Proseminar Geoinformation II Thomas Artz

1. Proseminar Geoinformation IIThomas Artz 13/01/2003 Raster Datenstruktur und Operationen

2. 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

3. 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 .

4. 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.

5. 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.

6. Gewinnung von Rasterdaten Rasterdaten stammen häufig aus: • Satellitenbildern • Luftbildern • gescannten Karten • Photos • konvertieren Daten

7. Einsatz von Rasterdaten Diese Datenstruktur wird benutzt, um Phänomene der realen Welt darzustellen und zu untersuchen. Kartenhintergrund Landnutzung Hydrologische Analysen Analyse der Umwelt Geländeanalyse

8. Aufbau eines Rasters I Rasterdaten können in verschiedenen Formen vorliegen: a.) regelmäßige Raster b.) unregelmäßige Raster

9. Zeilen (row) & Spalten (column) • Zellen sind in Zeilen und Spalten angeordnet  eindeutige „Adresse“ • Sie erzeugen eine Matrix. • Sind parallel zu den Achsen des Koordinatensystems Zelle (pixel): • Grundlage des Rasters • Sind gleich groß • Größe hängt von der Auflösung ab • Jeder Zelle ist ein spezieller Wert zugeordnet • Jeder Zelle ist ein Koordinatenpaar zugeordnet y-Achse x-Achse Aufbau eines Rasters II

10. Gibt an, zu welcher Klasse, Kategorie oder Gruppe eine Zelle gehört. • Integer und Gleitkomma Werte möglich. • NODATA-Wert, wenn keine oder unzureichende Information über den repräsentierten Ort vorhanden ist. Wert: • besteht aus zwei oder mehr Zellen, die den selben Wert haben. • Zellen müssen nicht zusammenhängen • Jede Zelle gehört zu einer Zone. Zone: • Besteht aus einer Gruppe verbundener Zellen einer Zone. Region: Werte, Zonen und Regionen

11. Name } } Zwingende Einträge: • Wert der Zone • Anzahl der Pixel in der Zone Optionale Einträge: • Unbegrenzte Anzahl • Repräsentieren weitere Eigenschaften der Zone Sachdaten - „associated table“

12. Beispiele: Landnutzung Eignung für best. Zweck Temperatur, ph-Wert Entfernung,Höhe Datentypen Der Wert einer Zelle kann einen der vier folgenden Datentypen repräsentieren: • Nominal data • Ordinal data • Intervall data • Ratio data

13. 100% 75% 44% 44% Speicherbedarf 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

14. Pyramiden in ArcCatalog erstellen: Rechtsklick auf das raster dataset „Build Pyramids“ anklicken. 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.

15. 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

16. 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.

17. „raster calculator“-Vorbereitungen Um den raster calculator nutzen zu könnnen muss der Spatial Analys zu erst unter „Tools-Extensions....“ aktiviert werden.

18. Focal function • Auch die direkten Nachbarzellen werden in die Berechnung mit einbezogen. Exkurs: “cell-based-modelling” I • Local function • Berechnungen mit einer Zelle • Nachbarzellen beeinflussen das Ergebnis nicht

19. 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

20. Mathematische Operatoren und Funktionen Entscheidend für die erfolgreiche Anwendung des „raster calculators“ ist eine korrekte Georeferenzierung, da sonst falsche Zellen miteinander verbunden werden.

21. 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

22. ( [layer1]+[layer2] )/2 ] [ + /2 true [calculation] < >3 false = Mathematische Operatoren II

23. Mathematische Funktionen I Mathematische Funktionen beziehen sich auf ein eingelesenes Raster. Sie müssen in der Regel bei Start des „raster calculators aktiviert werden.

24. Mathematische Funktionen II Die Funktionen werden in 4 Gruppen unterteilt: 1.) Arithmetische- Funktionen 2.) Trigonometrische- Funktionen 3.) Logarithmische- Funktionen 4.) Power-Funktionen

25. Anwendungen • Kombinieren von Rastern • Gewichten von Rastern • Daten selektieren

26. Durch Doppelklick auf „raster1“, erscheint dieses in der „Expression Box“ Nach klicken auf „+“ und Doppelklick auf „raster2“ erscheinen diese ebenfalls in dieser Box. Berechnen der Kombination, durch Klick auf „Evaluate“ Kombinieren von Rastern Ist ein Raster-Layer in ArcMap geöffnet, erscheint er hier.

27. Gewichten von Rastern Zu gewichtendes Raster wieder durch Doppelklick auswählen und mit Gewicht p multiplizieren Start der Berechnung, durch Klick auf „Evaluate“

28. true false Daten selektieren Layer und gewünschte Eigenschaft auswählen z.B. Höhe > 2500 Start der Berechnung, durch Klick auf „Evaluate“

29. 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 20°C gemessen wurde und die Temperatur je 100 m um 1°C fällt. (Tip: Das Höhenmodell muss zunächst reduziert werden) • Ein zweites Raster, indem alle Bereiche mit einer Temperatur von weniger als -10°C enthalten sind, soll erstellt werden.

30. Aufgabe 1 - Ergebnis

31. 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.

32. Neu Überblick über Map algebra I Map algebra benutzt mathematische Ausdrücke, diese setzen sich zusammen aus: • Objekten: grids, numbers, files, coverages, database tables, etc. • Operatoren: + - / > < etc. • Funktionen: slice( ), reclass( ), focalmean( ), con( ) etc. Ausgabedaten sind i.A. Rasterdaten (Grid)

33. 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.

34. Raster auswählen Funktion eingeben (slope) offene Klammer geschlossene Klammer Oberflächenanalyse Begriffe aus der letzten Woche: slope, hillshade, aspect

35. 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

36. 2. Schritt: Gewichten Slope – 66% Landuse – 34% 3. Schritt: Kombinieren Beispiel: Kostenraster

37. Aufgabe 2 Erstellen eines Geländemodells zur besseren Vorstellung der Geländestruktur & Selektion mit Map Algebra • Das Gefälle (slope) des Rasters D:\GIS-Data\Esri\ArcTutor\Spatial\Elevationberechnen, ohne dieses in ArcMap zu laden. • Die Schummerung (hillshade) dieses Rasters ebenfalls auf diese Weise berechnen lassen. • Die Farbgebung des slope-Layers kontrastreicher einstellen. • Die Transparenz des Layers calculation2 (hillshade) unter „properties-display“ auf 50% setzen. • Die Gebiete selektieren, in denen das Gefälle kleiner als 50° ist und Wald wächst Datei: D:\GIS-Data\Esri\ArcTutor\Spatial\Landuse Wert = 6

38. Aufgabe 2 - Ergebnis