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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
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
Fakultät FGH Fachrichtung Forstwissenschaft Institut für Forstökonomie und Forsteinrichtung
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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Fakultätsname XYZ Fachrichtung XYZ Institutsname XYZ, Professur XYZ
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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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
Fakultät FGH Fachrichtung Forstwissenschaft Institut für Forstökonomie und Forsteinrichtung
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
Fakultät FGH Fachrichtung Forstwissenschaft Institut für Forstökonomie und Forsteinrichtung
http://www.umwelt.sachsen.de/de/wu/umwelt/lfug/lfug-internet/interaktive_karten_11169.html http://www.landesvermessung.sachsen.de/ias/basiskarte4/service/register http://www.forsten.sachsen.de/kartendienst/wald? http://www.qgis.org/de.html