Geo-Informationssysteme: Ein Studien- und Arbeitsbuch

178 Pages·1999·6.06 MB·German

by  Dr. Dr.-Ing. Wilfried Linder (auth.)

Geo-Informationssysteme
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
w.
Linder
Geo-Informationssysteme
Ein Studien- und Arbeitsbuch
Mit 21 Abbildungen
und 6 Tabellen
, Springer
Dr. Dr.-Ing. Wilfried Linder
Heinrich-Heine-Universităt Dusseldorf
Geographisches Institut
Universitătsstr. 1
D-40225 Dusseldorf
ISBN 978-3-642-63606-6
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Geo-Informationssysteme [Medienkombination]: ein Studien-und Arbeitsbuch I Wilfried Linder. - Ber
lin; Heidelberg; New York; Barcelona; Hongkong; London; Mailand; Paris; Singapur; Tokio: Springer
ISBN 978-3-642-63606-6 ISBN 978-3-642-58465-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-58465-7
Buch. 1999
Gb.
CD-ROM. 1999
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benutzt werden diirften.
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1999
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1999
Umschlaggestaltung: Design & Production GmbH. Heidelberg
Satz: Reproduktionsfertige Voriage der Autoren
SPIN 10683054 30/3136-5 4 3 2 I O - Gedruckt auf saurefreiem Papier
Vorwort
Noch ein weiteres GIS-Buch? Gibt es Dicht schon genug davon?
In den letzten Jahren hat die rechnergestutzte Verarbeitung raumlicher Infor
mationen Dicht nur eine standig wachsende Verbreitung und Bedeutung, sondem
teilweise sogar eine gewisse Popularitat gewonnen. Digitales Datenmaterial wie
z.B. Karten, Satellitenbilder oder raumbezogene Statistiken stehen auf preiswerten
CD-ROMs sowie, oft kostenlos, im Internet zur Verfiigung. Alle Welt redet uber
"GIS" - aber fragen Sie mal funf Leute, was diese darunter verstehen, so werden
Sie mindestens zehn verschiedene Antworten bekommen. Und das Dicht etwa,
weil die betreffenden Personen sich Dicht auskennen, sondem weil dieses Pachge
biet tatsachlich aufierst vielseitig und breit gefachert ist.
Die vorliegende Arbeit wendet sich an geowissenschaftlich interessierte Leser
mit fehlenden oder geriogen Vorkenntnissen, die sich im Selbststudium einen
ersten Einstieg in die Grundlagen dieser sehr umfangreichen und vielfaltigen
Thematik verschaffen wollen. FUr diejeDigen unter Ihnen, die beim Lesen dieses
Vorwortes im Sinne Shakespeares uber "to buy or not to buy" entscheiden, sei
also folgendes vorangestellt:
Voraussetzungen: Zweckmiilligerweise besitzen Sie einen PC - aktueller Stan
dard genugt -und konnen darnit umgehen, kennen sich also mit den Grundlagen
des Betriebssystems (MS Windows 95 oder hOher) aus. Sollten Sie darUber hinaus
Kenntnisse aus den Bereichen Statistik, Kartographie, Luftbildinterpretation,
Computergrafik bzw. Datenbanken besitzen, so werden Ihnen diese zum Einar
beiten behilflich sein -zwingend notig sind sie Dicht.
Zie/gruppe: Studierende geowissenschaftlicher Facher im Grundstudium, Prak
tiker in Stadtplanungs-, Forst-oder Umweltamtern, Geographielehrer, Oberstufen
schiller im Erdkunde-Leistungskurs sowie alle am Thema interessierten Einstei
ger.
Dieses Buch will
• dem Anfanger eine leicht verstandliche Hilfe zur selbstandigen Einarbeitung
sein,
• theoretische Grundlagen bereitstellen, die eine Basis fur die weitergehende
Vertiefung bilden konnen,
VI Vorwort
• anhand praktischer Beispiele einen Eindruck der einzelnen Arbeitsschritte, aber
auch der vielfaItigen Moglichkeiten von GIS-Software bieten und damit
• dem Leser ein machtiges Werkzeug vorsteHen, welches auch fUr kleinere zeit
lich begrenzte Projekte (z.B. eine Diplomarbeit) von grofiem Nutzen sein kann.
Dieses Buch will nicht
• in Konkurrenz zu tiefgehenden wissenschaftlichen Werken treten: Haben Sie
nach dem Durcharbeiten den Wunsch nach mehr Theorie, kann Ihnen u.a. das
Literaturverzeichnis weitere Wege weisen;
• in erschOpfender Weise die gesamte Thematik GIS darstellen: Dazu ware ein
mehrbandiges Werk vonnoten;
• eine versteckte Werbeschrift fUr ein Softwarepaket sein: Alles, was Sie fur den
Einstieg brauchen, ist in voH funktionsfiihiger Form auf der CD-ROM dabei.
Es ist nicht zuletzt unter dem Aspekt der Lage auf dem Arbeitsmarkt gerade fur
(angehende) Geographen wichtig, neben der fachspezifisch-inhaltlichen Ausbil
dung sich zumindest Grundkenntnisse der bier behandelten Technologie anzueig
nen. Dabei kann es trotz aller benutzerfreundlichen Arbeitsoberfliichen der Soft
ware nicht geniigen zu wissen, "welcher Knopfwann zu driicken ist". Gerade die
inhaltliche Durchdringung der ablaufenden Verfahren ermoglicht es dem Anwen
der, beispielsweise nicht nur irgendwelche "schOne bunte", sondem vor allem
sinnvolle Abbildungen und Karten zu erzeugen, nicht irgendwelche Berechnungen
"auf drei Nachkommastellen genau" zu priisentieren, ohne die Eingangsdaten
kritisch zu beurteilen usw. So gesehen hat diese Arbeit auch das Ziel, den Anwen
der wegzufiihren von der Faszination der Technik hin zu einem niichtemen Um
gang mit einem modemen Arbeitsmittel.
1m ersten Teil dieses Buches wird eine kurzgefafite, einleitende Theorie zum
Thema gegeben sowie auf einige grundlegende Dinge wie Datentypen, Koordina
tensysteme usw. eingegangen. Nach der Installation der mitgelieferten Software
fiihrt der dritte Teil den Leser sodano Schritt fUr Schritt in verschiedene Anwen
dungsbeispiele hinein, gedacht vor aHem auch als Anregung zur eigenstandigen
Weiterarbeit. ,,Learning by doing" heillt bier die Devise! FUr die selbstandige
Vertiefung anhand der mitgelieferten Software findet sich im vierten Teil eine
ausfiihrliche Programmbeschreibung.
An dieser Stelle sei noch darauf hingewiesen, dafi die im Buch erwiihnten Soft
und Hardwareprodukte bzw. Programmnamen in der Regel eingetragene Waren
zeichen der jeweiligen Hersteller sind, die das Copyright darauf besitzen. Entspre
chende Rechte des mitgelieferten Programms LISA liegen beim Autor dieses
Buches.
Der Dank des Autors gilt allen, die am Zustandekommen dieses Buches mitge
wirkt haben. Ein ganz besonderer Dank geht an Frau Angela Rennwanz, die mit
erheblichem Zeitaufwand und Engagement das endgiiltige Layout ersteHt hat!
Inhaltsverzeichnis
v
Vorwort ........................................................................................................
vn
Inbaltsverzeicbnis •••••••.•••••••••••••..••••••.•••.•..••.•..•••.••••.•••.•••••••.•••••.••••••.••••••••
1 Grundlagen ................................................................................................ 1
1.1 Einfuhrung ............................................................................................ 1
l.1.1 Grundbegriffe, Definitionen ............................................................ 3
l.1.2 Bestandteile eines GIS .................................................................... 5
1.1.3 Planung eines GIS .......................................................................... 6
1.2 Datentypen ............................................................................................ 7
1.2.1 Vektordaten (Zeicbnungen) ............................................................. 8
l.2.2 Rasterdaten (Bilder) ...................................................................... 10
l.2.3 Sachdaten (Attribute) .................................................................... 11
l.2.4 Zur Wahl des Datentyps ................................................................ 12
1.3 Koordinatensysteme ............................................................................ 12
1.4 Der Arbeitsablaufim GIS .................................................................... 14
1.4.1 Datenbeschaffung ......................................................................... 14
1.4.2 Aufbereitung der Rohdaten ........................................................... 15
l.4.3 Ableiten zusatzlicher Daten .......................................................... 16
1.4.4 Datenverwaltung .......................................................................... 16
1.4. 5 Abruf, Verarbeitung, Analyse ....................................................... 17
l.4.6 Ausgabe, Prasentation ................................................................... 17
1.5 Datenerfassung ................................................................................... 18
1.5.1 Digitalisieren von Kartenvorlagen ................................................. 18
1.5.2 Einscannen von Luftbildern .......................................................... 21
1.5.3 Ubernahme von Satelliten-und sonstigen Rasterbildern ................ 24
2 Installation der mitgelieferten Software• .....................••..........•.....•....•..•• 27
2.1 Vorbemerkungen zum Programm LISA ................................................ 27
2.2 Hardwarevoraussetzungen .................................................................. 28
VIII Inhaltsverzeichnis
2.3 Installation .......................................................................................... 29
2.4 Verzeichnisstruktur ............................................................................. 30
3 Beispiele ................................................................................................... 31
3.1 Einftihrung .......................................................................................... 31
3.2 Das Digitale Gelandemodell ............................................................... 32
3.2.1 Eingabedaten ................................................................................ 32
3.2.2 Vektor-Raster-Wandlung .............................................................. 34
3.2.3 Interpolation und Bewertung des DGM ......................................... 36
3.2.4 Exkurs: Farbwiedergabe, Pal etten ................................................. 38
3.2.5 Grapbische FolgeprodukteI: Schummerung ................................. 39
3.2.6 Grapbische Folgeprodukte 2: Hangneigungen .............................. .40
3.2.7 Verschneiden von Hohenlinien und Hangneigungen ...................... 41
3.2.8 Hohenlinien fUr Plotterausgabe ..................................................... 42
3.2.9 Auswahl giinstiger Kulturflachen .................................................. 43
3.2.10 DGM-Analyse ............................................................................ 45
3.2.11 Differenz-DGMs: Beispiel Stausee .............................................. 47
3.2.12 DefInition eines Projektes .......................................................... .48
3.2.13 Erstellen eines Blockbildes ........................................................ .48
3.2.14 Stauvolumen berechnen .............................................................. 50
3.2.15 Profile ........................................................................................ 51
3.2.16 Montage derProfile .................................................................... 52
3.2.17 Verschneiden der Profile ............................................................. 53
3.2.18 Zwischenbilanz ........................................................................... 54
3.3 Wirtschaftsdaten Deutschland ............................................................. 54
3.3.1 Geometriedaten ............................................................................ 54
3.3.2 Exkurs: Koordinatensysteme ......................................................... 55
3.3.3 Erstellen einer Pafipunktdatei ........................................................ 57
3.3.4 Orientieren der Karte .................................................................... 58
3.3.5 Datenaufnahme (Digitalisierung) .................................................. 59
3.3.6 Kontrolle und Uberarbeitung der Datei... ....................................... 60
3.3.7 Bestimmung von Ankerpunkten fUr die Sachdaten ........................ 61
3.3.8 Ubergang zum DBF-Format, Einrichten derFelder ....................... 62
3.3.9 Eingabe der benotigten Sachdaten ................................................. 63
3.3.10 Ubergang zu Rasterdaten ............................................................ 64
3.3.11 Wertabhangige Flachenfiillung ................................................... 64
3.3.12 Veranderung derFarben ............................................................. 68
3.3.13 Erstellen einer Legende ............................................................... 68
3.3.14 Flachensignaturen ....................................................................... 70
3.3.15 Vergleich der Situationen 1992 und 1996 .................................... 71
3.3.16 Differenzdarstellung 1992 - 1996 ................................................ 74
3.3.17 Dreidimensionale Darstellung ..................................................... 74
3.3.18 Vorbereitung der Karte ............................................................... 75
3.3.19 Erstellen eines Blockbildes ......................................................... 76
Inhaltsverzeichnis IX
3.4 Vergleich von Karte und Luftbild ...................................................... '" 78
3.4.1 Import der Bilddaten ..................................................................... 79
3.4.2 Definition eines Projektes ............................................................. 79
3.4.3 Geocodieren der Karte, Teill ....................................................... 81
3.4.4 Exkurs: Resampling ...................................................................... 83
3.4.5 Geocodieren der Karte, Teil2 ....................................................... 84
3.4.6 PaBpunkte fur das Luftbild definieren ........................................... 85
3.4.7 PaBpunkte messen ........................................................................ 85
3.4.8 Geocodierung des Luftbildes, Fehlerdiskussion ............................. 87
3.4.9 Kontrollbild .................................................................................. 89
3.4.10 Mosaik aus Karte und Luftbild .................................................... 91
3.4.11 Transparente Oberlagerung ......................................................... 92
3.4.12 Riickblick: Kombination von Bildern .......................................... 94
3.4.13 Entfernungen im Rasterbild ......................................................... 94
3.4.14 Ausblick ..................................................................................... 96
4 Progammbeschreibung. ..........................•..••.••...............•••....•.••...•..••.•••... 99
4.1 Die Struktur des LISA -Basismoduls ..................................................... 99
4.2 Allgemeines, Konventionen ................................................................ 100
4.3 Programmsystem-Dateien ................................................................. 101
4.4 LISA-Datenformate ........................................................................... 102
4.5 Tips und Hilfen .................................................................................. 105
4.6 Dateibearbeitung .............................................................................. 106
4.7 Datenaufoahme mit Digitalisiertablett ............................................... 116
4.8 Digitale Gekindemodelle ................................................................... 123
4.9 Digitale Bildverarbeitung .................................................................. 131
4.10 Datenverwaltung, Analyse ............................................................... 146
4.11 Ausgabe .......................................................................................... 153
Anhang ......................................................................•.....•......................... 159
Literatur. .........•.•........•..•...•..........................................................••••..••.••.. 163
Verzeichnis der Tabellen und Abbildungen ............................................. 165
Sachverzeichnis .....••.••..•...............................•....................•......••.•......•...... 167
1 Grundlagen
1.1
Einfuhrung
Das Kfirzel GIS stammt urspJiinglich aus dem anglo-amerikanischen Sprachraum.
Es steht dort fUr Geographic Information System, was zur eingedeutschten Fonn
Geographisches Informationssystem fiihrte. Allerdings hat GIS zunachst mit Geo
grapbie genauso viel oder wenig zu tun wie die geographischen Koordinaten -das
Adjektiv geographisch (geos = die Erde, graphein = beschreiben) steht bier ledig
lich fUr die raumIiche Zuordnung eines Objektes zu einem bestimmten Punkt auf
der Erde. Aus diesem Grund hat sich im deutschen Sprachraum die neutral ere
Version Geo-Informations-System durchgesetzt.
Urn uns nun dem scbillemden, in aller (geowissenschaftlichem) Munde befind
lichen BegrifI GIS aIlZUIllihern, nehmen wir den Zugang fiber eine jedennann
bekannte Datensammlung, das Telefonbuch, welche wir nachstehend einfach als
Informationssystem (IS) bezeichnen wollen. Enthalten sind ohne Frage Informa
tionen, freilich nicht irgendwelche, sondem ganz bestimmte, namlich zunachst
einmal und vor allem die Namen der Femsprechteilnehmer und die ihnen zuge
ordneten Telefonnummem. Das allein wiirde uns nur wenig nutzen, wenn der
Datensammlung keine eindeutige Ordnung zugrunde liegen wiirde. Diese ist nun
bekanntlich in zwei Stufen aufgebaut, namlich zunachst nach Vorwahlbereichen
(Orten) und dann innerhalb eines Bereiches nach Namen (alphabetisch). Der Be
nutzer hat somit die Moglichkeit, leicht und schnell ausgehend von Ort und Na
men die gewiinschte Nummer zu finden. Halten wir also zunachst fest:
Ein IS ist eine Sammlung von Informationen oder Daten zu einer vorgegebenen
Thematik, die aufgrund eines eindeutigen Ordnungsschemas dem Benutzer einen
schnellen und gezielten ZugrifI gestattet.
Das Telefonbuch enthalt eine Reihe weiterer Daten: Ublicherweise neben dem
Namen auch die Anschrift sowie teilweise auf Teilnehmerwunsch akademische
Titel bzw. Berufsbezeichnungen, bei Selbstiindigen Hinweise auf den Betrieb,
Faxnummem usw. Trotzdem ist der Benutzer nicht immer glucklich, denn es gibt
eine Reihe von Einschrankungen, von denen wir uns einige ansehen wollen: