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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


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

http://www.opengis.org/






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)– ...


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)


Wozu Standards?

• Ermöglichung/Erleichterung des reibungslosen Datenaustauschs zwischen verschiedenen GIS-(Teil-)Systemen

• Interoperabilität


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)


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


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


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)


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)


UML-Diagramm: 1-D-Objekte





1+ 2+

1+

1+

1+MultiLineString


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


UML-Diagramm 1-D-Objekte





1+ 2+

1+

1+

1+MultiLineString


1-D-Objekte: MultiLineString• MultiLineString: Menge (Aggregation)

von LineStrings

LineString1LineString2

LineString1 LineString2

LineString1 LineString2


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







1+ 2+

1+

1+

1+MultiLineString


Polygon: Definition

• begrenzt durch genau einen äußeren Ring und beliebig viele innere Ringe (= einfache Zyklen)

• Inneres topologisch zusammenhängend

Polygon kein Polygonnicht topologisch zusammenhängend


Polygon: Definition



Polygon kein Polygon

PolygonPolygon

PolygonPolygon


Polygon: Definition



Polygon kein Polygon kein Polygonnicht topologisch zusammenhängend







1+ 2+

1+

1+

1+MultiLineString


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


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


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()


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)


Punktmengentopologie (Wh. aus GIS I)

• Beziehungen zwischen Punktmengen


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


X disjunkt Y







X

Y


Vom 4 Schnitt- zum 9-Schnitt-Modell: Rand, Inneres und Äußeres

Inneres (°) rot

Rand () grün

Äußeres ( ¯ ) blau


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


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)


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!


Erweiterung um Dimension


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


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


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


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)


DE-9IM: benannte räumliche Beziehungen I/II

grün.Within(rot)rot.Contains(grün)

grün.Overlaps(rot)

grün.Crosses(rot)

grün.Touches(rot)


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.

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