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Institut für Kartographie und Geoinformation
Prof. Dr. Lutz Plümer
Geoinformation III
Vorlesung 10
Normen und Standards in GIS
Überblick
• Welche Standards/Normen gibt es im GIS-Bereich?
• Beispiel Spatial Schema (ISO)
• Beispiel Simple Features (OGC)
– UML-Diagramm
– Topologische Relationen
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Die wichtigsten Normen/Standards
• ISO (International Organization for Standardization)
– siehe übernächste Folie
• CEN/DIN (Europäisches/Dt. Komitee für Normung)
– Normen sind oder werden abgelöst durch ISO-Normen
• OGC (Open GIS Consortium) (www.opengis.org)
– Simple Features
• für SQL (Relationale Datenbanken), CORBA, OLE/COM
• für GML/XML (GISIII / Kolbe)
– Web Map Server (Karten im WWW)
– Kataloge (Wo finde ich welche Daten?)
– Koordinatentransformation
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Weitere GIS-Standards
• herstellerspezifische Standards, z.B.
– Shapefiles (ESRI)
– SQD (SICAD), ...
• anwendungsspezifische Standards, z.B.
–
–
–
–
–
–
ATKIS (topographische Daten)
ALK (Kataster - geometrisch)
ALB (Kataster - nichtgeometrisch)
EDBS (Datenaustausch für ATKIS/ALK)
DIGEST (Datenaustausch im militärischen Bereich)
...
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ISO: die wichtigsten GIS-Standards
• Spatial schema (Geometrie und Topologie)
• Rules for application schema (Anwendungsobjekte
und Verknüpfung mit Geometrie und Topologie)
• Temporal schema (Zeit)
• Feature cataloguing methodology
• Spatial referencing by coordinates
• Spatial referencing by geographic identifiers
• Quality principles
• Metadata
• Portrayal (Visualisierung)
• Encoding (Datentransfer)
• …… (insgesamt 25 Standards)
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Wozu Standards?
• Ermöglichung/Erleichterung des reibungslosen
Datenaustauschs zwischen verschiedenen
GIS-(Teil-)Systemen
• Interoperabilität
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GIS-Standards der ISO
• in der Phase der Verabschiedung als ISO-Norm:
DIS (Draft International Standard)
• lösen die zur Zeit gültigen europäischen/deutschen
Normen (CEN/DIN) ab
• Verwendung z.B. bei Vorhaben ALKIS
– Neumodellierung des Katasters (ALK und ALB),
Vereinheitlichung mit ATKIS (Topographische Daten)
• Modellierung in UML (Klassendiagramme)
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Was leistet ISO/DIS 19107 Spatial Schema?
• Modellierung des Raumbezugs von GIS-Objekten
• Geometrie
–
–
–
–
–
0 - 3-dimensional
1-D: Splines, Klothoiden, ......
2,5-D: TINs (Dreiecksvermaschungen)
3-D: Volumina, Spline-Oberflächen
Aggregationen
• Topologie
– 0 - 3-dimensional
– eigene Klassen für Topologie, die Assoziationen mit
entsprechenden Geometrie-Klassen haben
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Spatial Schema: 1-dimensionale Primitive
GM_Object
Referenzsystem
GM_GenericCurve
GM_Primitive
GM_CurveSegment
GM_OrientablePrimitive
GM_OrientableCurve
..... ......
GM_Curve
GM_Clothoid
GM_LineString
GM_SplineCurve
GM_PolinomialSpline
GM_BSplineCurve
GM_LineSegment
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OGC: Simple Features
• Standard des Open GIS Consortium (OGC)
– OGC: privater, nichtkommerzieller Verein
– Mitglieder: GIS-Hersteller, Behörden, Universitäten
• Modellierung der Geometrie raumbezogener Objekte
• "Simple":
–
–
–
–
nur 0 - 2-dimensional (weder 2,5-D noch 3-D)
nur gerade Linien
keine Topologie
keine Aggregation
• " ... reicht in 80% aller Fälle aus ... (?)"
• Implementierung standardisiert für
– SQL (Relationale Datenbanken), CORBA, OLE/COM
– GML/XML (GIS III / Kolbe)
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Simple Features: UML-Diagramm
Abstrakte Klasse
(grün bzw. kursiv)
Point
1+
Geometry
Curve
Surface
LineString
Polygon
SpatialReferenceSystem
GeometryCollection
2+
1+
MultiSurface
MultiCurve
MultiPoint
1+
Line
LinearRing
MultiPolygon
MultiLineString
1+
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UML-Diagramm: 1-D-Objekte
Geometry
Point
1+
Curve
Surface
LineString
Polygon
SpatialReferenceSystem
GeometryCollection
2+
1+
MultiSurface
MultiCurve
MultiPoint
1+
Line
LinearRing
MultiPolygon
MultiLineString
1+
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1-D-Objekte: LineString, Line, Linear Ring
• LineString: Folge von Punkten, mit
geraden Liniensegmenten verbunden
• einfacher LineString: keinen Punkt
wird mehrfach durchlaufen
• geschlossener LineString:
Anfangspunkt = Endpunkt
• Line: LineString mit genau 2 Punkten
• LinearRing: einfacher,
geschlossener LineString
nicht einfach
einfach
geschlossen
nicht einfach
Line
LinearRing
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UML-Diagramm 1-D-Objekte
Geometry
Point
1+
Curve
Surface
LineString
Polygon
SpatialReferenceSystem
GeometryCollection
2+
1+
MultiSurface
MultiCurve
MultiPoint
1+
Line
LinearRing
MultiPolygon
MultiLineString
1+
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1-D-Objekte: MultiLineString
• MultiLineString: Menge (Aggregation)
von LineStrings
LineString1
LineString2
LineString1
LineString1
LineString2
LineString2
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Simple Features und Topologie
LineString3
LineString2
Punkt p
LineString1
• drei LineStrings mit einem gemeinsamen Punkt p
• Punkt p existiert dreimal (einmal für LineString1,
einmal für LineString2 und einmal für LineString3)
• drei Punkte mit identischen Koordinaten
• es gibt keine Knoten im Sinn von
Landkarten/Graphen
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UML-Diagramm: 2-D-Objekte
Geometry
Point
1+
Curve
Surface
LineString
Polygon
SpatialReferenceSystem
GeometryCollection
2+
1+
MultiSurface
MultiCurve
MultiPoint
1+
Line
LinearRing
MultiPolygon
MultiLineString
1+
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Polygon: Definition
• begrenzt durch genau einen äußeren Ring und
beliebig viele innere Ringe (= einfache Zyklen)
• Inneres topologisch zusammenhängend
Polygon
nicht topologisch
kein Polygon
zusammenhängend
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Polygon: Definition
• begrenzt durch genau einen äußeren Ring und
beliebig viele innere Ringe (= einfache Zyklen)
• Inneres topologisch zusammenhängend
Polygon
Polygon
Polygon
kein Polygon
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Polygon: Definition
• begrenzt durch genau einen äußeren Ring und
beliebig viele innere Ringe (= einfache Zyklen)
• Inneres topologisch zusammenhängend
Polygon
nichtPolygon
topologisch
kein
kein Polygon
zusammenhängend
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UML-Diagramm: 2-D-Objekte
Geometry
Point
1+
Curve
Surface
LineString
Polygon
SpatialReferenceSystem
GeometryCollection
2+
1+
MultiSurface
MultiCurve
MultiPoint
1+
Line
LinearRing
MultiPolygon
MultiLineString
1+
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MultiPolygon: Definition
• Aggregation von Polygonen
• Die Inneren der Polygone sind disjunkt
• Berührung der Ränder zweier Polygone nur in
Punkten
Polygon 1
Polygon 1
Polygon 1
Polygon 2
ein MultiPolygon
Polygon 2
ein MultiPolygon
Polygon 2
kein MultiPolygon
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Polygon und MultiPolygon
• Zweck der Unterscheidung: Eindeutigkeit der
Modellierung
• Eindeutigkeit: für jedes Realweltobjekt
("Punktmenge") darf es nur eine Möglichkeit der
Modellierung geben
Park
ein
Polygon
mit Loch
Erfasser 1
zwei verschiedene
Möglichkeiten
zwei
Polygone
Erfasser 2
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Simple Features: Methoden (Auszug)
Geometry
+ReferenceSystem()
+Dimension()
+Boundary()
Point
+X()
+Y()
2+
Curve
+Length()
+StartPoint()
+EndPoint()
+IsClosed()
+IsRing()
Surface
+Area()
+Centroid()
+PointOnSurface()
Polygon
LineString
+NumberofPoints()
+PointN()
+ExteriorRing()
+NumInteroirRing()
+InteriorRingN()
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Methoden für topologische Relationen
• boolesche Methoden
• Zweck: raumbezogene Anfragen (Fließt der Rhein
durch Hessen? Grenzt Siegburg an Bonn?)
• Ähnlich zu 4-Schnitt-Modell von Egenhofer
(Vorlesung GIS I)
• Erweiterung des 4-Schnitt-Modells (Flächen) auf
punkt- und linienhafte Objekte
• Dimensionserweitertes 9-Schnitt-Modell
(DE-9IM)
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Punktmengentopologie (Wh. aus GIS I)
• Beziehungen zwischen
Punktmengen
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Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y

not 
not 


not 
not 
not 


not 
not 
not 
not 
not 
not 



not 


not 
not 




not 
not 

not 
Operation
X disjunkt Y
X trifft Y
X gleicht Y
X innerhalb Y
Y innerhalb X
X überdeckt Y
Y überdeckt X
X überlappt Y
X
Y
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Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y

not 
not 


not 
not 
not 


not 
not 
not 
not 
not 
not 



not 


not 
not 




not 
not 

not 
Operation
X disjunkt Y
X trifft Y
X gleicht Y
X innerhalb Y
Y innerhalb X
X überdeckt Y
Y überdeckt X
X überlappt Y
X
Y
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Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y

not 
not 


not 
not 
not 


not 
not 
not 
not 
not 
not 



not 


not 
not 




not 
not 

not 
Operation
X disjunkt Y
X trifft Y
X gleicht Y
X innerhalb Y
Y innerhalb X
X überdeckt Y
Y überdeckt X
X überlappt Y
X
Y
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Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y

not 
not 


not 
not 
not 


not 
not 
not 
not 
not 
not 



not 


not 
not 




not 
not 

not 
Operation
X disjunkt Y
X trifft Y
X gleicht Y
X innerhalb Y
Y innerhalb X
X überdeckt Y
Y überdeckt X
X überlappt Y
X
Y
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Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y

not 
not 


not 
not 
not 


not 
not 
not 
not 
not 
not 



not 


not 
not 




not 
not 

not 
Operation
X disjunkt Y
X trifft Y
X gleicht Y
X innerhalb Y
Y innerhalb X
X überdeckt Y
Y überdeckt X
X überlappt Y
X
Y
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Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y

not 
not 


not 
not 
not 


not 
not 
not 
not 
not 
not 



not 


not 
not 




not 
not 

not 
Operation
X disjunkt Y
X trifft Y
X gleicht Y
X innerhalb Y
Y innerhalb X
X überdeckt Y
Y überdeckt X
X überlappt Y
X
Y
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Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y

not 
not 


not 
not 
not 


not 
not 
not 
not 
not 
not 



not 


not 
not 




not 
not 

not 
Operation
X disjunkt Y
X trifft Y
X gleicht Y
X innerhalb Y
Y innerhalb X
X überdeckt Y
Y überdeckt X
X überlappt Y
X
Y
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Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y

not 
not 


not 
not 
not 


not 
not 
not 
not 
not 
not 



not 


not 
not 




not 
not 

not 
Operation
X disjunkt Y
X trifft Y
X gleicht Y
X innerhalb Y
Y innerhalb X
X überdeckt Y
Y überdeckt X
X überlappt Y
X
Y
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Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y

not 
not 


not 
not 
not 


not 
not 
not 
not 
not 
not 



not 


not 
not 




not 
not 

not 
Operation
X disjunkt Y
X trifft Y
X gleicht Y
X innerhalb Y
Y innerhalb X
X überdeckt Y
Y überdeckt X
X überlappt Y
X
Y
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Vom 4 Schnitt- zum 9-Schnitt-Modell:
Rand, Inneres und Äußeres
Inneres (°) rot
Rand () grün
Äußeres ( ¯ ) blau
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Vom 4 Schnitt- zum 9-Schnitt-Modell
4-Schnitt-Modell
Inneres Y
Rand Y
Inneres X
X°  Y°
X°  Y
Rand X
X  Y°
X  Y
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Vom 4 Schnitt- zum 9-Schnitt-Modell
9-Schnitt-Modell (blau und grün)
Inneres Y
Rand Y
Äußeres Y
Inneres X
X°  Y°
X°  Y
X°  Y ¯
Rand X
X  Y°
X  Y
X  Y ¯
Äußeres X
X ¯  Y°
X ¯  Y
X¯Y¯
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Was bringt das 9-Schnitt-Modell?
F
L
4-Schnitt-Modell
Schnitte der Inneren leer
Schnitte Rand mit Innerem leer
Schnitte der Ränder nicht leer
F
L
4-Schnitt-Modell
Schnitte der Inneren leer
Schnitte Rand/Innere leer
Schnitte der Ränder nicht leer
im 4-Schnitt-Modell nicht unterscheidbar!
9-Schnitt-Modell
Schnitt des Äußeren von F
mit Rand von L nicht leer
9-Schnitt-Modell
Schnitt des Äußeren von F
mit Rand von L leer
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Erweiterung um Dimension
9- und 4-Schnitt-Modell: Schnitt leer/nicht leer
Erweiterung: Dimension des Schnitts
Inneres Y
Rand Y
Äußeres Y
Inneres X
dim(X°  Y°)
dim(X°  Y)
dim(X°  Y ¯)
Rand X
dim(X  Y°)
dim(X  Y)
dim(X  Y ¯)
Äußeres X
dim(X ¯  Y°)
dim(X ¯  Y)
dim(X ¯  Y ¯)
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Erweiterung um Dimension
9- und 4-Schnitt-Modell: Schnitt leer/nicht leer
Erweiterung: Dimension des Schnitts
Inneres Y
Rand Y
Äußeres Y
Inneres X
dim(X°  Y°)
dim(X°  Y)
dim(X°  Y ¯)
Rand X
dim(X  Y°)
dim(X  Y)
dim(X  Y ¯)
Äußeres X
dim(X ¯  Y°)
dim(X ¯  Y)
dim(X ¯  Y ¯)
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Definition von dim( )
-1, falls A  B = 
dim(A  B) =
0, falls A  B nulldimensional ist
1, falls A  B eindimensional ist
2, falls A  B zweidimensional ist
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Was bringt die Dimension?
F1
F2
F1
F2
4-Schnitt-Modell
Schnitte der Inneren leer
Schnitte Rand mit Innerem leer
Schnitte der Ränder nicht leer
4-Schnitt-Modell
Schnitte der Inneren leer
Schnitte Rand/Innere leer
Schnitte der Ränder nicht leer
im 4-Schnitt-Modell nicht unterscheidbar!
Dimension
Dimension des Schnitts der
Ränder von F1 und F2: 1
Dimension
Dimension des Schnitts der
Ränder von F1 und F2: 0
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Verwendung des DE-9IM bei Simple Features
• Methode relate, 9-Schnitt-Matrix * ist Joker
(Wert ist egal)
als Parameter
– z.B. objekt1.relate(objekt2, -1 * * * 1 * * * *)
ergibt true, falls objekt1 mit objekt2 in Relation
touches steht
• benannte räumliche Beziehungen:
– Methoden touches, crosses, within, contains,
overlaps, disjoint, intersects, equals
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DE-9IM: benannte räumliche Beziehungen I/II
grün.Touches(rot)
grün.Crosses(rot)
grün.Within(rot)
rot.Contains(grün)
grün.Overlaps(rot)
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DE-9IM: benannte räumliche Beziehungen II/II
grün.Disjoint(rot)
grün.Intersects(rot)

not grün.Disjoint(rot)
grün.Equals(rot)
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46
Vielen Dank für die
Aufmerksamkeit.
Fragen?
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