GIS Carolin Latze

GIS
Carolin Latze
Introduction
Fallbeispiel: Google Earth vs. GIS
Charakterisierung Earth Viewer 1/2
●
●
...webbasierte Dienste zur
räumlichen Visualisierung
der Erdoberfläche...
Leistungsmerkmale:
●
●
Hochwertiger globaler
Datenbestand
Kostenlose Nutzung
(eingeschränkt)
●
GIS Funktionalitäten
●
Schnittstellen
●
Performance
●
Benutzerfreundlich
Charakterisierung Earth Viewer 2/2
Definition Web Mapping Systeme
●
Betrachtung der räumlichen Daten
mit einem gängigen Webbrowser
Google Maps
Bing Maps
HERE
...
Definition Client Systeme
●
Installation eines Software Clients
erforderlich
Discussion
Google Earth/ Map vs. GIS
●
●
●
●
●
“the claim that a web map is GIS is similar to saying that a light switch is Electrical Engineering”
“it’s not only the GUI or end user application, but also the servers, databases, algorithms, etc. that
make up the GIS. So yes, when viewed as such, Google Maps is a GIS.”
“Google Maps|Earth is not a GIS, in that it does not offer analysis services.”
“It does a marvelous job of making the data accessible to a broader public. The analysis is limited to
basic functionality of a GIS: measuring distances and navigational features. “
“Try the current Google Maps API for regions close to the poles. It just falls apart because it was
never meant to be used in this way.”
[Source: http://highearthorbit.com/is-googlemaps-gis/]
GIS remains of enduring importance because of its central coordinating principles,
●
the specialist tools that have been developed to handle spatial data,
●
the unique analysis methods that are key to understanding spatial data,
●
and the distinctive management techniques required for geographical information (GI) handling
[Source: Longley et al, 2011]
Der GIS Markt der Zukunft
●
Teilmarkt 1: Experten GIS
●
●
Teilmarkt 2: Kombinierte Nutzung
●
●
High End GIS und etablierte klassische GIS
Anbieter
Kombinierte Nutzung aus Experten-GIS und Earth
Viewer
Teilmarkt 3: Massenmarkt
●
Massenmarkt, welche die Earth Viewer abdecken
und der für den klassischen GIS Anbieter verloren
scheint
[Quelle : Schilcher/ Donaubauer]
Beispiel aus der GIS Forschung: Katastrophenmanagement
bei Hochwasser (Kombinierte Nutzung)
[Quelle : Schilcher]
Bedeutung als Querschnittsdisziplin
(Beispiele von GIS)
[Quelle : Schilcher]
Definition Geo Informations System
Geographic information systems (GIS) are a special class
of information systems that keep track not only of events,
activities, and things, but also of where these events,
activities, and things happen or exist.
[Longley et al, 2011]
Geographic information systems are computer-based
systems for storing and processing geographic information.
They are tools that improve the efficiency and effectiveness of
handling information about geographic objects and events
[Longley et al, 2011]
Geoinformationssysteme bestehen aus Hard- und SoftwareKomponenten. Zu den wichtigsten Teilkomponenten zählen das
Datenmodell, Methoden zur Analyse, die Datenbank mit
Schnittstellen für den Datenaustausch,Tool zur Visualisierung
und die Daten. Die kostenintensivste und langlebigste
Komponente sind die Geodaten. Klassifizierungsmerkmale von
Geoinformationssystemen sind: Fachanwendung, Lebensdauer
der Geodaten, Räumliche Ausdehnung und Datenauflösung
sowie die Systemarchitektur.
[SCHILCHER]
Definition vs. Audience
Definition
Audience
A container of maps in digital form
the general public
A computerized tool for solving geographic
problems
decision makers, community groups,
planners
A spatial decision support system
management scientists, operations
researchers
A mechanized inventory of geographically
distributed features and facilities
utility managers, transportation officials,
resource managers
A tool for revealing what is otherwise
invisible in geographic information
scientists, investigators
A tool for performing operations on
geographic data that are too tedious or
expensive or inaccurate if performed by
hand
resource managers, planners
As a (mobile) software developer, use the definition that fits best for the customer.
[SOURCE: Longley et al, 2011]
Terminology
geographic = “refers to the Earth's surface or
near surface”
spatial = “refers to any space, not only the
space of the Earth's surface” (such as other
planets or other disciplines of science)
geospatial = “implying a subset of spatial
applied to the Earth's surface and near
surface”
[Source: Longley et al, 2011]
Querschnittsdisziplin GIS:
3 Ebenenkonzept
[Quelle : Schilcher]
Teilkomponenten der Geoinformatik
[Quelle : Schilcher]
Wesentliche Kerngebiete von GIS
●
Geodaten
●
Technologien
●
Anwendungen
●
Markt/ Akteure (Anbieter
Systeme, Anbieter, Daten,
GIS-Dienstleister, Nutzer)
Anwendungsspektrum von GIS
[Quelle : Schilcher]
History
Entwicklung GIS Systeme
1960er Jahre
●
●
first real GIS: Canada Geographic Information System (CGIS): mid 1960s
●
Canada land inventory
●
goal: identify nation's land resources + existing and potential uses
●
planned and developed as measuring tool, not as a mapping tool
2nd burst: late 1960s: US Bureau of the Census
●
●
●
goal: planning the tools needed to conduct the 1970 census of population
DIME program (Dual Independent Map Encoding): creation of digital records of all US streets in order
to support automatic referencing and aggregation of census records
latter half of 1960s: question arose if computers might be adapted to reduce costs and
shorten the time needed to create maps => 1968: UK Experimental Cartography Unit (ECU)
pioneered computer mapping => publication of world's first computer made map in 1973
●
further pioneering results of the ECU (amongst others)
–
–
–
GIS work in education
post- and ZIP codes as geographic references
visual perception of maps
●
first automated cartography developments by national mapping agencies
●
1969: ESRI Inc was formed by a student at Harvard Lab
Entwicklung GIS Systeme
1970er Jahre
●
DIME and CGIS were recognized as similar
projects => major program at Harvard
University's Laboratory for Computer Graphics
and Spatial Analysis
●
●
●
goal: development of general purpose GIS => lead
to ODYSSEY GIS software: late 1970s
most major cartography agencies were
computerized to some degree
Großrechner (DBMS)
Entwicklung GIS Systeme
1980er Jahre
●
Client/Server-Systeme
●
Unix-Workstations
●
takeoff of GIS since computing hardware got
cheaper
●
●
●
first customers: forestry companies and natural
resource agencies
1981: ArcInfo launched: first commercial GIS
software system
1986: MapInfo Corp founded: develops first major
desktop GIS products
Entwicklung GIS Systeme
1990er Jahre
●
●
●
1995: first country (Britain) had complete digital
map coverage in a database
1996: Internet GIS products introduced (e.g. by
ESRI, MapInfo, Autodesk)
PC-Windows-Systeme
Entwicklung GIS Systeme
2000er Jahre
●
Mobile GIS, GNSS (Global Navigation Satellite
System)
●
World Wide Web (WebGIS)
●
Internet / Intranet
●
Mehr
Interoperabilität
Nutzung verteilter Systeme, OGC Web Services,
Geoportale
●
2006: launch of Google Earth
●
Earth Viewer
●
Daten & Bilder
●
KML
Earth Viewer als
Content Platform
Entwicklung GIS System
2010er Jahre
●
SaaS
●
Cloud GIS
Classification and Applications
Klassifizierung für GIS (Taxonomie)
[Quelle: Lother/Schilcher 2005]
Klassifizierungsmerkmal
Fachanwendung
= Einteilung nach Anwendungsgebiet
Die Anwendung gibt: Typ der Geoobjekte, Eigenschaften
und Merkmale, Qualitätsanforderungen, Datentyp
(Raster/Vektor) vor.
Beispiele:
●
Kommunale GIS (KIS)
●
Netzinformationssysteme (NIS)
●
●
GIS für Ver- und Entsorungsunternehmen
Umweltinformationssysteme (UIS)
Klassifizierungsmerkmal
Lebensdauer der Geodaten
GIS-Projekt oder „echtes“ Informationssystem
• GIS zur langfristigen Speicherung und Auswertung (pesistente Datenhaltung)
Qualität der Datenbank hat Vorrang, Kontinuität über einen längeren Zeitraum
muss gewährleistet sein, Aktualisierung ist wichtigste Qualitätsanforderung
• GIS-Einsatz für Projekte (temporäre Datenhaltung)
Zeitlich begrenzte Vorgänge, fachübergreifende Zusammenschau von Daten aus unterschiedlichen
Quellen, Fortführung der Daten nach Projektende findet nicht statt
• Ad hoc (online) Datenkombination
Sehr kurze Aktivierung der Geodaten (nur für Zeitdauer einer Anfrage), Komplexität
des Systems bleibt verborgen, keine Kenntnisse über Daten und Technologie nötig beim
Endanwender (Beispiel: Browser für WebGIS)
Klassifizierungsmerkmal räumliche
Ausdehnung und Datenauflösung
●
Räumliche Ausdehnung = sowohl Dimension als auch die Größe des
im Systems abgebildeten Ausschnitts der Realen Welt
●
Größen: globales, regionales, lokales GIS
●
Dimensionen: 2D, 2.5D, 3D, 2D+Zeit, 2.5D+Zeit, 4D
–
–
●
2.5D = Projektion, Fläche mit Höhenrelief, aber ohne Volumen
4D = 3D + Zeit (e.g. Erdentstehung, www.scotese.com)
Geometrische Auflösung der Daten ist eng an den
Erfassungsmaßstab gekoppelt
●
●
●
●
Landinformationssysteme (M=1:1 bis 1:5.000)
Topographische Informationssysteme
(M=1:2.500 bis 1:100.000)
Geographische Informationssysteme
(M<=1:100.000)
Maßstab < 1:10.000 i.d.R. Generalisierungseffekte
Klassifizierungsmerkmal räumliche
Ausdehnung und Datenauflösung
●
Räumliche Ausdehnung = sowohl Dimension als auch die Größe des
im Systems abgebildeten Ausschnitts der Realen Welt
●
Größen: globales, regionales, lokales GIS
●
Dimensionen: 2D, 2.5D, 3D, 2D+Zeit, 2.5D+Zeit, 4D
–
–
●
2.5D = Projektion, Fläche mit Höhenrelief, aber ohne Volumen
4D = 3D + Zeit (e.g. Erdentstehung, www.scotese.com)
Geometrische Auflösung der Daten ist eng an den
Erfassungsmaßstab gekoppelt
●
●
●
●
Landinformationssysteme (M=1:1 bis 1:5.000)
Topographische Informationssysteme
(M=1:2.500 bis 1:100.000)
Geographische Informationssysteme
(M<=1:100.000)
Maßstab < 1:10.000 i.d.R. Generalisierungseffekte
Klassifizierungsmerkmal
Systemarchitektur
Komponenten eines
GIS
[Quelle : Schilcher]
Architekturen:
●
Desktop-GIS (Einplatzsysteme)
●
Client/Server-GIS (Standarddatenbank)
●
Web-GIS
●
Mobile GIS
●
Geoportale (Nutzung verteilter Daten)
●
Cloud GIS
GIS Architekturen 1
Unterschiedliche Sichtweisen
[Quelle : Schilcher]
GIS Architekturen 2
Standardarchitektur eines GIS
[Quelle : Schilcher]
Produktfamilie ESRI – ArcGIS 10
(www.esri-germany.de)
●
One example to show the complexity of
GIS systems (ESRI ArcGIS has
products for almost every use case)
●
Create and use maps
●
Compile geographic data
●
Analyze mapped information
●
●
●
●
●
●
Share and discover geographic
information
Use maps and geographic information
in a range of applications
Manage geographic information in a
database
Online GIS, allowing for different clients & providing information from lots of different
GIS and mapping organizations worldwide
Cloud access worldwide, local access with local files, enterprise web access within
one company
REST/ SOAP API
ArcGIS 10 Cont.
●
●
Maps
●
Strong cartography (like paper maps)
●
Including point, line, polygon features for analytic tools (more than a paper map!)
●
May contain raster, terrain, other specialized data
●
Editable (→ compile new information)
●
Interactive to reach into richer information and tools
Applications
●
●
●
Create specialized web map interface for certain applications
People and Communities
●
Share geographic information, maps, applications, …
●
www.arcgis.com
Services
●
Make maps available to people without GIS software (web, mobile clients)
●
ArcGIS servers makes compiled map available through web and mobile app APIs
ArcGIS 10 Community Web Example
ArcGIS 10 Community iPhone Example
ArcGIS 10 Android Example
●
●
Delivers parcel
boundaries
Send current
location to ArcGIS
10 Server to
retrieve parcel
information
The anatomy of a GIS
●
●
●
●
●
network to exchange information
prominent way to deliver GIS
applications
link together distributed users
today many GIServices are
made available to mobile devices
for personal use = location based
services
with web 2.0, information flow is
even bidirectional
to collect data
and interpret it
that are needed for
management purposes
(make sure it meets its
needs, stays within
budget, …)
either web-only using a
webbrowser or a GIS
software package
●
●
●
●
hardware used to be a desktop,
today more and more also mobile
devices
thin or thick clients
stores digital representations
of selections of the Earth's surface
may be rather static for certain
projects or updated every day
Höchste Leistungsklasse:
Client/Service GIS
„High-End-GIS“
●
Integrierte Datenhaltung am Zentralrechner
(Server)
●
Viele PC-Arbeitsplätze (Clients)
●
Anschluss über internes Netz (LAN)
●
Individuelle Anwendungsfachschalen
●
Vorteil: Viele Nutzer mit wenig Know-how
können das GIS nutzen
Internet GIS
●
●
●
●
Zentraler, leistungsstarker Server
(Geodatenserver) im Internet
Zugriff über WWW oder Intranet und InternetTechnologie
Browserarbeitsplätze
Vorteil: Kein vorinstallierter Client, einfacher
Internet-Browser mit oder ohne
Zusatzfunktionalität
Cloud GIS
●
GIS data today is often unintentionally locked
up, also because server infrastructure is
expensive
●
Either in public or private cloud
●
Always most up-to-date version
●
Allow more applications in parallel
●
Integration into enterprise GIS
●
Free viewer
GIS Architekturen: GIS & Internet /
Geo Web Services
High-End-GIS
- AED-SICAD
- Autodesk
- ESRI
- Intergraph
- GE Energy Smallworld
(SICAD = Siemens CAD)
[Quelle : Schilcher]
GIS Architekturen: Betreibermodell
eines externen Dienstleisters
GIS Architekturen: Datenbanken im
Internet (3-Tier-Architektur)
[Quelle : Schilcher]
Applications of GIS
●
●
5 Ms of GIS Applications
●
Mapping
●
Measurement
●
Monitoring
●
Modeling
●
Management
Application areas
●
Government and public services
–
●
First to afford a GIS and still the major user group
Business and service planning
–
Supporting business decisions
●
Logistics and transportation
●
Environment
Geo Data
Datenmengen (1)
GIS db sizes, 1kB = 1024B
1MB = 1 000 000 B = Single dataset in a small project
database
1GB = 1 000 000 000 B = Entire Street Network of a large city
or small country
1TB = 1 000 000 000 000 B = Elevation of entire Earth surface
recorded at 30m intervals
1 PB (peta byte) = 1 000 000 000 000 000 B = Satellite image
of entire Earth surface at 1m resolution
1 EB (exa byte) = 1 000 000 000 000 000 000 B = A future 3D
representation of entire Earth at 10m resolution ?
=> be careful!!!
[Source: Longley et al]
Datenmengen (2)
the Earth's surface must be described efficiently, otherwise it will generate
too much data
example: 1pixel = 100qkm => Manhattan could be displayed on 10 pixels
(blurred) => spacial resolution of 10km (=1 side of 1 pixel) => anything
less than 10km is invisible
Earth = 500 Mio qkm => resolution of 10km (100 qkm) => 5 Mio Pixel
needed instead of 500 at a resolution of 1km (1qkm)
other strategy to limit detail: many properties remain constant over large
areas (e.g. there is a lot of water at sea level)
5 Mio pixel at resolution of 10km; 3.4 Mio will have an altitude of zero =>
identify the water and store the remaining part in only 1.6 Mio pixels
[Source: Longley et al]
„Jede Geoinformationslösung ist nur so gut wie
die Daten, die sie beinhaltet“
(Borchert U. Wilting 2003)
Qualitätsaspekte sind entscheidend für die
Bewertung von Analyseergebnissen.
Fallbeispiel: Geodaten des
Landesvermessungsamtes Vorarlberg in Feldkirch
Datenvolumen
Laserdaten
ASCII-Rohdaten (x,y,z Koordinaten);
Davon zum Beispiel abgeleitet:
514 GB
DXF-Isolinien / Höhenlinien (DXF = Autodesk
Drawing Interchange Format zur Übergabe von
vektorisierten Daten)
103 GB
Route der Laserscan-Befliegung
0,05 GB
GIS-Daten (DGM, Schattierung,
Isolinien/Höhenlinien) (DGM = Digitales, numerisches
Modell der Geländehöhen & -formen/ Digital
Geophysical Model)
43 GB
Orthophotos Jahr 195x, Schwarz / Weiß, 25cm Auflösung
(entzerrte
Jahr 2001, in Farbe, 25cm Auflösung
Fotos zur
Darstellung Jahr 2006, in Farbe, 12,5cm und 25cm Auflösung
auf Karten)
5,5 GB
Topographis Bereiche „Blattschnitte“, „Verkehr“, „Wasser“ und
che Daten
„Grenzen“
1,5 GB
16 GB
57 GB
Das Orthophoto von Vorarlberg
(Ausschnitt)
●
●
Das Orthophoto zählt zu den
Geobasisdaten, weil es vom
Landesvermessungsamt
flächendeckend bereitgestellt wird
(amtlich, für alle Behörden)
Ist ein Rasterdatensatz (aus Pixeln (1
Pixel = 1 m2) / Gitterzellen
zusammengesetzt)
●
Genauigkeit 12 cm
●
Dargestellt in 2D (mit ArcMap)
[Quelle: Schilcher]
Das Orthophoto von Vorarlberg
überlagert mit dem Layer „Seen“
●
●
Der Layer „Seen“ gehört ebenfalls zu den
Geobasisdaten
Der Layer „Seen“ ist ein Vektordatensatz (aus
einer zusammenhängenden Reihe von
Koordinatenpaaren zusammengesetzt).
●
Dargestellt in 2D (ArcMap)
●
Sachdaten zum Layer „Seen“:
Fläche
Umfang
[Quelle: Schilcher]
Vorarlberg Basisdaten überlagert
mit Layer für Mountainbike Tour
●
●
●
Mountainbike Touren
gehören zu den
Fachdaten (nicht
amtlich, nicht
flächendeckend)
Vektordatensatz
Dargestellt in 2D
(ArcMap)
[Quelle: Schilcher]
Das Geländemodell von Vorarlberg
(Ausschnitt)
●
●
●
●
●
Das Höhenmodell (=DGM) gehört zu
den Geobasisdaten
Ist ein Rasterdatensatz (aus Pixeln
bzw. Gitterzellen zusammengesetzt)
Auflösung 1m
In diesem Fall mit
Schattierungseffekt visualisiert, um
Konturen besser zu erkennen
Dargestellt in 2D (ArcMap)
[Quelle: Schilcher]
Das Geländemodell von Vorarlberg
in 3d (I)
●
Höhenmodell überlagert mit Orthophotos
●
Dargestellt in 3D (ArcScene)
●
Blickrichtung Norden
[Quelle: Schilcher]
Das Geländemodell von Vorarlberg
in 3d (II)
●
●
●
●
Detaildarstellung
Höhenmodell
überlagert mit
Orthophoto und
Mountainbikeroute
(= Basisdaten UND
Fachdaten)
Blickrichtung
Nordost
2 fache Überhöhung
des Geländes
[Quelle: Schilcher]
Metadaten am Beispiel der Seen (I)
●
●
Metadaten = „Daten
über Daten“ bzw
„Zusatzinformationen“
zu Daten
Beschreiben die
Eigenschaften der
Daten
Transverse Mercator = Projektion
Mit Konzentration auf bewohnte
Teile der Erde
[Quelle: Schilcher]
Metadaten am Beispiel der Seen (II)
[Quelle: Schilcher]
Metadaten am Beispiel der Seen
(III)
●
●
●
●
Metadaten innerhalb der
GIS-Software
ArcCatalog, dem
Dateimanager der
Software ArcGIS
Verwendete Projektion
Geodätische
Bezugshöhe
Räumliche Ausdehnung
des Datensatzes
[Quelle: Schilcher]
Geodaten
Geodaten sind Daten über Gegenstände,
Geodaten beschreiben Objekte, die durch eine Position im
Geländeformen und Infrastrukturen an der Erdoberfläche,
Raum direkt (z.B. durch Koordinaten) oder indirekt (z.B.durch
wobei als wesentliches Element ein Raumbezug vorliegen
Beziehungen) referenzierbar sind. Aus informationstechnischer
muss. Sie beschreiben die einzelnen Objekte der
Sicht kann man die Daten, die zusammengesetzt Geodaten
Landschaft. Geodaten lassen sich über den Raumbezug
ausmachen, einteilen in:
miteinander verknüpfen, woraus insbesondere unter
• Geometriedaten (Lage und Form der Objekte)
Nutzung von GIS-Funktionalitäten wiederum neue
• Topologie (explizit gespeicherte räumliche Beziehungen)
Informationen abgeleitet werden können. Auf und mit
• graphische Ausprägungen wie Signaturen, Farbe, Typographie
ihnen lassen sich Abfragen, Analysen und Auswertungen
• Sachdaten (alphanumerische Daten zur Beschreibung der
für bestimmte Fragestellungen durchführen.
Semantik).
Geoinformationen sind Informationen zu Phänomenen, die
direkt oder indirekt in Bezug zu einem Ort auf der Erde stehen.
Geodaten sind eine datenverarbeitungstechnische Form von
Geoinformationen. Geodaten schließen semantische Aspekte,
räumliche Aspekte und Qualitätsaspekte ein. Die
semantischen Aspekte beschreiben das von den Daten
repräsentierte Modell. Die räumlichen Aspekte definieren ihre
Lage und Form. Die Qualitätsaspekte zeigen ihre Verwendungsmöglichkeiten an.
[Quelle: Schilcher]
Geodaten:
Klassifizierungsmöglichkeiten
Klassifizierungsmerkmale:
●
Datenarten (Geometriedaten, Sachdaten, Metadaten, ...)
●
Datentypen (Vektor, Raster)
●
●
●
Datenherkunft bzw. Zuständigkeit für Erfassung und Pflege
(amtliche, behördliche, kommunale, private Geodaten)
Grad der Spezialisierung (Geobasisdaten, Geofachdaten)
Thematik (Umweltdaten, Katasterdaten, sozioökonomische Daten,
topographische Daten etc.)
●
Raumbezug (direkter / indirekter Raumbezug)
●
Strukturierung (unstrukturiert, layerstrukturiert, objektstrukturiert, etc.)
●
Modellierung (relational, objektrelational, objektorientiert)
●
Erfassungsmaßstab (großmaßstäbige, kleinmaßstäbige Daten)
Datenart: Geometriedaten –
Datentyp: Vektordaten (1)
[Quelle: Schilcher]
Datenart: Geometriedaten –
Datentyp: Vektordaten (2)
Polygone werden “rechtsrum”
beschrieben
[Quelle: Schilcher]
Datenart: Geometriedaten –
Datentyp: Vektordaten (3)
[Quelle: Schilcher]
Datenart: Geometriedaten –
Datentyp: Vektordaten (4)
TIN
●
Ein TIN (= Triangulated Irregular
Network) ist eine gängige GIS-Methode
zur Erstellung einer digitalen
Geländedarstellung aus Punktdaten im
Vektordatenmodell mittels Dreiecken.
●
Darstellung mittels Dreiecken
●
Höhenwert für jeden Dreiecksknoten
●
unregelmäßig verteilte Datensätze
[Quelle: Schilcher]
Datenart: Geometriedaten –
Datentyp: Rasterdaten (1)
Rasterdaten
●
●
●
●
●
entstehen vorwiegend durch Scannen und
anschließendes Georeferenzieren von
analogen Karten, Plänen, oder Bildern.
Geräte zur Datengewinnung, diedirekt
Rasterdaten liefern,
bestehen aus einer bestimmten Anzahl
von Bildpunkten (Pixel).
Anzahl der Pixel durch Auflösung
bestimmt
Jedem Bildpunkt ist ein Wert zugeordnet.
[Quelle: Schilcher]
Datenart: Geometriedaten –
Datentyp: Rasterdaten (2)
●
Matrix von Zellen, die in Zeilen und Spalten organisiert ist.
●
Jeder Zelle ist ein Wert zugeordnet
●
●
Grauwert für Bilder, gescannte Karten
●
Attributwert bei GRIDs, z.B. Höhe bei DGM
Genauigkeit hängt von der Bodenauflösung ab
[Quelle: Schilcher, Longley et al]
Datenart: Geometriedaten –
Datentyp: Rasterdaten (3)
●
variation in cells will be lost => value of the cell
is usually the one with the greatest share within
the cell
Vergleich Vektor- und Rasterdaten
Element
Vektor
Raster
Punkt
x,y Koord.
Pixel
Linie
x,y Koord.-folge
Pixel
Fläche
Geschlossene x,y
Koord.-folge
Pixel
[Quelle: Schilcher]
Geographic Elements and their
Dimension
●
polygon = 2dim
●
line = 1dim
●
point =0dim
[Quelle: Longley et.al]
> if streets are represented with lines, they are
2dimensional => how to specify overpasses
and underpasses? => use turning options!
From Link
To Link
Turn?
A
B
No
A
C
Yes
A
D
No
B
C
No
B
D
Yes
B
A
No
C
D
No
C
A
Yes
C
B
No
D
A
No
D
B
Yes
D
C
No
Vergleich Vektor- und Rasterdaten
Cont.
Anwendungsbereiche
Vektordaten
Rasterdaten
großmaßstäbige Bereiche 1:500 bis
1:10000, d.h. Bereiche ohne
generalisierte Kartengrundlagen
(maßstäbliche Darstellungen)
vorzugsweise in kleineren und mittleren
Maßstäben, vor allem in den Bereichen
Umweltanalysen, Planung und
Satellitenbildkartographie
teilweise auch in kleineren
Maßstäben
Vergleich Vektor- und Rasterdaten
Cont.
Vorteile
Vektordaten
Rasterdaten
höhere Punktgenauigkeit
räumliche Analysen
weniger Speicherplatzbedarf
zeitliche Veränderungen (Vegetation,
Waldschäden, Gewässerverunreinigung
usw.)
effizienter Zugriff und höhere
Performance
einfache Datenstruktur (Pixelmatrix)
einfache Generierung der Topologie
(Knoten, Kanten, Flächen)
Überlagerungen bei Visualisierungen
homogene Datenbestände bei
Transformationen
geringerer Erfassungsaufwand
leichte Verbindung zu Sachdaten
(Attributierung, Objektdefinition)
Vergleich Vektor- und Rasterdaten
Cont.
Nachteile
Vektordaten
Rasterdaten
hohe Rechenzeiten bei
Flächenanalysen (Verschneidungen =
Kombination der Daten aus mehreren
Karten)
unklare Grenzdefinition (Punkt/Pixel)
hoher Erfassungsaufwand im
grossmassstäbigen Bereich (Zeit und
Kosten)
begrenzte Auflösungsgenauigkeit (Pixel
entspricht nicht genau einem Objekt)
grosses Datenvolumen
begrenzte Einsatzfähigkeit im Bereich
parzellenscharfer Flächenanalysen
Hybride GIS-Technik
●
gleichzeitige Verarbeitung von Vektor- und
Rasterdaten
→ Zusammenführung unterschiedlichster Quellen
●
Rasterbilder:
→ Georeferenzierung → Zuweisen eines
geodätischen Koordinatensystems
→ Herstellung des Raumbezugs
→ Hintergrundinformation für vektorielle Daten
Datenart: Sachdaten
●
●
●
●
Werden auch als „Attribute“ oder
„Alphanumerische Daten“ bezeichnet
Sämtliche nichtgeometrischen Daten
Häufig Speicherung in relationalen
Datenbanken
Verknüpfung mit Geometrie über eindeutige
Schlüssel (ID)
Geo Attributes
●
●
●
●
●
nominal = identify an entity (e.g. in order to distinguish it from others)
ordinal = values that have a natural order (e.g. Canada's agricultural land:
class 1 – best, class 2 – not so good, …)
interval = difference between values makes sense (scale of Celsius is
interval since 30 and 20 are as different as 20 and 10)
ratio = ratios between values makes sense (weight is ratio since a person of
100kg is as twice as heavy as a person of 50kg; scale of Celsius is not
ratio since 20 is not as twice as hot as 10)
cyclic = GIS data is cyclic since the Earth is a globe (highly important when
dealing with coordination, there is a 0-meridian!)
Datenquellen und Methoden zur
Datengewinnung
Vektordaten
●
Elektronische Tachymeter (Geländeaufnahme)
●
GPS (Geländeaufnahme)
●
Graphisch-elektronische Feldbücher (mobile GIS)
●
Analytische und digitale Photogrammetrie (Luftbilder)
●
Orthophototechnik
●
Rasterdaten
●
Analoge Orthophotos
●
Digitale Orthophotos
Bildgebende Sensoren
●
Radar, Video, Laserscanner
●
Satellitendaten
●
Fernerkundung
●
Scanner für analoge Karten und Pläne
Vielzahl an
Datenquellen
heute bereits
digital vorhanden
Geobasisdaten
Quelle CH: Swisstopo
●
Liegenschaftskataster (ALKIS) – CH: Grundbuch
●
Automatisiertes Liegenschaftsbuch (ALB)
●
Digitale Flurkarte (DFK)
●
Hauskoordinaten
●
Digitale Orthophotos (DOP)
●
Digitale Topographische Karten (DTK)
●
Amtl. Topographisches Informationssystem (ATKIS)
●
Digitales Geländemodell (DGM)
Datenqualität
Basis einer sinnvollen Arbeit mit GIS sind
Geodaten, die in angemessener Qualität
vorliegen!
●
Es gibt Leitfäden für Behörden und Planer mit
Anforderungen an die Daten
Was bedeutet Qualität von
Geodaten?
1. Qualität ist nach DIN definiert als „die Gesamtheit von
Merkmalen einer Einheit (Produkt, Dienstleistung)
bezüglich ihrer Eignung, festgelegte und vorausgesetzte
Erfordernisse zu erfüllen“ (DIN ISO 8402, 1992).
2. Geodaten sind immer nur ein unvollständiges Abbild
eines Teilausschnitts der Erdoberfläche. Sie bilden ein
bestimmtes Thema zu einem bestimmten Zeitpunkt und
für einen bestimmten Raum ab (Was? - Wann? - Wo?).
Was bedeutet Qualität von
Geodaten?
●
Qualität bezieht sich immer auf einen bestimmten
Einsatzzweck.
●
●
●
Es gibt keine perfekte Karte (Küstenlinien bestehen
z.B. aus einer unendliche grossen Menge von
Informationen, die so nie abgebildet werden könnten)
=> Raster- und Vektordaten sind immer nur
Abstraktionen
Qualität von Daten nie per se „gut“ oder
„schlecht“.
Daten sind nur für einen bestimmten Zweck mehr
oder weniger geeignet.
Verschiedene Aspekte von
Datenqualität
Um die Qualität von Geodaten genauer definieren zu können,
benötigt man detailliertere Bezeichnungen für den sehr
allgemeinen Begriff der Datenqualität.
Gängige Kategorien zur Beschreibung der Qualität von
Geodaten:
●
Aktualität
●
Genauigkeit
●
Richtigkeit
●
Vollständigkeit
●
Konsistenz
Heterogene Geodaten
Beispiele für Geodaten
●
●
●
●
●
●
Digitale Flurkarte (DFK)
Automatisiertes Liegenschaftsbuch
(ALB)
Digitale Orthophotos (DOP)
Digitale Topographische Karte
1:25.000 (DTK)
Georeferenzierte Gebäudeadressen
Gemeindeteildatei und
Gemarkungsverzeichnis
●
Biotopkartierung
●
Raumordnungskataster
●
Digitale Bebauungspläne
●
Wald-Standortkartierung
wichtige Heterogenitätsmerkmale
●
●
●
●
Aktualität: Aktualisierungszyklen von „tagesaktuell“ bis
15 Jahre
Metrische Genauigkeit / Maßstabsbereich: Zentimeter
(1:1.000) bis 10 Meter und schlechter (Generalisierung
bei 1:25.000)
Datentypen und Datenmodelle: Raster-, Vektor-,
Sachdaten, Multimedia,unstrukturiert, objektstrukturiert ...
Transferformate: GeoTIFF, SQD, Shape, DatRiGRUBIS...
●
●
●
GeoTIFF: (1) verlustfreie Speicherung & (2) nicht
sichtbare Daten wie z.B. Koordinaten für
Georeferenzierung
SQD: Austauschformat für SICAD Daten
DatRi-GRUBIS: DatenaustauschsRichtlinien für
Grundstücks- und Bodeninformationssystem (SICAD)
Aktualität
Aktualität beschreibt zeitliche Gültigkeit
vorliegender Daten.
Beschreibung durch:
●
Erfassungsdatum
●
Stand der Daten
●
Gültigkeitsdauer
Genauigkeit
Genauigkeit / Auflösung (engl. Resolution): Maß für die
Bearbeitungstiefe des betrachteten Datensatzes.
Genauigkeit bezüglich Raum, Zeit und Thema.
●
Räumliche Genauigkeit : Maßstab oder Lagegenauigkeit der
Daten.
●
●
●
Faustformel: Lagegenauigkeit [m] = 1 Tausendstel der Maßstabszahl
Zeitliche Genauigkeit: Gültigkeitsdauer von Geodaten.
Thematische Genauigkeit: Detaillierungsgrad der
Datenmodellierung (Sachdaten).
Richtigkeit
Richtigkeit ist das Gegenteil von Fehlerhaftigkeit.
Richtige Daten sind also räumlich, zeitlich und
auch thematisch richtig.
Vollständigkeit
●
●
●
räumliche Vollständigkeit: Raum muss
vollständig abgedeckt sein
zeitliche Vollständigkeit: Daten müssen
vollständig in benötigter Aktualität vorliegen
thematische Vollständigkeit: Daten müssen
vollständig in der richtigen Bearbeitungstiefe
vorliegen
Konsistenz
Konsistenz beschreibt die logische Gültigkeit der
vorliegenden Daten.
• räumliche Konsistenz
• zeitliche Konsistenz
• thematische Konsistenz
Gründe für (mangelnde)
Datenqualität
Einflussfaktoren bei der Erstellung von Daten,
welche die Qualität beeinflussen können:
●
●
Generalisierung
Verdrängung
●
Grenzziehung
●
Klassifizierung
●
●
Auswahl und Betonung
von Objekten
Massstab
●
Kartierfehler
●
Qualität von aggregierten Daten
●
Digitalisierungsfehler
●
Alter / Aktualität der Daten
●
Mangelnde Vollständigkeit
●
Formatkonvertierungen
Datenstruktur und Datenformat
In welcher Form sollen die Daten vorliegen?
●
Als Karten / Pläne oder als Geodaten
●
Als Raster- oder als Vektordaten
●
Vektordaten als Punkt, Linie oder Fläche
●
Werden Sachinformationen benötigt?
Welches Datenformat ist sinnvoll?
●
Bilddatenformat
●
CAD-Format
●
GIS-Format
Geometrien
Bei der Erstellung neuer Geodaten kann auf die
Qualität der Geodaten Einfluss genommen
werden, indem
●
●
Digitalisiervorgaben gemacht werden und /
oder
Qualitätskriterien für die Geometrien
vorgegeben und diese auch kontrolliert werden.
Qualitätskriterien für Geometrien
Flächengeometrien
●
keine Splitterfläche
Liniengeometrien
●
keine Undershoots / Overshoots
●
●
●
●
keine Lücken (Gaps)
keine Überlappungen
(Overlaps)
keine Multipart-Polygone
●
●
Groups of polygons that have
gaps inbetween
Zu kurz / zu lang
●
durchgehende Linien
●
Vorgaben für sich kreuzende Linien
Punktgeometrien
●
geschlossene Polylinien
●
Vorgabe der
Lagegenauigkeit
Trennung von Thema und
Layout
Metadaten
GIS Daten können nur dann sinnvoll genutzt werden,
wenn genügend Informationen über diese Daten
vorliegen.
Solche „Daten über Daten“ werden auch als
Metadaten bezeichnet.
Metadaten sind alle Informationen rund um die Daten
selbst, beispielsweise Art und Maßstab der Daten,
Aktualität und Bearbeiter oder die Bedeutung
bestimmter Informationen und Symbole
Welche Metadaten sollen erfasst
werden?
Datenbeschreibung
●
Beschreibung der Daten (Text)
●
Zweck / Nutzung der Daten
●
Zugangs- und Nutzungsbeschränkungen
●
Bearbeitungsstand (z.B. abgeschlossen, in Bearbeitung, ...)
●
räumliches Bezugssystem
●
räumliche Zuordnung, z.B. über Koordinaten im Koordinatensystem
●
Maßstab
●
Kontaktperson
●
Bezugsquelle
●
Nutzungsbedingungen
●
Änderungshistorie
Welche Metadaten sollen erfasst
werden?
Qualitätsinformationen
●
die Herkunft / Entstehung der Daten
●
die Genauigkeit der Sachdaten
●
die logische Konsistenz der Daten
●
die Vollständigkeit
●
die Lagegenauigkeit
Ausprägung
●
●
Rasterdaten: Welche Größe hat ein Pixel?
Vektordaten: Liegen die Daten als Punkt-, Linien- oder
Flächendaten vor?
Welche Metadaten sollen erfasst
werden?
Sachinformationen
●
Welche Attribute (Felder) enthält die Tabelle?
●
Felddefinitionen
Darstellung
●
Verweis auf Standardlegenden oder Farbtabellen
Software
●
Name der Software
●
Datenformat
●
Version
Welche Metadaten sollen erfasst
werden?
Bezugsdaten
●
Kontaktperson
●
Bezug als nicht digitale oder digitale Karte
●
Datenformat
●
Dateigröße
●
Kosten
●
Bezugsbedingungen
Metadaten für einen digitalen Bebauungsplan
(nach ISO 19115)
<MD_DataIdentification>
<citation>
<title>Bebauungsplan 16 I, Hauptstrasse, 82223 Eichenau, Deutschland</title>
<date>
<dateType>
<CI_DateTypeCode_CodeList>creation</CI_DateTypeCode_CodeList>
</dateType>
<date>2003-03-24</date>
</date>
</citation>
<abstract>Digitalisierter Bebauungsplan aus der Gemeinde Eichenau</abstract>
<status>
<MD_ProgressCode_CodeList>completed</MD_ProgressCode_CodeList>
</status>
<pointOfContact>
<contactInfo>
<phone>
<voice>+49 89 289 22973</voice>
<voice>+49 89 289 22578</voice>
<facsimile>+49 89 289 22878</facsimile>
</phone>
<address>
<deliveryPoint>Arcisstrasse 21</deliveryPoint>
<city>Muenchen</city>
<administrativeArea>Bayern</administrativeArea>
Scales
●
●
●
Scale of a paper map = ratio of the distance in
the map to distance on the ground
does not really make sense for digital data (=
ratio of the distance in the computer to distance
on the ground)
digital data scale = ratio of the distance in the
map that formed the source of the digital data
to the distance on the ground
Die amtliche Vermessung der
Schweiz (www.cadastre.ch)
●
●
●
Ist Bestandteil des Grundbuchs um genau Grenzverlaeufe der
Grundstuecke festzuhalten
Direkte Produkte (Auszug):
●
Grundbuch
●
Digitales Terrainmodell
●
Gebaeudeadressen
Anwendungsgebiete (Auszug)
●
Kataster der oeffentlich-rechtlichen Eigentumsbeschraenkungen (OEREB)
●
Verwaltung
●
Bauvorhaben
●
GIS
●
Rettungsdienste/ Feuerwehr
LV95 - “Neue Koordinaten fuer die
Schweiz”
●
●
1903: Zylinderprojektion (LV03)
●
Landspezifisch, kein gemeinsames europaeisches Bezugssytem
●
Beruehrungspunkt Zylinder & Kugel = 0 Punkt (= alte Sternwarte in Bern)
●
Angabe der Koordinaten in x und y
1989 – 1995: neue Landesvermessung basierend auf
satellitengestuetzten Positionierungsdienste (LV95)
●
●
●
Angabe der Koordinaten in E (East) und N (North)
Daraus folgt die Aenderung der Koordinaten in
Landeskarten
Starke Auswirkung bei der amtlichen
Vermessung, Raumplanung, etc
[Quelle: www.cadastre.ch]
Transformation LV03 → LV95
●
●
Es gibt einen Transformationsdatensatz fuer die
offizielle Transformation von LV03 → LV95
Bestandteile
●
●
●
●
Mathematische Beziehen: FINELTRA = FINite Elemente
TRAnsformation
Passpunkte (Punkte, deren Koordinaten in beiden Systemen
bestimmt wurde)
Verfuegbar auf www.swisstopo.admin.ch → Interaktive
Anwendungen → Rechendienste (z.B. REFRAME,
NAVREF)
Detailinformationen auf www.swisstopo.ch → Themen
→ Vermessung/ Geodaesie → Neue Koordinaten →
Bezugsrahmenwechsel
Geo Referencing
Terminology
●
referencing = specify location
●
data without location = non-spacial
●
●
there are several terms to describe the assignment of location to
information:
●
georeferencing
●
geolocating
●
geocoding
●
tagging records with geographic locations
●
locating
requirements of a georeference
●
unique
●
meaning is shared among all people that wish to work with that information
●
persistent through time (names that change can cause a lot of issues, Burma →
Myanmar, Peking → Beijing, Karl-Marx-Stadt → Chemnitz)
Properties of Geo References
●
●
●
●
●
there is a spatial resolution assigned to each georeference
●
mailing address = size of the mailbox
●
us state = depending on the size of the state
●
swiss canton = depending on the size of the canton
a (place-)name is not necessarily unique on a global scale
●
Bern, CH
●
Berne, NY, USA
metric georeferences
●
longitude, latitude, … various kinds of coordinate systems
●
used to make maps (and calculate distances)
geographic names are usually standardized but there might be different versions
●
across different languages (Florence in English, Firenze in Italian)
●
across different cultures (Mount Everest to many globally, Chomolungma to many Tibetians)
www.wikimapia.org is an example for user generated georeferences
●
wikimapia'smantra: “Let's describe the whole world”
●
VGI = Volunteered geographic information
Commonly used Systems
System
Domain of
uniqueness
Metric?
Example
Spatial resolution
Place-name
varies
no
Berne, NY, USA
Varies by feature type
Postal address
global
No, but
ordered along
streets in
most
countries
Wankdorffeldstrasse 102,
Bern, Switzerland
Size of one mailbox
Postal code
country
no
93117 (U.S. Zip code), WC1E
6BT (UK Unit Postcode), 3000
Bern
Area occupied by a defined
number of mailboxes
Telephone calling
area
country
no
031
varies
Cadastral system
Local authority
no
Parcel 01452954, City of
Springfield, MA
Area occupied by a single
parcel of land
Public land survey
system
Western Canada and
US only, unique to
Prime Meridian
yes
Sec 5, Township 4N, Range
6E
Defined by level of
subdivision
Latitude/
Longitude
global
yes
46 degrees 57 minutes East,
7 degrees 27 minutes North
Infinitely fine
Universal
Transverse
Mercator
Zones six degrees of
longitude wide, and N
or S Hemisphere
yes
563146E, 4356731N
Infinitely fine
State plane
coordinates
United states only,
unique to state and to
zone within state
yes
55086.34E,75210.76N
Infinitely fine
[Source: Longley et al]
Commonly used Systems Cont.
Postal and IP Addresses
●
postal addresses
●
●
●
●
mail delivery has been developed in the 19th century
today used for many purposes (place of residence, place of
business, …)
fails for places that is not supposed to be a destination for mail
(such as the Mount Everest)
IP addresses can be used as geo references in a way
●
●
IP ranges are assigned to several operators which allows to
assign at least a region
servers or universities might be even more accurate (since
they have a fixed location and IP)
Swiss Postal Codes
●
Nine postal districts
●
Example:
●
3436 Zollbrück
●
3 = district (Berne)
●
34 = area (Burgdorf)
●
●
343 = route
(Burgdorf - Langnau)
3436 = post office
number (Zollbrück)
[Source: http://en.wikipedia.org/wiki/Postal_codes_in_Switzerland_and_Liechtenstein]
Commonly used Systems Cont
Linear Referencing
●
identification of location based on the distance to a defined
point or reference along a defined path
●
used e.g. to locate accidents
●
used e.g. to identify locations on a highway
●
●
lots of applications for GIS applications in transportation
(GIS-T) and intelligent transportation systems (ITS)
often difficult to implement e.g. if a street has several
intersections with another street
Street A
Street B
Commonly used Systems Cont
Cadaster
●
●
●
map of land ownership in an area
could be the universal basis of mapping; all
other geographical information could be bound
to this identifier
few people know the ID of their parcel =>
limited use in georeferencing
Commonly used Systems Cont
U.S. Public Land Survey System
●
principal meridian = accurate north-south line
●
east-west baseline laid out perpendicular to the principal meridian
●
rows 6 miles apart and parallel to baseline = townships
●
blocks in 6 miles by 6 miles squares on either side of the principal meridian = ranges
●
reference of each square = township number, range number, east or west, name of principal meridian
●
inside each township: 36 sections 1 mile by 1 mile; numbered using a standard system
●
each section is divided into 4 quarter-sections of ¼ quarter mile (160 acres) = size of a nominal family farm
●
since the Earth is not flat, rows must be offset regularly
Conclusion Geo Referencing
●
GIS allows to convert between projections and
coordinate systems; further functions
●
●
●
●
●
geocoding: assign coordinates to addresses
combination of datasets that use different systems of
georeferencing
conversion to projections that meet the requirements for
analysis
search the Internet or other distributed data sources for
additional data at specific locations
http://geonames.usgs.gov
●
geo referencing over the Internet
Geo DB
GIS Architecture
Szenario: Dynamische Verkehrsinformationen als OGC Web
Service für Earth Viewer, mobile Endgeräte und Desktop GIS
Desktop GIS
Intergraph, ESRI,...
Earth Viewer
Clients
KML
SOAP
Webservice
Webservices
WMS
Server
ArcSDE Technology
www.parkinfo.com
Parkhausbelegung, Info, Preise ...
[Quelle: Schilcher]
Streckennetz, Level of Service Informationen
Echtzeitverkehrsmodell
AppServer
Geo DB
DB
Rollenverteilung GIS & GeoDB
●
●
●
●
Laden von Daten
Editierung
Kartierung
Analyse
GIS
●
●
Geo DB
(ORDBMS)
Daten
[Quelle: Longley et al]
●
●
●
Speicherung
Indexierung
Sicherheit
Abfrage (Query)
Sicherung (Bkp)
Modellierung (1)
Abstraktion
Definition of main
objects to be
represented in final
GIS
anwendungsabhängig
systemunabhängig
anwendungsabhängig
Konzeptionelles
systemorientiert
Schema
anwendungsabhängig
(Datenmodell)
systemabhängig
Daten und Beziehungen
ObjektAbbildung
Logisches
Modell
Diagramme + Listen
(Objektname +
Interaktionen)
Implementierung
Physikalisches
Modell
Dateien/ DB Tabellen,
Beziehungen und erlaubte
Operationen
Modellierung (2)
Computer-Aided Design
(CAD)
Automating engineering design and drafting
●Used by the earliest GIS
●Used local coordinates instead of real-world coords
●No unique identifiers for objects
●Focus on graphical representation => no relationships
Graphical (non-topological)
Simple mapping and graphic arts
●Digitization of maps (very early GIS)
●Again no relationships or further object attributes
image
Image processing and simple grid analysis
●Main source: scanned aerial photos and digital satellite images
●Raster data
Raster/grid
Spatial analysis and modeling, especially in environmental and natural resource
applications
●Raster fields may have attributes assigned (e.g. forest or no forest)
●Stored as grid with metadata
●Useful as background image
Vector/ georelational
topological
Many operations on geometric features in cartography, socioeconomics, and resource
analysis and modeling
●Precise
●Efficient storage
network
Network analysis in transportation and utilities
●Special applications
●Lines connecting two points might have special attributes such as flow direction
●Supports linear referencing
Triangulated irregular
network (TIN)
Surface/ terrain visualization, analysis and modeling
●Number of sampled points can be adapted to the topology (more in case of a variable
relief)
●Incorporate the sampled points → easy accuracy checks possible
●Efficient storage
●Can provide photorealistic views of landscapes
object
Many operations on all types of entities (raster/ vector/ TIN, etc) in all types of applications
●Most geographic objects have a lot of properties → not easy to capture with geometric
models
●Geometry = one attribute of the object
geometry-centric
Example Application & Comments
historic
Data Model
Compression of Raster Data
●
●
●
run-length encoding
●
simple and easy to use → widely used
●
encode adjacent cells with the same value as a pair of values (nr of cells, value)
●
loss-less
block encoding
●
two-dim version of run-length encoding
●
areas of common cell values = single value
●
array = series of square blocks of largest size possible
●
sometimes described as quadtree structure
●
loss-less
wavelet compression
●
●
remove information by recursively examining patterns in datasets at different scales → try to reproduce the original
as closely as possible
●
similar to JPEG
●
lossy
quadtrees (may also be used to index geographic data)
●
subsequently divide the raster image into 4 squares of equal size until every square has homogenous attributes
●
loss-less
Real World Example
A Water Facility Object Data Model
House
Main
Meter
Lateral
pump
Fitting
Street
Pump house
Valve
hydrant
Real World Example
A Water Facility Object Data Model
House
Main
Meter
Lateral
pump
Fitting
Street
Valve
hydrant
Pump house
Main
Meter
Lateral
Classify objects into
landbase and water facilities
pump
Fitting
Street
Valve
hydrant
Real World Example
A Water Facility Object Data Model
●
Next step: Implement in DB :-)
[Source: Longley et al]
Datenhaltung (1)
[Quelle: Schilcher]
Datenhaltung (2)
Dateisystem (duale Datenhaltung)
Vorteile
Nachteile
Performance (Aktueller Zugriff auf Geometrie)
bei wenigen Benutzern
Hersteller-spezifische Speicherungsstrukturen
Günstiger Preis
Konsistenz zwischen Geometrie und Sachdaten
nicht gewährleistet
Kein spezielles DB-Know-How bzw.
Datenbankadministrator
keine echte Blattschnittfreiheit
keine Transaktionsbearbeitung für Geometrie
und Sachdaten
keine Transaktionsbearbeitung für Geometrie
und Sachdaten
Grundlagen DBMS (1)
●
Was ist ein Datenbanksystem?
●
Ein Datenbanksystem ist ein Werkzeug zur
Entwicklung von datenintensiven Anwendungen:
–
–
grosser Datenbestand
grosse Datenströme
Grundlagen DBMS (2)
●
Begriffsdefinitionen
●
Datenbanksystem (DBS) =
–
●
Datenbank
–
●
Eine Sammlung gespeicherter operationaler Daten, die von
Anwendungssystemen (z.B. GIS) benötigt werden.
DBMS
–
●
Datenbank (DB) + Datenbankmanagementsystem (DBMS)
Ein standardisiertes Softwaresystem zur Definiton, Verwaltung,
Verarbeitung und Auswertung der Daten in der DB.
Standarddatenbanken
–
hierarchisch, netzwerkartig, relational, objektrelational
Grundlagen DBMS (3)
●
Motivation für den Einsatz eines DBMS bzw.
Geo-DBMS
●
Typische Probleme bei Informationsverarbeitung
ohne DBMS:
–
–
–
–
–
–
–
Redundanz und Inkonsistenz
beschränkte Zugriffsmöglichkeiten
Probleme beim Mehrbenutzerbetrieb
Verlust von Daten
Integritätsverletzung
Sicherheitsprobleme
hohe Entwicklungskosten für Anwendungsprogramme
Modellierung (3)
●
Konzepte der logischen Modellierung bei
DBMS
RDBMS
ORDBMS
OODBMS (ODBMS)
relational
objektrelational
Objektorientiert
Datenspeicherung in Tabellen
Datenspeicherung in Tabellen
und komplexen Objekten
Datenspeicherung in Objekten
Ursprünglich für Business
(Banking) Apps optimiert
Erweiterung von RDBMS, da
diese weit verfügbar waren
Konsistenz über
Objektbeziehungen
Konsistenz über
Verknüpfungen zwischen
Tabellen
Konsistenz über
Verknüpfungen zwischen
Tabellen und Objekten
Keine Abfragesprache nur
Objektschnittstellen (Konzept
der Kapselung)
Abfragesprache SQL (ISOStandard)
Abfragesprache SQL mit
Erweiterungen
(herstellerspezifisch)
Haben sich nicht so richtig
durchgesetzt
Am wichtigsten im GIS Bereich
Architekturen (1)
●
Großrechner (Mainframes)
●
Client-Server (PC-/Unix-Architektur)
●
Multi-Tier Architekturen (Web-Architektur)
●
Parallele Datenbanksysteme
●
Verteiltes Datenbanksystem
Architekturen (2)
Client-Server
Anwendungslogik
Benutzeroberfläche
Client
Client
Datenhaltung
Datenbankserver
Architekturen (3)
Vorteile von Client/Server
●
●
●
●
●
Skalierbarkeit: Clientrechner übernehmen einen
Teil der Last – je mehr Nutzer desto mehr
Clientrechner
Verfügbarkeit: Hardware am Server kann
redundant ausgelegt werden
Sicherheit: Nur ein zentraler Punkt (Server) zu
schützen
Administrierbarkeit: Backups nur am Server
Nachteil: Komplexität (Caching, usw.) und größere
Netzwerklast
Architekturen (4)
Datenbanken im Internet (3-Tier-Architektur)
[Quelle: Schilcher]
Architekturen (5)
Multi-Tier Architektur in der Praxis
Ausgewählte Eigenschaften eines
DBS (1)
●
●
●
●
●
Einheitliche Sprache zur Datenmodellierung,
-abfrage und -fortführung (SQL)
Konzepte zur Datensicherheit: Zugangskontrolle
(security), Recovery-Strategien (safety) und
Integritätsprüfung (integrity)
Konzepte der aktiven Datenbank (z.B. Trigger)
Mechanismen zur Zugriffsbeschleunigung auf die
Datenbestände (Index, Caching)
Einheitliche Schnittstellen zum Datenzugriff von
Applikationen (ODBC, JDBC, Perl-DBI, ...)
Ausgewählte Eigenschaften eines
DBS (2)
Transaktion = zu Paketen zusammengefasste Anweisungen an
die DB Transaktionen – das ACID-Prinzip
●
●
●
●
Atomarität (Atomicity) - „Alles oder Nichts“
Konsistenz (Consistency) - Eine Transaktion schließt nur dann
erfolgreich ab, wenn sie die DB in einem konsistenten Zustand
hinterlässt.
Isolation (Isolation) - Parallel ablaufende Transaktionen
beeinflussen sich nicht.
Dauerhaftigkeit (Durability) - Änderungen einer
abgeschlossenen Transaktion sind gegen Systemfehler (Hardund Software) geschützt.
Typisch für GeoDBs: lange Transaktionen
Ausgewählte Eigenschaften eines
DBS (3)
●
●
Typisch für DBS: Speicherung großer
Datenmengen
Wichtig für Performanz: schnelles Auffinden
bestimmter Datensätze
●
Lösung in Datenbanksystemen: Index
●
Unterscheidung aufgrund der Datentypen
●
Index für alphanumerische Daten
●
Index für räumliche Daten
–
–
zweidimensional
mehrdimensional
Unterschiede zwischen StandardDBMS und Geo-DBMS
Datenbank ≠ Geodatenbank
DBMS ≠ Geo-DBMS
Besondere Anforderungen von GIS an Geodatenbanken:
●
●
●
●
Raumbezogene Daten (2D, 3D): Verwaltung in Standard-DB nicht möglich
Räumlicher Zugriff: nicht möglich, erfordert Erweiterung der
Abfragesprachen für „Spatial Data“
Große Datenmengen (v.a. durch Rasterdaten)
Heterogene Geodaten (Vektor, Raster, Alphanumerisch, Topologien,
Netzwerkstrukturen)
●
Verknüpfung und Abfrage geometrischer und alphanumerischer Daten
●
Lange Transaktionen (Erfassung und Fortführung in GIS)
●
Performance für räumliche Abfragen und Analysen (räumliche Indizes)
●
Neuester Trend: Integration räumlicher Operationen in das Geo-DBMS
Datenhaltung (3)
Geo-DBMS
Vorteile
Nachteile
Integration von Geometrie und Sachdaten
(entspricht konzeptioneller Modellierung
Geoobjekte)
hohe Investitionen bei Anschaffung und Pflege
Echte Blattschnittfreiheit
Schlechtere Performance ggü. Filebasierter
Datenhaltung bei wenigen Benutzern
Redundanzfreie Geometrie
Standardisierte Anfragesprachen
Mehrbenutzerzugriff geregelt
Intelligente Caching-Algorithmen bei vielen
Benutzern
Datenhaltung (4)
Vergleich Dateisystem / Datenbanksystem
Dateisystem
(Geo-) DBMS
Performant bei wenigen Benutzern
Performant bei vielen Benutzern
Preis
Konsistenz zwischen Geometrie und
Sachdaten
Kein spezielles DB-Know-How
Blattschnittfreiheit
Hersteller-spezifische
Speicherungsstrukturen
Transaktionsbearbeitung für Geometrie
und Sachdaten
Hersteller-spezifische
Speicherungsstrukturen
Feingranulares Sicherheitskonzept
Spezielle Geo Funktionen und Methoden von DBs
Beziehungen von Objekten
●
equals
●
disjoint
●
intersect
●
touches (intersection at boundaries)
●
crosses (overlap, different dimensions possible)
●
within
●
contains
●
overlaps (must be same dimension)
●
relate (any intersections...?)
Spezielle Geo Funktionen und Methoden von DBs
Methoden auf Objekten
●
Distance
●
Buffer (all objects whose dist from an obj is <= given dist)
●
convexhull (smallest polygon to enclose another geometry)
●
intersection (points common to both geometries)
●
union
●
●
difference (points that are in base and not in comparison
geometry)
A-B
symdifference (points that are in either of the geometry but
not in both)
DB Normalisierung
●
improve stability and simplicity
●
reduce redundancy
●
split into subtables and rejoin at query time...
can be computational expensive and is
therefore often not done in GIS
Geo Interop
GeoWeb
●
GIS are more and more distributed today and
used on mobile devices or webbrowsers
●
U = user
●
D = where is the data stored
●
P = where is the data processed
●
S = area that is the focus of this GIS project
U
UDP
S
D
S
P
Systemarchitektur
Verkehrsinfosystem
Desktop GIS
Intergraph, ESRI,...
Earth Viewer
Präsentationsschicht
WMS
KML
Appschicht
KML Generator
SOAP
Parkinfo.com
Matlab
Verkehrsmodell
Server
ODBC
ArcSDE Technology
www.parkinfo.com
Parkhausbelegung, Info, Preise ...
[Quelle: Schilcher]
Streckennetz, Level of Service Informationen
Datenhaltungsschicht
Begriffsbestimmung (1)
●
Interoperabilität
●
●
●
gegenseitige Inanspruchnahme von Dienstleistungen und
Austausch von Daten über Schnittstellen
Syntaktische Interoperabilität
●
●
●
Fähigkeit von heterogenen Systemen zusammenzuarbeiten
Struktur der Schnittstellen bzw. Datenformate (Syntax) ist
zwischen beteiligten Systemen bekannt und nutzbar
Voraussetzung für Interoperabilität im Allgemeinen
Semantische Interoperabilität
●
Bedeutung der Strukturen (Semantik) ist beteiligten
Systemen bekannt und nutzbar
Begriffsbestimmung (2)
●
Service Orientierte Architektur (SOA):
●
●
Bereitstellung fachlicher Funktionalitäten in Form
von Diensten
Im Allgemeinen: Verteiltes, heterogenes und lose
gekoppeltes System.
Begriffsbestimmung (3)
Web Service:
●
Softwarekomponente (für Inter- und Intranet),
●
Funktionalität über Web-Schnittstelle nutzbar.
Geo Web Service:
●
Web Service zur Nutzung von Geodaten.
Open Geospatial Consortium (OGC):
●
●
internationales Standardisierungsgremium (Hersteller, Anwender,
Hochschulen)
Ziel: Interoperabilität zwischen heterogenen GI-Systemen durch
Standards
OGC Web Service:
●
Geo Web Service mit Zugriffsschnittstelle gemäß OGC-Standard
Standardisierungs-/
Normungsgremien im GIS-Bereich
[Quelle: Schilcher]
Systemarchitektur
Verkehrsinfosystem - Standards
Desktop GIS
Intergraph, ESRI,...
Earth Viewer
KML
Präsentationsschicht
KML
De-facto Std
(Google/OGC)
KML Generator
SOAP
Matlab
Verkehrsmodell
Parkinfo.com
ODBC
SOAP
De-facto Std.
(W3C)
www.parkinfo.com
Parkhausbelegung, Info, Preise ...
[Quelle: Schilcher]
SQL
De-jure Std
(ANSI/ISO)
WMS
WMS
De-jure Std
(ISO/OGC) Appschicht
Server
ODBC
De-facto Std
(Microsoft)
ArcSDE Technology
Streckennetz, Level of Service Informationen
Datenhaltungsschicht
Spezifikationen des OGC
●
WMS - Web Map Service (Version 1.3)
●
WMC - Web Map Context Documents (Version 1.3)
●
SLD - Styled Layer Descriptor (Version 1.1)
●
WFS - Web Feature Service (Version 1.1)
●
FE - Filter Encoding (Version 1.1)
●
GML - Geography Markup Language (Version 3.1.2)
●
WCS - Web Coverage Service (Version 1.0)
●
CAT – Catalog Services (Version 2.0)
●
WSAS – Web Spatial Analysis Service (Entwurf TU München)
●
WPS – Web Processing Service (Version 1.0)
●
KML – Keyhole Markup Language (Version 2.2.0)
Details unter: http://www.opengeospatial.org/specs/
Was ist WMS?
●
●
●
●
●
●
Standard des OGC für Web Map Services
grundlegenden Funktionen zum Generieren von Karten und
Sachdatenanfragen
hierzu: Unterstützung standardisierter Operationen
●
getCapabilities
●
getMap
●
getFeatureInfo (optional)
●
... (optional)
Version 1.0.0 im Jahr 2000
erstmals wirkliche Interoperabilität zwischen unterschiedlichen
GIS
auf Basis von Web Services.
WMS im Detail
1. getCapabilities:
●
●
Ermittelt die Fähigkeiten eines WMS-Servers (welches Gebiet, welche
Themen, welche Datenformate, welche Koordinatensysteme)
=> Layertree im WMS Client wird automatisch generiert
2. getMap
●
●
Fragt nach einem Kartenausschnitt mit Angabe von Gebiet, Themen,
Koordinatensystem und Datenformat
=> Grafikbild wird aufgebaut
3. getFeatureInfo
●
●
Fragt nach Eigenschaften aller Features, die in einem Gebiet liegen
und zum angegebenen Thema passen
=> Sachdaten werden angezeigt
WFS – die Schnittstellen
Web Feature Service Implementation Specification:
●
●
lesender und schreibenden Zugriff auf Geodaten auf der
Ebene von Geoobjekten (sog. Features).
Operationen:
–
GetCapabilities:
●
–
DescribeFeatureType:
●
●
–
Fähigkeiten des Web Feature Servers
Beschreibung eines Objekttyps (welche Attribute hat das Objekt, welche
Datentypen haben die Attribute)
Transferformat der Beschreibung: XMLSCHEMA
GetFeature:
●
●
Liefert Vektordaten (Transferformat GML)
Auswahl der Daten über sog. Filter gemäß OGC Filter Encoding
Unterscheidung WMS, WFS
●
●
WMS beschränkt die
Interoperabilität auf
grafikorientierte
Auskunftslösungen
WFS überwindet
diese Grenzen in
Richtung Objektlogik,
Sachdaten und
Schreibzugriff
(objektstrukturiert)
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