GIS Übung 4"Georeferenzierung von Topographischen Karten und Luftbildern"
Da viele Karten nicht georeferenziert sind, sollte durch diese Übung das Georeferenzieren von Bildkarten vertieft und geübt werden. Die Technik der Georeferenzieren war hierbei freigestellt.
Im ersten Schritt mussten die Bilddaten von der Internetseite des Landschaftinformationssystem der Naturschutzverwaltung RLP mit Hilfe der Funktion „Extras --> Seiteninformation --> Medien als JEPG gespeichert werden. Hierbei handelte es sich zum Einen um topografische Karten, zum Anderen um Luftbilder von Rheinland-Pfalz.
Um die Karten georeferenzieren zu können, benötigt jede Karte einen eigenen Wordfile, in dem alle relevanten Informationen über die Lage enthalten sind. Im Wordfile müssen enthalten sein 1. Pixelgröße im Verhältnis zum realen Abbild 2. Drehparameter 3. Mittelpunkt des oberen linken Pixels
Um diese Parameter zu erhalten, muss man als erstes die Koordinaten des oberen linken Pixels abmessen. Hierzu wählt man wie im nachfolgenden Bild zu erkennen die Funktion „Link“. Nun kann man durch Aktivierung der Bearbeitungsfunktion den linken oberen Pixel bestimmen.
Im nächsten Schritt muss man die reale Strecke auf dem entsprechenden Luftbild abmessen. Hierzu wählt man die Funktion "Strecke und Flächemessen". Wichtig ist hierbei allerdings, dass bei der Streckenmessung die Y-Koordinaten am Messanfang und Messende identisch sind. Um nun zu errechnen, wie viel ein Pixel in Wirklichkeit entspricht, muss man die gemessene Strecke in Metern durch die Anzahl der Pixel des abgespeicherten Bildes dividieren. Der errechnete Wert gibt nun die Größe eines Pixels an. Dieser Wert entspricht den ersten beiden Zeilen des Wordfiles. (Hierbei handelt es sich zum Einen um den positiven Wert, zum Anderen um den negativen Wert) Da das Bild nicht gedreht wurde, sind die zwei weiteren Zeilen des Wordfiles = 0. Die letzten beiden Zeilen, die im Wordfile noch fehlen, berechnen sich aus der Rechtswertkoordinate Plus den halben Pixelwert, sowie die Hochwertkoordinate minus den halben Pixelwert. Die neuen Werte entsprechen exakt dem Mittelpunkt des oberen linken Pixels.
Dieses Verfahren kann man bei jedem Bild wiederholen. Um jedoch Messfehler zu minimieren, lässt sich aufgrund des vorgegebenen Maßstabes jedes einzelnen Bildes die Pixelgröße leicht berechnen. Da sich der Maßstab von Bild zu Bild konstant (mit Ausnahme des letzten Bildes) um die Hälfte verkleinert, verkleinert sich auch die Pixelgröße um den gleichen Wert.
Hier kann die Projektdatei mit den georeferenzierten Bilddateien runtergeladen werden. Enthalten sind zum Einen die entsprechenden topografischen Karten und Luftbilder, zum Anderen die schon georeferenzierte topografische Karte 100 zur Kontrolle.
Das Thema der dritten Übung war „Abfragen und Geoanalysemethoden“. Ziel war es hierbei durch verschieden Vorgehensweisen unterschiedliche Layer mit je unterschiedlichen Inhalten zu erzeugen. Die Bezugsdaten waren zum Einen die Naturschutzgebiete in Rheinland Pfalz, zum Anderen die Landkreisgrenzen von Rheinland-Pfalz.
Layer 1
Aufgabe: Erzeugung eines Layers mit den Grenzen des Landkreises und der Stadt Kaiserslautern (Attributbezogene Abfrage)
Um lediglich die kreisfreie Stadt und den Landkreis Kaiserslautern in einem Layer zu vereinen, wählt man die Funktion Selection mit der Unterfunktion „Select by Attributes“. Als erstes muss man den richtigen Layer wählen, hier „LK-Grenzen“. Danach wählt man das Attribut aus, welches man vereinen möchte. Hier „Name“. Anschließend wählt man aus, welche Städte zusammen geführt werden sollen. Das Ergebnis kann man im unten stehendem Bild sehen. Hat man diese Funktion bestätigt, öffnet man durch Rechtsklick auf den Layer „LK-Grenzen“ die Optionenpalette des Layers. Hier wählt man nun die Option „Date -->Export Data“. Als letzten Schritt benennt man den Layer als Layer1 um und speichert ihn im beliegen Ortner.
Layer 2
Aufgabe: Zusammenfassen der Objekte von Layer_1 zu einem einzigen Objekt (Geoanalyse)
Um die in Layer1 erzeugten Daten „Landkreis Kaiserslautern“ und Stadt „Kaiserslautern“ zusammen fassen zu können, und somit einen Layer zu erhalten, muss man die Funktion „Dissolve“ unter der Arc Toolbox --> Data Management Tools --> Generalization wählen. Im Input Features muss man den Layer1 wählen (also den Layer wählen, von dem die Daten zusammenfasst werden sollen). Unter Dissolve_Field(s) muss man nun den Parameter wählen, nach dem die beiden Daten zusammen gefasst werden sollen. Hier Name. Abschließend speichert man es unter Layer2 ab. Das nachfolgende Bild zeigt die Funktion Dissolve nochmals auf.
Layer 3
Aufgabe: Auswahl aller Naturschutzgebiete die sich mit Layer_1 überschneiden (Lagebezogene Abfrage ,’that: intersect’)
Um alle Naturschutzgebiete auszuwählen, die sich mit dem Layer 1 (Stadt und Landkreis Kaiserslautern) überschneiden, wählt man unter Selection die Funktion „Select by Location“. Hierbei ist es wichtig, dass im oberen Feld der Layer Naturschutzgebiete ausgewählt ist, unter der Option „that“ die Funktion „intersect“ und unten Feld den Layer1. Das unten stehende Bild veranschaulicht dies nochmals. Abschließend muss man den neuen Layer wie in Aufgabe 1 schon beschrieben über die Funktion Data --> Export Data unter Layer3 speichern.
Layer 4
Aufgabe: Erzeugen von Pufferbereichen mit 300m um die Naturschutzgebiete von Layer_3 (Geoanalyse)
Um einen Pufferbereich von 300 Meter um die Naturschutzgebiete aus Layer 3 zu erzeugen, wählt man unter der Arc Toolbox --> Anaylsis Tool --> Proximity die Funktion Buffer. Hier muss man nun den Layer3 im Feld „Input Features“ wählen und den gewünschten Pufferbereich (hier 300) eingeben. Unter Output speichert man es nun noch unter Layer 4. Das nachfolgende Bild veranschaulicht dies nochmals.
Layer 5
Aufgabe: Erzeugung eines Layers mit den Grenzen der Stadt Kaiserslautern (Abfrage)
Um den Layer der Stadt Kaiserslautern zu erzeugen, geht man ähnlich vor, wie bei Aufgabe 1. Auch hier wählt man unter der Option Selection die Funktion Select by Attributes. Wichtig ist hierbei, dass man bei der Layerwahl den Layer1 ausgewählt hat, da man sonst im weiteren Verlauf alle kreisfreien Städte in Rheinland-Pfalz auswählt. Bei der Auswahl ist es wichtig, dass man nun die Objektart (Objektart1) und „Kreisfreie Stadt“ auswählt. Bestätigt man den Vorgang, so ist lediglich die kreisfreie Stadt Kaiserslautern selektiert. Nun muss man den Layer (wie in Aufgabe 1 beschrieben) noch exportieren und als Layer 5 abspeichern. Das nachfolgende Bild veranschaulicht die Aufgabe nochmals.
Layer 6a
Aufgabe: Ausschneiden von Layer_4 mit Hilfe von Layer_5 (Geoanalyse)
Das Ausschneiden von Layern erfolgt über die Option Arc Toolbox --> Analysis Tools --> Extract und die Funktion Clip. Hier muss man nun zum Einen den Layer einfügen der ausgeschnitten werden soll (Layer4) und von dem ausgeschnitten werden soll (Layer5). Unter Output muss nun der Layer noch als Layer6a gespeichert werden.
Layer 6b
Aufgabe: Überschneidung von Layer_4 und Layer_5 (Geoanalyse)
Zum Überschneiden wählt man die Funktion Intersect unter Arc Toolbox --> Analysis Tools --> Overlay. In dieser Funktion müssen nun die beiden Layer 4 und Layer 5 einfügt werden und als Output Layer6b abgespeichert werden.
Layer 6c
Aufgabe: Vereinigung von Layer_4 und Layer_5 (Geoanalyse)
Um die Layer4 und Layer5 zu vereinigen wählt man unter Toolbox --> Analysis Tools --> Overlay die Funktion Union. Hierbei werden alle Objekte die sich in Layer 4 und Layer 5 befinden zu einem eigenen neuen Objekt. Darüber hinaus werden auch die Überschneidungen jeweils zu einen neuen Objekt.
Um nun die Hektar zu berechnen wählt man „Hektar“ in der Attributtabelle aus und lässt diese über den Field Calculator berechnen.
Abschließend ist noch Tabelle „Sum_Layer6c“ zu erstellen. Hierbei klickt man in der Attributtalelle des Layers 6c mit einem Rechtsklick auf eine beliebige Kategorie. Nun wählt man die Funktion „Summarize“. Da die Tabelle die Inhalte über den Gebietsnamen, Gebietsnummer und die Gebietsfläche (Hektar) beinhalten soll, wählt man eine der drei Inhalte im oberen Fenster. Die verbliebenen zwei wählt man im zweiten Fenster aus. Abschließend speichert man die Tabelle als Sum_Layer6c ab. Das nachfolgende Bild zeigt zum Einen die Auswahl der Tabelle, zum Anderen die fertige Tabelle.
Gemeinsamkeiten und Unterschiede Layer 6a und Layer 6b
Gemeinsamkeiten: Stellen beide die Naturschutzgebiete in der Stadt Kaiserslautern da und haben somit auch gleich viele Polygone in der Attributtabelle.
Unterschiede: Layer 6a beinhaltet ausschließlich Informationen der Naturschutzgebiete, wohingegen Layer 6b weitergehende Informationen über die Stadt Kaiserslautern enthält. Nachzuprüfen durch den Vergleich der Attributtabellen vom Layer 6a und Layer6b.
Gemeinsamkeiten und Unterschiede Layer 6b und Layer 6c
Gemeinsamkeiten: Beinhalten sowohl die Informationen der Naturschutzgebiet als auch des jeweiligen Landkreises
Unterschiede: Im Layer 6b beinhalten lediglich die Informationen über die Naturschutzgebiete in der kreisfreien Stadt Kaiserslautern Der Layer 6c beinhaltet neben den Informationen aus dem Layer 6b weitergehende Informationen zu den Naturschutzgebieten in Landkreis Kaiserslautern. Überprüft werden kann dies durch den Vergleich der Attributtabellen von Layer 6b und Layer 6c.
Die Datei mit den Layern und der Projektdatei kann hier runtergeladen werden
Aufgabe der Übung 2 war es, selbständig das vorgegebene Plangebiet zu colorieren und die dafür notwendigen Schritte selbstständig zu erarbeiten.
Der erste Schritt bestand darin, in einem eigenen Order sowohl ein Polygon-shapefile als auch ein Punkt-shapefile zu erstellen. Diesen Arbeitsschritt konnte am besten im ArcCatalog durchgeführt werden. Das nachfolgende Bild zeigt die erstellten Shapefiles rot hinterlegt im ArcCatalog.
Zu jedem Shapefile gehört auch eine Attributtabelle, die im nächsten Schritt angelegt werden musste. Hier bei war es wichtig, dass bei dem Polygon-Shapefile sowohl die Nutzung und Geschossigkeit, als auch die Fläche der einzelnen Polygone erstellt wurde. Beim dem Punktshapefile war es wichtig, dass hier der Kronendurchmesser erstellt wurde.
Als nächster Schritt musste nun in ArcMap zum Einen die Plangrundlage, zum Anderen die neu erstellten Shapefiles geladen werden. Die folgenden zwei Bilder zeigen zum Einen die zu ladenden Dateien, zum Anderen das Ausgangslayout in ArcMap, auf dessen Basis die weiteren Schritte erfolgen. Rothinterlegt sind die verschiedenen Dateien in ArcMap.
Nun folgt das eigentliche Colorieren des Plangebietes. In dem Polygonshape mussten alle Gebäude und Straßen und Grünflächen gezeichnet werden. In der Attributtabelle musste ihnen dann die entsprechende Nutzung zugeordnet werden. Bei vordefinierten Farben für bestimmte Nutzungen wurden diese einheitlich für die entsprechende Nutzungen automatisch übernommen. Im Punktshape mussten nun noch die Bäume eintragen werden. Das nachfolgende Bild zeigt sowohl den fertig colorierten Plan als auch die beiden Attributtabellen für den Punkt- und Polygonshape. Sehr gut zu erkennen sind hier die jeweilige Nutzung und die entsprechende Fläche.
Abschließend musste die fertig bearbeitete Datei gelayoutet werden. Dies ist in dem nachfolgenden Bild sehr gut zu erkennen. Mithilfe von verschiedenen Bausteinen konnte das Layout in ArcMap schnell und übersichtlich erstellt werden.
Im nachfolgendem Link kann die Zip-Datei mit dem fertigen Projekt herunter geladen werden. Übung 2
Ein Ellipsoid ist eine zentrisch-symmetrische krumme Fläche mit einem Mittelpunkt, durch den drei aufeinander senkrechte Achsen gehen. Für die mathematische Gleichung gilt daher die Formel x2/a2 + y2/b2 + z2/c2 = 1.
Das Ellipsoid dient in der Kartographie am ehesten der Oberfläche der Erde und wird somit auch für die Berechnungen und Vermessungen herangezogen.
Veranschaulicht werden kann das Ellipsoid anhand der nebenstehenden Abbildung.
2.Wie ist die Bezeichnung des Ellipsoids der beim GK-System verwendet?
Die Bezeichnung des Ellipsoids bei der Verwendung des Gauß- Krüger-Systems basiert zurzeit noch auf dem Georeferenzmodell des Bessel-Ellipsoids. Es wurde nach dem Westfalen Friedrich Wilhelm Bessel benannt, der ein Zeitgenosse von Gauß war und das später nach ihm benannte Ellipsoid zur Berechnung eines Erdellipsoides entwickelt hat.
Es wird allerdings im Zuge der europäischen und globalen Harmonisierung in absehbarer Zukunft eine Umstellung auf das UTM-System geben.
3.Worin besteht der Unterschied zwischen geographischen und projizierten, kartesischen
Koordinaten?
Geographische Koordinaten sind Angaben im Winkelmaß, zur Festlegung von Punkten auf der Erdoberfläche. Hierbei beziehen sie sich auf den Äquator als nullter Breitengrad und den Nullmeridian. Koordinaten werden hier durch die geographische Breite und geographische Länge beschrieben.
Das nebenstehende Bild verdeutlicht die Eigenschaften des geographischen Koordinatensystems.
Projizierte Koordinaten
Projizierte Koordinaten, sind die Koordinaten, die von einem gekrümmten Objekt z.B. eines Ellipsoiden (Erde) auf eine Ebene (Karte) abgebildet werden. Zu berücksichtigen ist hier allerdings, dass alle Projektionen die Umrisse von großen Gebieten verzerren. Hierbei ist mindestens einer der fünf geografischen Beziehungen (Fläche, Winkel, Form, Entfernung oder Richtung) betroffen.
Kartesische Koordinaten
Kartesische Koordinaten werden durch mindestens zwei auf einander senkrecht stehende Achsen in ihrer Lage beschreiben.
4.Welche Projektionsart liegt dem Gauß-Krüger-System zu Grunde?
Das Gauß-Krüger-System basiert im Hinblick auf den Landeskoordinatensystemen auf der Kartenprojektion für großmaßstäbliche Abbildungen. Diese winkeltreue Abbildung wurde von den Mathematikern Gauß und Krüger entwickelt.
Geometrische gesehen, lässt sich die Projektionsart bei Gauß-Krüger-System als transversale Mercatorprojektion interpretieren. Infolge dieser Projektionsart, wird die Erde in 120 3° breite Streifen unterteilt, um die Fehlerquote so gering wie möglich zu halten. Deutschland liegt in den Streifen 2-5 bei denen jede Zone eine Ausdehnung von 1Grad 40 Minuten besitzt.
Die transversale Mercatorprojektion bildet die Grundlage für das UTM.
5.Welche Vorteile bietet ein kartesisches Koordinatensystem?
Die Vorteile des kartesischen Koordinatensystems liegen darin, dass zum Einen aufgrund der rechtwinkligen Achsen die Darstellungsart und zum Andern die Berechnungen wesentlich einfacher sind. Somit ist die Darstellung und Beschreibung von geometrischen Formen einfacher.
6.Um welche Einheiten handelt es sich bei Gauß-Krüger-Koordinaten
Bei den Gauß-Krüger-Koordinaten handelt es sich um metrische Einheiten.
7.Was versteht man in diesem Zusammenhang unter dem Begriff 'Meridian'?
Das Gauß-Krüger-System untergliedert die Erde in 120 3° breite Streifen, um die Fehlerquote so gering wie möglich zu halten. Ein solcher Streifen wird als durch einen Meridian in zwei jeweils 1,5° große Streifen unterteilt.
Jeder Meridianstreifen geht vom Nord- bis zum Südpol parallel zu seinem sog. Mittelmeridian. Die Mittelmeridiane benachbarter Meridianstreifen liegen demnach 3° auseinander.
Die nachfolgende Abbildung veranschaulicht diese noch einmal.
8.Warum werden im Gauß Krüger-System sog. Meridianstreifen verwendet
Es werden Meridianstreifen verwendet, um eine möglichst genau Abbildung der Erde zu bekommen undVerzerrungen zu vermeiden. Hier bei wird im Gaus-Krüger-System entweder eine Meridianbreite von 3° oder von 6° angewendet.
9.Wie erkennt man die Kennziffer des verwendeten Gaus Krüger-Streifens an einer Koordinate?
Jede Koordinate im Gauß-Krüger-System besteht aus einen Recht (y-Wert)- und einen Hochwert (x-Wert). So gibt der Hochwert die Entfernung zum Äquator, der Rechtswert die Entfernung vom Mittelmeridian bis zum Punkt. Um negative Rechtswerte zu erhalten, wurde der Ursprungs Rechtswert um 500000 nach Osten verschoben.
Abschließend wird dem Koordinatenpunkt noch die Kennziffer des Mittelmeridians voran geschrieben; also als auf Position der sechsten Vorkommastelle
10.Mit welcher Formel lässt sich einfachsten der Zentralmeridian eines beliebigen GK-Streifens berechnen?
Hierbei ist zu unterscheiden zwischen der östlichen Koordinaten und den westlichen Koordinaten.
Für die westliche Hemisphäre gilt: ZM = ((30 - Zonennummer) * 6°) + 3° westliche Länge
11.Übersetzen Sie die Begriffe ‚Easting’ und ‚Northing’ im aktuellen Kontext
Unter dem Wort Easting versteht man im deutschen den Rechtwert, also den Y-Wert
Unter dem Wort Northing versteht man im deutschen den Hochwert also den X-Wert
12.Was versteht man unter den Begriffen 'False Easting' und False Northing?
Der natürliche Ursprung des Koordinatensystems findet sich in der Regel im Schnittpunkt des Zentralmeridians mit dem Äquator. Wird dieser Wert mittels eines X- und/oder Y-Offsets verschoben, um z.B. negative Rechts-/Hochwerte zu vermeiden nennt man dies in der englischen Literatur False Easting und False Northing
13.Werden 'False Easting' und 'False Northing' beim GK-System eingesetzt?
Im Gaus-Krüger-System werden aufgrund der Lage Deutschlands auf der nördlichen Hemisphäre nur die False Easting, also die Verschiebung des Rechtswertes verwendet. Dies erfolgt durch eine Verschiebung um 50000m, um so negative Rechtswerte zu vermeiden
14.Erläutern Sie kurz die Abkürzungen 'OGC', 'SRS' und 'EPSG Code'.
OGC steht für Open Geospatial Consortium und ist eine 1994 gegründete gemeinnützige Organisation, die sich zum Ziel gesetzt hat, die Entwicklung von raumbezogener Informationsverarbeitung (insbesondere Geodaten) auf Basis allgemeingültiger Standards zum Zweck der Interoperabilität festzulegen. Wichtig ist hier, dass es sich um ein nicht gewinnorientiertes internationales Industriekonsortium, bestehend aus über 270 Firmen, Behörden und Hochschulen handelt.
Das Spatial Reference System (SRS)Ist ein projiziertes oder geografisches Koordinatensystem
Die EPSG ist bekannt geworden durch den Aufbau ihres Systems von weltweit eindeutigen 4- bis 5-stelligen Schlüsselnummern für Koordinatenreferenzsystem(EPSG-Codes), das unter gleichem Namen von der Nachfolgeorganisation OGP weitergeführt wird. Die Informationen zu den EPSG-Codes liegen in einer Datenbank vor, die auf der Internetseite der ehemaligen EPSG zum Download angeboten wird.
15.Welche 'EPSG Codes' werden in Deutschland (beim Einsatz des GK-Systems) verwendet?
In Deutschland werden die folgenden EPSG Codes verwendet
