-dimensional– 1-D: Splines, Klothoiden, ......– 2,5-D: TINs (Dreiecksvermaschungen)– 3-D: Volumina, Spline-Oberflächen– Aggregationen
• Topologie – 0 - 3-dimensional– eigene Klassen für Topologie, die Assoziationen mit
entsprechenden Geometrie-Klassen haben
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Spatial Schema: 1-dimensionale Primitive
GM_Primitive
GM_Object
GM_OrientablePrimitive
GM_OrientableCurve
GM_Curve
GM_CurveSegment
GM_GenericCurve
GM_ClothoidGM_SplineCurve
GM_LineString
GM_LineSegment
...........
Referenzsystem
GM_PolinomialSpline GM_BSplineCurve
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OGC: Simple Features• Standard des Open GIS Consortium (OGC)
– OGC: privater, nichtkommerzieller Verein – Mitglieder: GIS-Hersteller, Behörden, Universitäten
• Modellierung der Geometrie raumbezogener Objekte• "Simple":
– nur 0 - 2-dimensional (weder 2,5-D noch 3-D)– nur gerade Linien– keine Topologie– keine Aggregation
• " ... reicht in 80% aller Fälle aus ... (?)"• Implementierung standardisiert für
– SQL (Relationale Datenbanken), CORBA, OLE/COM– GML/XML (GIS III / Kolbe)
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Simple Features: UML-Diagramm
Geometry SpatialReferenceSystem
Point Curve Surface GeometryCollection
LineString Polygon MultiSurface MultiCurve MultiPoint
Line LinearRingMultiPolygon
1+ 2+
1+
1+
1+MultiLineString
Abstrakte Klasse (grün bzw. kursiv)
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UML-Diagramm: 1-D-Objekte
Geometry SpatialReferenceSystem
Point Curve Surface GeometryCollection
LineString Polygon MultiSurface MultiCurve MultiPoint
Line LinearRingMultiPolygon
1+ 2+
1+
1+
1+MultiLineString
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1-D-Objekte: LineString, Line, Linear Ring• LineString: Folge von Punkten, mit
geraden Liniensegmenten verbunden
• einfacher LineString: keinen Punkt wird mehrfach durchlaufen
• geschlossener LineString: Anfangspunkt = Endpunkt
• Line: LineString mit genau 2 Punkten
• LinearRing: einfacher, geschlossener LineString
nicht einfach
einfach
geschlossennicht einfach
Line
LinearRing
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UML-Diagramm 1-D-Objekte
Geometry SpatialReferenceSystem
Point Curve Surface GeometryCollection
LineString Polygon MultiSurface MultiCurve MultiPoint
Line LinearRingMultiPolygon
1+ 2+
1+
1+
1+MultiLineString
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1-D-Objekte: MultiLineString• MultiLineString: Menge (Aggregation)
von LineStrings
LineString1LineString2
LineString1 LineString2
LineString1 LineString2
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Simple Features und Topologie
• drei LineStrings mit einem gemeinsamen Punkt p• Punkt p existiert dreimal (einmal für LineString1,
einmal für LineString2 und einmal für LineString3)• drei Punkte mit identischen Koordinaten• es gibt keine Knoten im Sinn von
Landkarten/Graphen
LineString1
LineString3
Punkt p
LineString2
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UML-Diagramm: 2-D-Objekte
Geometry SpatialReferenceSystem
Point Curve Surface GeometryCollection
LineString Polygon MultiSurface MultiCurve MultiPoint
Line LinearRingMultiPolygon
1+ 2+
1+
1+
1+MultiLineString
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Polygon: Definition
• begrenzt durch genau einen äußeren Ring und beliebig viele innere Ringe (= einfache Zyklen)
• Inneres topologisch zusammenhängend
Polygon kein Polygonnicht topologisch zusammenhängend
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Polygon: Definition
• begrenzt durch genau einen äußeren Ring und beliebig viele innere Ringe (= einfache Zyklen)
• Inneres topologisch zusammenhängend
Polygon kein Polygon
PolygonPolygon
PolygonPolygon
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Polygon: Definition
• begrenzt durch genau einen äußeren Ring und beliebig viele innere Ringe (= einfache Zyklen)
• Inneres topologisch zusammenhängend
Polygon kein Polygon kein Polygonnicht topologisch zusammenhängend
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UML-Diagramm: 2-D-Objekte
Geometry SpatialReferenceSystem
Point Curve Surface GeometryCollection
LineString Polygon MultiSurface MultiCurve MultiPoint
Line LinearRingMultiPolygon
1+ 2+
1+
1+
1+MultiLineString
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MultiPolygon: Definition
• Aggregation von Polygonen• Die Inneren der Polygone sind disjunkt• Berührung der Ränder zweier Polygone nur in
Punkten
ein MultiPolygon
Polygon 2Polygon 2
Polygon 1Polygon 1
ein MultiPolygon
Polygon 1Polygon 1
Polygon 2Polygon 2
kein MultiPolygon
Polygon 1Polygon 1
Polygon 2Polygon 2
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Polygon und MultiPolygon
• Zweck der Unterscheidung: Eindeutigkeit der Modellierung
• Eindeutigkeit: für jedes Realweltobjekt ("Punktmenge") darf es nur eine Möglichkeit der Modellierung geben
See
einPolygonmit Loch
Park
zweiPolygonezwei verschiedene
MöglichkeitenErfasser 1 Erfasser 2
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Simple Features: Methoden (Auszug)
2+
Geometry+ReferenceSystem()+Dimension()+Boundary()
Point+X()+Y()
Curve+Length()+StartPoint()+EndPoint()+IsClosed()+IsRing()
LineString+NumberofPoints()+PointN()
Surface+Area()+Centroid()+PointOnSurface()
Polygon
+ExteriorRing()+NumInteroirRing()+InteriorRingN()
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Methoden für topologische Relationen
• boolesche Methoden• Zweck: raumbezogene Anfragen (Fließt der Rhein
durch Hessen? Grenzt Siegburg an Bonn?)• Ähnlich zu 4-Schnitt-Modell von Egenhofer
(Vorlesung GIS I) • Erweiterung des 4-Schnitt-Modells (Flächen) auf
punkt- und linienhafte Objekte• Dimensionserweitertes 9-Schnitt-Modell
(DE-9IM)
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Punktmengentopologie (Wh. aus GIS I)
• Beziehungen zwischen Punktmengen
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X disjunkt Y
Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X Y X° Y° X Y° X° Y Operation
not X trifft Ynot not X gleicht Y not not X innerhalb Y
not not not Y überdeckt X
not not Y innerhalb Xnot not not X überdeckt Y
not not not not X überlappt Y
X
Y
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X disjunkt Y
Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X Y X° Y° X Y° X° Y Operation
not X trifft Ynot not X gleicht Y not not X innerhalb Y
not not not Y überdeckt X
not not Y innerhalb Xnot not not X überdeckt Y
not not not not X überlappt Y
X
Y
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X disjunkt Y
Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X Y X° Y° X Y° X° Y Operation
not X trifft Ynot not X gleicht Y not not X innerhalb Y
not not not Y überdeckt X
not not Y innerhalb Xnot not not X überdeckt Y
not not not not X überlappt Y
X
Y
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X disjunkt Y
Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X Y X° Y° X Y° X° Y Operation
not X trifft Ynot not X gleicht Y not not X innerhalb Y
not not not Y überdeckt X
not not Y innerhalb Xnot not not X überdeckt Y
not not not not X überlappt Y
X
Y
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X disjunkt Y
Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X Y X° Y° X Y° X° Y Operation
not X trifft Ynot not X gleicht Y not not X innerhalb Y
not not not Y überdeckt X
not not Y innerhalb Xnot not not X überdeckt Y
not not not not X überlappt Y
X
Y
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X disjunkt Y
Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X Y X° Y° X Y° X° Y Operation
not X trifft Ynot not X gleicht Y not not X innerhalb Y
not not not Y überdeckt X
not not Y innerhalb Xnot not not X überdeckt Y
not not not not X überlappt Y
X
Y
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X disjunkt Y
Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X Y X° Y° X Y° X° Y Operation
not X trifft Ynot not X gleicht Y not not X innerhalb Y
not not not Y überdeckt X
not not Y innerhalb Xnot not not X überdeckt Y
not not not not X überlappt Y
X
Y
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X disjunkt Y
Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X Y X° Y° X Y° X° Y Operation
not X trifft Ynot not X gleicht Y not not X innerhalb Y
not not not Y überdeckt X
not not Y innerhalb Xnot not not X überdeckt Y
not not not not X überlappt Y
X
Y
Gerhard Gröger - Geoinformation III - 5. Semester - WS 01/02 - Vorlesung 10 35
X disjunkt Y
Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X Y X° Y° X Y° X° Y Operation
not X trifft Ynot not X gleicht Y not not X innerhalb Y
not not not Y überdeckt X
not not Y innerhalb Xnot not not X überdeckt Y
not not not not X überlappt Y
X
Y
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Vom 4 Schnitt- zum 9-Schnitt-Modell: Rand, Inneres und Äußeres
Inneres (°) rot
Rand () grün
Äußeres ( ¯ ) blau
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Vom 4 Schnitt- zum 9-Schnitt-Modell
Inneres Y Rand Y
Inneres X X° Y° X° Y
Rand X X Y° X Y
4-Schnitt-Modell
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Vom 4 Schnitt- zum 9-Schnitt-Modell
Inneres Y Rand Y Äußeres Y
Inneres X X° Y° X° Y X° Y ¯
Rand X X Y° X Y X Y ¯
Äußeres X X ¯ Y° X ¯ Y X ¯ Y ¯
9-Schnitt-Modell (blau und grün)
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Was bringt das 9-Schnitt-Modell?
4-Schnitt-ModellSchnitte der Inneren leerSchnitte Rand mit Innerem leerSchnitte der Ränder nicht leer
F L F L
4-Schnitt-ModellSchnitte der Inneren leerSchnitte Rand/Innere leerSchnitte der Ränder nicht leer
9-Schnitt-ModellSchnitt des Äußeren von F mit Rand von L nicht leer
9-Schnitt-ModellSchnitt des Äußeren von F mit Rand von L leer
im 4-Schnitt-Modell nicht unterscheidbar!
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Erweiterung um Dimension
Inneres Y Rand Y Äußeres Y
Inneres X dim(X° Y°) dim(X° Y) dim(X° Y ¯)
Rand X dim(X Y°) dim(X Y) dim(X Y ¯)
Äußeres X dim(X ¯ Y°) dim(X ¯ Y) dim(X ¯ Y ¯)
9- und 4-Schnitt-Modell: Schnitt leer/nicht leer
Erweiterung: Dimension des Schnitts
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Erweiterung um Dimension
Inneres Y Rand Y Äußeres Y
Inneres X dim(X° Y°) dim(X° Y) dim(X° Y ¯)
Rand X dim(X Y°) dim(X Y) dim(X Y ¯)
Äußeres X dim(X ¯ Y°) dim(X ¯ Y) dim(X ¯ Y ¯)
9- und 4-Schnitt-Modell: Schnitt leer/nicht leer
Erweiterung: Dimension des Schnitts
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Definition von dim( )
dim(A B) =
-1, falls A B =
0, falls A B nulldimensional ist
1, falls A B eindimensional ist
2, falls A B zweidimensional ist
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Was bringt die Dimension?
4-Schnitt-ModellSchnitte der Inneren leerSchnitte Rand mit Innerem leerSchnitte der Ränder nicht leer
F1
4-Schnitt-ModellSchnitte der Inneren leerSchnitte Rand/Innere leerSchnitte der Ränder nicht leer
DimensionDimension des Schnitts der Ränder von F1 und F2: 1
im 4-Schnitt-Modell nicht unterscheidbar!
F2 F1F2
DimensionDimension des Schnitts der Ränder von F1 und F2: 0
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Verwendung des DE-9IM bei Simple Features
• Methode relate, 9-Schnitt-Matrix als Parameter– z.B. objekt1.relate(objekt2, -1 * * * 1 * * * *)
ergibt true, falls objekt1 mit objekt2 in Relation touches steht
• benannte räumliche Beziehungen:– Methoden touches, crosses, within, contains,
overlaps, disjoint, intersects, equals
* ist Joker (Wert ist egal)
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DE-9IM: benannte räumliche Beziehungen I/II
grün.Within(rot)rot.Contains(grün)
grün.Overlaps(rot)
grün.Crosses(rot)
grün.Touches(rot)
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DE-9IM: benannte räumliche Beziehungen II/II
grün.Equals(rot)
grün.Intersects(rot) not grün.Disjoint(rot)
grün.Disjoint(rot)
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit.
Fragen?