Value- Point- Encoding - Institut für Geodäsie und Geoinformation

Institut für Kartographie und Geoinformation
Prof. Dr. Lutz Plümer
Geoinformatik II
Proseminar 8
04.12.00
Raster
Rasterdaten als Modell,
Operationen, Visualisierung
Geoinformationssysteme
• Beschäftigen sich mit der Verwaltung von Daten
Was sind Daten?
Daten
Geometriedaten
Rasterdaten
Sachdaten
Vektordaten
Geometriedaten: -beschreiben modellhaft räumliche Strukturen der
Umwelt
Sachdaten:
-Kennzeichnen die Strukturen über assoziierte
Attribute
-sind den Geometriedaten in eindeutiger Weise
zugeordnet
2
Wie können Rasterdaten gewonnen werden?
•
•
•
•
•
Aus Satellitenbildern
Aus Luftbilder
Aus gescannten Karten
Aus Photos
Aus konvertieren Daten
Bei diesen Arten der Datengewinnung bestehen die
Ursprungsdaten aus Reihen und Spalten von Zellen. Um solche
Daten in einem GIS System verwenden zu können oder
Analysen durchzuführen müssen die Daten in einem
gemeinsamen Koordinatensystem dargestellt sein. Die
Reihen und Spalten des Rasters sind parallel zur x- und yAchse des Koordinatensystem.
Der Prozeß, der eine Beziehung zwischen Raster und
Koordinatensystem herstellt heißt Georeferenzierung.
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Konvertierte Daten
• Rasterdaten können auch aus TIN oder Vektordaten
durch Konvertierung gewonnen werden.
Konvertierung von Vektordaten:
Arc Catalog:
Rechter Mausklick auf die Datei der Vektordaten
Export  shapefile to Coverage
Das Coverage wird in der Outputdatei erstellt.
Arc Toolbox:
Conversion Tools  Import to Grid
Point / Line / Polygon to Grid
( Inputdatei: Pfad des Coverage( aus Arc Catalog rüberziehen))
Das Raster wird in der Outputdatei erstellt.
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Darstellung von Rasterdatentypen
• Thematische Daten:
Die Werte aller Zellen des Rasters sind gemessene
Größen oder Einteilungen. Diese Rasterdaten stellen
Thematische Karten dar.
• Abbildende Daten:
Der größte Teil der Rasterdaten wird durch
abbildende Systeme an Satelliten oder Flugzeugen
gewonnen.
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Thematische Daten
• Räumlich ununterbrochene Daten:
Der Wert jeder Rasterzelle repräsentiert eine gemessene
Größe. Z.B. Höhe oder Niederschlag
Die gemessenen Werte treffen für das Zentrum einer Zelle zu
und verändern sich von einer Zelle zur nächsten nur wenig.
• Räumlich abgesonderte Daten:
Der Wert jeder Zelle gehört einer Kategorie oder Klassifikation
der Daten an. Z.B. Landeigentum oder Vegetation
Der Wert von einer Zelle zur nächsten ist entweder identisch
oder wechselt abrupt. Er gilt für die gesamte Fläche der Zelle.
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Abbildende Daten
• Spektral und Bilddaten:
Abbildende Systeme zeichnen den Reflektionswert
des Lichts auf. Die Wert gehören zu einem oder
mehreren Streifen des elektromagnetischen
Spektrums.
Normalerweise werden in Bilddaten die roten, grünen
und blauen Anteile des Spektrums dargestellt.
Manche Satellitenbilder beinhalten jedoch sehr viele
Streifen, die zur Oberflächenanalyse der Geometrie
oder Vegetation genutzt werden.
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Datenmodell
Definition:
Datenmodell nach Tsichritzis und Lochovsky (1977)
Ein Datenmodell ist ein Katalog von Richtlinien zur
logischen Organisation der Daten in einer
Datenbank. Sie beinhaltet sowohl Informationen
Über logische Einheiten als auch deren
Beziehungen zueinander.
Datenmodelle werden genutzt um räumliche Strukturen
abzubilden, die jedoch vom Maßstab, Thema und der
Zeit abhängig sind.
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Rasterdatenmodell
• Die darzustellenden Strukturen werden durch ein
regelhaftes, in matrixform gegliedertes System von
regular tesselations bedeckt.
• Unter tesselations versteht man reguläre oder
irreguläre Flächen- oder Raumeinheiten, durch die
das Abbild eines geographischen Raumes zergliedert
wird.
• Regular tesselations können durch dreieckige,
quadratische oder sechseckige Pixel gebildet
werden.
• Beim Aufbau von 3-d Modellen werden Pyramiden
genutzt.
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Rasterdatenmodell
• Die Pixel sind durch Zellen- und Spaltennummer eindeutig
bestimmt
• Jedes Pixel ist Träger genau eines Wertes
• Ein komplettes Set von Zellen mit Werten wird als Coverage
bezeichnet
• Die Werte können aus alphanumerischen oder numerischen
Daten bestehen.
Spalten 0
Zeilen
0
1
2
3
4
5
6
7
1 2
3 4 5 6
7
10
Datentypen
• Nominal data
Aufgrund nominaler Daten kann eine Gruppe, Klasse
oder Kategorie von einer anderen unterschieden
werden. Der Wert legt eine qualitative Eigenschaft
ohne Bezug zu einem bestimmten Ursprung fest. Bei
nominalen Daten ist nur die Unterscheidbarkeit
voneinander von Bedeutung.
Z.B. Verschiedene Bodenarten, Landnutzung
11
Datentypen
• Ordinal data
Die Werte legen eine Reihenfolge fest ( 1.,2....).
Jedoch werden keine Größen oder Beziehungen
festgesetzt.
Es kann also nicht die Schlußfolgerung diese Stelle
ist größer oder höher als eine andere gezogen
werden. Die Werte haben die Bedeutung „ist besser
geeignet als“.
Z.B. Eignung des Bodens für einen best. Anbau
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Datentypen
• Interval data
Die Werte repräsentieren eine maßstabsgerechte
Messung, die jedoch keinen festgelegten Nullpunkt
hat.
Es können also nur Vergleiche zwischen den Daten
durchgeführt werden.
Die Daten können nicht auf den Nullpunkt des
Maßstabs reduziert werden.
Z.B. Temperatur, PH- Wert
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Datentypen
• Ratio data
Die Werte repräsentieren eine maßstabsgerechte
Messung mit festgelegtem Nullpunkt.
Bei Anwendung mathematischer Operationen auf
diese Daten können aussagefähige Ergebnisse
erzielt werden.
Z.B. Entfernungen, Höhen, Volumen
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Rasterdatenmodell
• Die Zellenwerte können aus Integer oder reellen
Zahlenwerten bestehen
• Wenn keine Daten vorliegen wird die Zelle mit dem
Wert NODATA geführt
• Integerwerte sind oft ein Code für komplexe
Identifikationen
• Der Code tritt im Raster oft auf, wird jedoch in der
Attribut table nur einmal abgespeichert
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Rasterdatenmodell
• Raster können aus einem oder mehreren Bändern bestehen:
• Single- band raster
Für single- band raster gibt es drei verschiedene
Möglichkeiten der Darstellung:
• Monochrome image
Jede Zelle hat entweder den wert 1 oder 0
gescannte Karten
• Grayscale image
Jede Zelle hat einen Wert zwischen 0 und 255
Schwarz- Weis- bilder
• Display colormap image
Die Werte sind codiert und geben in der colormap eine
deffinierte ror- grün- blau Einstellung an
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Rasterdatenmodell
• Multiband raster
• Ein Band repräsentiert einen Teil des
elektromagnetischen Spektrums, das durch einen
Sensor gewonnen wurde. Hierbei können auch für
das Auge unsichtbare Wellenlängen dargestellt
werden.
• Sie werden oft als rot- grün- blau Kompositionen
dargestellt.
• Die Werte liegen zwischen 0 und 255
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Wie können Rasterdaten gespeichert werden?
Es gibt verschiedene Möglichkeiten der Speicherung
von Rasterdaten:
• Full- Raster - Encoding
• Run- Length- Encoding
• Value- Point- Encoding
• Quadtree- Verfahren
In Abhängigkeit von der Genauigkeit und somit
Auflösung eines Rasterbildes fallen sehr große
Datenmengen an. Die verschiedenen
Speichermöglichkeiten bieten eine Möglichkeit zur
Datenreduktion.
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Full- Raster- Encoding
Die Werte werden in einer vollständigen Datenmatrix
abgespeichert.
Ausgangsbild
Datenmatrix mit 64
Werten ( 100%)
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
19
Run- Length- Encoding
• Matrix wird Zeile für Zeile beschrieben
• Werte werden in einer Tabelle abgespeichert
• Zeilenangabe, Wert, Anzahl der Zellen mit gleichem Wert
48 Werte ( ca. 75%)
Zeile
0
0
1
1
1
2
2
2
3
4
5
5
6
6
7
7
Wert
1
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
1
0
1
0
1
Länge
3
5
2
1
5
2
2
4
8
8
5
3
7
1
7
1
20
Value- Point- Encoding
• Es werden nur noch die jeweils letzten Positionen
einer homogenen Zellenkette abgespeichert
• Wert (x, y Koordinate des Endpunktes (Zeile, Spalte))
• Speicherplatzgewinn gegenüber den vorherigen
Verfahren, wenn mehrere Zeilen den selben Wert
besitzen
22 Wert ( ca. 44%)
Wert
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
Endpunkt
( 0,2
( 1,1
( 1,2
( 2,1
( 2,3
( 5,4
( 5,7
( 6,6
( 6,7
( 7,6
( 7,7
( x,y )
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
21
Quadtree- Verfahren
• Es handelt sich um eine hirarchisch organisierte Form
• Das Ausgangsbild wird in Quadranten zerlegt:
=> sind alle Zellen innerhalb eines Quadranten homogen, wird
der Wert in der 1. Ebene abgespeichert
=> die nicht homogenen Quaqdranten werden wieder in
Quadranten unterteilt und auf Homogenität untersucht
=> Homogene Werte werden
in der 2. Ebene abgespeichert
usw.
28 Wert ( ca. 44%)
22
Worin liegen Vor- und Nachteile von
Rasterdaten?
Vorteile
Raumbezogene
Analysen können mit
hoher Geschwindigkeit
durchgeführt werden
Die Werte jeder Zelle
liegen direkt in der
Datenbank vor und
müssen nicht wie bei
Vektordaten erst
berechnet werden
Nachteile
Es fallen in Abhängigkeit
von der Auflösung große
Datenmengen an ( FullRaster- Encoding)
Eine hohe Genauigkeit
ist nur bei sehr hoher
Auflösung möglich
Die Werte einen Zelle
beziehen sich nicht auf
einen bestimmten Punkt
( Koordinate), da Pixel
verwaltet werden
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Rasteroperationen
• Sie werden verwendet um geeignete Analysen in
einem Gebiet durchführen zu können.
• Es gibt:
Arithmetische ( -, mod, *, /, +, log, exp, sin, cos, sqrt)
Boolsche ( ^not, &, ! Or, | xor )
Relationale ( <, <=, >, >=, ==, ^= )
Bitwise
( binäre Darstellung der integer Inputwertre)
Combinatorial
Accumulative
Assignment
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Rasteroperationen
• Kalkulationen werden durch mathematische
Operationen dargestellt. Es werden jeweils zwei
input- grids mathematisch miteinander verknüpft und
das Ergebnis im output- grid dargestellt.
• Mit boolschen oder relatinalen Operationen können
Anfragen an eine Karte gestellt werden. Es werden 2
input- grids benötigt. Hierbei wird der Wert 0 als
„falsch“ und Werte ungleich 0 als „ richtig „
angesehen. NODATA wird in NODATA abgebildet. Im
output- grid wird eine „wahre“ Beziehung mit 1, eine
„falsche“ mit 0 dargestellt.
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Rasterfunktionen
• Lokal funktion:
es können Kalkulationen mit einer Zelle durchgeführt
werden, wobei die Nachbarzellen das Ergebnis nicht
beinflussen.
• Focal funktion:
es können Kalkulationen mit einer einzelnen Zelle und
ihren Nachbarzellen durchgeführt werden.
• Zonal funktion:
es können Kalkulationen mit einem Set von Zellen
durchgeführt werden, die alle den gleichen Wert haben.
• Global funktion:
es können Kalkulationen bezüglich des gesamten
Rasters durchgeführt werden.
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Arc Grid
• Anwenden von Rasteroperationen:
• Auswahl bestimmter Staaten
Arc Tools öffnen
Workspace: directory einstellen
Commands: outgrid = ingrid == 1
Edit: Open
• Auswahl der Straßen innerhalb der gewählten
Staaten:
Commands: outgrid _1 = not roadsgrid1 & outgrid
Das Ergebnis der Operationen kann unter
v:\bettina\karte1 angesehen werden
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Aufgabe
• Erstelle in Arc Grid ein output grid
Es soll ein Wasserkraftwerk gebaut werden. Hierfür
sollen in den ausgewählten Staaten alle möglichen
Standortmöglichkeiten angezeigt werden.
Vorraussetzung: Der gesuchte Ort muß gleichzeitig
an einer Straße und an einem Fluß liegen.
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