Proseminar Geoinformation II Thomas Artz
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13/01/2003
Raster
Datenstruktur und Operationen
Proseminar Geoinformation IIThomas Artz
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
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 .
Rasterdaten Vektordaten
Geometriedaten Sachdaten
Daten
Vektor- vs. Rasterdaten
Vektororientierte Datenstruktur:
Wird durch Punkte, Linien und Flächen repräsentiert.
Rasterorientierte Datenstruktur:
Die geometrische Grundstruktur wird in einzelne Rasterpunkte zerlegt
Rasterelemente sind meist quadratisch geformt und von identischer Größe
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.
Gewinnung von Rasterdaten
Rasterdaten stammen häufig aus:
Satellitenbildern Luftbildern gescannten Karten Photos konvertieren Daten
Einsatz von Rasterdaten
Diese Datenstruktur wird benutzt, um Phänomene der realen Welt darzustellen und zu untersuchen.
KartenhintergrundLandnutzung
Hydrologische AnalysenAnalyse der Umwelt
Geländeanalyse
Rasterdaten können in verschiedenen Formen vorliegen:
a.) regelmäßige Raster
b.) unregelmäßige Raster
Aufbau eines Rasters I
Aufbau eines Rasters II
y-A
chse
x-Achse
Zelle (pixel):Grundlage des
RastersSind gleich großGröße hängt von
der Auflösung abJeder Zelle ist ein
spezieller Wert zugeordnet
Jeder Zelle ist ein Koordinatenpaar zugeordnet
Zeilen (row) &Spalten (column)Zellen sind in Zeilen und
Spalten angeordnet eindeutige „Adresse“Sie erzeugen eine
Matrix.Sind parallel zu den
Achsen des Koordinatensystems
Werte, Zonen und Regionen
Wert: 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.
Zone: besteht aus zwei oder mehr Zellen, die den selben Wert haben.
Zellen müssen nicht zusammenhängen
Jede Zelle gehört zu einer Zone.
Region: Besteht aus einer Gruppe verbundener Zellen einer Zone.
Sachdaten - „associated table“
}Zwingende Einträge:Wert der ZoneAnzahl der Pixel in
der Zone
}Optionale Einträge:Unbegrenzte AnzahlRepräsentieren weitere
Eigenschaften der Zone
Name
Datentypen
Der Wert einer Zelle kann einen der vier folgenden Datentypen
repräsentieren:
Nominal data
Ordinal data
Intervall data
Ratio data
Beispiele:
Landnutzung
Eignung für best. Zweck
Temperatur, ph-Wert
Entfernung,Höhe
Speicherung
Datenmengen abhängig von Genauigkeit und somit Auflösung
eines Rasterbildes
Full- Raster – Encoding
Run- Length- Encoding
Value- Point- Encoding
Quadtree- Verfahren
100%
75%
44%
44%
Speicherbedarf
Verschiedene Möglichkeiten der Speicherung
Datenreduktion
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.
Pyramiden in ArcCatalog erstellen:
1.Rechtsklick auf das raster dataset
2.„Build Pyramids“ anklicken.
Bewertung der Rasterdatenstruktur
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
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.
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.
„raster calculator“-Vorbereitungen
Um den raster calculator nutzen zu könnnen muss der Spatial Analys zu erst unter „Tools-Extensions....“ aktiviert werden.
Exkurs: “cell-based-modelling” I
Focal function
Auch die direkten Nachbarzellen werden in die Berechnung mit einbezogen.
Local function
Berechnungen mit einer Zelle
Nachbarzellen beeinflussen das Ergebnis nicht
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
Mathematische Operatoren und Funktionen
Entscheidend für die
erfolgreiche Anwendung des
„raster calculators“ ist eine
korrekte Georeferenzierung, da
sonst falsche Zellen miteinander
verbunden werden.
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
Mathematische Operatoren II
+ ][ /2
true
false
[calculation] < >3
=
( [layer1]+[layer2] )/2
Mathematische Funktionen I
Mathematische Funktionen beziehen sich auf ein eingelesenes Raster.
Sie müssen in der Regel bei Start des „raster calculators aktiviert werden.
Mathematische Funktionen II
Die Funktionen
werden in 4
Gruppen
unterteilt:
1.) Arithmetische- Funktionen
2.) Trigonometrische- Funktionen
3.) Logarithmische- Funktionen
4.) Power-Funktionen
Anwendungen
a) Kombinieren von Rastern
b) Gewichten von Rastern
c) Daten selektieren
Kombinieren von Rastern
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“
Ist ein Raster-Layer in ArcMap geöffnet, erscheint er hier.
Gewichten von Rastern
Zu gewichtendes Raster wieder durch Doppelklick auswählen und mit Gewicht p multiplizieren
Start der Berechnung, durch Klick auf „Evaluate“
Daten selektieren
Layer und gewünschte Eigenschaft auswählen
z.B. Höhe > 2500
Start der Berechnung, durch Klick auf „Evaluate“
true
false
Aufgabe 1
Temperaturkarte aus einem Höhenmodell erstellen.
1. Den Ordner V:\GIS_Proseminar_13-01-2003\Übung1 ins eigene Verzeichnis U:\ kopieren.
2. Das Raster elevation in ArcMap öffnen.
3. 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)
4. Ein zweites Raster, indem alle Bereiche mit einer Temperatur von weniger als -10°C enthalten sind, soll erstellt werden.
Aufgabe 1 - Ergebnis
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.
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)
Neu
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.
Oberflächenanalyse
Begriffe aus der letzten Woche:
slope, hillshade, aspect
Funktion eingeben
(slope)
offene Klammer
Raster auswählen
geschlossene Klammer
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
Beispiel: Kostenraster
2. Schritt: Gewichten
Slope – 66%
Landuse – 34%
3. Schritt: Kombinieren
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\LanduseWert = 6
Aufgabe 2 - Ergebnis