Übung 4

Georeferenzierung von Topographischen Karten und Luftbildern

Aufgabe der vierten Übung ist es, verschiedene Karten und Bilder, die zuvor vom Kartendienst der Naturschutzverwaltung Rheinland-Pfalz (http://map1.naturschutz.rlp.de/mapserver_lanis/index.php?mapxy=2592000,5536000&scale=10000&layers=tk_farbe,luftbilder) heruntergeladen wurden, zu georeferenzieren.

Herunterzuladen waren folgende Karten:

• Topographische Karte (1:40.000)
• Topographische Karte (1:20.000)
• Luftbild (1:10.000)
• Luftbild (1:5.000)
• Luftbild (1:2.500)
• Luftbild (1:1.000)

Die Referenzierung der Karten erfolgt über die Erstellung von Worldfiles. Hierfür wird für jedes der heruntergeladenen Bilder eine Worldfile erstellt wird, deren Dateiendung sich aus dem ersten und dem letzten Buchstaben der Ausgangsendung und dem Buchstaben „w“ ergibt. Die Worldfile einer jpeg-Datei erhält somit die Endung „jgw“. Damit eine Verknüpfung der Ausgangsdatei und der dazugehörigen Worldfile erfolgen kann, muss der Dateiname ansonsten identisch sein.

Jede Worldfile besteht  aus 6 Zeilen:

1. Pixelgröße
2. Drehparameter (in der Regel 0)
3. Drehparameter (in der Regel 0)
4. Negative Pixelgröße
5. Rechtswert des oberen linken Pixels
6. Hochwert des oberen linken Pixels

Um die Pixelgröße zu berechnen wird nun der Ausschnitt im Kartendienst ausgemessen und durch die Pixelbreite geteilt.

Die Koordinaten der linken oberen Ecke können ebenfalls auf der Seite des Kartendiensts mit Hilfe der Linkfunktion ermittelt werden.

All die ermittelten Werte können nun in die jeweilige Worldfile eingetragen werden.

Diese Vorgehensweise muss nun mit allen Bildern und Karten durchgeführt werden.

Im letzten Schritt werden jetzt, nach vorheriger Einstellung des Koordinatensystem Gauß-Krueger Germany Zone 3, die referenzierten Karten über die Funktion „Add Data“ in ArcGIS eingefügt und ihrem Maßstab entsprechend sortiert. Die Bilder liegen nun übereinander.

Alle für die Übung benötigten Materialien können hier heruntergeladen werden.

Übung 3

Abfrage und Analysemethoden

Die Aufgabe dieser dritten Übung bestand darin mittels geeigneter Abfragen und Analysemethoden in einem GIS-System neuer Layer und Tabellen zu erzeugen. Materialien hierfür waren die Landkreise und die Naturschutzgebiete in Rheinland-Pfalz.

1. Schritt: Layer 1 – Erzeugung eines Layers mit den Grenzen des Landkreises und der Stadt Kaiserslautern mit Hilfe einer Abfrage

Um einen Layer mit den Grenzen des Landkreises und der Stadt Kaiserslautern zu erzeugen, verwendet man die Funktion „Select by Attributes“. Hierbei wählt man den Layer „LK-Grenzen“ und fügt „Name“=’Kaiserslautern‘ in die Befehlszeile ein.

Hierdurch wird der sowohl der Landkreis als auch die Stadt Kaiserslautern angezeigt.

Anschließend erzeugt man über „Data – Export Data“ den Layer_1.

2.Schritt: Layer 2 – Zusammenfassung der Objekte von Layer 1 zu einem einzigen Objekt

Hierzu öffnet man die „ArcToolbox“ und nutzt das Tool „Dissolve“ unter „Data Management Tools“ – „Generalization“. Nun wird unter „Input Features“ Layer 1 ausgewählt und unter „Dissolve Fields“ Name markiert. Im Feld „Output Features“ können dann der Speicherort und der Name, also in diesem Falle „Layer_2“ eingegeben werden.

Entstanden ist ein Objek, in dem die Fläche des Landkreises und der Stadt zusammengefasst sind.

3. Schritt: Layer 3 – Auswahl aller Naturschutzgebiete, die sich mit Layer 1 überschneiden

Um solche Überschneidungen abzufragen, wird die Funktion „Select by Location“ benötigt. Nun wird zunächst der Layer aller Naturschutzgebiete ausgewählt. Danach werden über die Funktion „intersect“ die Überschneidenden Gebiete beider Layer ausgewählt.

Die folgende Abbildung zeigt nun die Überschneidungen.

4. Schritt: Layer 4 – Erzeugen von Pufferbereichen mit 300m um die Naturschutzgebiete von Layer 3

Um diese Bereiche zu erzeugen, wird die Funktion „Buffer“ verwendet, welche unter „ArcToolbox – Analysis Tools – Proximity“ zu finden ist. Unter „Input Features“ wird nun Layer 3 ausgewählt und unter „Distance“ die gewünschte Entfernung, also 300m, festgelegt.

Der hierdurch erzeugte Layer 4 enthält nun die gewünschten Pufferbereiche um die Naturschutzgebiete.

5. Schritt: Layer 5 – Erzeugung eines Layers mit den Grenzen der Stadt Kaiserslautern

Hierzu benutzt man wie schon zuvor die Funktion „Select by Attribute“. Als Layer wird der Layer_1 gewählt und in die Befehlszeile „OBJEKTART1=’Kreisfreie Stadt‘ “ eingegeben.

Der entstandene Layer_5 enthält dadurch die Grenzen der Stadt Kaiserslautern.

6. Schritt: Layer 6a – Ausschneiden von Layer_4 mit Hilfe von Layer_5

Hierzu wird aus der „ArcToolbox“ das Tool „Clip“ gewählt, welches unter „Analysis Tools – Extract“ zu finden ist. In die erscheinende Tabelle fügt man nun den Layer_4 als „Input Feature“ und den Layer_5 unter „Clip Feature“ ein. Unter „Output Feature Class“ muss dann der Speicherort und der Name (Layer_6a) eingegeben werden.

7. Schritt: Layer 6b – Verschneidung von Layer_4 und Layer_5

Diese Überschneidung wird mit dem Tool „Intersect“ erstellt. Dieses Tool befindet sich in der „ArcToolbox“ unter „Analysis Tools – Overlay“. Layer_4 und Layer_5 müssen hierzu als „Input Features“ eingefügt werde, als „Output Feature“ wird wieder der neue Layer bestimmt.

8. Schritt: Layer 6c – Vereinigung von Layer_4 und Layer_5

Zur Vereinigung der beiden Layer wird das Tool „Union“ verwendet, das ebenfalls unter den „Analysis Tools“ zu finden ist. Die Erstellung des neuen Layers erfolgt hierbei auf die selbe Weise wie im zuvor durchgeführten Schritt.

9. Schritt: Berechnung der Flächen für den Layer_6c

Um die Flächen des zuvor erstellten Layers zu berechnen, öffnet man die Attributtabelle und klickt in dieser mit der rechten Maustaste auf die Spalte „Hektar“. Dann wählt man die Funktion „Calculate Geometry“ und erhält hierdurch nach Einstellung der gewünschten Einheit die geforderten Flächengrößen.

10. Schritt: Erzeugen der Tabelle „Sum_Layer_6c.dbf.“ auf Grundlage von Layer_6c

Für diesen Schritt wird wieder die Attributtabelle benötigt. Man klickt mit der rechten Maustaste auf die Spalte „GEBIETSNUM“ und wählt den Befehl „Summarize“ aus. In das sich nun öffnende Fenster wählt man beim Attribut „GEBIETSNAM“ „First“ und beim Attribut „HEKTAR“ „Sum“.

Vergleich Layer_6a und Layer_6b:

Unterschiede:

• 6a enthält nur Informationen des Naturschutzgebietlayers
• 6b entält zusätzlich Informationen aus dem LKandkreislayer

Gemeinsamkeiten:

• Beide Layer stellen alle Naturschutzgebiete der Stadt dar

Vergleich Layer_6b und Layer_6c:

Unterschiede:

• 6b stellt alle Naturschutzgebiete des Stadtgebietes dar
• 6c stellt die Naturschutzgebiete des Landkreises sowie die Grenzen der Stadt dar

Gemeinsamkeiten:

• Beide Layer beeinhalten sowohl Informationen des Naturschutzgebiets- als auch des Landkreislayers

Die gesamten Projektdaten können mit dem folgenden Link heruntergeladen werden.

u3_vollmer_maximilian1 (nach dem Download muss die Endung „.ppt“ in „.7z“ geändert werden.)

Übung 2

Strukturkonzept (Maßstab 1:2.500)

Plangebiet: Eisenbahnausbesserungswerk Kaiserslautern

Ziel der 2. Übung war es, ein GIS auf Grundlage des Strukturkonzeptes „Eisenbahnausbesserungswerk Kaiserslautern“ zu erstellen. Hierfür wurde ein Polygon- und ein Punktlayer erzeugt. Während auf dem Polygonlayer die verschiedenen Nutzungen des Plangebiets (Öffentliches Grün, Private Freiflächen, Halböffentliches Grün, Parkplätze, Gebäudebestand, Gebäudeplanung und Straßen) dargestellt sind, zeigt der Punktlayer den Baumbestand. Die Attributtabelle enthält als zusätzliche Information Angaben zur Geschoßhöhe der geplanten Gebäuden und zum Kronendurchmesser der Baumbestände.

Als letzter Schritt wurde der Plan im Maßstab 1:2.500 gelayoutet und mit den plantypischen Inhalten wie Nordpfeil und Legende versehen.

Zur Veranschaulichung sind hier nun die einzelnen Arbeitsschritte dargestellt:

1. Schritt: Plangebietsgrenze

2. Schritt: Private Freiflächen

3. Schritt: Öffentliches Grün

4. Schritt: Halböffentliches Grün

5. Schritt: Parkplätze

6. Schritt: Gebäudebestand

7. Schritt: Gebäudeplanung

8. Schritt: Straßen

9. Schritt: Bäume

10. und letzter Schritt: Layout im Maßstab 1:2.500

Übung 1

GIS und Koordinatensysteme am Beispiel des Gauß-Krüger-Systems

Die erste Übung beschäftigt sich mit GIS und Koordinatensysteme am Beispiel des Gauß-Krüger-Systems, wobei diese anhand von 15 Fragen kurz erklärt und mit Hilfe von Bildern verdeutlicht werden.

1. Was ist ein Ellipsoid?

Der Begriff Ellipsoid stammt aus dem Griechischen und bedeutet ellipsenähnlich.

Laut dem Geoinformatik-Service der Universität Rostock ist ein Ellipsoid, eine dreidimensionale Form, deren Oberfläche mathematisch beschrieben werden kann, so dass Koordinaten für Positionen auf der Oberfläche angegeben werden können.

(Quelle: http://www.geoinformatik.uni-rostock.de/einzel.asp?ID=618)

(Quelle: http://de.wikibooks.org/wiki/Bild:Ellipsoide.png)

2. Wie ist die Bezeichnung des Ellipsoids, der beim GK-System verwendet wird?

In der deutschen Kartografie und Geodäsie wird das Bessel-Ellipsoid genutzt.

Das Bessel-Ellipsoid ist ein wichtiges Referenzellipsoid zur Modellierung der Erdoberfläche. Es wurde 1841 von Friedrich Wilhelm Bessel aus den Daten großräumiger Vermessungen in Europa (auch Russland) und Indien abgeleitet. Insgesamt beruht es auf 10 langen „Meridianbögen und 38 präzisen Messungen von Breite bzw. Länge . Die Dimensionen des Ellipsoids wurden, der damaligen Rechentechnik entsprechend, als Logarithmen definiert.Das Bessel-Ellipsoid passt sich durch seine Datengrundlage dem Geoid und der mittleren Erdkrümmung in Eurasien besonders gut an und wurde daher vielen Landesvermessungen zugrundegelegt.

(Quelle: http://212.227.99.140:8888/wb3/glos.html)

3. Worin besteht der Unterschied zwischen geographischen und projizierten, kartesischen Koordinaten?

Um die geografische Lage eines Ortes auf der Erde anzugeben, können verschiedene Kartenprojektionen verwendet werden. Die geographische Koordinate (GeoKoordinaten) ist das am häufigsten verwendete Modell.

Die Erde wird dabei in 360 Längengrade und 180 Breitengrade aufgeteilt. Die Breitengrade werden dabei vom Äquator aus gezählt, die Pole liegen bei 90° Nord bzw. Süd, die Längengrade wurden von Greenwich (Sternwarte in London) nach Osten und Westen gezählt bis 180°. Unterteilt werden die Grade durch Minuten und Sekundenangaben.

(Quelle: http://www.koordinaten.de/informationen/koordinatenmodell/)

Ein kartesisches Koordinatensystem dagegen ist ein orthogonales Koordinatensystem. Im zwei- und dreidimensionalen Raum wird es häufig verwendet, da sich viele geometrische Sachverhalte in diesem am besten beschreiben lassen.

(Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Kartesisches_Koordinatensystem)

(Quelle: http://www.blien.de/ralf/cad/db/kartkoor.htm)

Ein kartesisches Koordinatensystem in zwei Dimensionen besteht aus zwei unendlich langen Zahlenstrahlen, Achsen genannt, die senkrecht aufeinander stehen. Drei Dimensionen erfordern dementsprechend drei senkrechte Zahlenstrahlen. Jeder Punkt der Fläche oder des Raums wird durch zwei oder drei Positionen auf den Zahlenstrahlen angegeben, erfordert also zwei oder drei Zahlen.

(Quelle: http://www.unendliches.net/german/index.htm?kkoordinaten.htm)

Der Hauptunterschied zwischen den beiden Koordinaten besteht also darin, dass geographische Koordinaten in Graden und Minuten angegeben werden, während kartesische Koordinaten metrisch bestimmt sind.

4. Welche Projektionsart liegt dem Gauß-Krüger-System zu Grunde?

Die Gauß-Krüger-System ist eine transversale Mercator-Projektion, die auf dem Georeferenzmodell des Bessel-Ellipsoids basiert.

(Quelle: http://www.geoportal.rlp.de/portal/servicebereich/glossar.html?tx_lexicon[letter]=71)

Die Mercator-Projektion in der Kartografie leitet sich aus der Zylinderprojektion ab, wobei die Projektion entlang der Zylinderachse – also in Nord-Süd-Richtung – geeignet verzerrt ist, um eine winkeltreue Abbildung zu erreichen.

Der Zylinder liegt rechtwinklig zur Polachse des Erdkörpers und berührt diesen in zwei Meridianen (vorn und hinten). Den vorderen dieser beiden nennt man Haupt- oder Zentralmeridian, engl.: Central Meridian, er bildet die Achse für die Hochwerte des projizierten Koordinatensystems (Y-Achse). Entlang dieser Linie ist die entstehende Abbildung längentreu (d.h. Entfernungen in Nord-Süd-Richtung sind maßstabsgetreu). Manchmal wird ein Maßstabsfaktor oder Skalierungsfaktor verwendet (in der Regel ein Faktor kleiner 1., so dass zwei längentreue Streifen rechts und links des Zentralmeridians entstehen).
Die zweite Hauptachse des Koordinatensystems verkörpert in der Regel die Abbildung des Äquators. Er bildet eine Gerade rechtwinklig zur Hoch-Achse: die Rechtswerte (X-Achse) oder West-Ost Ausdehnung.

(Quelle: http://www.olanis.de/knowhow/mapprj/mapprj5.shtml)

5. Welche Vorteile bietet ein kartesisches Koordinatensystem?

Beim kartesischen Koordinatensystem wird das bisherige 2-dimensionale Koordinatensystem um eine dritte Dimension erweitert. Aus diesem Grund werden 3 Werte benötigt, um einen Punkt zu beschreiben. Dies ermöglicht es Aufgaben zu lösen, bei denen das Ergebnis beispielsweise sowohl von der Geschwindigkeit als auch der Zeit abhängt.

Der Vorteil eines solchen Koordinatensystems ist recht einfach. Neben der Möglichkeit räumliche Figuren im Koordinatensystem darzustellen können auch Funktionen mit mehr als einem Parameter benutzt werden, ohne eine Funktionschar darzustellen.

(Quelle: http://yuufa.net/yuufanet/index_93_0.htm)

6. Um welche Einheiten handelt es sich bei GK-Koordinaten?

GK-Koordinaten werden in metrischen Einheiten beschrieben.

7. Was versteht man in diesem Zusammenhang unter dem Begriff Meridian?

Der Meridian oder Mittagskreis wird durch die beiden Pole der Erde und den Zenith gebildet. Er steht somit im rechten Winkel zum Äquator und senkrecht zum Horizont. Der Meridian bildet für alle Orte, die auf dem gleichen Meridian liegen, den Mittag mit dem höchsten Punkt der Sonne.

Jeder Meridian wird in 360 Grade unterteilt, die zur Bestimmung der geografischen Breite benutzt werden.

(Quelle: http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Meridian-meridian.html)

8. Warum werden im GK-System sog. Meridianstreifen verwendet?

Um die mit einer Abbildung verbundenen Verzerrungen gering zu halten, wird das jeweilige Gebiet in Ost-West-Richtung in mehrere Abbildungseinheiten, nämlich in 3° breite Meridianstreifen, zerlegt. Innerhalb eines Meridianstreifens können dann mit Hilfe des Gitters beliebige Punkte schnell und eindeutig festgelegt oder aufgesucht werden.

(Quelle: http://www.bacher.de/landkarten_abc/g.htm)

9. Wie erkennt man die Kennziffer des verwendeten GK-Streifens an einer Koordinate?

Die Erde wird in 3° breite Meridianstreifen aufgeteilt (eine Einteilung in 6° wird auch angewendet). Jeder Meridianstreifen geht vom Nord- bis zum Südpol parallel zu seinem sog. Mittelmeridian. Die Mittelmeridiane benachbarter Meridianstreifen liegen demnach 3° (bzw. 6°) auseinander.

Jeder Meridianstreifen erhält eine Kennziffer. Diese leitet sich konventionell aus der Gradzahl des Mittelmeridians ab (0°, 3°, 6°,…).

(Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Gau%C3%9F-Kr%C3%BCger-Koordinatensystem)

10. Mit welcher Formel lässt sich am einfachsten der Zentralmeridian eines beliebigen GK-Streifens berechnen?

Da der Zentralmeridian die Mitte eines Meridianstreifens darstellt, lässt er sich mit der Formel:

(a+b)/2

a stellt hierbei den kleineren, b den größeren Wert dar.

11. Übersetzen Sie die Begriffe „Easting“ und „Northing“ im aktuellen Kontext.

Nach dem Geoinformatik-Service der Universität Rostock bezeichnet „Easting“ die x-Koordinaten (Ostrichtung positiv) in einem ebenen Koordinatensystem und „Northing“ die y-Koordinaten in einem ebenen Koordinatensystem.

(Quellen: http://www.geoinformatik.uni-rostock.de/einzel.asp?ID=572 bzw. http://www.geoinformatik.uni-rostock.de/einzel.asp?ID=1259)

12. Was versteht man unter den Begriffen „False Easting“ und „False Northing“?

Unter False Easting bzw. False Northing versteht man die rechnerische Verschiebung der x- bzw. y-Achse in Richtung Westen bzw. Süden zur Vermeidung von negativen Werten.

13. Werden „False Easting“ bzw. „False Northing“ beim GK-System eingesetzt?

Auf der nördlichen Halbkugel wird beim GK-System ein False Easting von 500.000 m zur Vermeidung von negativen Werten durchgeführt.

Auf der Südhalbkugel muss auf das False Northing zurückgegriffen werden, um negative Werte zu vermeiden.

14. Erlätern Sie kurz die Abkürzungen „OGC“, „SRS“ und „EPSG Code“.

Das Open Geospatial Consortium (OGC) 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. Dabei baut sich das OGC aus Mitgliedern von Regierungsorganisationen, privater Industrie und Universitäten auf, deren Mitgliedschaft im OGC aber kostenpflichtig ist. Das registrierte Markenzeichen ist OpenGIS. Derzeit gehören dem OGC 352 Mitglieder.

(Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Open_Geospatial_Consortium)

Das Spatial Reference System (SRS) ist ein projiziertes oder geografisches Koordinatensystem.

(Quelle: http://www.geoinformatik.uni-rostock.de/einzel.asp?ID=-43809376)

EPSG-Codes sind weltweit eindeutigen 4- bis 5-stelligen Schlüsselnummern für Koordinatenreferenzsysteme. Die Informationen zu den EPSG-Codes liegen in einer Datenbank vor, die auf der Internetseite der ehemaligen EPSG zum Download angeboten wird.

(Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/EPSG_Codes)

15. Welche EPSG-Codes werden in Deutschland (beim Einsatz des GK-Systems) verwendet?

EPSG-Codes, die in Deutschland verwendet werden sind:

• 31466 für DHDN Zone 2
• 31467 für DHDN Zone 3
• 31468 für DHDN Zone 4
• 31469 für DHDN Zone 5

(Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/EPSG_Codes)

Herzlich Willkommen!

Auf dieser Seite entsteht im Laufe des Wintersemsters 2008/2009 ein Blog, welcher der Publikation der im Rahmen des Wahlpflichtfaches “GIS – Grundlagen in der Raumplanung” durchgeführten Übungen dient.

Zunächst möchte ich mich kurz vorstellen: Mein Name ist Maximilian Vollmer und ich studiere mittlerweile im 9. Semester Raum- und Umweltplanung an der TU Kaiserslautern. Näheres zu meiner Person findet ihr unter der Rubrik “Blogger”.