Lektion 1 – Information und Informationssysteme

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GIS 1
ZF
Stefanie Stahel, WS0708
Lektion 1 – Information und Informationssysteme
- Information = sach- und zweckbezogenes Wissen, ermöglicht uns zielgerichtetes Handeln
und Kommunizieren Æ entstehen aus Daten
- Daten = gespeicherte Beschreibungen von Objekten aller Art (phys. Objekte, Ideen, Tatsachen etc.)
- Übermittlung von Informationen: Zeichenebene (Syntax) und Bedeutungsebene (Semantik)
- Informationssystem = Frage-Antwort-System basierend auf Datenbestand
- Meta-Informationssystem = Beschrieb der Informationen (Ordnung, Aufbau)
- Komponenten eines I-Systems: Hardware, Software, Daten, Benutzer
- Geodaten = Daten über Objekte, die an den Raum gebunden sind (Koordinaten), Bspe.: Pläne, Karten, Luftbilder, Karteien, Listen etc.
- Geoinformation = aus Geodaten gewonnene Information
- Bedeutung von Geodaten: sehr wichtig!!! (Entscheidungsgrundlage für Politik, Wirt. etc.)
- Qualität von Geodaten: Flächenabdeckung, Aktualität, Genauigkeit, Kompatibilität
- GIS = Software-Systeme zur Erfassung, Verwaltung, Auswertung, Präsentation von Geodaten
- GIS-Komponenten: Datenbanken (Speicherung Geodaten), Grafik (Darstellung Objekte 2D,
3D), Funktionalität (Bearbeitung Objektdaten)
- Reale Welt > Abstraktion = Datenmodell / Prozessmodell > Interpretation / Präsentation = Darstellungsmodell (Symbolik) > prüfen der Übereinstimmung mit der realen Welt Æ Kreislauf!
- Reale Objekte = Strasse, Gebäude / abstrakte Objekte = Plgszonen, Parzellen etc.
- Grafische Daten = reale / abstrakte Objekte beschriebe durch Lage & Form im durch ein Koordinaten-System definierten Raum
Æ 2D, 2½D (2D mit Höhenangaben), 3D
- Verschiedene GIS-Produkte: ESRI, Autodesk, Intergraph, MapInfo, Interlis…
- Vektordaten = auf geometrischen Elementen basierende Daten (x-y-z-Koordinaten…)
- Rasterdaten = auf Pixeln / Rasterpkten basierende Daten (farbig oder s/w)
- Personal Geodatabase (GDB) = ESRI-Datenbankformat
o Zusammenfassung aller Geometrie- & Sachdaten in einer relationalen Datenbank (MDB-Format)
o MDB = Datenformat von Microsoft Access Database (relationale Datenbank)
- Shape(file) = Format für Geodaten, besteht aus 3 Teilen:
o
o
o
o
.shp = Speicherung der Geometriedaten
.shx = Index zur Verknüpfung der Geometrie- und Sachdaten
.dbf = Sachdaten im dBase-Format (Format aus Anfangszeiten des PC…)
Pro Shapefile nur 1 Typ Element (Pkt, Linien, Flächen etc.)
- DWG = AutoCAD-Zeichnungsformat
- DXF = Drawing Exchange Format > für CAD-Datenaustausch (CAD-Model mit ASCII als Text
beschrieben)
- TIFF = Tagged Image File Format > Format zum Speichern von Bilddateien (GeoTIFF = zusätzliche Speicherung der Georeferenz)
- JPEG = Bild das nach dem JPEG-Verfahren verlustlos komprimiert wurde
- GRID = ESRI-spezifisches Rasterdatenformat inkl. Attribute
- TXT = ASCII-Textdateien (Attribute durch Trennzeichen / Datensätze durch Absatz getrennt)
Hintergrund: früher hat jeder GIS-Hersteller eigene Formate erfunden > braucht nun aber hohe Kompatibiltät Æ Trend zu Standard-Formaten…
- Sachdaten = beschreibende Daten, Attribute
o Organisation in relationalen DB: Tabellen mit Attributen (tables & fields), Datensätze mit Werten
(records & values)
o alle Sachdaten zu 1Objektklasse / feature in 1Tabelle
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- Grafikdaten = Beschrieb der grafischen Ausprägung (Schrift, Linienart, Flächenfüllung etc.)
o Organisation in Grafik-Files (Ebenen): gleich gestaltete Objekte werden in 1 Ebene / ObjektKlasse / feature dargestellt
o ESRI: 1 Objektklasse pro Shapefile
- Verbindung Grafik- und Sachdaten: Schlüssel / Key / ID
- Relationale DB:
o
o
o
o
o
Sammlung von Tabellen (1Tabelle = 1Relation) mit abgespeicherten Datensätzen
1Datensatz = 1Zeile der Relation
1Attribut = 1Spalte der Relation
Key / Schlüssel = Attributmenge, die den Datensatz eindeutig identifiziert
Verknüpfungen von verschiedenen Tabellen über Keys
- Objektorientierte DB:
o Modellierung komplexer Daten, 1Objekt = 1Objektklasse, schwerfällig, eher veraltet
Module / Teile vom ESRI-GIS
- Desktop Administrator: Einstellung Lizenzserver
- ArcCatalog: Verwaltung von Datenbeständen, sichten von Daten
- ArcMap:
o ArcView: Basismodul zur Datenverarbeitung
o ArcEditor: Zusätzliche Funktionen zum Editieren
o ArcInfo: zusätzliche Funktionen zum Analysieren, Bearbeiten, Kartografieren
- ArcScene (3D-Visualisierung), ArcGlobe (3D-Vis auf Globus), ArcReader (Sichten & Drucken
von Karten via Internet…)
Lektion 2 – Erster Blick auf Geodaten
Æ ArcCatalog
- ArcCatalog = ähnlich zu Windows-Explorer (CatalogTree = Überblick über Verzeichnisstruktur), kann versch. Geodaten-Formate anzeigen
- Connect to folder = Laufwerk od. Unterverzeichnis verbinden
- 3 Reiter:
o
o
o
o
Contents: Verzeichnisstruktur, einzelne Symbole für die einzelnen Datensätze
Preview: Überblick über ausgewählten Datensatz (Karte oder Tabelle)
Metadata: Metadaten des ausgewählten Datensatz (Stylesheet > Format auswählen)
Button Identify (i): sämtliche Attribute des ausgewählten Datensatz anzeigen
GIS in der Praxis
GIS-Einsatz: >> Alltag (Bsp. Twixtel, Routenplaner, Navigationssysteme u.s.w.)
- Vorteile GIS: Effizienz, Schnelligkeit, Wirtschaftlichkeit, Qualität, intelligente Objekte (Verknüpfungen mit Hintergrundinfos)
- Trends: Internet als Plattform, Miniaturisierung (Handy), Mobilisierung (GPS), Visualisierung
(3D, interaktiv Æ GoogleEarth (= Open GIS))
- Probleme: Kompatibilität, verschiedene Nutzer / Erfasser pro Projekt, Genauigkeit z.T. ungenügend, fehlende / nicht aktualisierte Daten, rechtliche Probleme…
- Voraussetzungen für erfolgreichen GIS-Einsatz:
o
o
o
o
o
o
Aktuelle Daten, Vollständigkeit, Richtigkeit
Einfacher Zugriff auf Daten, gute Datenverwaltung
Standardisierte Datenmodelle, Formate, Konzepte, Werkzeuge (Software)
Berücksichtigung der Rahmenbedingungen (Datenschutz, Gebühren, Normen etc.)
Zusammenarbeit der verschiedenen Beteiligten (Organisation Betrieb & Nutzung)
Ausbildung
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Einsatzmöglichkeiten (u.a.):
- Planung auf allen Ebenen und in allen Bereichen
- Immobilienbewertung, Standortanalysen (Banken, Immobilienmakler)
- Risikobeurteilung, Schadenprävention (Versicherungen, Banken)
- Standortmarketing (Medien, Werbung, Tourismus…)
- Navigation, Information (Adresse-Suche etc.) via Internet / Handy
- Geomarketing (Industrie / Gewerbe, Marktforschung, Logistikunternehmen, etc.)
GIS-Organisationen / -Stellen
- KOGIS = Koordinationsstelle GIS beim Bund
- Kt. GIS-Fachstellen, Fachstellen grosser Gemeinden (bei kl. Gmden. Ortsplaner, Geometer)
- SOGI = schweizerische Organisation für Geoinformation (Dachverband)
- INTERLIS = Datenbeschreibungssprache & Transferformat Æ einheitliche „Sprache“ für eine
bessere Kompatibilität
Lektion 3 – Methodengerüst für GIS-Analysen
Datenbanken
- Datenbank (Database) = softwarebasierte Ablagestruktur für Daten
o MSAccess > Datenbank aus 1 File
o Oracle > Datenbank aus komplexer Datenstruktur
- Datenbankinhalte (bei relationalen DBs, Bsp. MSAccess):
o Tabellen (tables) > Zeilen als Datensätze (records) > Spalten als Datenfelder (fields)
o Informationen in Datenfeldern = Werte (values)
Æ Text (string), Zahlen (Integer (ganze Zahlen), Single, Double (Brüche)), Boolean
- Wichtig: Struktur einer DB muss gut durchdacht sein (ev. UML-Editor als Hilfe)
Datenbankenwurf:
- 1) System- und Datenanalyse Æ welche Daten in welcher Form?
- 2) Definition der Relationen (Beziehungen) = Normalisierung
o Ziel: Wiederholungen ausmerzen, so wenige Schlüssel wie möglich Æ 3Stufen der Normalform:
o 1.Normalform: Daten so auseinander flechten, dass pro Feld nur 1 Wert
o 2.Normalform: Gruppierung der Attribute in verschiedene Relationen (Tabellen) > immer nur 1
Schlüssel zwischen 2 Tabellen als Verbindung
o 3.Normalform: ???
- 3) System- / DB-spezifische Umsetzung (z.B. Formulierung in SQL)
o Objektklassen (Zielbereiche) + dazu nötige Codelisten/Wertebereiche (domains: verschiedene
Typen: integer, single, double, string etc.)
o Neue Geodatabase erstellen >> ArcCatalog
Ablauf GIS-Analyse:
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Fragestellung: eindeutig? Vollständig?
Aufgabe analysieren, Planung (Bedürfnisabklärung, Ziele, Rahmenbedingungen, Hypothesen…)
Informationen und Daten beschaffen
Daten sichten (ArcCatalog oder ArcMap Æ Attribute table), Georeferenzierung, Detail-Analyse der
Daten (Struktur & Inhalt)
Überprüfen der Planung / Arbeitsansatz / Hypothesen
Modellierung der Datenbank und des Systemaufbaus
Daten erfassen / modifizieren / kombinieren
Daten analysieren & verarbeiten
Ergebnisse interpretieren, diskutieren, bewerten, Hypothesen überprüfen
Präsentation, Anwendung der Ergebnisse
Wichtig: Fehler bei Analyse & Systemaufbau = teuer (Zeit und Geld)!!!!
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Logische DB-Abfragen:
Ziel = Filtern der Geodaten > Reduktion auf die relevanten Daten Æ Abfragen (queries)
- Räumliche (geometrische) Abfragen: z.B. Puffer, Verschneidungen, summierte Flächen
o Neue Abfrage: z.B. ArcToolbox > Analysis Tools: proximity > buffer / overlay > intersect
o Oder: via Attribute table Æ summarize
- Attribut-Abfragen: SQL (spezielle „Sprache“)
o Ausdrücke AND OR LIKE NOT = > >= < <= <>
o Neue Abfrage: selection > select by attributes: Layer auswählen, Abfrage eingeben, save
Lektion 4 – Geodatensymbolisierung und Planlayout
Darstellung muss immer auf Aussage, Zielpublikum und Vermittlungsmedium angepasst sein!
Æ ArcMap:
- Karten (maps, .mxd) = mehrere Ebenen (layer, .lyr) = graf. Darstellung 1Objektklasse (feature)
- Layer-Eigenschaften (properties):
o General (layer name, scale range), source (Geodatenbezug), selection (Anzeige der Auswahl),
Display (u.a. Transparenz), symbology (Legendentyp, Werte gruppieren, Reihenfolge, Farben >
symbol editor), fields (Übersicht & Bearbeitung Attribute), definition query (log. DB-Abfragen),
lables (Beschriftung), joins & relates (Tabellenverbindungen)
-
Gruppenlayer (im linken Übersichtsfenster anwählen > gruppieren)
Achtung: Mapfile .mxd und Layerfile .lyr speichert keine Dateninhalte, nur Formatierung!
Planlayout: view > layout view (Titel, Legende, Massstab, Nordpfeil etc.)
Wichtig: unter dataframe properties (für ganzes Dokument) Meter einstellen!
Lektion 5 – Geodatenorganisation
Systemabhängige Lösungen > für kl., einfache Projekte
Systemunabhängige Lösungen > für gr., komplexe, reproduzierbare Projekte
Modellbasierte Methode (model driven approach MDA) = systemunabhängig
- Konzeptionelle Beschreibungstechnik: Realität >> konzeptionelles Datenmodell
o UML = graf. Datenbeschreibungssprache (unified modelling language) Æ Klassen-DIAGRAMM!
o INTERLIS = textuelle Datenbeschreibungssprache (.ili) Æ TEXT
- Logische Beschreibungstechnik: konzeptionelles Datenmodell >> logisches Datenmodell (GISKonfiguration, Zuordnung interner Tabellen etc. zu den logischen Elementen)
o SQL = structured query language
- Physische Beschreibungstechnik: 2 Arten
o Logisches Datenmodell >> physisches Datenmodell (Implementierung)
- GIS- / DB-spezifische Beschreibungssprachen
o Konzeptionelles Datenmodell >> physisches Datenmodell (Transferformat)
- XML: extensible markup language
- GML: geography markup language
- ASCII = american standard code for information interchange (Zeichencodierung)
- INTERLIS1.itf = INTERLIS transfer format
- INTERLIS2.xtf = INTERLIS XML transfer format
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Lektion 6 – Digitalisierung
Topologie
- Beschreibung der nichtmetrischen Eigenschaften von Objekten (Beziehungen darstellen, die
aber geometrisch / metrisch nicht korrekt abgebildet sind), Bsp. Liniennetzplan
- Ziel: Analyse von Beziehungen, Konsistenzprüfungen, Netzverfolgungen
- Knoten-Kanten-Topologie
Digitalisierung
- Vorbereitungen: Georeferenzierung anhand welcher Objektklasse? > Genauigkeit!!!; vorbereitete GDB inkl. domains; Massstab & Einheiten definiert; snapping-Umgebung (snapping tolerance) etc.
- Vorgehen: edit session, sketch-tool (create new feature = neu aufnehmen / auto cut polygon =
Objekt teilen / auto complete feature = Objekte zusammenfügen) Æ edit session beenden…
Lektion 7 - Attributierung
Entweder gleichzeitig mit Digitalisierung oder später…
2 Varianten:
- Via Editor-Dialogfeld: edit session starten > Dialogfeld „attributes“ öffnen > Anpassungen vornehmen
- Via Attributtabelle: edit session starten > auf Layer klicken, Attributtabelle öffnen > Anpassungen vornehmen
- Attributwerte visualisieren: entsprechenden Layer über Layerproperties formatieren
Tabellenverbindungen (table joins)
Prinzip: Zieltabelle und Zielfeld für Verbindung sowie Quelltabelle und Quellfeld für Verb. Definieren
- Resultat-Tabelle ist nur dynamische Sicht auf die Daten (nicht gespeichert!)
- Join-Definition über Layerproperties
Räumliche Tabellenverbindungen (spatial join)
z.B. Flächen- und Punktinformationen verbinden
Georeferenzierung
= geografische Position auf der Erdoberfläche bestimmen (x, y, z – Koordinaten)
- Globale terrestrische Bezugssysteme (Ursprung = Massenschwerpunkt der Erde)
- Lokale Bezugssystem = nationale Koordinatensysteme (amtliche Vermessung)
o ITRS (weltweit gültig), ETRS89 (europäisch)
o CH1903 (alt), CH1903+ (neu, 1995), CHTRS95 (swiss terrestrial reference system) > swisstopo
- Div. Koordinaten-Transformationssysteme
- Div. Transformationsarten: polynomiale, affine (!), projektive
- Kartenprojektionen (Darstellung in 2D, möglichst ohne Verzerrung!)
o Swiss Grid, universal transverse mercator UTM (Welt wird in Streifen zerlegt)
- Rektifizierung (Rasterdaten werden neu berechnet, bei Georeferenzierung werden die Rasterdaten nicht verändert sondern einfach zusätzlich mit neuen Parametern abgespeichert >
World-Datei (Georeferenzierungs-Parameter))
- RMS Error (root mean square error) = mittlere quadr. Abweichung, Mass für die Genauigkeit
der Georeferenzierung
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Lektion 8 – Geodatensymbolisierung, Planlayout
Grundlegende Arbeitsschritte fürs Erstellen eines Plans
- 1) Daten sichten und recherchieren >> symbolisieren >> zu 1 Karte zusammenfügen
o Um vorbereitete Symbolisierung zu laden: über Layer-Properties .lyr-file importieren
o Legenden bearbeiten via Layer-Properties > symbology (Farbgebung, Gruppierung, Reihenfolge)
oder direkt im linken Fenster…
o Objektbeschriftung: Layer-Properties > Labels (bei komplizierten Beschriftungen: queries)
o Rasterdaten laden (als transparenter Hintergrund), z.B. Landeskartenausschnitt
- 2) Daten filtern und exportieren (für Verwendung in ArcGIS)
o Objekte mit best. Eigenschaften ermitteln > query (layer-properties > definition query > q. builder)
o Daten als GDB-feature-class (nur für ArcGIS lesbar) od. shapefile (für fast alle GIS und CADs lesbar) exportieren:
- Rechtsklick auf Layer-Titel > Data > Export Data
- 3) Plan layouten (Legende, Massstab, Nordpfeil, Textelemente, Koordinatennetz)
o Layout view (nicht mehr data view)
o Menu > insert > legend etc.
o Koordinatennetz: data frame properties > grid
- 4) Plan elektronisch (pdf) und auf Papier drucken
o
o
o
o
Papierformat & Druckmassstab (referenzed & fixed scale) festlegen (menu > file > page setup)
Elektronisch drucken: menu > file > export map (nicht PRINT), max Auflösung Rasterdaten 600dpi
Auf Papier drucken: menu > file > print
Plotfiles = RTL
Lektion 9 – Vektor-GIS-Analysen
Arbeitsablauf am besten als Ablaufdiagramm aufzeichnen (mit versch. Arbeitsschritten zw. Kästchen)
Bsp. von Arbeitsschritten:
o Summarize: alle Datensätze mit identischem Wert in einem Feld > zusammenfassen
- attribute table > Rechtsklick auf entsprechende Spalte
o Add field: bei Tabelle neue Felder anfügen & ausfüllen (ArcCatalog od. ArcMap mit edit session)
- attribute table > options > add field
o Table join: Datensätze von 2 versch. Tabellen über Felder mit identischen Werten verbinden
- Rechtsklick auf feature-class > join and relates
o Buffer: Distanzzonen festlegen zwischen Objekten > Flächenobjekte in eigener feature-class
- ArcToolbox > proximity
o Queries: Datensätze filtern durch Attributabfragen (Datensatz auf benötigte Daten reduzieren)
- Layer-properties
o Union: Geometrien von 2 versch. Feature-classes verschneiden > neue feature-class
- ArcToolbox > overlay
o Select by location: räumliche Selektion (Datensätze einer feature-class auf Grund ihrer geografischen Lage zu einer andern feature-class selektionieren)
- selection > selection by location
o Data export: selektierte Datensätze (by location, by attributes od. manuell) in neue feature-class
exportieren
- Rechtsklick auf entsprechende selection (Reiter) > data > export data
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Lektion 10 – Internetressourcen und rechtliche Grundlagen
GIS-Applikationen / -Programme:
- Browser: für GIS-Laien, Formate: Metadaten als HTML, XML (Bsp. MS Internet Explorer)
- Desktop-GIS „Viewer“: für GIS-Laien, Formate: Karten als JPG, PDF etc. (Bsp. GoogleEarth)
- Desktop GIS: für GIS-Anwender, Formate: Karten & Geodaten (Bsp. ArcGIS)
- Karten & Geodatenserver: für GIS-Spezialisten, Formate: Karten und Geodaten als GML, INTERLIS, SHP etc. (Bsp. ArcIMS)
- Mulituser GDB: für GIS-Spezialisten, Formate: Geo-Analysen (GIS-ApplicationService)
Rechtliche Grundlagen
- BV Art. 75a (Vermessung)
o Landesvermessung (LV) = Sache des Bundes, Bund kann Vorschriften für amtliche Vermessung
(Kt.) erlassen, Vorschriften zur Harmonisierung der Bodendaten
- BG: Geo-Informations-Gesetz (GeoIG)
o In Vorbereitung (Inkrafttreten 2008)
o Rechtsgrundlage für NGDI, LV, amtl. Vermessung, öff.-rechtl. Eigentümsbeschränkungen
o Ziele: Regelung Verantwortlichkeiten, transparente Gesetzesgrundlage, Systematik für Geobasisdaten, verbesserte Dokumentation von Geodaten (Metadaten), Zugang zu Geodaten verbessern,
Regelung der Gebühren (Grenzkosten und Infrastrukturkosten angemessen decken)
o Geobasisdaten werden unterschieden nach nat., kt., komm. Interessen > versch. Datenherrschaft
- NGDI = nationale Geodaten-Infrastruktur
o Ziel: sicherstellen, dass Verfahren / Daten / Technologien / Standards / finanz. & personelle Ressourcen für Gewinnung und Nutzung von Geodaten zur Verfügung stehen (lokal, regional, national, international
o Politische, institutionelle, technologische Massnahmen
o BGDI = Bundes-Geodaten-Infrastruktur (Bundes-Komponente der NGDI)
o e-geo.ch = Kontaktnetz (Ziel = Realisierung NGDI)
o technische Struktur: nat. Netz mit integrierten Diensten, Daten so nah wie mgl. bei Betreuern
Æ Datendrehscheiben: jederzeit Zugriff, schnell, kostengünstig / für Private, Gemeinden, Kt… /
Vorteile = Qualitätssicherung, Datensicherheit, viel automatisiert
o CH-Metadatenkatalog (geocat): Wo finde ich Geodaten in der Schweiz? (zentrale Suche)
o Normen: Geonormen der schw. Normen-Vereinigung SNV, Geonormen von versch. Verbänden
(SIA etc.) u.a.m. >> Koordination aller Geonormen durch SOGI
o
- e-geo.ch
o Trägerschaft: KOGIS (interdepart. Koordinationsgruppe), KKGEO (Konferenz der kt. GeodatenKoordinationsstelle), SOGI (schweizerische Organisation für Geoinformation), SSV (Städteverband, Gemeindeverband)
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