EDV gestützte, raumbezogene Informationssysteme, die aus ... · Aufgrund der vorgegebenen...

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Fakultät FGH Fachrichtung Forstwissenschaft Institut für Forstökonomie und Forsteinrichtung Fakultätsname XYZ Fachrichtung XYZ Institutsname XYZ, Professur XYZ Geographische Informationssysteme: EDV – gestützte, raumbezogene Informationssysteme, die aus einer Datenbank raumbezogener Daten und Datenbereitstellungen für Auswertungs- und Simulationsprogramme bestehen. Definition

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Fakultätsname XYZ Fachrichtung XYZ Institutsname XYZ, Professur XYZ

Geographische Informationssysteme:

EDV – gestützte, raumbezogene Informationssysteme, die aus einer

Datenbank raumbezogener Daten und Datenbereitstellungen für

Auswertungs- und Simulationsprogramme bestehen.

Definition

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Fakultätsname XYZ Fachrichtung XYZ Institutsname XYZ, Professur XYZ

Ein Geoobjekt (feature) ist das abstrakte Modell eines realen räumlichen

Objektes, dass hinsichtlich :

• seiner räumlichen Lage (Geometrie),

• seiner Lagebeziehungen zu anderen Geoobjekten,

• seiner fachlich relevanten Eigenschaften (Thematik) und

• seiner zeitlichen Veränderung

gegenüber anderen Geoobjekten unterschieden

werden kann.

Geoobjekte

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Fakultätsname XYZ Fachrichtung XYZ Institutsname XYZ, Professur XYZ Reale Welt Modell

fachliche Problem- stellungen

& Anforderungen an Geodaten

externe Ebene

physikalische Speicherung

& Verarbeitung

Natur- wissenschaftler

Geoinformatiker

System- entwickler

Strukturierung &

Organisation von Geodaten

konzeptionelle Ebene

interne Ebene

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Datenerfassung Datenaktualisierung

• Digitalisierung (On-Screen, Digitalisiertablett)

• Scannen

• Vektorisierung (Raster-Vektor-Transformation, Objekterkennung)

• Mustererkennung

• Übernahme von Daten aus Vermessungsgeräten (Tachymeter, GPS)

• Daten aus Photogrammetrie und Fernerkundung

Funktionalitäten von GIS-Systemen 1

Datenverwaltung Datenfortschreibung

• Integration von Sachdaten

• Datenbankoperationen

• Datenbankmanagement

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Datenanalyse

• Datenbankabfragen

• Verschneidung

• Nachbarschaftsanalyse

• Distanzfunktionen

• Geländeanalyse

Funktionalitäten von GIS-Systemen 2

Datendarstellung und -ausgabe

• Generierung und Ausgabe von Layouts (Karten)

• Extrahieren von Sachdaten

• Interpolationen

• Regionalisierung

• Berechnungen

• Modellierung

• Simulationen

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ArcGIS 10 1

Erweiterungen

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ArcGIS 10 2

ArcCatalog

ArcMap

ArcTools

• zentrale Anwendung innerhalb von ArcGIS • Werkzeuge ermöglichen die interaktive Erfassung, Bearbeitung, Analyse und Präsentation von Geodaten • kann optional um verschiedene Funktionen erweitert werden

• Geodaten-Manager

• enthält Werkzeuge zum Strukturieren, Verwalten und Dokumentieren von Geodaten • zur Verfügung stehen Möglichkeiten zur Datenbeschreibung (Metadaten), Vorschaumöglichkeiten

• enthält menügesteuerte Werkzeuge z.B. für die

Datenkonvertierung, Verschneidungen, Buffering, Karten- transformation etc.

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Datenformate

0 X-Achse

Rasterdaten Vektordaten Tabellarische Daten

sind im allgemeinen Attributtabellen mit deskriptiven Angaben zu den einzelnen geographischen Objekten.

sind Objektgeometrien, die als Folge von Stützpunkten vorliegen. Durch die Verbindung der Stützpunkte wird der Linienverlauf rekonstruiert.

sind raumbezogene Informationen die in einem regulären Gitter von Reihen und Spalten vorliegen.

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Vektormodell

(0,0,0) x

z

y

e (1,2,5)

k (2,4,3)

y

e (1,2,5)

k (2,4,3)

Knoten

Stützpunkt

Linie 1

Linie 2

x

Das geometrische Grundelement des Vektormodells

ist der Punkt, der durch seine Koordinaten im Raum

eindeutig definiert ist.

Im topologischen Sinn wird ein Punkt als Knoten

bezeichnet.

Linien sind Objektgeometrien die durch die

Verbindung von Stützpunkten abgebildet werden.

Als topologische Verbindung zweier Knoten ist

die Kante definiert.

Auf den beiden Grundelementen Punkt (Knoten) und

Linie (Kante) lassen sich beliebig komplexe

Strukturen aufbauen.

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ist ein mathematisches Verfahren zur Definition von räumlichen Bezieh-

ungen zwischen den Elementen und ihren grundlegenden Eigenschaften.

Folgende räumliche Beziehungen und Eigenschaften sind relevant:

Topologie 1

Räumliche Beziehungen: Eigenschaften:

• Jede Linie hat einen

Anfangs- (from_node) und

einen Endpunkt (to_node).

• Richtung

• Länge

• Linien sind an Knoten

miteinander verbunden.

• Verbundenheit

• Verbundene Linien

begrenzen eine Fläche.

• Flächengröße

• Umfang

• Linien haben Flächen an

ihrer linken und rechten

Seite.

• Nachbarschaft

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Topologie 2

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Topologie 3

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Rastermodell

Das geometrische Grundelement des zwei-

dimensionalen Rastermodells ist die quadratische

Masche, auch als Rasterzelle oder Pixel bezeichnet.

Zur Definition der Geometrie von Rasterzellen

müssen:

• der Ursprung des Rasters,

• die Orientierung des Rasters und

• die Rasterweite (Maschenweite)

definiert werden.

Form und Größe der Rasterzelle sind mit der

Definition des Rasters einheitlich vorgegeben.

i

j

Spalten – Index j

Spalten –

Index i

i, j

i-1, j

i, j+1 i, j-1

i+1, j

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Geometrie und Attribute im Rastermodell

Aufgrund der vorgegebenen Charakteristik der

Rasterzellen lassen sich die Geoobjekte hinsichtlich

ihrer Geometrie nur näherungsweise darstellen.

Die Speicherung der Sachdaten

(Attribute)erfolgt im Rastermodell:

• objekt-basiert oder

• layer-basiert.

Attributwerte werden im

allgemeinen als Grauwerte

bezeichnet.

i

j

i

j

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Topologie des Rastermodells

Euklidische Metrik:

Das Rastermodell wird mit einem vektoriellen

Gittermodell unterlegt. Jeder Gitterfläche kann

so ein definierter Mittelpunkt zugewiesen werden.

Die Distanz zwischen den einzelnen Mittelpunkten

bezeichnet man als euklidische Distanz.

Bei der Topologie von Rasterzellen unterscheidet

man unter Beachtung der Metrik zwei Varianten:

• Kanten-Topologie

• Ecken-Kanten-Topologie.

In beiden Fällen können Nachbarn höherer

Ordnung k definiert werden.

i

j

i

j

A

B C

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Vergleich Vektor- und Rasterdaten

Rasterdaten Vektordaten

Datenstruktur einfach, Aufteilung in Reihen und

Spalten

komplex, besonders bei

topologischen Beziehungen,

Abspeicherung von XY-

Koordinaten

Nullpunkt obere linke Ecke untere linke Ecke

Genauigkeit durch Rasterzellengröße bestimmt sehr präzise, variabel

Speicherbedarf hoch gering

Beschreibende Daten jeder Zelle (Pixel) wird ein Wert

zugeordnet

jedes Element hat eine

Verbindung zu beschreibenden

Daten

Topologische Beziehung schwierig herzustellen einfach herzustellen

Datenanalyse einfach, z.B. durch Addition der

Zellwerte

komplexe

Verarbeitungsalgorithmen

Graphische Ausgabe Qualität abhängig von der

Zellengröße der Ausgangsdaten

und des Ausgabegerätes

traditionelles Kartenbild

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• ist ein nichttopologisches Datenmodell zum Speichern der geometrischen

Orts- und Attributinformationen geographischer Objekte.

• Die Geometrie- und Attributinformationen werden in bis zu fünf Dateien

definiert. Unbedingt zum Shape-Format gehören:

.shp Datei, in der die Geometrie der Objekte

gespeichert ist.

.shx Datei, in der der Index der Objektgeometrie

gespeichert ist.

.dbf dBase-Datei, in der die Attributinformationen

der Objekte gespeichert sind.

Datenformat für Vektordaten -Shape-File-

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• ist ein File-basiertes, topologisches Datenmodell zum Speichern der

geometrischen Orts- und Attributinformationen geographischer Objekte.

• ist ein Verzeichnis (Directory), das sich aus verschiedenen Files, die sowohl

Informationen zur Verortung der geographischen Elemente (XY-Koordinaten)

als auch beschreibende Informationen beinhalten, zusammensetzt.

• Informationsarten eines Coverages:

• Verortung: absolute Lage der Elemente

• Topologie: relative Lage der Elemente zueinander

• Attribute: Sachinformation der Elemente

Datenformat für Vektordaten -Coverage-

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Fakultätsname XYZ Fachrichtung XYZ Institutsname XYZ, Professur XYZ Features (Elemente) eines Coverages

Points stehen für punktförmige Phänomene, wie z.B. Einzelbäume, Meßstellen etc., werden als XY-Koordinatenpaar erfasst.

Arcs stehen für lineare Erscheinungen, wie z.B. Straßen, Grenzen etc., werden als XY-Koordinatenpaare erfasst.

Nodes sind End- oder Verknüpfungspunkte von Linien, wie z.B. Straßen-kreuzungen, werden als einzelne XY-Koordinatenpaare erfasst.

Verteces beschreiben den Verlauf eines Arcs, sind nicht sichtbare Stützpunkte, stehen zwischen zwei Nodes, Verteces ergeben verbunden die digitalisierte Linie.

Polygone sind flächige Elemente, die durch einen geschlossenen Linienzug begrenzt werden, wie z.B. Gebäude, Flurstücke etc.. Flächen, denen Attribute zugeordnet werden sollen, müssen einen Labelpunkt enthalten, der das Polygon repräsentiert.

Label ist ein Informationsträger für ein Polygon.

Tics Lagekontrollpunkte, dienen der lagegetreuen Einbindung der räumlichen Daten, sowohl bezogen auf den Digitizer (inch) als auch auf reale Weltkoordinaten (m).

Annotations sind beschreibende Texte, die mit geographischen Elementen verbunden werden, wie z.B. Straßen- oder Städtenamen.

Elbe

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Logisches Datenmodell -Coverage-

2 1

3

4 5

1 2

3

4

5

Point Attribute Tabelle (PAT)

Arc Attribute Tabelle (AAT)

Polygon Attribute Tabelle (PAT)

ARC/Info

Attribute

Schlüssel-

feld

Nutzerdefinierte

Attribute

3 100 4,5

ARC/Info

Attribute

Schlüssel-

feld

Nutzerdefinierte

Attribute

6 Schneise

ARC/Info

Attribute

Schlüsselfe

ld

Nutzerdefinierte

Attribute

3 Abteilung 442 1 2 3

5 4

6 7 8

9

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• enthält umfangreiche Anwendungslogik und Werkzeuge für den Zugriff auf

GIS-Daten und deren Verwaltung

File-Geodatabases: Diese werden als Ordner in einem Dateisystem gespeichert. Die einzelnen Datasets sind in Dateien gespeichert, die jeweils eine Größe von bis zu 1 TB erreichen können. Personal-Geodatabases: Alle Datasets sind in einer Microsoft Access-Datendatei gespeichert, für die eine Größenbeschränkung von 2 GB gilt. ArcSDE-Geodatabases: Diese werden mit Oracle, Microsoft SQL Server, IBM DB2 oder IBM Informix in einer relationalen Datenbank gespeichert. Für diese Mehrbenutzer-Geodatabases ist ArcSDE erforderlich, und es gelten keine Einschränkungen bezüglich Größe und Benutzeranzahl.

Datenformat für Vektordaten -Geodatabase-1

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Datenformat für Vektordaten -Geodatabase-2

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Datenformat für Vektordaten -Geodatabase-3

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Datenformat für Vektordaten -Geodatabase-4

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Struktur der Geodatabase 1

Feature-Dataset dient der Datenhaltung von Vektordaten (Simple-Feature-Classes:

Point, Line, Polygon) die den gleichen Raumbezug haben

Feature-Class enthält einzelne raumbezogene Objekte, die den gleichen Raum-

bezug, den gleichen Geometrietyp und eine gleiche Attribut- Tabellenstruktur haben

Beziehungen erstellt Verbindungen zwischen Feldern oder Features in der Quell-

und Zieltabelle

Topologie ist die räumliche Beziehung zwischen benachbarten Features

innerhalb oder zwischen unterschiedlichen Feature-Classes

Netzwerk speichert ein geometrisches Netzwerk (Feature-Classe) und

weist diesem ein logisches Netzwerk (Netzwerkverbindungen) zu

Annotation speichert Text oder grafische Elemente wie Rechtecke oder Pfeile

für Features oder Bereiche einer Karte, man unterscheidet Standard-Annotations und Feature-bezogene Annotations

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Struktur der Geodatabase 2

Daten-Tabellen haben keine zugehörige Geometrie, können aber über

„Beziehungen“ mit einer Attribut-Tabelle verbunden werden, erhalten darüber dann einen Raumbezug

Raster-Datenset speichert ein gültiges Raster-Format, dass in Bändern organisiert

ist

Raster-Katalog ist eine Sammlung von Raster-Datasets, die in einem

Tabellenformat angelegt sind, in dem jeder Datensatz die einzelnen Raster-Datasets definiert, die im Katalog enthalten sind

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Datenmodell I (ATKIS)

Graphik – Sachsatz – Datenmodell

für Objekte

Sachdaten (Attribute)

Punkt mit Punktdarstellung

Linie mit Liniedarstellung

Fläche mit Flächedarstellung

Text mit Textdarstellung

Punktattribute

Linieattribute

Flächeattribute

Geometrie- daten

Graphische Beschrei- bungen

Graphik-

daten

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Datenmodell II (ArcGIS)

Drei – Komponentenmodell für Objektarten

Sachdaten (Attribute)

Punkt (Knoten)

Linie (Kante)

Fläche

Punktattribute

Linieattribute

Flächeattribute

Geometriedaten Codierung

(Schlüsselfeld, id)

Punktdarstellung

Liniedarstellung

Flächedarstellung

Textdarstellung

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Linien-Codierung 1

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Fakultätsname XYZ Fachrichtung XYZ Institutsname XYZ, Professur XYZ

Linien-Codierung 2

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Flächen-Codierung 1

Beispiel für normale Wirtschaftsfigur: 903.... Abteilung Nr. : 903 001,002,003,...,999 ...01.. Unterabteilung: a 01,02,03,...,29 (Nummer im Alphabet) ....05 Unterfläche Nr.: 5 00,01,02,..., 98 (00 für keine Teilfläche Beispiel für Nichtholzboden: 903.... Abteilung Nr. : 903 001,002,003,...,999 ...71.. Nutzungsart : 71 71,72,73,...,99 .....47 lfd im Revier : 47 01,02,03,...,99 Nutzungsartenkatalog: ...71.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Acker ...72.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Wiese ...73.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Garten ...74.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Pflanzenerziehungsstätte ...75.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart forstliche Sonderkultur ...76.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Abbauland ...77.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Gebäude und Hof ...78.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Weg, Gestell ...79.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Trasse ...80.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Brandschutzstreifen ...81.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Wasserfläche ...82.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Wildacker, Wildwiese ...83.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Sumpf ...84.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Unland, Felsen ...85.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Erholungseinrichtungen ...86.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart sonstiger NHB ...°°.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart ? ...99.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart ?

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Flächen-Codierung 2

Beispiel für normale Wirtschaftsfigur: 903.... Abteilung Nr. : 903 001,002,003,...,999 ...01.. Unterabteilung: a 01,02,03,...,29 (Nummer im Alphabet) ....05 Unterfläche Nr.: 5 00,01,02,..., 98 (00 für keine Teilfläche Beispiel für Nichtholzboden: 903.... Abteilung Nr. : 903 001,002,003,...,999 ...71.. Nutzungsart : 71 71,72,73,...,99 .....47 lfd im Revier : 47 01,02,03,...,99 Nutzungsartenkatalog: ...71.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Acker ...72.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Wiese ...73.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Garten ...74.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Pflanzenerziehungsstätte ...75.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart forstliche Sonderkultur ...76.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Abbauland ...77.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Gebäude und Hof ...78.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Weg, Gestell ...79.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Trasse ...80.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Brandschutzstreifen ...81.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Wasserfläche ...82.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Wildacker, Wildwiese ...83.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Sumpf ...84.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Unland, Felsen ...85.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart Erholungseinrichtungen ...86.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart sonstiger NHB ...°°.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart ? ...99.. Nichtholzboden mit der Nutzungsart ?

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Fakultätsname XYZ Fachrichtung XYZ Institutsname XYZ, Professur XYZ

Geoverarbeitung -Ausschneiden (Clip)-

ObjektID Feld

1 1

2 2

3 2

4 3

Input Output

Extrahiert eine räumliche Teilmenge des Eingabe-

Features anhand der räumlichen Ausdehnung des

Clip-Features.

Clip-Feature

ObjektID Feld

1 1

2 2

3 3

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Fakultätsname XYZ Fachrichtung XYZ Institutsname XYZ, Professur XYZ

Geoverarbeitung -Zusammenführen (Dissolve)-

ObjektID Feld

1 1

2 1

3 1

4 2

5 2

6 2

7 3

8 3

9 3

ObjektID Feld

1 1

2 2

3 3

Input Output

Fasst Features auf der Grundlage gleicher

Attributwerte zusammen.

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Fakultätsname XYZ Fachrichtung XYZ Institutsname XYZ, Professur XYZ

Geoverarbeitung -Tabellen verbinden (Join)-

ObjektID Feld

1 1

2 1

3 1

4 2

5 2

6 2

7 3

8 3

9 3

Feld Neu 1 Neu 2

1 A 1234

2 B 4567

3 C 3489

Input Output

Über ein Schlüsselfeld werden an die Zeilen der Feature-Tabelle die

entsprechenden Zeilen einer anderen Tabelle angehängt.

ObjektID Feld Neu 1 Neu 2

1 1 A 1234

2 1 A 1234

3 1 A 1234

4 2 B 4567

5 2 B 4567

6 2 B 4567

7 3 C 3489

8 3 C 3489

9 3 C 3489

Schlüssel-Tabelle

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Fakultätsname XYZ Fachrichtung XYZ Institutsname XYZ, Professur XYZ

Geoverarbeitung -Vereinigen (Union)-

ObjektID Input 1

1 100

2 200

ObjektID Input 1 Input 2

1 100

2 100 A

3 200

4 200 A

5 A

Input 1 Output

Die Features werden mit den Attributen der Eingabe-Features, die von diesen

überlappt werden, in die Ausgabe-Feature-Class geschrieben.

Input 2

ObjektID Input 2

1 A

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