Kein Folientitel - Universität der Bundeswehr München

MSC Bau, Modul „GIS“ (Nr. 1620)
Kap 3. GIS - Analysen
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Reinhardt
AGIS / Institut für Angewandte Informatik (INF 4)
Universität der Bundeswehr München
[email protected]
www.agis.unibw.de
Ziele und Inhalte – Vorlesung GIS
Ziele:
Weitergehende GIS-Technologien kennen
(Datenerfassung, DB, GeoWebservices, Analysen)
GIS Analysen durchführen können
GIS Datenangebot kennen und bewerten
Inhalte :
• Kap 1: GIS – Datenerfassung und Überblick Datenangebot
• Kap 2: Einführung Datenbanken, SQL, Geodatenbanken
• Kap 3:GIS Analysen
• Kap 4: Visualisierung
• Kap 5: Weitere Themen
• Übungen
Kap3:
GIS Analysen, Selektionen, Aggregation, Reklassifizierung
GIS Analysen
Definition von Bailey (1993):
„Analysis is a general ability to manipulate spatial
data into different forms and so extract additional
meaning as a result“
• Ziel ist somit die Generierung von Information!
• GIS Analysen dienen i.d.R. übergeordneten
fachlichen Zwecken (z.B. Hochwassergefährdete
Gebiete zu identifizieren)
GIS Analysen
Analyse hat verschiedene Dimensionen, primär:
•
•
•
•
•
•
Mathematik (->math. Operationen)
Statistik (-stat. Verteilung)
Informatik (-> Algorithmen, Werkzeuge)
….
Datenbanken (Datenhaltung, Abfrage)
GIS (GIS-Analysen verbinden allg. Analysen mit
raumbezogenen Operatoren und Fragestellungen)
GIS Analysen
Eine wichtige “Untermenge” von Analysen sind “Abfragen”
Thematische Abfragen
einfache Datenbank-Abfrage (SQL) z.B.*
„SELECT * FROM Staedte WHERE Staedte.Einwohner> 100000“,
Ergebnis? Kann dies auch eine raumbezogene Anfrage sein?
Raumbezogene Abfragen beantworten Fragen wie:
Wo ist (sind die Städte >100000)?
Was ist in der Nähe, benachbart?
Wo liegen best. Bedingungen vor (fachlich, inhaltlich wie
Bodenarten, Feuchte, Hangneigung)
- Auswahl best. Punkte (-> Städte) im Umkreis (-i.w. auch
Selektionen genannt)
Analyseverfahren
GIS-Analysen -Überblick
-
Hinweise:
Kategorien
Direkte Selektion
Die Erläuterung erfolgt nicht formal,
Geometrische Selektion
Topologische Selektion
sondern an Hand von Beispielen!
Auswertung von Attributdaten
Reklassifizierung
Aggregation
Analyse geometrischer Eigenschaften und Beziehungen
Anwendungsbeispiel Puffer- und Zonenbildung
Allgemeine topologische Beziehungen
Topologische Beziehungen
Netzwerkanalyse
Verknüpfung verschiedener Themen durch Verschneidung (1)
Verknüpfung verschiedener Themen durch Verschneidung (2)
Verknüpfung verschiedener Themen durch Verschneidung (3)
Verschneidung auf Basis von Vektordaten
Verschneidung auf Basis von Rasterdaten
Ergebnis der Rasterverschneidung
Analyseverfahren
Überblick
Räumliche Analyseverfahren
sind eine wichtige
Komponente eines GIS. Die
Bezeichnungen und die
Vielfalt dieser
Analyseverfahren
Kategorien von Analyseverfahren
Netzwerkanalysen,
Geometrische
Berechnungen
variiert je nach
GIS- Produkt.
Attributauswertungen,
Selektionen
GIS
Kategorien
aus der Sicht
des Anwenders:
Verschneidungen
Pufferung
Animation: 5x klicken
Räumliche Interpolation
Analyseverfahren
Direkte Selektion
Animation: klicken
Analyseverfahren
Geometrische Selektion
Animation: klicken
Analyseverfahren
Topologische Selektion
Animation: klicken
Übersicht topologische Operatoren nach Egenhofer
x
x
x y
y
X disjoint y
y
y
X touch y
X equal y
x
x
x
y
X inside y
X contains y
y
x
y
x
y
X covers y
X coveredby y
y
X overlaps y
Nur Beispiele!
Nicht nur für Flächen definiert
Animation: 8 x klicken
Analyseverfahren
Auswertung von Attributdaten
Beispiel:
Flächenbilanzen
Landnutzung
ID
Landnutzung
Fläche m²
1
Bebauung
10250
2
Bebauung
Landnutzung
Summe Fläche
Bebauung
18382
8133
Wald
27380
Acker
48923
3
Wald
9201
4
Wald
8956
5
Acker
9323
6
Acker
9500
7
Acker
10450
8
Acker
9430
9
Acker
7998
10
Acker
11560
Animation: 3x klicken
Analyseverfahren
Reklassifizierung
Neue Klassifizierung / Reklassifizierung von Daten:
Zuweisen eines
übergeordneten
Attributes für
ähnliche Flächen
und Gruppierung
zu einer neuen
Klasse.
Hangneigungsflächen
Gegebene Objekte:
Flächen
1
2
3
4
5
6
7
Reklassifizierung
Neigungskarte flächengleicher Neigung
Neue Objekte:
Klassen
1
2
3
Animation: 2x klicken
Hangneigung (%)
5
7
27
11
13
21
23
Hangneigung in %
0-10
10-20
20-30
Analyseverfahren
Reklassifizierung, Aggregation
Operator „Dissolve“:
Zusammenfassung von Objekten (mit Vektorgeometrie wie Polygone, Linien)
gleicher Merkmale (Attributwerte, Wertebereiche)
Analyseverfahren
Reklassifizierung , Aggregation
Flächen mit einem
gemeinsamen
Attribut (Europa)
werden zusammen
gefasst.
Ein Attribut
(Einwohnerzahlen)
wird hier
aufsummiert.
Animation: klicken
Analyse geometrischer Eigenschaften und
Beziehungen
Vgl. Kap. 1 – geometrische Operatoren:
Analyseverfahren
Analyseverfahren
Puffer- / Zonen- Bildung
Puffer- und Zonenbildung:
-
Gebildete Fläche um Punkt,
Linie oder Flächenrand mit
variablem Abstand
-
Abfrage nach Features /
Merkmalen in dieser Zone
Animation: 1x klicken
Analyseverfahren
Strukturelle Beziehungen
Strukturelle Eigenschaften von Objekten
Beispiel:
Autobahn
Komplexes Objekt:
“Autobahn” besteht
aus zwei Teilobjekten
Fahrspur 1
Fahrspur 2
Beispielsanfrage: Wie viele Fahrspuren hat eine Straße?
(Anzahl Fahrspuren hier kein Attribut)
Oder wie viele Bauteile hat ein Gebäude?
Analyseverfahren
Netzwerkanalysen
Analyse auf Basis von Graphenstrukturen
Attribute Kante:
- geometrische Länge, z.B. 1 km
Knoten
1 H
a
Kante
H
- Fahrzeit von Haltestelle 1 nach
Haltestelle 2, z.B. 3 min
Attribut Knoten:
2
b
H
3
- z. B.: Spezifische Wartezeit an Haltestelle
Eine Route setzt sich aus einer Abfolge von Kanten und Knoten zusammen.
Dabei werden Attribute summiert. Beispiel: Gesucht ist die Gesamtzeit, die
ein Bus von Haltestelle 1 nach Haltestelle 3 benötigt:
Haltestelle
1
2
3
Wartezeit (min)
3
2
4
+
Karte
a
b
Fahrzeit (min)
7
12
Ergebnis: 28 Minuten
Animation: 5x klicken
Analyseverfahren
Netzwerkanalyse ->13.5
• Gegeben: Straßennetz
• Gesucht: Kürzeste (schnellste)
Verbindung von A nach B
• Annahme: Straßennetz liegt in
Graphenform (Knoten und Kanten)
vor, Kanten haben Gewichte
Standardalgorithmus zur Berechnung des
kürzesten oder schnellsten Wegs:
Dijkstra Algorithmus
Dijkstra Algorithmus – ein Beispiel
S
Grüne Knoten: in Arbeit /bearbeitet
2
11
2
Rote Knoten: Rand des jeweiligen TG
Grüne Kanten: Kürzeste Wege
7
3
6
8
9
4
5
Dijkstra Algorithmus
Beschreibung des Algorithmus
 Bildung eines Teilgraphen TG in G, ausgehend von s
- TG beschreibt den erkundeten Teil von G,
bestehend aus:



Allen Knoten die mit s verbunden sind, dabei
bedeuten:
Grüne Knoten: In Arbeit / bearbeitet
Rote Knoten: Rand vom TG
- Markierung der Kanten innerhalb des TG


Grüne Kanten: Bilden kürzeste Wege
Rote Kanten: „längere (eliminierte)“ Wege
- In jedem Knoten wird der Abstand zu s verwaltet
- TG wächst, indem in jedem Schritt der
Randknoten mit minimalen Abstand von s ins
Innere von TG übernommen wird
- „Nachfolger“ übernommener Knoten werden
Randknoten
- Kürzeste Pfade zu grünen Knoten, die erneut
erreicht werden, sind ggf. zu korrigieren
Dijkstra Algorithmus
Knoten: Blau -> Rot (Beispiel)
Analyse: Erreichbarkeit in Notfällen
Analyseverfahren
Räumliche Interpolation
Gegeben: Anzahl von Punkten mit spez. Attributen
Gesucht: Verteilung im Raum / Flächenhafte Darstellung
„Hilfstrukturen“:
• Gitter (Grid)
• Dreiecksnetz (TIN)
•Dreiecksnetz (TIN)
Gitter (Grid)
Vgl. Geodäsie und GIS, Einführung GIS, Kap.2
Analyseverfahren
Räumliche Analysen
Beispiel: Oberflächenanalysen
Gegeben DGM (Gitter) mit Höhenwerten
Gesucht: Neigungen (slope), Abflussmodell
Einfache Berechnungsmodelle:
Gitter (Grid)
tan t = dh / a
t
a
dh
Analyseverfahren
Voronoi Diagramm
Gegeben: Anzahl von Punkten
Gesucht: Einzugsbereiche, Flächen, die näher an Pi als an
anderen Punkten liegen
Beispiel eines VoronoiDiagramms
Anwendungen:
• „Postamtproblem“
• Schulzuordnung
• weitere
Vgl. Geodäsie und GIS, Einführung GIS, Kap.2
Verknüpfung verschiedener Themen durch
Verschneidung (1)
Gegeben: 2 thematische Ebenen in Vektorstruktur
Ziel:
Verschneidung der beiden Ebenen mit
Attributauswertung
Ablauf:
1. Verschneidung auf Basis der Vektorobjekte
(Kombinationsmöglichkeiten siehe Abbildungen
2. Attributauswertung
Beispiel: Verschneidung flächenhaft - flächenhaft
Neigungskarte
Bodentypenkarte
Analyseverfahren
Verknüpfung verschiedener Themen durch
Verschneidung (2)
Beispiel: Verschneidung flächenhaft – linienhaft
Vegetation
Geplante Terrasse
Beispiel: Verschneidung flächenhaft - punkthaft
Flurstück
Messpunkte
Analyseverfahren
Verknüpfung verschiedener Themen durch
Verschneidung (3)
Beispiel: Verschneidung linienhaft - linienhaft
Straßen
Flüsse
Beispiel: Verschneidung linienhaft - punkthaft
Straßen
Tierstandorte
Lebensraum
Analyseverfahren
Verknüpfung verschiedener Themen durch
Verschneidung (4)
Operator Intersect
Objekt B
Objekt A
• i.d.R logisches UND
• Attribute zu beachten
• Layer statt einzelne Objekte!
Verknüpfung verschiedener Themen durch
Verschneidung (4)
Quelle: Hardy Pundt
Verknüpfung verschiedener Themen durch
Verschneidung (5)
Quelle: Hardy Pundt
Analyseverfahren
Verschneidung auf Basis von Vektordaten
Die Vektorobjekte von
zwei Ebenen werden mit
Ihren Attributdaten zu
einer neuen Ebene
verbunden
A
B
A Ac B
c
c
b
a
C
C
b
a
ai
Ai
Ablauf
1.
Geometrische
Verschneidung (neue
Teilflächen entstehen)
A
…
…
a
…
…
B
…
…
b
…
…
C
…
…
c
…
…
Aa
A(Ac) = A(A) o A(a)
Aa
…
…
Ac
…
…
Ba
…
…
Bb
2.
Attributvererbung
3.
Umklassifizierung
4.
Beseitigung unnötiger
Kanten (dissolve)
Bc
Analyseverfahren
Verschneidung auf Basis von Rasterdaten
Gegeben: zwei thematische Ebenen (layer) in
Rasterstruktur
Ziel:
Verschneidung und Attributauswertung
Analyseverfahren
Einschub: Analysen auf Basis von Rasterdaten
Pixelweise Operationen zwischen zwei oder mehr Inputrastern möglich
1. Arithmetische Operatoren: + ,-*, /
2. Logische Operatoren; and, or, etc.
3. Vergleichsoperatoren: =, <, etc.
4. Beliebige Formelverknüpfungen möglich, z.B. Pi (layer neu) = Pi (layer 1) * 3 * Pi (layer 2)
Wobei Pi der Wert eines Pixels i ist
5. Anwendung von Filtern sehr einfach
….
Analyseverfahren
Verschneidung auf Basis von Rasterdaten
Gegeben: zwei thematische Ebenen (layer) in
Rasterstruktur
Ziel:
Ablauf:
Verschneidung und Attributauswertung
1. eventuell Konvertierung der Daten von
Vektor- in Rasterstruktur
2. Verschneidung auf Basis der Pixel
3. Attributauswertung
Analyseverfahren
Ergebnis der Rasterverschneidung
Jeder Pixel repräsentiert
einen Datensatz mit
mehreren Attributen.
Durch die Verschneidung
der zwei Rasterebenen
werden hier jeweils die
Attribute von je zwei
Ausgangspixel zu einem
Ergebnispixel vereinigt.