Übung 4: Georeferenzierung von Topographischen Karten und Luftbildern

Gis-Grundlagen in der Raumplanung
Übung 4:

Grundlage der Übung 4 bildet die Kartensammlung der Naturschutzverwaltung RLP.
Tk 40 000
Tk 20 000
dop 10 000
dop 5 000
dop 2 500
dop 1 000

Textfile mit 6 Zeilen erstellen.
Name des Files entspricht dem der Jpg`s , die Endung wird von Jpg aud Jgw geändert.

die Zeilen enthalten folgendes:
1: Pixelbreite (Bildbreite in m durch Pixelzahl)
2: Angaben zur Rotation
3: Angaben zur Rotation
4: Negativwert der Zeile 1
5: Rechtswert +1/2 Pixelbreite
6: Hochwert - 1/2 Pixelbreite

Bildbreite kann aus der Quelldatei ausgemessen werden
Pixelzahl der Bildbreite ergibt sich aus Jpg.


Link zum Download der Übung.
http://rapidshare.com/files/197107894/u4_Weidler_Ralf.7z.html

Übung 3: Abfragen und Geoanalysemethoden

Gis-Grundlagen in der Raumplanung
Übung 3:

Layer_1: Erzeugung eines Layers mit den Grenzen des Landkreises und der Stadt Kaiserslautern (Abfrage)

Über "AddData" das Shapefile "LK-Grenzen" aus dem Geodatenverzeichnis in ArcMap laden.
Mit "Selection > Select by Attributes" wird im Layer "LK-Grenzen" nach Objekten mit dem Namen Kaiserslautern gesucht.

"NAME" = `Kaiserslautern`



Mit Rechtsklick auf den Layer "LK-Grenzen > Data > Export Data" wird ein neuer Shapefile aus der Selektion erstellt.
In diesem Fall "Layer_1".

Erstellt wurde ein Layer, der alle Objekte mit dem Namen Kaiserslautern aus dem "LK-Grenzen Layer" beinhaltet. (Hier: Stadt u. Landkreis)


Layer_2: Zusammenfassen der Objekte von Layer_1 zu einem einzigen Objekt (Geoanalyse)

Objekte lassen sich über "ArcToolBox > DataManagementTools > Generalization > Dissolve" miteinander verbinden.
Im Inputfield muss der Ausgangslayer eingestellt werden;
Bei Dissolve Fields wird die Eigenschaft eingestellt aufgrund derer die Objekte verbunden werden sollen.
(Hier: Input: Layer_1; Dissolve Fields: NAME)
Output Feature Class wird "Layer_2", der hiermit erzeugt wird.



Erzeut wurde ein neuer Layer der die in "Layer_1" selektierten Objekte anhand ihrere Eigenschaften zu einem Objekt zusammenfasst.


Layer_3: Auswahl aller Naturschutzgebiete die sich mit Layer_1 überschneiden (Abfrage ,’that: intersect’)

Über "AddData" wird der "Naturschutzgebiete in RLP - Layer" aus dem Geodatenverzeichnis geladen.
Durch "Selection > Select by Location" kann die folgende Abfrage gestartet werden:
"select features from the following layers" (Hier: Naturschutzgebiete RLP) that "intersect" the features in this layer "Layer_1"



Erzeugt wurde ein Layer der die Naturschutzgebiete beinhaltet, die sich mit "Layer_1" überschneiden.


Layer_4: Erzeugen von Pufferbereichen mit 300m um die Naturschutzgebiete von Layer_3 (Geoanalyse)

Mit "ArcToolBox > AnalysisTools > Proximity > Buffer" können Pufferzonen erstellt werden.
Input feature ist in diesem Fall "Layer_3"; Output feature der somit erstellte "Layer_4"; als Abstand soll laut Aufgabenstellung eine Distanz von 300 m gewählt werden.



In diesem Schritt wurden Pufferzonen um die Naturschutzgebiete aus "Layer_3" gelegt.


Layer_5: Erzeugung eines Layer mit den Grenzen der Stadt Kaiserslautern (Abfrage)

"Selection > Select by Attributes" wird hier statt wie in "Layer_1" die "LK_Grenzen" als Ausgangslayer zu verwenden, in diesem Fall der "Layer_1" selbst zum Ausgangslayer.
Statt "NAME" wird diesmal "OBJEKTART1 = Kreisfreie Stadt" gesucht.




Layer_6a: Ausschneiden von Layer_4 mit Hilfe von Layer_5 (Geoanalyse)

"ArcToolBox > AnalysisTool > Extract > Clip"
Hier: input feature: Layer_4; clip feature: Layer_5



In diesem Layer befinden sich alle im Stadtgebiet Kaiserslautern liegenden Naturschutzgebiete sowie deren Informationen aus dem Naturschutzgebiete RLP Layer.


Layer_6b: Verschneidung von Layer_4 und Layer_5 (Geoanalyse)

"ArcToolbox > AnalysisTools > Overlay > Intersect"



Hier finden sich alle Naturschutzgebiete im Bereich der Stadt Kaiserslautern sowie deren Informationen aus dem Naturschutzgebiete RLP Layer.
Im Gegensatz zu 6a finden sich hier jedoch auch noch die Informationen aus dem Landkreislayer.


Layer_6c: Vereinigung von Layer_4 und Layer_5 (Geoanalyse)

"ArcToolBox > AnalysisTools > Overlay > Union"



Auf diesem Layer befinden sich die Grenze der Stadt, die Naturschutzgebiete der Stadt und des Kreises, sowie die Informationen zu Schutzgebieten und Stadt.


Berechnung der Flächen für den Layer 6c
Feld ‚HEKTAR’ verwenden und Einheiten entsprechend wählen.

Um die Flächen von "Layer_6c" zu berechnen öffnet man dessen Attributtabelle, selektiert die Spalte Hektar und wählt die Option "Calculate Geometry"
Bei "Units" muss die gewünschte Einheit (in diesem Fall Hektar [ha]) ausgewählt werden.




Erzeugen der Tabelle ‚Sum_Layer_6c.dbf’ auf Grundlage von Layer_6c
Die Tabelle soll nur einen Datensatz (nur eine Zeile) je Naturschutzgebiet und folgenden Attribute
besitzen: Gebietsname, Gebietsnummer, Gebietsfläche.

Auch hier wieder die Attributtabelle zu "Layer_6c" öffnen.
Die Spalte Gebietsnamen wählen > Summarize.



Gewünschte Eigenschaften auswählen.
Hier: oben: Gebietsnum, in der Mitte: Hektar u. Gebietsname.
Gewünschten Speicherort bzw. Speicherformat wählen.
Die erstellte Tabelle sollte etwa so aussehen.




Erläutern der Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Layer_6a und Layer_6b sowie Layer_6b und Layer_6c.

Gemeinsamkeiten der Layer 6a u. 6b.:
Beide beinhalten die Naturschutzgebiete im Stadtgebiet von Kaiserslautern.

Unterschiede der Layer 6a u. 6b.:
Layer_6a enthällt nur die Informationen zu den Naturschutzgebieten, während Layer_6b darüber hinaus noch die Informationen zur Stadt aus dem Landkreislayer enthällt.

Gemeinsamkeiten der Layer 6b u. 6c.:
Beide Layer beinhalten Informationen aus dem Naturschutzgebietelayer sowie aus dem Landkreislayer.

Unterschiede der Layer 6b u. 6c.:
Layer_6b erfasst nur Naturschutzgebiete im Bereich der Stadt Kaiserslautern, während Layer_6c auch die des Landkreises, sowie die Grenzen des Stadtgebietes beinhaltet.


Download:

Die Aufgabenstellung und alle von mir erstellten Dateien zur Übung 3 können hier herunter geladen werden:

http://rapidshare.com/files/186656659/u3_weidler_ralf.7z.html

Übung 2: Strukturkonzept - Eisenbahnausbesserungswerk Kaiserslautern

Gis-Grundlagen in der Raumplanung
Übung 2:

Während sich Übung 1 vorwiegend mit den Grundlagen von Koordinaten- u. Gauß-Krüger-Systemen befasst hat, geht es in Übung 2 um die Einarbeitung in ein GIS- System.
Hierzu wurden "ArcGis 9" Trial-Accounts zur Verfügung gestellt.
Als Übungsobjekt dient ein Strukturkonzept für das Gebiet des Eisenbahnausbesserungswerks in Kaiserslautern im Maßstab 1:2.500.


Die Grundlage erstellen:

Die Bearbeitungsgrundlagen (ein JPG des Plangebiets und ein Shape.File mit den Plangebietsgrenzen) mussten zu Beginn in das breits im Vorfeld der Übung erstellte Geodatenverzeichnis eingefügt werden, von wo aus sie mit dem ArcCatalog bearbeitet werden können.
Zur weiteren Bearbeitung müssen die beiden Dateien in ein einheitliches Koordinatensystem eingestellt werden.
Hierzu öffnet man in ArcMap die Layereinstelungen > Coordinate Systems > in diesem Fall "Germany Zone 3"
Mit der Option "Add Data" können die beiden Grundlagedateien nun in ArcMap zugefügt werden, was am Ende etwa wie folgt aussehen sollte.



Im ArcCatalog werden nun ein Punkt- u. ein Polygonlayer dem Verzeichnis der Plangrundlage hinzugefügt. (u2_punkt und u2_polygon)
Zum erstellen: "Rechtsklick auf den betreffenden Ordner > New > Shapefile"



Mit "Rechtsklick > Properties" können spezifische Einstellungen an den Layern vorgenommen werden.
So müssen diese z.B. ebenfalls unter "Coordinate Systems" auf das "Germany Zone 3" Koordinatensystem eingestellt werden.
Unter "Fields" können den Layern, die in der Aufgabenstellung gegebenen objektspezifischen Eigenschaften zugeordnet werden.
Im Polygonlayer wäre das:
- Nutzung / Type: Text
- Geschosshoehe / Type: Text
- Flaeche / Type: Float
Im Punktlayer:
- Objektyp /Type: Text
- Kronendurchmesser / Type: Float



Diese Einstellung kann allerdings auch jederzeit in
"ArcMap > Layer auswählen > Properties > Open Attribut Table > Options > Add Field" geschehen.
Auch die beiden nun erstellten Layer werden mit "Add Data" in ArcMap eingefügt.


Der Polygonlayer:

Im Polygonlayer werden die Flächen des Strukturkonzepts gezeichnet und diesen dann Nutzungen und Geschosshöhen zugeordnet.

"Rechtsklick auf den Polygonlayer > Layer Properties > Symbology > Category > Unique Values > Value Field > Nutzung > Add Values".



Hier werden die vorgegebenen Nutzungsarten eingestellt, sowie deren Farbe festgelegt.
(Gebäudebestand, Gebäudeplanung, HG, P, PF, Straßen, ÖG)

Nun wird über "Editor > Start editing" mit dem "Sketch Tool" die Plangrundlage nachgezeichnet.
An dieser Stelle muss unbedingt darauf geachtet werden, dass unter "Target" der richtige Layer, in diesem Fall "u2_polygone" ausgewählt ist.
Den entstehenden Objekten werden mit "Rechtsklick > Attributes" die jeweiligen Nutzungsarten und ggf. die Geschosshöhen zugewiesen.



Um Geschosshöhen im Plan anzuzeigen:
"Rechtsklick auf den Polygonlayer > Properties > Reiter: Labels > Häkchen bei Label features in this Layer und bei Text String/Label Field > Geschosshöhe” auswählen.

Weitere nützliche Tools zum zeichnen sind :
"Auto-Complete Polygone" womit Flächen immer nahtlos aneinander anschließen.
Außerdem noch Merge, Union und Clip.

Sind alle Flächen eingefügt und mit den entsprechenden Attributen versehen, sollte der Plan etwa wie folgt aussehen:




Der Punktlayer:

Wie zuvor bereits im Polygonlayer:
"Rechtsklick auf den Layer > Layer Properties > Symbology > Category > Unique Values > Value Field > Objekttyp > Add Values > Bäume"

In Punktlayer werden mit "Start Editing > Sketch Tool" die Bäume des Plangebiets eingezeichnet.
Auch hier unbedingt darauf achten, den richtigen Layer im "Target" zu haben.

Die eingezeichneten Bäume mit dem Attribut Bäume ausstatten und ihnen in der Attributabelle Kronendurchmesser zuweisen.




Die Flächenberechnung mit ArcGis:

Die Flächenberechnung in ArcGis ist relativ einfach.
Da sich die Flächendarstellungen im Polygonlayer befinden, erfolgt die Berechnung auch über diesen Layer.
"Rechtsklick auf den Layer > Attribute Tables > Rechtsklick auf Flaeche > Calculate Geometry".
ArcGis errechnet dann automatisch die Flächengrößen für die ausgewählten Flächen.




Das Layout:

Zum erstellen eines Layouts muss über "View > Layout View" in die Layoutansicht gewechselt werden.
Dann "Rechtsklick in den Plan > Properties > Reiter: Data Frame >Fixed Scale aktivieren" und den für die Übung geforderten Maßstab 1:2.500 als festen Maßstab einstellen.



Über Insert können Kopfzeile, Nordpfeil, Maßstab und Legende eingefügt werden.
Letztere erstellt ArcGis übrigens automatisch.

Der fertige Plan:

Am Ende könnte/sollte der fertige Plan etwa so aussehen:




Download:

Die gesamte Übung inkl. Aufgabenstellung, Grundlage und allen von mir erstellten Dateien kann hier herunter geladen werden:

http://rapidshare.com/files/171312279/u2_Weidler_Ralf.zip.html

Übung 1: GIS und Koordinatensysteme am Beispiel des Gauß-Krüger-Systems (GK-Systems)

Gis-Grundlagen in der Raumplanung
Übung 1:

1. Was ist ein Ellipsoid?

Ein Ellipsoid ist die höherdimensionale Entsprechung einer Ellipse.
Im dreidimensionalen Raum kann ein Ellipsoid als affines Bild einer Kugeloberfläche erklärt werden.




2. Wie ist die Bezeichnung des beim GK-System verwendet Ellisoids?

Im Gauß-Krüger-System wird das Bessel-Ellipsoid verwendet.


3. Worin besteht der Unterschied zwischen geographischen und projizierten, kartesischen Koordinaten?

Geographische Koordinaten:
Mit den geographischen Koordinaten lässt sich die Lage eines Punktes auf der Erde beschreiben. Die Erde wird dabei in 360 Längengrade und 180 Breitengrade aufgeteilt.
Es findet eine Einteilung nach Grad, Minute und Sekunde statt.
Breitengrade werden vom Äquator aus gezählt, die Pole liegen jeweils bei 90° Nord bzw. Süd.

Kartesisches Koordinatensystem:
Beim kartesisches Koordinatensystem handelt es sich um ein orthoganales (rechtwinkliges) System.
Es existieren somit drei voneinander unabhängige Koordinaten für Länge, Breite und Höhe (x,y,z).

Projektion:
Projektion ist die Abbildung von Punkten aus dreidimensionalen Koordinatensystemen in einer Ebene (2D-Systeme).


4. Welche Projektionsart liegt dem Gauß-Krüger-System zu Grunde?

Es handelt sich um die Zylinderprojektion.
Die Projektionsebene wird zylinderförmig um den Erdkörper gelegt.
Am einfachsten wird das Verfahren vorstellbar, wenn man sich in der Abbildung eine Lampe ins Erdinnere denkt, die dann die Objekte der Erdoberfläche auf die Zylinderwand projiziert.
Entspricht die Rotationsachse des Zylinders der des Erdkörpers spricht man von einer "Normalen" oder "Regulären" Zylinderprojektion.
Kippt man den Zylinder, so dass seine Rotationsachse rechtwinklig zu der der Erde steht, handelt es sich um eine "Transversale Projektion".
Wird der Zylinder frei, also unabhängig von der Äquatorebene oder Rotationsachse positioniert, spricht man von einer Obliquen Zylinderprojektion.
Die wohl bekannteste normale Zylinderprojektion ist die Mercator-Projektion, die oft in Atlanten und Weltkarten, aber auch in Seekarten zur Anwendung kommt.


5. Welche Vorteile bietet ein kartesisches Koordinatensystem?

Kartesische koordinatensysteme sind orthogonal, also rechtwinklig.
Daher lassen sich Daten leicht herauslesen oder hinzufügen.
Im zwei- und dreidimensionalen Raum handelt es sich um das am häufigsten verwendete Koordinatensystem, da sich viele geomethrische Sachverhalte in diesem System am besten beschreiben lassen.
Übersichtlich und somit benutzerfreundlich ist hierbei die Arbeit mit drei voneinader unabhängig dargestellten Dimensionen.


6. Um welche Einheiten handelt es sich bei GK-Koordinaten?

Rechts- und Hochwert haben je 7 Vorkommastellen und 2 bis 3 Nachkommastellen, die Einheit ist Meter.
Der Hochwert ist die Entfernung vom Äquator, in Deutschland also ca. 5800 KM.
Die erste Ziffer des Rechtswertes ist die Kennziffer des Streifens.
Die Mitte des Streifens (der Mittelmeridian) bekommt die Konstante +500000 Meter.


7. Was versteht man in diesem Zusammenhang unter dem Begriff 'Meridian'?

Der Begriff Meridian bezeichnet einen halben Längenkreis auf der Erdoberfläche, der von einem Pol zum anderen verläuft.
Von einem Pol ausgehend wird der Abstand zwischen den Meridianen immer größer, bis er am Äquator sein Maximum erreicht.
Vom sogenanneten "Nullmeridian" aus wird die geographische Länge nach Osten u. Westen bestimmt.
Seit 1884 verläuft der international anerkannte Nullmeridian durch Greenwich.
Im Gauß-Krüger-System wird die Erde in Meridianstreifen mit einer Breite von 3° aufgeteilt.
In der Mitte des Meridianstreifens verläuft ein Mittel- bzw. Zentralmeridian.




8. Warum werden im GK-System sog. Meridianstreifen verwendet?

Die Abbildung einer kugelähnlichen Fläche auf die Ebene bringt zwangsläufig Verzerrungen mit sich.
Längs eines Meridians ist die Abbildung längentreu, mit zunehmendem Abstand vom Meridian wächst der Fehler aber an.
Man verwendet 3° breite Meridianstreifen, da mit wachsender Streifenbreite die Streckenverzerrungen am äußeren Rand der Streifen erheblich zunehmen.
An den Überlappungsstellen der einzelnen Meridianstreifensysteme werden die
Gauss-Krüger-Koordinaten aufeinander abgestimmt.
Das UTM-System verwendet Streifen mit einer Breite von 6°.




9. Wie erkennt man die Kennziffer des verwendeten GK-Streifens an einer Koordinate?

Der Rechtswert eines Punktes ist der senkrechte Abstand vom Mittelmeridian des Abbildungsstreifens.
Er enthält als erste von sieben Ziffern die Kennziffer des Meridianstreifens.
Deutschland liegt demnach in den Zonen 2, 3, 4 und 5.

Der Mittelmeridian bekommt einen Zuschlag von 500000 Meter.
Ein Punkt auf 6° östlicher Länge liegt in der Mitte des 2. GK-Streifens und hat den Rechtswert '2500000' bestehend aus der Kennziffer '2' und dem Zuschlag '500.000'
Ein Punkt mit dem GK-Rechtswert '3510000' liegt 10000 m rechts (östlich) von 9° östlicher Länge im 3. GK-Meridianstreifen.


10. Mit welcher Formel lässt sich einfachsten der Zentralmeridian eines beliebigen GK-Streifens berechnen?

Jeder Meridianstreifen erhält eine Kennziffer.
Diese leitet sich nach der klassischen Festlegung aus den ganzzahligen Vielfachen von 3° für den Mittelmeridian ab (0°, 3°, 6°,...):

Teilt man den Längengrad durch drei, erhält man die Kennziffer des Zentralmeridians.

Kennziffer = {0°, 3°, 6°, ... , 351°, 354°, 357°} / 3.


11. Übersetzen Sie die Begriffe ‚Easting’ und ‚Northing’ im aktuellen Kontext.

Easting:
Der Rechtswert bezeichnet die x-Koordinaten (Ostrichtung positiv) in einem ebenen Koordinatensystem.

Northing:
Der Hochwert gibt die Lage eines Punktes in Nord-Süd-Richtung an und entspricht, gemessen entlang des Mittelmeridians, der Entfernung eines Punktes von Äquator.


12. Was versteht man unter den Begriffen 'False Easting' und False Northing?

Von "False easting" und "False Nothing" spricht man, wenn der Ursprung eines Koordinatensystems verschoben wird um negative Rechts- oder Hochwerte zu vermeiden.


13. Werden 'False Easting' und 'False Northing' beim GK-System eingesetzt? (Warum bzw. warum nicht?)

Standartmäßig wird ein False Easting von 500000 m durchgeführt um negative Vorzeichen zu vermeiden. Auf False Northing kann man auf der Nordhalbkugel verzichten, da der Hochwert die entfernung zum Äquator angibt, die auf der Nordhalbkugel positiv ist.


14. Erläutern Sie kurz die Abkürzungen 'OGC', 'SRS' und 'EPSG Code'.

Open Geospatial Consortium (OGC):
Eine 1994 gegründete gemeinnützige Organisation mit dem Ziel, die Entwicklung von raumbezogener Informationsverarbeitung (insbesondere Geodaten) auf Basis allgemeingültiger Standards zum Zweck der Interoperabilität festzulegen.
Dabei baut sich das OGC aus Mitgliedern von Regierungsorganisationen, privater Industrie und Universitäten auf, deren Mitgliedschaft im OGC aber kostenpflichtig ist.
Das registrierte Markenzeichen ist OpenGIS.
Derzeit gehören dem OGC 352 Mitglieder, darumter namhafte wie Google und die NASA.

Spatial reference system (SRS):
Ein Koordinatenreferenzsystem, das durch Verknüpfung mit einem Datum auf die reale Welt bezogen ist.
Im Falle eines Geodätischen Datums oder Vertikalen Datums handelt es sich bei der realen Welt um die Erde.

European Petroleum Survey Group Geodesy (EPSG):
eine Arbeitsgruppe der europäischen Öl- und Gaserkundungsfirmen, wurde 1986 gegründet. 2005 wurde sie durch das Surveying and Positioning Committee abgelöst.
Die EPSG ist bekannt geworden durch den Aufbau ihres Systems von weltweit eindeutigen 4- bis 5-stelligen Schlüsselnummern für Koordinatenreferenzsysteme (EPSG-Codes), das unter gleichem Namen von der Nachfolgeorganisation OGP weitergeführt wird.
Die Informationen zu den EPSG-Codes liegen in einer Datenbank vor, die auf der Internetseite der ehemaligen EPSG zum Download angeboten wird.


15. Welche 'EPSG Codes' werden in Deutschland (beim Einsatz des GK-Systems) verwendet?

31466 für DHDN Zone 2
31467 für DHDN Zone 3
31468 für DHDN Zone 4
31469 für DHDN Zone 5