X - Institut für Geodäsie und Geoinformation der Universität Bonn

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Institut für Kartographie und Geoinformation
Prof. Dr. Lutz Plümer
Plümer, Dr. Gerhard Gröger
Geoinformation III
Vorlesung 10
Normen und Standards in GIS
Überblick
• Motivation: mangelnden Interoperabilität
• Welche Standards/Normen gibt es im GIS-Bereich?
• Fokus: hersteller- und anwendungsunabhängige
Geometriestandards
• die beiden wichtigsten:
– einfacher Standard: Simple Features
– komplexer Standard: ISO/DIS Spatial Schema
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Wozu Standards?
• erforderlich:
z.B. Sender- Anwendung
• gemeinsamer Dienst
GIS D
standort(Kommunikation)
Modell D
planung
• gemeinsames
Geometriemodell
• Interoperabilität:
Internet, Intranet, ...
reibungslose
Zusammenarbeit
zwischen
GIS A
GIS B
GIS C
verschiedenen
Systemen
Modell A
Modell B
Modell C
z.B. Häuser
in BN
z.B. Häuser z.B. Geländein SU
modell
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GIS-Standards: Organisationen
• OGC - Open GIS Consortium
– internationales privates Konsortium von GIS-Herstellern,
Behörden und Universitäten
– herstellerübergreifend
– www.opengis.org
• ISO - International Organization for Standardization
–
–
–
–
offizielle Standardisierungsorganisation
in Deutschland durch DIN vertreten
GIS-Bereich: Arbeitsgruppe (TC) 211
www.isotc211.org
• CEN / DIN - Europäisches/Dt. Komitee für Normung
– Normen sind oder werden abgelöst durch ISO-Normen
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Interoperabilität: Die wichtigsten Dienste
• Austausch von Vektordaten (Objekten) im WWW
– Web Feature Server
– Geography Markup Language (GML)
• Austausch von Karten (Bildern) im WWW
– Web Map Server
• Austausch von Vektordaten über Datenbankanfragen
– „Simple Features“ for SQL
• Programmierschnittstellen
– „Simple Features“ for CORBA
– „Simple Features“ for OLE/COM
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Dienste: Welche Geometriemodelle?
Dienst
Modell
Vektor-Datenaustausch im
WWW:
GML 2
Vektor-Datenaustausch über
Anfragen an Datenbanken:
SQL
Vektor-Datenaustausch im
WWW:
GML 3
„Simple Features“
• nur 2D
• einfache Geometrie
• keine Topologie
Spatial Schema
• 2D + 3D
• reichhaltige Geometrie
• Topologie
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Geometriemodelle: Unterschiede
Simple Features
Spatial Schema
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
OGC
nur 2D
keine Topologie
nur gerade Linien
nur ebene Polygone
• Implementationen:
GML 2, SQL,
OLE/COM, CORBA
OGC/ISO
auch 3D (Volumen)
Topologie
auch Kreisbögen, Splines, ..
auch gekrümmte Flächen
(Zylinder-, BSplineflächen,...)
• Dreiecksvermaschungen
• Implementationen:
GML 3 (noch nicht veröff.)
• Anwendung: z.B. ALKIS (2D)
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Geometriemodelle: Gemeinsamkeiten
Simple Features / Spatial Schema
• Modellierung der Geometrie raumbezogener Objekte
• Formalismus: UML
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Dokumente
• Simple Features
– Spezifikation: http://www.opengis.org/techno/specs/99-049.pdf
– GML 2: http://www.opengis.net/gml/02-069/GML2-12.pdf
• Spatial Schema
– Spezifikation: http://www.opengis.org/techno/abstract/01-101.pdf
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Weitere hersteller- u. anwendungsunabhängige GIS-Standards
• OGC (Open GIS Consortium)
– Kataloge (Wo finde ich welche Daten?)
– Koordinatentransformation
– .....
• ISO (International Organization for Standardization)
– Rules for application schema (Anwendungsobjekte und
Verknüpfung mit Geometrie und Topologie)
– Temporal schema (Zeit)
– Feature cataloguing methodology
– Spatial referencing by coordinates
– Quality principles
– Metadata
– Portrayal (Visualisierung)
– Encoding (Datentransfer)
– …… (insgesamt 25 Standards)
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Weitere Arten von GIS-Standards
• herstellerspezifische Standards, z.B.
– Shapefiles, Coverages (ESRI)
– SQD (SICAD)
– ...
• anwendungsspezifische Standards, z.B.
–
–
–
–
–
–
–
ATKIS (topographische Daten)
ALK (Kataster - geometrisch)
ALB (Kataster - nichtgeometrisch)
ALKIS (Kataster – neu)
EDBS (Datenaustausch für ATKIS/ALK)
DIGEST (Datenaustausch im militärischen Bereich)
...
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Simple Features
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Simple Features: UML-Diagramm
Abstrakte Klasse
(grün bzw. kursiv)
Point
1+
Geometry
Curve
Surface
LineString
Polygon
SpatialReferenceSystem
GeometryCollection
2+
1+
MultiSurface
MultiCurve
MultiPoint
1+
Line
LinearRing
MultiPolygon
MultiLineString
1+
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UML-Diagramm: 1-D-Objekte
Geometry
Point
1+
Curve
Surface
LineString
Polygon
SpatialReferenceSystem
GeometryCollection
2+
1+
MultiSurface
MultiCurve
MultiPoint
1+
Line
LinearRing
MultiPolygon
MultiLineString
1+
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1-D-Objekte: LineString, Line, Linear Ring
• LineString: Folge von Punkten, mit
geraden Liniensegmenten verbunden
• einfacher LineString: keinen Punkt
wird mehrfach durchlaufen
• geschlossener LineString:
Anfangspunkt = Endpunkt
• Line: LineString mit genau 2 Punkten
• LinearRing: einfacher,
geschlossener LineString
nicht einfach
einfach
geschlossen
nicht einfach
Line
LinearRing
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UML-Diagramm 1-D-Objekte
Geometry
Point
1+
Curve
Surface
LineString
Polygon
SpatialReferenceSystem
GeometryCollection
2+
1+
MultiSurface
MultiCurve
MultiPoint
1+
Line
LinearRing
MultiPolygon
MultiLineString
1+
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1-D-Objekte: MultiLineString
• MultiLineString: Menge (Aggregation)
von LineStrings
LineString1
LineString2
LineString1
LineString1
LineString2
LineString2
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Simple Features und Topologie
LineString3
LineString2
Punkt p
LineString1
• drei LineStrings mit einem gemeinsamen Punkt p
• Punkt p existiert dreimal (einmal für LineString1,
einmal für LineString2 und einmal für LineString3)
• drei Punkte mit identischen Koordinaten
• es gibt keine Knoten im Sinn von
Landkarten/Graphen
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UML-Diagramm: 2-D-Objekte
Geometry
Point
1+
Curve
Surface
LineString
Polygon
SpatialReferenceSystem
GeometryCollection
2+
1+
MultiSurface
MultiCurve
MultiPoint
1+
Line
LinearRing
MultiPolygon
MultiLineString
1+
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Polygon: Definition
• begrenzt durch genau einen äußeren Ring und
beliebig viele innere Ringe (= einfache Zyklen)
• Inneres topologisch zusammenhängend
Polygon
nicht topologisch
kein Polygon
zusammenhängend
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Polygon: Definition
• begrenzt durch genau einen äußeren Ring und
beliebig viele innere Ringe (= einfache Zyklen)
• Inneres topologisch zusammenhängend
Polygon
Polygon
Polygon
kein Polygon
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Polygon: Definition
• begrenzt durch genau einen äußeren Ring und
beliebig viele innere Ringe (= einfache Zyklen)
• Inneres topologisch zusammenhängend
Polygon
nichtPolygon
topologisch
kein
kein Polygon
zusammenhängend
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UML-Diagramm: 2-D-Objekte
Geometry
Point
1+
Curve
Surface
LineString
Polygon
SpatialReferenceSystem
GeometryCollection
2+
1+
MultiSurface
MultiCurve
MultiPoint
1+
Line
LinearRing
MultiPolygon
MultiLineString
1+
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MultiPolygon: Definition
• Aggregation von Polygonen
• Die Inneren der Polygone sind disjunkt
• Berührung der Ränder zweier Polygone nur in
Punkten
Polygon 1
Polygon 1
Polygon 1
Polygon 2
ein MultiPolygon
Polygon 2
ein MultiPolygon
Polygon 2
kein MultiPolygon
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Polygon und MultiPolygon
• Zweck der Unterscheidung: Eindeutigkeit der
Modellierung
• Eindeutigkeit: für jedes Realweltobjekt
("Punktmenge") darf es nur eine Möglichkeit der
Modellierung geben
Park
ein
Polygon
mit Loch
Erfasser 1
zwei verschiedene
Möglichkeiten
zwei
Polygone
Erfasser 2
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Simple Features: Methoden (Auszug)
Geometry
+ReferenceSystem()
+Dimension()
+Boundary()
Point
+X()
+Y()
2+
Curve
+Length()
+StartPoint()
+EndPoint()
+IsClosed()
+IsRing()
Surface
+Area()
+Centroid()
+PointOnSurface()
Polygon
LineString
+NumberofPoints()
+PointN()
+ExteriorRing()
+NumInteroirRing()
+InteriorRingN()
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Methoden für topologische Relationen
• boolesche Methoden
• Zweck: raumbezogene Anfragen (Fließt der Rhein
durch Hessen? Grenzt Siegburg an Bonn?)
• Ähnlich zu 4-Schnitt-Modell von Egenhofer
(Vorlesung GIS I)
• Erweiterung des 4-Schnitt-Modells (Flächen) auf
punkt- und linienhafte Objekte
• Dimensionserweitertes 9-Schnitt-Modell
(DE-9IM)
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Punktmengentopologie (Wh. aus GIS I)
• Beziehungen zwischen
Punktmengen
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28
Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y

not 
not 


not 
not 
not 


not 
not 
not 
not 
not 
not 



not 


not 
not 




not 
not 

not 
Operation
X disjunkt Y
X trifft Y
X gleicht Y
X innerhalb Y
Y innerhalb X
X überdeckt Y
Y überdeckt X
X überlappt Y
X
Y
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29
Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y

not 
not 


not 
not 
not 


not 
not 
not 
not 
not 
not 



not 


not 
not 




not 
not 

not 
Operation
X disjunkt Y
X trifft Y
X gleicht Y
X innerhalb Y
Y innerhalb X
X überdeckt Y
Y überdeckt X
X überlappt Y
X
Y
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30
Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y

not 
not 


not 
not 
not 


not 
not 
not 
not 
not 
not 



not 


not 
not 




not 
not 

not 
Operation
X disjunkt Y
X trifft Y
X gleicht Y
X innerhalb Y
Y innerhalb X
X überdeckt Y
Y überdeckt X
X überlappt Y
X
Y
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31
Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y

not 
not 


not 
not 
not 


not 
not 
not 
not 
not 
not 



not 


not 
not 




not 
not 

not 
Operation
X disjunkt Y
X trifft Y
X gleicht Y
X innerhalb Y
Y innerhalb X
X überdeckt Y
Y überdeckt X
X überlappt Y
X
Y
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32
Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y

not 
not 


not 
not 
not 


not 
not 
not 
not 
not 
not 



not 


not 
not 




not 
not 

not 
Operation
X disjunkt Y
X trifft Y
X gleicht Y
X innerhalb Y
Y innerhalb X
X überdeckt Y
Y überdeckt X
X überlappt Y
X
Y
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33
Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y

not 
not 


not 
not 
not 


not 
not 
not 
not 
not 
not 



not 


not 
not 




not 
not 

not 
Operation
X disjunkt Y
X trifft Y
X gleicht Y
X innerhalb Y
Y innerhalb X
X überdeckt Y
Y überdeckt X
X überlappt Y
X
Y
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Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y

not 
not 


not 
not 
not 


not 
not 
not 
not 
not 
not 



not 


not 
not 




not 
not 

not 
Operation
X disjunkt Y
X trifft Y
X gleicht Y
X innerhalb Y
Y innerhalb X
X überdeckt Y
Y überdeckt X
X überlappt Y
X
Y
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Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y

not 
not 


not 
not 
not 


not 
not 
not 
not 
not 
not 



not 


not 
not 




not 
not 

not 
Operation
X disjunkt Y
X trifft Y
X gleicht Y
X innerhalb Y
Y innerhalb X
X überdeckt Y
Y überdeckt X
X überlappt Y
X
Y
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Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y

not 
not 


not 
not 
not 


not 
not 
not 
not 
not 
not 



not 


not 
not 




not 
not 

not 
Operation
X disjunkt Y
X trifft Y
X gleicht Y
X innerhalb Y
Y innerhalb X
X überdeckt Y
Y überdeckt X
X überlappt Y
X
Y
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Vom 4 Schnitt- zum 9-Schnitt-Modell:
Rand, Inneres und Äußeres
Inneres (°) rot
Rand () grün
Äußeres ( ¯ ) blau
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Vom 4 Schnitt- zum 9-Schnitt-Modell
4-Schnitt-Modell
Inneres Y
Rand Y
Inneres X
X°  Y°
X°  Y
Rand X
X  Y°
X  Y
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Vom 4 Schnitt- zum 9-Schnitt-Modell
9-Schnitt-Modell (blau und grün)
Inneres Y
Rand Y
Äußeres Y
Inneres X
X°  Y°
X°  Y
X°  Y ¯
Rand X
X  Y°
X  Y
X  Y ¯
Äußeres X
X ¯  Y°
X ¯  Y
X¯Y¯
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40
Was bringt das 9-Schnitt-Modell?
F
L
4-Schnitt-Modell
Schnitte der Inneren leer
Schnitte Rand mit Innerem leer
Schnitte der Ränder nicht leer
F
L
4-Schnitt-Modell
Schnitte der Inneren leer
Schnitte Rand/Innere leer
Schnitte der Ränder nicht leer
im 4-Schnitt-Modell nicht unterscheidbar!
9-Schnitt-Modell
Schnitt des Äußeren von F
mit Rand von L nicht leer
9-Schnitt-Modell
Schnitt des Äußeren von F
mit Rand von L leer
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41
Erweiterung um Dimension
9- und 4-Schnitt-Modell: Schnitt leer/nicht leer
Erweiterung: Dimension des Schnitts
Inneres Y
Rand Y
Äußeres Y
Inneres X
dim(X°  Y°)
dim(X°  Y)
dim(X°  Y ¯)
Rand X
dim(X  Y°)
dim(X  Y)
dim(X  Y ¯)
Äußeres X
dim(X ¯  Y°)
dim(X ¯  Y)
dim(X ¯  Y ¯)
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42
Erweiterung um Dimension
9- und 4-Schnitt-Modell: Schnitt leer/nicht leer
Erweiterung: Dimension des Schnitts
Inneres Y
Rand Y
Äußeres Y
Inneres X
dim(X°  Y°)
dim(X°  Y)
dim(X°  Y ¯)
Rand X
dim(X  Y°)
dim(X  Y)
dim(X  Y ¯)
Äußeres X
dim(X ¯  Y°)
dim(X ¯  Y)
dim(X ¯  Y ¯)
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43
Definition von dim( )
-1, falls A  B = 
dim(A  B) =
0, falls A  B nulldimensional ist
1, falls A  B eindimensional ist
2, falls A  B zweidimensional ist
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44
Was bringt die Dimension?
F1
F2
F1
F2
4-Schnitt-Modell
Schnitte der Inneren leer
Schnitte Rand mit Innerem leer
Schnitte der Ränder nicht leer
4-Schnitt-Modell
Schnitte der Inneren leer
Schnitte Rand/Innere leer
Schnitte der Ränder nicht leer
im 4-Schnitt-Modell nicht unterscheidbar!
Dimension
Dimension des Schnitts der
Ränder von F1 und F2: 1
Dimension
Dimension des Schnitts der
Ränder von F1 und F2: 0
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45
Verwendung des DE-9IM bei Simple Features
• Methode relate, 9-Schnitt-Matrix * ist Joker
(Wert ist egal)
als Parameter
– z.B. objekt1.relate(objekt2, -1 * * * 1 * * * *)
ergibt true, falls objekt1 mit objekt2 in Relation
touches steht
• benannte räumliche Beziehungen:
– Methoden touches, crosses, within, contains,
overlaps, disjoint, intersects, equals
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46
DE-9IM: benannte räumliche Beziehungen I/II
grün.Touches(rot)
grün.Crosses(rot)
grün.Within(rot)
rot.Contains(grün)
grün.Overlaps(rot)
Gerhard Gröger - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 10
47
DE-9IM: benannte räumliche Beziehungen II/II
grün.Disjoint(rot)
grün.Intersects(rot)

not grün.Disjoint(rot)
grün.Equals(rot)
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48
ISO/DIS 19107 Spatial Schema: Überblick
•
•
•
•
•
•
allgemeine Eigenschaften
1-dimensionale Objekte (Liniensegmente)
2-dimensionale Objekte (Flächen)
3-dimensionale Objekte (Volumina)
Aggregationen
Topologie
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49
Eigenschaften
• Geometrie
–
–
–
–
0 - 3-dimensional
1-D: Splines, Klothoiden, ......
2,5-D: TINs (Dreiecksvermaschungen)
3-D: Volumina, Spline-Oberflächen
• Topologie
– 0 - 3-dimensional
– eigene Klassen für Topologie, die Assoziationen mit
entsprechenden Geometrie-Klassen haben
• Grund: Objekte ohne Geometrie nur mit Topologie
• Aggregationen (verschiedene Arten)
• Anwendung: z.B. ALKIS (nur 2D)
Gerhard Gröger - Geoinformation III - 5. Semester - WS 02/03 - Vorlesung 10
50
Liniensegmente (1-dimensionale Primitive)
GM_Object
Referenzsystem
GM_Primitive
GM_OrientablePrimitive
Teilmenge
der Simple
Features
(blau)
GM_GenericCurve
GM_CurveSegment
GM_OrientableCurve
..... ......
GM_Curve
GM_Clothoid
GM_LineString
GM_SplineCurve
GM_PolinomialSpline
GM_BSplineCurve
GM_LineSegment
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51
Flächen: Beispiele
Polygon (koplanar) (ALKIS)
Zylinderfläche
Dreieck (Teil eines TIN)
Kegelfläche
Sphäre
BSpline-Fläche
Bikubisches Grid
Bilineares Grid
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Generalisierungshierarchie für Flächen
Fläche
Orientierbare Fläche
Parametrisierte Fläche
Teilmenge
der Simple
Features
(blau)
Kegelfläche
Zylinderfläche
BSplineFläche
Polygon
Dreieck
Bikubisches Grid
Sphäre
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Exkurs: Modellierung von 3D-Objekten
Constructive Solid
Geometry
CSG
• Volumenprimitive
• Mengentheor. Operatoren
zur Kombination: 
, , \
Boundary
Representation
BRep
• Angabe der umschließenden
Begrenzungsflächen

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Spatial Schema: Boundary Representation
• Volumenkörper („Solids“)
• geschlossen
• begrenzt von beliebig vielen Flächen, die benachbart
sind
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Spatial Schema: Boundary Representation
• Volumenkörper („Solids“)
• geschlossen
• begrenzt von beliebig vielen Flächen, die benachbart
sind
• Flächen (2-D) werden
von Linien (1-D)
begrenzt
• Linien haben Anfangsund Endpunkte (0-D)
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Volumenkörper (Solids)
GM_Object
GM_SolidBoundary
GM_CompositSurface
außen
GM_Primitive
innen
GM_Solid
GM_Shell
boundary(): GM_SolidBoundary
GM_OrientabeSurface
innen
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Aggregations-Konzepte
• GM_Aggregate
– unstrukturierte Menge von Primitiven, auch rekursiv
– GM_MultiPoint (nur Punkte), GM_MultiCurve, GM_MultiSurface,...
• GM_Complex
– strukturierte Menge von Primitiven
– mit jedem Objekt ist dessen Rand (Endpunkte bei Kanten, Umring
bei Flächen, ...) ebenfalls in Komplex
– Schnitt zweier Objekte ist entweder leer oder ebenfalls im
Komplex
– vgl. Vorlesung GIS I, Simpliziale Komplexe oder Landkarten
• GM_Composit
– Komplex, der isomorph zu Primitiv ist
– CM_CompositCurve, GM_CompositSurface, GM_CompositSolid
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Topologie und Geometrie: Überblick
Geometrie
GM_Complex
GM_Primitive
Topologie
Realisierung
Realisierung
TP_Node
TP_Complex
TP_Primitive
TP_Edge
TP_Face
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Topologie und Geometrie
TP_Primitive
GM_Primitive
Realisierung
GM_Point
GM_OrientableCurve
Realisierung
TP_Node
2
0..*
TP_Edge
1..*
GM_OrientableSurface
Realisierung
0..*
TP_Face
1..*
GM_Solid
Realisierung
0..*
TP_Solid
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Vielen Dank für die
Aufmerksamkeit.
Fragen?
Topologie: Klassen
TP_Primitive
1
TP_Node
TP_Edge
TP_Face
TP_Solid
1
1
2
2 TP_DirectedEdge
2 TP_DirectedFace
2
1
TP_DirectedNode
TP_DirectedSolid
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Constructive Solid Geometry (CSG): Eigenschaften
• Beliebig geformte Primitive möglich (Zylinder, Kugeln,...)
• Nicht eindeutig: ein Objekt kann auf unterschiedliche Weise
repräsentiert werden
• Primitive erzwingen implizit geometrische Relationen wie
z.B. Parallelität, Kollinearität etc.
• Vorteil: einfache Konstruktion, Haupteinsatz: CAD-Bereich
• Nachteil: Oberflächen nicht explizit repräsentiert
– Texturen problematisch, da diese Oberflächen zugeordnet sind
– Visualisierung nicht trivial; Oberflächen müssen erst ermittelt werden
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Boundary Representation (BRep): Eigenschaften
• Planare und gekrümmte Oberflächen
(z.B. B-Spline-Flächen) modellierbar
• Eindeutig: jedes Objekt besitzt genau eine BRep
• Geometrischen Relationen (Parallelität, ..) nur implizit
• Vorteile:
– direkte Zuordnung von Texturen zu Oberflächen
– schnelle Visualisierung, nur Sichtbarkeit der Flächen muss bestimmt
werden
– Haupteinsatz: Visualisierung (z.B. VRML), Computer-Graphik
• Nachteil: Konstruktion & Fortführung aufwändig
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