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Grundkurs Geoinformationssysteme mit ArcGIS ArcMap 10

Dr. rer. nat. Steffen Knospe Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Hinweise zur Bearbeitung der Übungsaufgabe Folgen Sie den Aufgabenbeschreibungen und stellen Sie Fragen.

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Übung Standortsuche Die Zielstellung ist das Auffinden potentieller Standorte für einen Quarzitabbau mit möglichst geringem Konfliktpotential durch bestehende Landnutzungen und Schutzgebiete. Die Aufgabenstellung macht eine ganze Reihe GIS-typischer Bearbeitungsschritte notwendig. Grundlage der Standortsuche sind die aus einer topographischen Karte abgeleiteten, zweidimensionalen Daten. Gegeben sind zusätzlich die Verbreitungsgebiete der Quarzite sowie die gegenwärtige und geplante Landnutzung, Schutzgebiete u.ä. als Vektordatensätze. Sie erlernen in der Übung grundlegende, praktische Fertigkeiten im Umgang mit ArcGIS. Die einzelnen Arbeitsschritte der Projektbearbeitung umfassen unter anderem:

• den Datenimport, • die Bearbeitung der Legende (resp. graphischen Darstellung von Geoobjekten in der

Karte) einschließlich der Klassifizierung entsprechend attributiver Eigenschaften, • die unterschiedlichen Möglichkeiten der Suche und Selektion von Geoobjekten • das Buffern.

Danach werden dann: • die „Verschneidungen“ der Datensätze vorgenommen, • Entfernungen bestimmt und • eine Thematische Karte produziert.

Aufgabe der Verschneidungen ist es, aus den gegebenen Umrissen der abbauwürdigen Vorräte die Bereiche auszuschließen, für die ein Abbau nicht in Frage kommt, da ein erhebliches Konfliktpotential besteht. Folgende Ausschlusskriterien bestehen:

• Siedlungsflächen, Grundwassereinzugsgebiete, • Natur- (allg.), Wasserschutzgebiete (Klasse 1 und 2), • geschützte Landschaftsteile und bestimmte Vorranggebiete der Landesplanung –

sollen hier aber unberücksichtigt bleiben. Auf verschiedene „einschränkende“ Kriterien wird in der Bearbeitung Bezug genommen und für jede Quarzitfläche ein Maß für das Konfliktvolumen aus bestehenden Landnutzungen abgeleitet:

• Europäisches Schutzgebietssystem „Natura 2000“ (FFH-Richtlinie) mit ausgewiesenen Fauna-Flora-Habitaten und besonderen Vogelschutzgebieten,

• Biotope nach §25 SNatSchG, • Wald, • Landschaftsschutzgebiete, • Ferienstraßen,

Trassen anderer Straßen, für Bahnlinien und Stromfreileitungen sowie Tourismusstandorte und andere Vorranggebiete werden hier nicht berücksichtigt. Auf die Berücksichtigung von Rohstoffqualitätsparametern wird ebenfalls verzichtet. Die Bearbeitung des Projektes hinsichtlich der Standortsuche ist also unvollständig; sie trägt exemplarischen Charakter und dient der Einführung in die Funktionalitäten eines GIS. Bitte beachten sie die folgenden Hinweise zu den Aufgabenkomplexen!

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Allerdings wird es nicht ausreichend sein, wenn sie nur diese Stichpunkte „abarbeiten“. Bitte arbeiten sie mit Umsicht und stellen sie Fragen! Komplex A: Datenimport

• sie nutzen ihr Rechenzentrums-login • starten sie ArcMap mit einer neuen Karte und legen sie im ArcCatalog ein

Arbeitsverzeichnis an: D:\ihr_name\

• kopieren sie im ArcCatalog das Daten-Verzeichnis „D:\GIS_Daten\Quarzite“ in ihr erstelltes Arbeitsverzeichnis

• aktivieren sie die Extension Spatial Analyst (menu customize/extensions) • es folgt der Datenimport:

o für die Karte sollte zuerst die Kartenprojektion vorgegeben werden: Datum DHDN, Gauss-Krüger Projektion 2. Streifen (6° Meridian); (sonst wird das Koordinatensystem automatisch festgelegt nach dem des ersten importierten Datensatzes),

o vergeben sie einen Namen für ihre Karte (umbenennen von „Layers“), o importieren sie die schon georeferenzierten Bilder (gescannte TKs) aus den

Verzeichnissen (*/Quarzite/TKs/*): tk6307.tif, tk6406.tif, tk6407.tif; gruppieren sie die von ArcMap erzeugten Datenlayer und nennen sie die Gruppe „TKs“; für alle „Bilder“ soll die Hintergrundfarbe durchsichtig sein; Einstellung: layer properties/symbology/display background value 1 as <no color>

o stellen sie eine Verbindung zu einem Datenserver im Internet her, z. B. ArcGIS Server: http://server.arcgisonline.com/arcgis/services;

o es soll unter Transformations… der Parametersatz DHDN_To_WGS_1984_3x genutzt werden um Koordinaten zwischen DHDN und WGS84 zu transformieren

o laden sie aus dem Unterverzeichnis */Quarzite/Grundlagendaten mindestens die Datensätze: Quarzite, Siedlungen, Grundwasser_Einzugsgebiet, Wald,

o importieren sie weitere Datensätze: Bahntrassen_osm, Strom-Freileitungen, Strassen_OSM und gruppieren sie diese layer (Gruppe „Trassen“); laden sie einen Datensatz mit Standortangaben (Rohstoffe),

o bearbeiten sie die Symbolisierung (Legende) nach eigenen Vorstellungen, o importieren sie die Datensätze (alle *.shp Dateien, „shape-files“) aus dem

Verzeichnis Schutzgebiete und gruppieren sie diese. Sie haben dafür genügend Zeit! Bei dem Bearbeiten der Legende sind i.d.R. Vorschriften zu beachten (es gibt eine DIN oder innerbetriebliche Vorschriften). Des Weiteren gibt es einige kartographische Grundregeln zu beachten; z. B. legt man in der Karte Punkte über Linien über Flächen (Polygone) über Bilder. Nutzen sie die Möglichkeit Flächenfüllungen transparent zu gestallten. Gruppieren sie Datensätze in thematische Einheiten. Testen sie die Beschriftung mit Labeln.

Speichern sie den Stand der Bearbeitung als neues ArcMap Dokument (*.mxd) z.B. als GIS_uebung_name_KomplexA.mxd in D:\ihr_name\Quarzite\.

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Komplex B Digitalisierung, Editieren von Vektordaten Selektion, Objekt-Identifizierung (identify), Attribute (Sachdaten) Die erste Aufgabe ist die Erzeugung neuer Vektordaten (Digitalisierung aus gescannten, topographischen Karten) Das Digitalisieren (Erzeugen neuer) und Editieren (Verändern vorhandener) Datensätze (zumindest der geometrischen Komponente) erfolgt nur in einer Editiersitzung. Diese wird gestartet in der Editor-Toolbar. Nur Datensätze, die unter Windows im selben Verzeichnis liegen, lassen sich gleichzeitig bearbeiten. Legen sie im ArcCatalog einen neuen Datensatz (Shapefile) „Strassen“ (Typ Polyline) an. Im Projekt wird automatisch ein Layer angelegt, der dieses Shapefile zeigt. Aktivieren sie die Editor-Toolbar , starten sie eine Editiersitzung für das Verzeichnis, in dem sie diesen Datensatz angelegt haben. Definieren sie die Snapping tolerance (Snapping Optionen) und wählen sie in der Snapping toolbar die Objekte aus, zu denen ein Snapping durchgeführt werden soll.

Für die Erzeugung neuer Objekte werden Konstruktionswerkzeuge angeboten und die Bearbeitung einzelner Vertices erfolgt nach Aktivierung des Edit tools .

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Als zweite Aufgabe für diesen Komplex könnten wir die Suche nach dem flächenmäßig größten Rohstoffkörper formulieren.

• zuerst wollen wir den Flächeninhalt der Rohstoffkörper in der Karte neu berechnen: o in der Attributtabelle (im rechte-Maustaste-Menü für jeden layer abrufbar)

wird dazu ein neues Feld (eine Spalte beherbergt ein Attribut) erzeugt; table options/ add field (Name: Fläche, Typ float 12.3)

o mit dem Berechnungswerkzeug Calculate Geometry werden den (selektierten) Zeilen Werte zugewiesen: property: area (Flächeninhalt)

o alternativ dazu: Berechnungswerkzeug (toolbox/ data management tools/ fields/ calculate fields) Auswahl Attributtabelle und Attribut (field) und Eingabe eines Python Befehls: !shape.area!

o sortieren sie die Tabelle der Größe nach • nutzen sie das identify-Werkzeug um per Hand in der Karte nach dem Eintrag

(Attribut) Fläche für die verschiedenen Rohstoffkörper zu forschen • Ändern sie die Darstellung der Quarzitflächen in der Karte: Layer/ Properties/ Show:

Categories (unter Value Field wählen sie das Attribut, Add All Values sucht alle unterschiedlichen Werte des Attributs und weist ein Symbol zu entsprechend der gewählten Color Ramp)

Die dritte Aufgabe sind Selektionen. Selektionen von Objekten werden durchgeführt, um Operationen bzw. GIS-Funktionen nur auf ausgewählte Objekte eines Datensatzes anwenden zu können. Lernen sie zwei Typen von Selektionen, die jeweils mit der Maus (Selection-tool in der Karte, Mauszeiger in der Attributtabelle) oder einem Abfrageprogramm (Menü Selection/ …) durchgeführt werden.

• öffnen sie die Attributtabelle und selektieren sie mit dem Selection-Werkzeug die einzelnen Objekte in der Karte und vergleichen sie den Wert in der markierten Zeile in der Attributtabelle, um den Größten zu finden

• selektieren sie Zeilen in der Attributtabelle • machen sie sich mit dem Abfrageprogramm Select_by_Attributes vertraut (hier

werden SQL-abfragen an die Attributtabelle gestellt (Menü Selection/ Select_by_Attributes …)

• machen sie sich mit dem Abfrageprogramm Select_by_Location vertraut (hier werden Abfragen an die geometrischen und topologischen Eigenschaften der Objekte (auch von Objekten in verschiedenen Layern oder bereits selektierte Einzelobjekte) gestellt (Menü Selection/ Select_by_ Location …)

• löschen sie alle Selektionen (Menü Selection/ Clear_selected_features …)

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Komplex C Buffer Aufgabe in diesem Komplex ist die Bestimmung der Flächen, die nicht für einen Abbau genutzt werden können. In erster Linie sind dies die Schutzgebiete. Darüber hinaus gibt es aber in Gesetzen und Vorschriften festgelegte „Mindestabstände“ zu solchen Flächen und zu anderen Objekten, die eingehalten werden müssen. Diese „Mindestabstände“ um Objekte werden als Pufferzonen mit der Funktion BUFFER definiert und erzeugt. Die Gesamtfläche von Schutzobjekt und Buffer ergibt die Fläche, die nicht für einen Abbau zur Verfügung steht. Berechnen sie Buffer und speichern sie die Buffer-polygone in neuen Shapefiles.

• Buffer um die Ortschaften (toolbox/ analysis tools/ proximity/ buffer)

Input - Siedlungen.shp aus Ordner: Grundlagendaten, Output - im Arbeitsverzeichnis: Siedlungen_300m.shp, Distnance: 300 m, Side Type: FULL (Ausgabe: Objekt + Buffer)

• Wiederholung für alle Ausschluss- und Abwägungsbereiche (mindestens die in fett): Ausschlussbereiche (Mindestabstand) Abwägungsbereiche (Mindestabstand)

Strom-Freileitungen (50m, 380kV 100m) Bahnlinien (50m) Straßen (50m) Wasserschutzgebiet (Typ I und II: 100m) Grundwassereinzugsgebiet (100m) Naturschutzgebiet (100m) Siedlungen (300m) Vorranggebiete Natur und Freiraum und

für Windenergie (100m)

Wald (50m) Landschaftsschutzgebiet (100m) Arten- und Biotopschutz (100m) Fauna-Flora-Habitat (100m) Rohstoffbetriebe (50m) Standortbereich Kultur (300m) Standortbereich Tourismus (300m) Ferienstraßen (100m) Vorranggebiete Grundwasser (50m) Vorranggebiete Landwirtschaft (100m)

• Hinzufügen eines Attributes in den Attributtabellen Add Field (nur für Buffer der Abwägungsbereiche): Name= Nutzung, typ= text, Length: 20 und Eintragen einer Bezeichnung mit Field Calculator (z.B. Kurzname des Datensatzes: „Wald“, „LSG“, „FFH“, etc.)

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Komplex D Verschneidungen (overlay) und Berechnung des Konfliktpotentials Hinweis: um Funktionen zu suchen kann man nach Schlagwörtern suchen (toolbox/search) Zusammenfassen der gepufferten Flächen

• Sammeln aller Buffer der Ausschlussbereiche in einem Datensatz mit der Funktion Merge (toolbox/ data management tools/ general/ merge) output: Ausschlussbereiche_buffer.shp

• Verschneiden

aller Buffer der Abwägungsbereiche mit der Funktion Union (toolbox/ analysis tools/ overlay/ union)

output: Abwaegungsbereiche_buffer.shp Anwendung der Funktion Erase:

• Ausschneiden der Ausschlussbereiche aus den vorhandenen Vorratsgebieten (Quarzite – Ausschlussbereiche_buffer_merge = Quarzite_erase)

Erzeugen einzelner Objekte aus den Reststücken (Teilflächen, die möglicherweise nur einem Objekt entstammen), d.h. jeweils neuer Polygon features;

• Anwendung der Funktion: Multipart to Singlepart (tools/data management tools/features) auf Datensatz: Quarzite_erase.shp

output: Quartzite_erase_single.shp

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Flächenberechnung für diese neuen Quarzitflächen:

• add field, Calculate Geometry: Flächengröße Anwendung der Verschneidungs-Funktion Identity:

• Selection by area > 77000 m², (optional: Erzeuge neuen Layer mit nur diesen Flächenstücken; rechte Maustaste – Selection /Create Layer From Selected Features)

• Verschneiden der Quarzitrestflächen mit Abwägungsbereichen in den Umrissen der Quarzite und Verknüpfung der Attribute (insbesondere Nutzung mit Kurznamen): Quarzite_erase_single[Flächeninhalt > 77000] + Abwägungsbereiche_buffer = Quarzite_erase_single_identity

Berechnung eines summarischen Konfliktpotentials als neues Attribut. Die gegenwärtige Flächennutzung kann numerisch mit der Konfliktzahl aus der folgenden Tabelle bewertet werden.

Flächennutzung Konflikt (Text) Konflikt (Zahl)

Vorranggebiete hoch 30

Landschaftsschutzgebiete mittel 20

Wald niedrig 10

Arten und Biotopschutz mittel 20

Fauna-Flora-Habitat hoch 30

Rohstoffe niedrig 10

Standortbereiche hoch 30

Ferienstraßen hoch 30

Naturpark niedrig 10

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Mögliches Vorgehen zur Berechnung der summarischen Konfliktzahl: • Select by Attributes, Create a new selection: Get Unique Values für “Nutzung”

oder die Tabelle nach “Nutzung” sortieren und mit Mauszeiger markieren

• Add Field: Konfliktzahl • Field Calculator: Konfliktzahl = [Konfliktzahl] + Konfliktzahl(Tabelle),

Wiederholen für alle vorhandenen Flächennutzungen siehe Tabelle (Alternative: Python Script Conflict_reclass_sum.cal) Änderung der Darstellung in der Karte (Layer Properties/ Symbology): farbliche Symbolisierung der Quarzite (-restflächen) abhängig vom Konfliktpotential (summierte Konfliktzahl) von grün (niedriges) über gelb (mittleres) nach rot (hohes Konfliktpotential).

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Komplex E Messungen Aufgabe: Legen sie mögliche Standorte für die Tagesanlagen neuer Steinbrüche als Punkte am Rand der identifizierten Rohstoffkörper fest (möglichst an vorhandenem Zufahrtsweg). Bestimmen sie die Entfernungen der Standorte zu möglichen Fernstraßenanbindungen und Ortschaften, d. h. zu Versorgungsleitungen (Strom, Wasser, Abwasser). Vorbereitung:

• Digitalisierung von möglichen Standorten für Quarzitsteinbrüche in Flächen mit geringem oder mittlerem Konfliktpotential (Create Feature Class, new: Point data set „neuer_Steinbruch“; alternativ: rechter Mausklick im Arbeitsverzeichnis im ArcCatalog, new shapefile: neuer_Steinbruch.shp, Typ: Points)

• Digitalisierung entsprechender Verkehrsanbindungen (evtl. neuen Datensatz anlegen: „Verkehrsanbindung“, Typ: Polyline) entlang vorhandener Wege und Straßen von den Standorten bis zu vorhandenen Zufahrten zu Bundesstraßen

Flächenberechnung: Für die Berechnung der Flächeninhalte der Teilflächen muss die Funktion Multipart to Singlepart (tools/data management tools/features) erneut ausgeführt werden.

• auf Datensatz: Quartzite_erase_single_identity • output: Quartzite_erase_single_identity_single • Neuberechnung der Flächeninhalte der Teilflächen: Add Field, Calculate Geometry

Datenverknüpfung basierend auf räumlicher Nachbarschaft (Spatial Join) • Verknüpfen der Punkte mit den Attributen der Quarzitflächen (ArcToolbox/

Analysis Tools/ Overlay/ Spatial Join): neuer_Steinbruch + Quarzite_erase_single_identity_single = neuer_Steinbruch_Quarzite

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Für die Standortauswahl müssen weitere Zusatzkriterien bestimmt werden, z. B. Entfernungen:

• zur am nächsten gelegenen Verkehrsanbindung (Netzwerk-Abstand entlang vorhandener Straßen) mit dem Berechnungswerkzeug: Calculate Geometry

• zur am nächsten gelegenen Siedlung, d. h. zu Versorgungsleitungen (Strom, Wasser, Abwasser) mit dem Entfernungs-Werkzeug (Toolbar/ Tools/ Measure )

• (zu anderen Rohstoffbetrieben (evtl. Konkurrenzunternehmen))

Jeweils ein neues Attribut hinzufügen (Table Options/ Add Field) zu neuer_Steinbruch_Quarzite und Eintragen der Werte der Entfernungsmessung; dazu selektieren sie den jeweiligen Standort und nutzen sie Field Calculator. Alternativ kann mit Spatial Join (Match Option: closest) auch eine Längenberechnung für die Verkehrsanbindungen den Objekten in neuer_Steinbruch_Quarzite (Target Features) zugewiesen werden (hier wird ein neuer Datensatz erzeugt, d. h. neues Shapefile mit neuem Namen). Festlegung der Rangfolge der ausgewählten Standorte und Bewertung der Ergebnisse! Einfügen eines neuen Attributs für neuer_Steinbruch_Quarzite für die Bewertungszahl. Festlegung der Rangfolge der Wichtigkeit der Kriterien:

• Standortauswahl: 1. Flächengröße 2. Konfliktpotential

• Berücksichtigung von Zusatzkriterien: 3. Erweiterungsflächen

(Flächengröße VOR Verschneidung mit Abwägungskriterien) 4. Entfernung zur nächsten Verkehrsanbindung 5. Entfernung zur nächsten Siedlung (Versorgungseinrichtungen)

(Optional Formel: 0.5 * (Flaecheninhalt / max(Flaecheninhalt)) + 0.25 * (1- Konfliktzahl / max(Konfliktzahl)) + 0.15 * (Erweiterungsflächen / max(Erweiterungsflächen)) + 0.05 * (1- Verkehrsanbindung / max(Verkehrsanbindung)) + 0.05 * (1- Entfernung_Siedlung / max(Entfernung_Siedlung))

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Änderung der Darstellung in der Karte (Layer Properties/ Symbology):

• Symbolisierung der Punkte der Standortwahl neuer_Steinbruch_Quarzite („Schlegel und Eisen“ in Style Reference Mining)

• Hinzufügen eines Labels mit der ermittelten Rangfolge (Layer Properties/ Label) • Farbliche Symbolisierung der entstandenen Quarzitrestflächen abhängig vom

Konfliktpotential (Konfliktzahlsumme) von grün (niedriges) über gelb (mittleres) nach rot (hohes Konfliktpotential)

• Label der Flächen mit Flächeninhaltsberechnung

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Komplex F Kartenerstellung Aufgabe: Erstellen sie einen Kartenausdruck mit ihren Ergebnissen der Standortsuche. Kartenerstellung

• schalten sie das ArcMap Darstellungsfenster in die Kartenansicht (Menü View/ Layout View)

• Auswahl einer Kartenvorlage (Toolbar Layout/ Change Layout)

• Druckereinstellungen: stellen sie das Papierformat für Karte und Druckvorlage auf

A4 landscape (Menü File/ Page and Print Setup), Kartenblatt in der Ausgabe NICHT skalieren!!

• Stellen sie das Kartenfenster auf die Papiervorlage ein und legen sie einen sinn-

vollen Maßstab für die Karte fest • Fügen sie eine Legende ein und bearbeiten sie diese (Menü Insert/ Legend)

Auswahl aller relevanten Datensätze (layer) für die Darstellung (evtl. vorheriges Nachbearbeiten der Symbolisierung dieser layer)

• Fügen sie einen Maßstabsbalken, einen Titel, optional auch einen Nordpfeil ein und

bearbeiten sie diese (Menü Insert/*) • Fügen sie Textfelder ein und erläutern sie darin die Standortauswahl und

wesentliche kartographische Objekte (Menü Insert/ Text), wichtig sind Angaben zum Kartenersteller, Datum, Quellen der Originaldaten, Koordinatensystem, etc. (Metadaten)

• evtl. Hinzufügen eines zweiten Kartenfensters (insert/ data frame) mit einer mehr generalisierten Übersichtskarte oder mit der Detaildarstellung eines ausgewählten Bereiches (new data frame); dort Koordinatensystem bestimmen und relevante (aus dem anderen Datenstapel kopierte) Layer einfügen.

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• Hinzufügen eines Koordinatenrahmen und -rasters (Data Frame Properties/ Grid/

New Grid) als ein Measured Grid (Darstellung des gewählten Gauß-Krüger Koordinatensystems)

Editieren der Zahlenformate, Platzierung, Erscheinungsbild, etc. (grid properties)

• drucken sie die Karte unter Menü File/ Print

als PDF-Datei (vorher zwischenspeichern); alternativ kann die Karte auch zur graphischen Weiterbearbeitung exportiert werden, z. B. im Adobe Illustrator Format.

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Komplex G Diskussion