Proseminar Geoinformation II Thomas Artz

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Proseminar Geoinformation IIThomas Artz
13/01/2003 Raster Datenstruktur und
Operationen
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Gliederung des Vortrags

• Grundlagen der Datenstruktur Raster
• Operationen mit dem raster calculator

• Allgemeines
• Aufbau eines Rasters
• Speicherung
• Bewertung
• Mathematische Operatoren und Funktionen
• Anwendungen
• Aufgabe 1
• Map-Algebra Syntax
• Aufgabe2

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Daten in GIS-Systemen
Geometriedaten beschreiben modellhaft räumliche
Strukturen der Umwelt. Sachdaten kennzeichnen
die Strukturen über assoziierte Attribute, sie
sind den Geometriedaten in eindeutiger Weise
zugeordnet .
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Vektor- vs. Rasterdaten

• Rasterorientierte Datenstruktur
• Die geometrische Grundstruktur wird in einzelne
  Rasterpunkte zerlegt
• Rasterelemente sind meist quadratisch geformt und
  von identischer Größe

• Vektororientierte Datenstruktur
• Wird durch Punkte, Linien und Flächen
  repräsentiert.

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Rastertypen
Im Allgemeinen werden sie in zwei Kategorien
unterteilt

• Thematische-Daten
• (thematic raster)
• Werte aller Zellen des Rasters sind gemessene
  Größen oder Einteilungen.
• Diese Rasterdaten stellen Thematische Karten dar.
• Können in diskreter oder kontinuierlicher Form
  vorliegen.

• Bild-Daten
• (image raster)
• Werden durch abbildende Systeme in Satelliten
  oder Flugzeugen gewonnen.
• Jede Zelle enthält den Wert der registrierten
  Lichtintensität.

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Gewinnung von Rasterdaten

• Rasterdaten stammen häufig aus
• Satellitenbildern
• Luftbildern
• gescannten Karten
• Photos
• konvertieren Daten

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Einsatz von Rasterdaten
Diese Datenstruktur wird benutzt, um Phänomene
der realen Welt darzustellen und zu
untersuchen. Kartenhintergrund Landnutzung Hydrol
ogische Analysen Analyse der Umwelt Geländeanalyse
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Aufbau eines Rasters I
Rasterdaten können in verschiedenen Formen
vorliegen a.) regelmäßige Raster b.) unregelm
äßige Raster
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Aufbau eines Rasters II
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Werte, Zonen und Regionen
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Sachdaten - associated table
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Datentypen
Der Wert einer Zelle kann einen der vier
folgenden Datentypen repräsentieren

• Nominal data
• Ordinal data
• Intervall data
• Ratio data

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Speicherung

• Datenmengen abhängig von Genauigkeit und somit
  Auflösung eines Rasterbildes

• Verschiedene Möglichkeiten der Speicherung ?
  Datenreduktion

Full- Raster Encoding Run- Length-
Encoding Value- Point- Encoding Quadtree-
Verfahren
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Pyramiden

• Einer detaillierten Darstellung liegt eine hohe
  Auflösung zu Grunde ? Hoher Speicherbedarf
• Pyramiden werden erstellt um die Anzeige zu
  beschleunigen
• Die Originaldaten werden in verschiedenen Ebenen
  abgespeichert.
• Beim Hineinzoomen werden Ebenen mit feinerer
  Auflösung dargestellt ? kleinere Bereiche
  können schneller dargestellt werden.
• Ohne Pyramiden muss der gesamte Datensatz
  durchsucht werden.

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Bewertung der Rasterdatenstruktur

• Nachteile
• Nur dominantes Merkmals gespeichert.
• Alle Punkte eines Pixels haben die selbe
  Koordinate
• Große Datenbanken, die quadratisch mit der
  Rasterauflösung wachsen.
• Hohe Genauigkeit nur bei sehr hoher Auflösung
  Somit meist grobe Darstellung.

• Vorteile
• Identische Struktur für alle Features
• Kontinuierlichen Phänomene gut modellierbar.
• Raumbezogene Analysen mit hoher Geschwindigkeit
• Produkte häufig Rasterform
• Rasterform durch scannen.
• Einfache Überlagerung und logische Auswertung
  durch Gitterstruktur

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Der raster calculator

• Funktion des Spatial Analyst
• Werkzeug um vielfältige Prozesse zu verrichten
• Ausführen mathematischer Berechnungen durch
  Operationen und Funktionen
• Eingaben in Map Algebra Syntax

Vereinfacht ausgedrückt dient dieses Werkzeug
dazu, aus bestehenden Rasterdaten neue zu
berechnen.
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raster calculator-Vorbereitungen
Um den raster calculator nutzen zu könnnen muss
der Spatial Analys zu erst unter
Tools-Extensions.... aktiviert werden.
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Exkurs cell-based-modelling I

• Local function
• Berechnungen mit einer Zelle
• Nachbarzellen beeinflussen das Ergebnis nicht

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Exkurs cell-based-modelling II

• Zonal function
• Berechnungen mit einem Satz von Zellen
• Diese müssen den gleichen Wert haben

Global function Berechnungen bezüglich des
gesamten Rasters
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Mathematische Operatoren und Funktionen
Entscheidend für die erfolgreiche Anwendung des
raster calculators ist eine korrekte
Georeferenzierung, da sonst falsche Zellen
miteinander verbunden werden.
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Mathematische Operatoren

• Beziehen sich je nach Art des Operators auf ein
  einzelnes bzw. mindestens zwei eingelesene Raster
• Werden zellenweise angewendet.
• Es existieren 3 Gruppen
• Arithmetische Operatoren
• Relationelle Operatoren
• Boolsche Operatoren

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Mathematische Operatoren II
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Mathematische Funktionen I
Mathematische Funktionen beziehen sich auf ein
eingelesenes Raster.
Sie müssen in der Regel bei Start des raster
calculators aktiviert werden.
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Mathematische Funktionen II
Die Funktionen werden in 4 Gruppen unterteilt
1.) Arithmetische- Funktionen 2.)
Trigonometrische- Funktionen
3.) Logarithmische- Funktionen 4.)
Power-Funktionen
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Anwendungen

1. Kombinieren von Rastern
2. Gewichten von Rastern
3. Daten selektieren

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Kombinieren von Rastern
Ist ein Raster-Layer in ArcMap geöffnet,
erscheint er hier.
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Gewichten von Rastern
Zu gewichtendes Raster wieder durch Doppelklick
auswählen und mit Gewicht p multiplizieren
Start der Berechnung, durch Klick auf Evaluate
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Daten selektieren
Layer und gewünschte Eigenschaft auswählen z.B.
Höhe gt 2500
Start der Berechnung, durch Klick auf Evaluate
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Aufgabe 1

• Temperaturkarte aus einem Höhenmodell erstellen.
• Den Ordner V\GIS_Proseminar_13-01-2003\Übung1
  ins eigene Verzeichnis U\ kopieren.
• Das Raster elevation in ArcMap öffnen.
• Es ist ein Temperaturraster zu erstellen, wenn an
  der niedrigsten Stelle (438m ü.NN) eine
  Temperatur von 20C gemessen wurde und die
  Temperatur je 100 m um 1C fällt. (Tip Das
  Höhenmodell muss zunächst reduziert werden)
• Ein zweites Raster, indem alle Bereiche mit einer
  Temperatur von weniger als -10C enthalten sind,
  soll erstellt werden.

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Aufgabe 1 - Ergebnis
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Map Algebra Syntax

• Analyse Sprache, die benötigt wird, um im raster
  calculator Funktionen auszuführen, für die sonst
  verschiedene Funktionen des Spatial Analyst
  benötigt werden.
• Eingaben werden in der Dialog Box gemacht.
• Durch Kombination einzelner Komandos werden
  komplexere Ausdrücke ermöglicht.
• Möglich sind focal, zonal, local, und global
  functions.

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Überblick über Map algebra I

• Map algebra benutzt mathematische Ausdrücke,
  diese setzen sich zusammen aus
• Objekten grids, numbers, files, coverages,
  database tables, etc.
• Operatoren - / gt lt etc.
• Funktionen slice( ), reclass( ), focalmean( ),
• con( ) etc.
• Ausgabedaten sind i.A. Rasterdaten (Grid)

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Überblick über Map algebra II
Ansprechen eines Rasters In der Dialog Box
2 Möglichkeiten a.) geöffneten Layer wie bisher
durch Doppelklick aktivieren
b.) Layer direkt ansprechen z.B.
(D\GIS-Data\Esri\ArcTutor\Spatial\Elevation)
eingeben.
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Oberflächenanalyse
Begriffe aus der letzten Woche slope, hillshade,
aspect
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Kostenraster
Problematik Die Kosten eines Straßenbaus hängen
von der Landnutzung und dem Gefälle ab.
Höhenmodell und Land-nutzung liegen Rasterdaten
vor.
1. Schritt Sloperaster aus Höhenmodell erstellen
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Beispiel Kostenraster
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Aufgabe 2
Erstellen eines Geländemodells zur besseren
Vorstellung der Geländestruktur Selektion mit
Map Algebra

1. Das Gefälle (slope) des Rasters
   D\GIS-Data\Esri\ArcTutor\Spatial\Elevation
   berechnen, ohne dieses in ArcMap zu laden.
2. Die Schummerung (hillshade) dieses Rasters
   ebenfalls auf diese Weise berechnen lassen.
3. Die Farbgebung des slope-Layers kontrastreicher
   einstellen.
4. Die Transparenz des Layers calculation2
   (hillshade) unter properties-display auf 50
   setzen.
5. Die Gebiete selektieren, in denen das Gefälle
   kleiner als 50 ist und Wald wächst Datei
   D\GIS-Data\Esri\ArcTutor\Spatial\Landuse Wert
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Aufgabe 2 - Ergebnis