Markscheidewesen GIS Bu Teil1

Ringvorlesung Einfhrung in Energie und Rohstoffe

Teil Markscheidewesen

Prof. Dr.-Ing. W. Busch

Institut fr Geotechnik und Markscheidewesen Abteilung Markscheidewesen, Fernerkundung und Geoinformation

TU Clausthal

homepage: http://www.igmc.tu-clausthal.de

Prof. Dr.-Ing. W. Busch Institut fr Geotechnik und Markscheidewesen 2 Einfhrung in Energie und Rohstoffe: Teil Markscheidewesen

Ansprechpartner

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Busch Tel.: 05323 / 72-2076 e-mail: [email protected]

Frau Dr.-Ing. Janette Linke Tel.: 05323 / 72-3181 e-mail: [email protected]


Inhalt Teil 1

1. Markscheidekunde, Markscheidewesen:

Definitionen, Anwendungsbereiche, Aufgabenstellungen

2. Informationsverarbeitung: Geo-Informationssysteme (GIS), Kartographie / Risswesen

3. Verfahren der Datenbeschaffung: Vermessungskunde, Fernerkundung / Photogrammetrie

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Literaturhinweise

Lehrbcher (Empfehlung) Bill, R.: Grundlagen der Geo-Informationssysteme. Wichmann Verlag,

5. Auflage, 2010

Resnik, B.; Bill, R.: Vermessungskunde fr den Planungs-, Bau- und Umweltbereich. H. Wichmann Verlag, Heidelberg, 3. Aufl., 2009 (mit CD)

Witte, B., Sparla, P.: Vermessungskunde und Grundlagen der Statistik fr das Bauwesen. H. Wichmann Verlag, Hthig GmbH, Heidelberg, 7. Aufl., 2011

Albertz, J.: Einfhrung in die Fernerkundung. Grundlagen der Interpretation von Luft- und Satellitenbildern. Wissenschaftliche Buchgesellschaft Darmstadt 4. Aufl., 2009

Kratzsch, H.: Bergschadenkunde. 5. Auflage, Deutscher Markscheider Verein e.V., Bochum, 2008


Lego Power Miners http://powerminers.lego.com/en-US/default.aspx

BOOM BANG KABLAMMO! The entire underground cavern system shakes when the Boulder Blaster is on the scene. This titanium-plated titan of a mining machine carries an arsenal of dynamite sticks that it can rapid-fire at any obstacle to blast it to smithereens. Whether the Power Miners need a cave mouth widened, a rock-fall cleared or a Rock Monster booby trap pulverized, the Boulder Blaster is always ready to get the job done and sweep away the rubble with its double-strength bulldozer blades when the dust clears.

Bergbau und Markscheidewesen


Markscheidekunde: Lehre von der Vermessung ber und unter Tage im Zusammenhang mit der Aufsuchung und Gewinnung von Bodenschtzen und ihrer Dokumentation im Bergmnnischen Riwerk (Def. nach DIN)

Markscheidekunde (Mine Surveying)

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Markscheide: Grenze zwischen zwei Bergwerksfeldern


Markscheidewesen: Disziplin des Bergbaus. Sie umfasst Arbeiten, - die der Erkundung, Untersuchung und Bewertung von

Bodenschtzen, - der Lagerstttenprojektion sowie der Planung und

vermessungstechnischen Erfassung und risslichen (kartographischen) Dokumentation von Grubenbauen und der Tagesanlagen sowie von Tagebauen dienen.

Hierzu gehren insbesondere - die Mitwirkung bei der Erlangung von Bergbauberechtigungen, - Planungs- und Projektierungsarbeiten fr den Aufschluss und die

Gewinnung der Lagersttte, - die Ermittlung, berwachung und Verminderung oder Verhtung der

ber- und untertgigen Auswirkungen des Abbaus (Vorausberechnung von Bodenbewegungen, Umweltvertrglichkeitsprfung) sowie

- Planung, berwachung und Nachweis von Rekultivierungsmanahmen (Def. nach Fachwrterbuch Bd. 12 des Bundesamtes fr Kartographie und Geodsie)

Markscheidewesen

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Ausbildung und berufliche Schwerpunkte: - Universitt: Dipl.-Ing. oder M.Sc. - Referendarzeit: Assessor des Markscheidewesens - Berufliche Ttigkeiten in:

- Bergbehrden (Bewilligungen, Bergaufsicht) - Bergbauunternehmen (Steinkohle, Braunkohle, Kali und Salz, Erz: Exploration,

Lagerstttenmodellierung, Abbauplanung, Bodenbewegungsvorausberechnung, Umweltvertrglichkeitsprfung, Erfassung und Dokumentation des Abbaustandes (Risswerk), Bergschadenbearbeitung, Umweltmonitoring)

- Ingenieurbros (Gutachter, Bodenbewegungen, Bergschden, Umweltvertrglichkeit, Steine und Erden-Betriebe, Altbergbau, Geotechnik, Vermessung)

- Transdiziplinr und interdisziplinr - Geoinformatik - Messtechnik (Vermessung, Fernerkundung, Geotechnik) - Bergbau - Geowissenschaften, Hydrologie, Geomechanik - Umwelt - Recht (Berg- und Energierecht, Umweltrecht, Planungsrecht, etc.) - Wirtschaftswissenschaftliche Anwendung - Soft Skills

Der Markscheider

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Markscheider =

Geoinformationsingenieur fr die Rohstoffindustrie

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Markscheidekunde Bodenbewegungen

Abbauplanung

Erfassung und Dokumentation von Bodenbewegungen


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Stafurt Schacht 6 / 7


3D-Darstellung eines Bergwerks


Tagebau Steine und Erden, Brilon

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Was wollen wir?

Allgemeine Aufgabenstellung:

Konzeptuelle und physikalische (= computergesttzte) Modellierung

raumbezogener natrlicher und anthropogener (durch den Menschen verursachter)

Phnomene und Prozesse

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Wie und Womit knnen wir es tun?

Lsung: Anwendung von Methoden und Verfahren der - Geodsie, - Fernerkundung sowie der - Geoinformatik (Geo- Informationssysteme GIS).

Beschrnkt sich die Funktion eines Systems auf die Aufnahme, Speicherung,

Verarbeitung und Wiedergabe von Informationen, so ist es ein Informationssystem. Es besteht somit aus der Gesamtheit der Daten und Verarbeitungsanweisungen. Der Benutzer soll imstande sein, daraus ableitbare Informationen in einer verstndlichen Form zu erhalten. [Bill 1999]

Ein Geoinformationssystem ist ein rechnergesttztes System, das aus

Hardware, Software, Daten und den Anwendungen besteht. Mit ihm knnen raumbezogene Daten digital erfasst und redigiert, gespeichert und reorganisiert, modelliert und analysiert sowie alphanumerisch und graphisch prsentiert werden [Bill 1999].

Die Geoinformatik ist ein relativ junges Teilgebiet der Angewandten Informatik. 2. In

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Was ist ein Informationssystem?

Informationssystem

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Geo-Informationssystem (GIS) - bersicht

Reale Umwelt

Rasterdaten Vektordaten

Geometriedaten Sachdaten

Geodaten

Daten- und Prozessmodell Beschreiben

GIS Analyse und Prsentation

Benutzer Interpretation

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Geoinformationen sind Informationen, die einen bestimmten Raumbezug zur natrlichen Umwelt haben. Die Verarbeitung von Geoinformation erfolgt in unterschiedlichen Wissenschaften, in der Kartographie z. B. ber Methoden und Verfahren zur Erfassung und Abbildung der Information in Form spezieller (z. B. topographischer oder thematischer) Karten oder in anderen Geowissenschaften in Form spezieller Datensammlungen (Informationssysteme).



Geodaten

Begriffsbestimmungen

Raster

Vektor

Reale Welt 2. In

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Geodaten sind Daten mit einem Raumbezug, ber den ein Lagebezug zu ihrer Umwelt hergestellt werden kann. Sie beschreiben Objekte der Realitt durch geometrische und inhaltliche (fachthematische) Attribute. Geodaten lassen sich mit Hilfe von raumbezogenen Informationssystemen erfassen, speichern und weiterverarbeiten.

Der Raumbezug wird z. B. ber zwei- oder dreidimensionale Koordinaten ausgedrckt. Geodaten sind grundstzlich mastabsfrei, dennoch werden Datenbestnde manchmal mit einer Mastabszahl charakterisiert (z. B. TK25 = Topographische Karte im Mastab 1:25.000), um ihre Detaillierung und Genauigkeit auszudrcken.

In den letzten Jahren hat sich ein groer internationaler Markt fr Geodaten entwickelt, fr den durch Standardisierungen, Vorgaben und private wie ffentliche Angebote, wie z.B. in Deutschland ALKIS oder international z.B. Google Map oder Google Earth eine Grundlage geschaffen wird.


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Geoinformatik ist die Wissenschaft vom Wesen und der Funktion der Geoinformation (= raumbezogene Information), ihrer Verarbeitung in Form von Geodaten sowie der Anwendung von Geoinformationssystemen [Bartelme 1995]. Sie befasst sich mit den Theorien der Strukturierung, Speicherung, Verwaltung und Verarbeitung von Geodaten sowie der Entwicklung entsprechender Methoden einschlielich der dafr bentigten Informations- und Kommunikationstechniken [Hake & Grnreich 1994]. Der aus dem Englischen von geomatics stammende Begriff Geomatik beschreibt die Fachrichtung, die sich interdisziplinr aus den Bereichen der Geoinformatik, Geodsie, Kartographie, Photogrammetrie und Fernerkundung sowie Geographie zusammensetzt, wobei einige Fachdiszipline im deutschsprachigen Raum auch hierfr als Sammelbegriff Geoinformatik verwenden.


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Was sind Geoinformationssysteme?

Ein GIS kann in fnf Komponenten aufgeteilt werden: - Software - Hardware - Daten - Methoden (Anwendungen), die zwischen der Software und den Anwendern

stehen

- Anwender (Nutzer)

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Software

GIS

Hardware

Daten

Anwender

Methoden


Hardware

Digitizer

Groformatiger Scanner

Maus/ Trackball

Datenspeicherung

Plotter

Drucker

Netzwerk/ Internet

Datenerfassung

Workstation/PC

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Software

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GISUmriss eines Grundstcks X

Eigentmer des

Grundstcks X

GeoDaten in GIS

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Flchennutzung


Daten der Realen Welt auf natrlicher

Hardware

Realweltmodellierung

Konzept der Topologie Das topologische Modell kann die innere Geometrie von Objekten beschreiben. Es

basiert auf der Graphentheorie. Dieses Modell beschreibt die

Zuordnung der Elemente Punkt, Linie, Flche einer Geometrie zueinander und kennt daher deren relative Lage und Nhe. Durch die Beschreibung, Bearbeitung und Speicherung der Geometrie der Lage von rumlichen Objekten knnen gegenseitige Beziehungen manipuliert werden, ohne die Koordinaten zu kennen. Dies ist mit deutlich weniger Rechen- aufwand verbunden. Topologie wird auch bezeichnet als Geometrie auf der Gummihaut. 2.

Info

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: GIS


Algebraische Topologie

Grundelemente Unter Knoten verstehen wir die End- sowie Schnittpunkte von Kanten

(Verbindungen dieser Knoten). Maschen (Flche, Polygon) sind die von Kanten eingeschlossenen Gebiete, die im 3D Raum ein Polyeder umschlieen knnen.

Mit diesen wenigen Grundelementen lassen sich beliebig komplexe Gebilde (Netzwerke oder Graphen) konstruieren.

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Knoten: P1 2.0 0.0 P2 5.0 1.0 ..............................................

Kante

Anfangs- knoten

End- knoten

linke Masche

rechte Masche

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Kanten:

Topologie: Knoten-Maschen-Struktur

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Kante

Anfangs- knoten

End- knoten

linke Masche

rechte Masche

E1 P1 P2 A Auen E2 P2 P3 A Auen E3 P3 P4 A B E4 P4 P5 A C E5 P5 P1 A Auen E6 P3 P6 B Auen ..............................................

Kanten:

Knoten: P1 2.0 0.0 P2 5.0 1.0 ..............................................

Topologie: Knoten-Maschen-Struktur


Methoden, Anwendungen

Die Strke von Geo-Informationssystemen sind die Methoden, die auf der Verknpfung unterschiedlichster Datenstze beruhen, basierend allein auf deren rumlicher Lage.

Die Analyse, Modellierung und Nutzung dieser rumlichen Beziehungen ist die Hauptaufgabe von GIS

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Realweltmodellierung

Der Einsatz von Geoinformationstechnik macht es notwendig, den Untersuchungsgegenstand (z.B. natrlicher Prozess oder ein natrliches Phnomen) aus der Realwelt zu reprsentieren, was mit der Abbildung in einem Modell erreicht wird.

Analysen werden in dieser Modellumgebung durchgefhrt,

in der Regel ohne die Ergebnisse in der Realwelt verifizieren zu knnen.

Die Ergebnisinterpretation schliet mit einem Vergleich von alternativen Modellierungs-Varianten bzw. Versionen.

Die Frage der Bewertbarkeit oder Interpretierbarkeit der Analyse- ergebnisse bleibt: Sind die Ergebnisse wieder rckbertragbar auf die Realwelt?

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Modelle zur

Abbildung und Analyse der realen Welt

mit einem GIS

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Funktionen (Methoden)

In einem GIS stehen dem Anwender verschiedene Gruppen von Funktionen (Methoden) zur Verfgung, wie fr:

das Datenmanagement (Funktionen eines Datenbankmanagementsystems: Eingabe, persistente Speicherung, Koordinaten-Transformationen, Editierung, Datenausgabe )

die Auswahl und Suche, Identifikation, Selektion, Datenbankabfrage

Rumliche Analysen (eigentliche GIS-Funktionalitt: Graphische Operationen, Distanz- und Flchenberechnung, Regionalisierung, Datenberlagerung - Verschneidungen, Buffer, Nachbarschaftsoperationen, Netzwerkoperationen)

die Prsentation der Ergebnisse, z.B. in Form Thematischer Karten 2.

Info

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: GIS


Funktionen (Methoden)

Prsentation in Form Topographischer und Thematischer Karten

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Methoden zur Rumliche Datenanalyse

Nachbarschaftsoperationen Eine wichtige (und fr GIS typische) Nachbarschaftsoperation ist die Konstruktion von Bufferzonen um ein Objekt. Diese Funktionen operieren in der Umgebung von Objekten, nicht an den rumlichen Objekten selbst. Ein Buffer (oder Buffer-Zone, Pufferzone) ist der Bereich um ein Objekt bis zu einem bestimmten, festgelegten Abstand vom Objekt. Buffer lassen sich auerhalb um Punkte, Linien und Polygone eines Vektordatensatzes konstruieren.

Eine typische Fragestellung fr den Einsatz von Buffern lautet: Welche Objekte (Parzellen, Wald, Leitungen etc.) liegen im Umkreis von 100 m um die Trassierungsachse eines geplanten Verkehrsweges?

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Rumliche Datenanalyse

Nachbarschaftsoperation Buffer

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Rumliche Datenanalyse Datenberlagerung und Verschneidung

Diese Funktionen gehren zu den am hufigsten genutzten in GIS Anwendungen. Es werden hier mehrere rumliche Datenstze (z. B. ein Polygon-Datensatz mit Objekten, die unterschiedliche Bodentypen anzeigen und ein Polygon-Datensatz mit Objekten, die unterschiedliche Niederschlagsmengen im selben Gebiet zeigen) koordinatendeckend bereinander gelegt und Operationen angewendet, die die Attributwerte als Argumente verknpfen (verschneiden). Vorstellen kann man sich die Arbeitsweise wie das bereinanderlegen thematischer Karten als Klarsichtfolien auf einem Leuchttisch. Die Operationen basieren auf einem mengen-theoretischen Konzept, in dem alle Positionen in einem Datensatz Elemente einer (Punkte-) Menge sind; es werden die Operatoren Schnitt, Vereinigung, Differenz und Komplement gebraucht.

Niederschlagsmengen

Bodentypen

Optimale Anbauflche 2. I

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: GIS



Der Begriff Verschneidung wird hier gebraucht fr die Kombination von berlagerung (koordinatendeckend) sowie geometrischer Verschneidung und der anschlieenden Verbindung und Verknpfung der Attributdaten. Im Beispiel der Abbildung werden Niederschlagsmenge und Bodentyp verschnitten, um eine optimale Anbauflche fr eine bestimmte Bodenfrucht zu finden.

Niederschlagsmengen

Bodentypen

Optimale Anbauflche

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Verschneidungen erzeugen neue Datenstze aus der Kombination der Geometrie und der Attribute von Ausgangsdatenstzen zu sich berschneidenden bzw. identischen Raumausschnitten, siehe Abbildung.

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Rumliche Datenanalyse

Topologische Analyse und Netzwerkoperationen Netzwerkoperationen lassen sich auf bestimmte Vektordatenstze (Graphen: mit Kanten verbundene Knoten) anwenden. Die wichtigsten Analysefunktionen sind (vergl. nchste Abb.): Routing, d. h. Finden eines optimalen Weges zwischen zwei Punkten (Knoten) durch ein Netzwerk (entlang von Kanten ber Knoten) evtl. unter Bercksichti- gung einer Kostenfunktion, die geometrische oder attributive Daten nutzt Akkumulation, d. h. Summieren bestimmter Attributwerte auf einem Pfad durch ein Netzwerk Netzwerkzerlegung (Einzugsbereiche), d. h. entweder ausgehend von einem Punkt (Knoten) den Einflussbereich (z. B. abstandsabhngig entlang der Verbin- dungen/ Kanten) abgrenzen (engl. network allocation) oder z. B. in einem gerichteten Graphen (der ein Fluss/ Nebenflusssystem darstellt) den Netz- abschnitt oberhalb detektieren (engl. tracing).

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Netzwerkoperationen

Routing

Netzwerkzerlegung (network allocation)

Netzwerkzerlegung

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Lagerstttensuche, Volumenberechnung Dieser Anwendungsbereich der Rohstoffwirtschaft und Rohstoffbewertung in der Steine&Erden- Industrie gehrt zu den klassischen Anwendungsfeldern von GIS. Gerade in der Planung des Abbaus einer Lagersttte ist die Verknpfung des geometrisch bestimmten Rohstoffkrpers mit geometrischen Kennwerten (Mindestmchtigkeit, berdeckung, etc.), mit Qualittskennwerten des Rohstoffs (Reinheit, Verwendbarkeit, etc.), mit rechtlichen Aspekten (Grundstcksgrenzen, Schutzgebiete, etc.) und mit logistischen Randbedingungen der Erschlieung (Entfernung zur Weiterverarbeitung, zu Abnehmern, etc.) usw. notwendig. Am Beispiel einer Bauxite- Lagersttte soll das verdeutlicht werden (ESRI-Tutorial: Modeling Bauxite Thickness and Volumes in ArcGIS, http://www.esri.com/news/arcuser/avmodel.html). Gegeben sind in diesem Beispiel u. a. ein Raster mit interpolierten Mchtigkeiten des Bauxit-Horizontes (Trogfllungen), ein Vektordatensatz der Polygone der Trogbegrenzungen sowie ein Vektordatensatz mit den Grundstcksgrenzen. Aus den Mchtigkeiten wurde eine Isolinienkarte berechnet, die in der nchsten Abbildung ebenfalls eingeblendet ist.

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Erweiterte und kombinierte Funktionen - Anwendungsbeispiele -


Lagerstttensuche, Volumenberechnung Verschneidung von Rohstoffkrpern und Grundstcksgrenzen; unten die Attributtabellen mit den berechneten Rohstoffmengen innerhalb der Grundstcksgrenzen

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Lrmausbreitung

Untersuchungen mit GIS-Untersttzung zur Lrmausbreitung und zur Bestimmung von Sicherheitszonen fr z.B. Sprengarbeiten fallen unter die sog. Sichtbarkeitsanalysen, die auf der Analyse von Digitalen Gelndemodellen beruhen. (engl. viewshed, line of sight). Die Arbeit mit Digitalen Gelndemodellen (DGM) ist ein wichtiges Anwendungsfeld und ist auch Gegenstand einer ganzen Reihe von online-tutorials, z. B. auf der ESRI homepage http://www.esri.com/news/arcuser/0401/avmodel.html). Grundlage der Sichtbarkeitsanalysen sind Schnittberechnungen konstruierter gerader Linien vom Beobachtungspunkt zu jeder Position (praktisch zu jeder Zelle im DGM). Wrde diese Linie an irgendeiner Stelle die Modellflche schneiden, wre die freie Sicht also versperrt, die Zelle lge im Schatten einer anderen (vergl. nachfolgende Abbildung).


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Lrmausbreitung Fr eine Analyse von z. B. der Lrmausbreitung muss man dieses Schatten/ Sichtbarkeitsmodell noch mit einem Modell der Strke der Lrmausbreitung (am einfachsten radialsymmetrisch abnehmend vom Beobachtungspunkt aus) verschneiden.


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Erweiterte und kombinierte Funktionen

- Anwendungsbeispiele -

Deponiestandortsuche


Prsentation/Visualisierung von Geoinformationen

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Kombination verschiedener Darstellungsmethoden

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Softwarepakete und Anbieter

bersichten finden sich im Internet unter: http://www.geoinformatik.uni-rostock.de/produkte.asp

http://www2.geoinform.fh-mainz.de/3dgis/index.php http://www.geobranchen.de/ bersicht freier GIS-Software: http://www.freegis.org/ http://www.esri.com/ ESRI - ArcGIS, ArcSDE, ArcIMS

http://www.intergraph.com/ Intergraph Corp., Geomedia, G/technology http://www.bentley.com Bentley, Microstation Geographics http://www.mapinfo.com/ MapInfo, Inc. http://www.smallworld-us.com Smallworld Systems Inc. http://www.microimages.com TNTmips (TNTlite ist frei verfgbar) http://www.baylor.edu/~grass GRASS (im Original von der US Army)

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Softwarepakete und Anbieter

ESRI http://esri.de/products/arcgis/

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Ringvorlesung Einfhrung in Energie und RohstoffeTeil MarkscheidewesenFoliennummer 2Inhalt Teil 1LiteraturhinweiseFoliennummer 5Foliennummer 6Foliennummer 7Foliennummer 8Foliennummer 9Foliennummer 10Foliennummer 11Foliennummer 12Foliennummer 13Was wollen wir?Wie und Womit knnen wir es tun?Was ist ein Informationssystem? Geo-Informationssystem (GIS) - bersichtBegriffsbestimmungenFoliennummer 19Foliennummer 20Was sind Geoinformationssysteme? HardwareSoftwareGeoDaten in GISRealweltmodellierungAlgebraische TopologieTopologie: Knoten-Maschen-StrukturTopologie: Knoten-Maschen-StrukturMethoden, Anwendungen RealweltmodellierungFoliennummer 32Funktionen (Methoden)Funktionen (Methoden)Foliennummer 35Foliennummer 36Foliennummer 37Foliennummer 38Foliennummer 39Foliennummer 40Foliennummer 41Foliennummer 42Foliennummer 43Foliennummer 44Foliennummer 45Foliennummer 46Foliennummer 47Foliennummer 48Softwarepakete und AnbieterSoftwarepakete und Anbieter

Markscheidewesen GIS Bu Teil1

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