1 1 Prof. Dr. G. Gräfe Lehrveranstaltung Erweiterte

Prof. Dr. G. Gräfe
Lehrveranstaltung
Erweiterte Datenbanktechnologien / Medienarchive
(Datenbanksysteme III)
Gliederung
Prof. Dr. G. Gräfe
4.
Geodatenbanken (Teil I)
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
Einführung Geo-Datenbanksysteme
Modellierung von Geodaten
Standardisierung von Geodaten
Geografische Bezugssysteme
Speicherung von Geodaten
Geodaten im MS SQL Server 2008
Anfragebearbeitung in Geodatenbanksystemen
Indexierung von Geodaten
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4.1 Einführung Geo-Datenbanksysteme
IT-gestützte Verarbeitung von Geodaten ist (eigentlich) ein „altes“ Thema –aber
aus Datenbanksicht mit vielen Veränderungen und wachsender Bedeutung in den
letzten Jahren:
60er Jahre:
erstes Geoinformationssystem in Kanada zur Entscheidung über zweckmäßige
Landnutzung
bis Ende der 90er Jahre:
Entwicklung proprietärer Systeme
seit Mitte der 90er Jahre:
offenes GIS (Open GIS)
statt proprietärer Geodatenhaltungskomponenten
Entwicklung von Standards und
Integration in Datenbanksysteme
aktuell:
Boom raumbezogener Web-Anwendungen (Google Earth, Google Maps,
OpenStreetMap, Routenplaner, Tourismus-Marketing etc.)
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Geodatenbanksysteme: Anwendungsgebiete
Anwendungsbeispiele:
• Vermessungswesen
• Katasterwesen
• Amtliche Statistik
• Raum-und Bebauungsplanung
• Netzplanung
• Verkehrsleit-und -Navigationssysteme
• Geologie
• Umweltinformations-und -analysesysteme
• Klimaforschung
• Hochwasserprognose
• ortsbezogenen Dienste
…
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Geodaten und Geo-Informationssysteme
Geodaten (engl. Geospatial Data):
beschreiben einen Teil der Erdoberfläche und die darauf befindlichen technischen
und administrativen Einrichtungen.
Geo-Informationssysteme (engl. Geographic Information System, GIS):
sind Systeme zur Erfassung, Verwaltung, Analyse und Präsentation von Geodaten.
(Ideale) Architektur eines GIS:
Quelle: Brinkhoff (Geodatenbanksysteme)
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Geodatenbanksysteme
 Datenbanksysteme, die die Speicherung von Geodaten und die Bearbeitung
räumlicher Anfragen in hinreichender Weise unterstützen, werden räumliche
Datenbanksysteme oder auch Geodatenbanksysteme (Geo-DBS, engl. Spatial
Database Systems) genannt.
Ein Geo-DBS muss dazu die erforderlichen geometrischen Datentypen ( Folie 7)
bereitstellen und deren Verarbeitung ( Folie 10) unterstützen.
 Seit Mitte der 90er Jahre: Entwicklung von objektrelationalen DBMS mit der
Möglichkeit zur Definition neuer Datentypen
Verwendung objektrelationaler DBMS zur Verwaltung der Geo-Daten in
Geoinformationssystemen
– IBM Informix Spatial Data Blade, IBM DB2 Spatial Extender
− Oracle Spatial
– PostgreSQL/PostGIS und (eingeschränkt) MySQL*
– MS SQL Server 2008
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4.2. Modellierung von Geodaten
Geographische Daten
Geografische Phänomene
Geographisches Feld
Geographisches Objekt
z.B. Temperatur, Höhe ü.NN,
Vegetationsdichte
z.B. Klimastationen, Strassen,
Parzellen in einem Kataster
An jedem Punkt im
Untersuchungsgebiet kann
ein Wert ermittelt werden
Nur an bestimmten
Lokalitäten. Leerer Raum
dazwischen.
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Geo-DBS: Geometrische Datentypen
Beispiele für geometrische Datentypen
•
•
•
•
•
Punkte
Streckenzüge
Polygone
Polygone mit Löchern
Mengen von Polygonen mit Löchern (Multipolygone)
Die Eigenschaften geometrischer Datentypentypen und deren Beziehungen
untereinander werden in einem Datenmodell festgelegt.
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Geometrische Datentypen: Beispiele 1
Routenplanung Post:
Straßen als Linien, Briefkästen als Punkte
Quelle: D. Blasby(http://postgis.refractions.net)
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Geometrische Datentypen: Beispiele 2
Unterschiedliche Nutzung von Landflächen:
Klassifikation wird durch Polygone repräsentiert
Quelle: D. Blasby(http://postgis.refractions.net)
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Geo-DBS: Geometrische Operationen
Geometrische Operationen
Ein Geo-DBS muss Methoden für die geometrischen Datentypen bereitstellen, die
die Ausführung geometrischer Operationen erlauben, z.B.:
• Berechnung des Schnitts zwischen zwei Flächen
• Bestimmung der Länge eines Streckenzuges
Enthält eine Anfragebedingung eine oder mehrere Operationen, die einen
Raumbezug aufweisen, wird die Anfrage auf eine oder eine Folge von
räumlichen Basisanfragen zurückgeführt, die vom Geo-DBS effizient
unterstützt werden müssen.
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Geo-DBS: Räumliche Basisanfragen
Beispiele für räumliche Basisanfragen:
• Punktanfragen
Rechteckanfragen
Regionsanfragen
• Abstandsanfragen
• Nächste-Nachbarn-Anfrage
•Geometrischer (oder räumlicher Verbund, Spatial Join)
Quelle: Brinkhoff (Geodatenbanksysteme)
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Eigenschaften von Geodaten
Zu modellierende Eigenschaften für Geodaten:
• Thematische Eigenschaften (qualitativ und quantitativ)
• Geometrische Eigenschaften
• Topologische Eigenschaften
• Temporale Eigenschaften
Thematische Eigenschaften:
dienen zur Beschreibung der weiteren, nicht-geometrischen Eigenschaften
• Nominale Eigenschaften (z.B. Gemeindename)
• Qualitative Eigenschaften (z.B. Status einer Gemeinde)
• Quantitative Eigenschaften (z.B. Niederschlagsmenge einer Gemeinde)
Bei der Zuordnung von thematischen Eigenschaften wird zwischen
objektbasierten Datenmodellen (Zuordnung zum Geobjekt) und
raumbasierten Datenmodellen (Zuordnung zum Datenraum durch kontinuierliche Funktion)
unterschieden.
Temporale Eigenschaften:
dienen zur Beschreibung des Zeitpunktes oder des Zeitraums, für die die übrigen
Eigenschaften gelten.
Von besonderem Interesse: Betrachtung der Eigenschaften für mehrere aufeinanderfolgende)
Zeitpunkt bzw. -räume. Beispiel: Veränderung der Bevölkerungsdichte in einem bestimmten Gebiet
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Geometrische Eigenschaften
Geometrische Eigenschaften von Geodatendienen zur Beschreibung der
Lage und Ausdehnung im Raum
Wichtige Repräsentationsformen der geometrischen Eigenschaften:
Vektormodell
Geo-Objekte sind über
eine geordnete Liste von
Punkten definiert.
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Rastermodell
Geo-Objekte sind
Als Menge von Pixeln eines
Gitters gegeben.
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Vektordaten vs. Rasterdaten
Objektbasiertes
Datenmodell
Vektormodell
Rastermodell
typische Form der Modellierung von
Geoobjekten in Geodatenbanksystemen
Ort = (‘Dresden ‘, ‘Stadt‘,
Beschreibung der Objekte durch Menge
von Pixeln (eher unüblich …)
Ort = (‘Dresden ‘, ‘Stadt‘,
)
Raumbasiertes
Datenmodell
vektorielle Beschreibung der Ebene (z.B. bei
der Modellierung von Geländeformen)
)
jeder Punkt des Raums wird durch das
Bild abgedeckt (Rasterbilder aus
Luftaufnahmen o.ä.)
Rasterdaten sehr viel speicherplatzintensiver als Vektordaten (Kompression oft umrechnungsintensiv)
• Koodinatentransformationen lassen sich auf Vektordaten einfacher ausführen
• für Rasterdaten existiert (oft) kein Objektbegriff (relevant u.a. für thematische Selektionen,
topologische Beziehungen)
aber auch:
• Verknüpfung von verschiedenen Rasterdaten ist einfacher als bei Vektordaten, falls die Daten
einheitlich ausgerichtet sind
• viele Erfassungsdaten (Satellit, Scanner) liegen als Rasterdaten vor
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Topologische Eigenschaften
Topologische Eigenschaften von Geodaten dienen zur Beschreibung der relativen
räumlichen Beziehungen von Objekten zueinander, wobei von der Geometrie abstrahiert
wird.
Typische topologische Beziehungen:
- Nachbarschaft, Enthaltensein, Überschneidung
Topologische Eigenschaften können
- explizit im Datenmodell gespeichert werden oder
- implizit aus den geometrischen Eigenschaften abgeleitet werden.
Beispiel für topologisch äquivalente Darstellung eines Liniennetzes:
Quelle: de Lange: Geoinformatik
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4.3. Standardisierung von Geodaten
Voraussetzung für Öffnung von Geoinformationssystemen und Interoperabilität:
Standards für Datenaustausch  Standards für Modellierung und Speicherung
von Geodaten
Entwicklung seit Mitte der 90er Jahre
 OGC (Open Geospatial Consortium)
• internationale, non-profit Standardisierungsorganisation mit ca. 350 Mitgliedern aus
Wirtschaft, Verwaltung und Wissenschaft; 1994 als Open GIS Consortiumgegründet, seit
2004 Open Geospatial Consortium
• Fokus auf Schnittstellen von Geoinformationssystemen
• sowohl abstrakte Spezifikationen als auch konkrete Implementierungsspezifikationen
 ISO-TC211 „Geographic Information/Geomatics“
•Technisches Komitee der ISO mit ca. 30 aktiven Mitgliedsstaaten und ca. 30
beobachtenden Mitgliedsstaaten
•Fokus auf digitalen Geoinformationen
•nur abstrakte Spezifikationen
Abstrakte Spezifikation
Implementierungsspezifikation
Implementierung
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Feature-Geometry-Model (ISO-TC211/OGC)
Simple-Feature-Model (OGC)
SQL/MM (ISO/IEC) –Bestandteil von SQL:1999 ff.
Herstellerspezifische Implementierungen (IBM Informix,
IBM DB2, Oracle, PostgreSQL, MySQL)
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Simple-Feature-Modell
Implementierungsspezifikation zur Beschreibung der (Vektor-)Geometrie von
(maximal) zweidimensionalen Objekten.
• beruht auf einer Untermenge des abstrakten Feature GeometryModels
(allerdings gibt es Bezeichnungsunterschiede)
• definiert räumliche Operationen für Zugriff, Anfrage und Verarbeitung von
Geoobjekten.
Simple Features sind Geometrien im
zweidimensionalen Datenraum, deren
Stützpunkte geradlinig miteinander
verbunden sind.
Der Standard definiert:
•
•
•
•
•
•
Geometrieschema
Repräsentationsformen
Basismethoden
Topologische Beziehungen
Geometrische Funktionen
Informationsschema
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Geometrieschema 1
Quelle: Brinkhoff: Geodatenbanksysteme
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Geometrieschema 2
Punkte repräsentiert durch Klasse Point
MethodenX() und Y() für den Zugriff auf die Koordinaten
Linien repräsentiert durch (abstrakte) Oberklasse Curve
Methoden: Length(),StartPoint(),EndPoint(),IsClosed(),IsRing()
Unterklasse LineString erlaubt Speicherung beliebiger Streckenzüge:
- Darstellung als Folge von Punkten
- zusätzliche Methoden: NumPoints(), PointN()
Unterklasse Line entspricht einer Strecke (2 Punkte)
Unterklasse LinearRing enthält einfache, geschlossene Streckenzüge
- Geschlossen:
 Start-und Endpunkt stimmen in ihren Koordinaten überein
- Einfach:
 kein Schnitt außer bei den Streckenpunkten
 zu jedem Streckenpunkt gibt es maximal zwei Strecken
Klasse Polygon stellt einfache Polygone mit Löchern zur Verfügung
- ein äußeres Polygon ≡äußerer Ring (Beziehung exteriorRing)
- optional beliebige viele innere Polygone ≡innere Ringe (Beziehung interiorRing)
Geometriesammlungen werden durch Objekte der Klasse GeometryCollection oder deren
Unterklassen repräsentiert.
- alle Objekte einer Geometriesammlg. müssen das gleiche Koordinatensystem besitzen.
- Unterklassen für die Aufnahme von Objekten einer gleichen Klasse.
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Repräsentationsformen
Zwei Repräsentationsformen für Simple Feature
 Well-known Text (WKT) als Textrepräsentation
Beispiele:
• POINT (100.5 130.7)
• LINESTRING (100 100, 200 200, 300 250)
• POLYGON ( (100 100, 100 200, 200 200, 200 150, 100 100) )
• POLYGON ( (100 100, 100 200, 200 200, 200 150, 100 100) , (150 150, 150
180, 180 180, 150 150) )
 Well-known Binary (WKB) als binäre Speicherrepräsentation
Beispiel:
Punkt mit Koordinaten (1 1)
01|01000000|000000000000F03F|000000000000F03F mit
− 01 ≡ Byte Reihenfolge
− 01000000 ≡Geometrie Typ
 Bereitstellung über entsprechende Methoden
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Basismethoden
Grundlegende Methoden, die in der Klasse Geometry definiert sind (Auswahl!):
Dimension():integer
- Rückgabewerte: 0 (Point), 1 (Curve), 2 (Surface)
GeometryType():string
SRID():integer
- liefert die Schlüsselnummer des räumlichen Bezugssystems
AsText():string
AsBinary():boolean
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Topologische Beziehungen 1
Verwendung des 9-Schnittmodells (9-Intersection-Modell, 9IM)
• für jedes Geo-Objekt O gibt es drei paarweise disjunkte Mengen:
- das Innere OI
- der Rand OR
- das Äußere OA
• Definition des Randes OR für die Geometrien:
- Polygon: äußerer Ring + innere Ringe
- Linien: Endpunkte
-Punkt: leer
• Für zwei Objekte A und B ergeben sich bzgl.
des Schnitts neun Beziehungen:
• für jede Schnittmenge AX∩ BY ist das Ergebnis true oder false
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Topologische Beziehungen 2
Von den theoretisch möglichen 29= 512 verschiedene Matrizen (≡ topologische
Beziehungen) sind nur acht sinnvoll:
- A.Inside(B) ⇔ B.Contains(A)
- A.Covers(B) ⇔ B.CoveredBy(A)
- alle anderen Beziehungen sind symmetrisch
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Quelle: Brinkhoff: Geodatenbanksysteme
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Geometrische Funktionen 1
Räumliche Analyse eines Objektes
IsSimple():boolean
- testet, ob es sich um eine einfacheGeometrie handelt
Boundary():Geometry
-liefert den Rand des Geo-Objektes
Envelope():Geometry
- liefert das minimal umgebende Rechteck (MUR) des Geo-Objekts
- Rückgabewert ist ein Objekt der Klasse Polygon:(minx, miny), (maxx, miny),
(maxx, maxy), (minx, maxy), (minx, miny)
ConvexHull():Geometry
- liefert konvexe Hülle („Gummiband-Objekt“)
Buffer(distance:double):Geometry
- Pufferzone der angegebenen distanceum das Geo-Objekt
- wichtige GIS-Funktion (z.B. Bestimmung aller Spielplätze,
die nicht weiter als 25m von einer Straße entfernt liegen,
Bestimmung von Uferzonen entlang von Flüssen etc.)
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Geometrische Funktionen 2
Abstand zwischen zwei Objekten
Distance(anotherGeometry: Geometry) : double
- minimaler Abstand gemäß des räumlichen Bezugsystems des Objektes, auf
das die Methode angewandt wird
Verschneidungsoperationen (Mengenop.) zwischen zwei Objekten
Intersection(anotherGeometry: Geometry) : Geometry
Union (anotherGeometry: Geometry) : Geometry
Difference(anotherGeometry: Geometry) : Geometry
- entfernt die Teile von der aktuellen Geometrie, die von der zweiten
Geometrie überdeckt werden
SymDifference(anotherGeometry: Geometry) : Geometry
- wie Differenz, aber wechselseitig
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Informationsschema
Aufnahme von Metadaten über die in einer Datenbank gespeicherten Geodaten
Zwei Tabellen:
- GEOMETRY_COLUMNS zur Aufnahme von Informationen über alle
(konkreten) Tabellenspalten der Datenbank, die Geometrien enthalten
- SPATIAL_REF_SYS für Daten über räumlichen Bezugssysteme
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SQL/MM Spatial
SQL-Standard enthält seit SQL:1999 Erweiterungen für Anwendungsgebiete, die nicht
mit „normalem“ SQL abgedeckt werden können, u.a.
 SQL/MM (Multimedia) mit SQL/MM Full-Text
 SQL/MM Still Image (Speicherung von Rasterbildern)
 SQL/MM Data Mining
 SQL/MM Spatial für Geodaten
SQL/MM Spatial
1999 Version 1: Simple Feature Modell mit Erweiterungen
− Kreisbögen und zusammengesetzte Linienzüge
− Methoden zum Validieren von Geometrien
− Koordinatentransformationen
− Approximation von Kreisbögen durch Streckenzüge
− Bereitstellung von GML (Geography Markup Language)
2006 Version 3:
− Punkte mit zusätzlichem z-Koordinatenwert und Messwert
− Netzwerk-und Topologie-Datenmodell
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SQL/MM Spatial: Geometrieschema
 ST_CircularStringre präsentiert Linienzüge, die aus Kreisbögenbestehen.
 ST_CompoundCurve repräsentiert zusammengesetzte Linienzüge, die aus
(geradlinigen und kreisbogenförmigen) Linienzügen bestehen.
 ST_CurvePolygon besitzt als innere und äußere Polygonzüge Objekte der Klasse
ST_Curve. Damit können diese Polygonzüge nicht nur geradlinige Verbindungen,
sondern auch Kreisbögen aufweisen.
• Der SQL/MM-Standard benutzt konsistent den Präfix ST* für alle Tabellen, Sichten,
Typen, Methoden und Funktionsnamen (also auch die vom Simple-Feature-Modell
definierten) z.B. ST_Point, ST_Intersection etc.
Quelle: Brinkhoff: Geodatenbanksysteme
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4.4. Geografische Bezugssysteme
Räumliche Bezugssysteme
Räumliche Bezugssysteme (engl. Spatial Reference Systems) erlauben die
Interpretation der gespeicherten Koordinaten als Beschreibung von Lage-und
Ausdehnungsinformationen in einem (realen) Datenraum.
Kategorien
Georeferenzierende Koordinatensysteme
− besitzen einen Bezug zur Position auf der Erdoberfläche
Lokale Koordinaten
− beschreiben Position unabhängig von der Erdoberfläche
− Anwendung bspw. für CAD-Daten oder für (i.a. kleinräumige) Gebiete, in
denen nur die relative Lage der Objekte relevant ist
− i.a. repräsentiert durch kartesisches Koordinatensystem (rechtwinklige
Koordinatenachsen, metrischer Raum, Euklidischer Abstand)
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Geo-Referenzierung
 Lokalisierung räumlicher Daten in einem Koordinatensystem
 Geographische Koordinatensysteme
 Projektion in ein zwei-dimensionales, kartesisches Koordinatensystem
Arten der Georeferenzierung:
Folgende Arten der Georeferenzierung sind zu unterscheiden:
−
−
−
−
die Zuweisung einer Postanschrift (Adresskodierung)
die Zuweisung einer Koordinate (Geokodierung, Geocoding, Geotagging, Geo-Imaging)
die Zuweisung einer Transformation (implizite Geokodierung, Kartenkalibrierung)
die Anwendung einer Transformation (explizite Geokodierung, Entzerrung)
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Georeferenzierte Koordinatensysteme
Geographische Koordinatensysteme  planar
legen über Angaben im Winkelmaß Punkte der
Erdoberfläche bezogen auf einen
Äquator und einen Nullmeridian fest.
Quelle: Brinkhoff: Geodatenbanksysteme
Geographische Koordinaten
− Gratnetz  Längengrad, Breitengrad
− Einheit Grad
− Datum: Abbildung von Positionen auf
der unregelmäßig geformten
Erdoberfläche auf ein Rotationsellipsoid
− meist: WGS84
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Georeferenzierte Koordinatensysteme
Projizierte Koordinatensysteme  geodätisch
− Motivation: Karten stellen gekrümmte Erdoberfläche auf einer ebenen Oberfläche dar
− mathematische Abbildung von Positionen der Erdoberfläche auf eine ebene
Oberfläche, Verwendung eines rechtwinkligen, projizierten Koordinatensystems
− Vorteil: einfacheres und effizienteres Rechnen als mit geographischen Koordinaten
− Nachteil: Flächentreue, Winkeltreue oder Längentreue gehen verloren
 Verzerrungen
− Wichtiger Vertreter: Gauß-Krüger-Koordinaten
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Varianten von Projektionen
konisch
azimutal
zylindrisch
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Lineare Bezugssysteme
Lineare Bezugssysteme (engl. Linear Reference Systems)
erlauben die Identifizierung von Punkten auf einer Linie durch Abstandsangaben zu
einem ausgezeichneten Anfangspunkt.
Beispiel:
Anwendung für Netzwerke (z.B. Straßennetze, Ver-und Entsorgungsnetze)
Wichtige Operationen
− Berechnung der Entfernung zum Anfangspunkt für einen beliebigen Punkt auf
dem Linienzug
− Berechnung der Koordinaten eines Punktes auf dem Linienzug aus seiner
Entfernungsangabe
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