modellierung von geodaten
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GEODATENBANKSYSTEME KAPITEL 2: MODELLIERUNG VON GEODATEN h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-1 Modellierung von Geodaten Inhalte des Kapitels • Eigenschaften von Geodaten • Standardisierung von Geodaten – Simple Feature Access – SQL/MM Spatial • Bezugssysteme Lernziele • Beherrschung der grundlegenden Geodaten-ModellierungsTerminologie • Kennenlernen der wichtigsten(!) Konzepte zur Standardisierung von Geodaten h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-2 Modellbildung • Modellbildung allgemein – Ziel ist die Abbildung der Wirklichkeit in ein (mehr oder weniger) genaues Modell – Die Genauigkeit der Modellierung unterliegt Einschränkungen • Speicherplatzeinschränkungen • Handhabbarkeit • Entstehen von paradoxen Situationen • Zu modellierende Eigenschaften für Geodaten – Geometrische Eigenschaften – Thematische Eigenschaften (qualitativ und quantitativ) – Topologische Eigenschaften – Temporale Eigenschaften h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-3 Geometrische Eigenschaften – 1(2) • Geometrische Eigenschaften von Geodaten dienen zur Beschreibung der Lage und Ausdehnung im Raum • Wichtige Repräsentationsformen der geometrischen Eigenschaften – Vektormodell P2 P1 F = (P1, P2, P3, P4, P5, P6) P3 P2 = (34,807 ; 55,352) P5 P6 Geo-Objekte sind über eine geordnete Liste von Punkten definiert. P4 – Rastermodell Geo-Objekte sind als Menge von Pixeln eines Gitters gegeben. h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-4 Geometrische Eigenschaften – 2(2) Typ Vorteile Nachteile Vektordaten • Einfachere Repräsentation der Gegebenheiten der realen Welt • Speichergünstiger • Topologische Beziehungen einfacher zu realisieren • Überlappungs-Layer schwieriger zu realisieren Rasterdaten • Überlappungs-Layer einfach zu realisieren • Einfachere Integration Fernerkundungsdaten (diese Daten liegen i.a. als Rasterdaten vor) • Informationen gehen aufgrund der Komprimierung verloren • Topologische Beziehungen schwieriger zu realisieren • Kombinationsmöglichkeit : Objektrepräsentation mit Vektordaten; Hintergrundbezug/-darstellung über Rasterdaten • Schwerpunkt der Vorlesung: Vektordaten Source: www.esri.com h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-5 Thematische Eigenschaften • Thematische Eigenschaften dienen zur Beschreibung der weiteren, nicht-geometrischen Eigenschaften – Nominale Eigenschaften (z.B. Gemeindename) – Qualitative Eigenschaften (z.B. Status einer Gemeinde) – Quantitative Eigenschaften (z.B. Niederschlagsmenge einer Gemeinde) • Bei der Zuordnung von thematischen Eigenschaften wird zwischen objektbasierten Datenmodellen (Zuordnung zum Geobjekt) und raumbasierten Datenmodellen (Zuordnung zum Datenraum durch kontinuierliche Funktion) unterschieden. h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-6 Topologische Eigenschaften • Topologische Eigenschaften von Geodaten dienen zur Beschreibung der relativen räumlichen Beziehungen von Objekten zueinander, wobei von der Geometrie abstrahiert wird. • Typische topologische Beziehungen: – Nachbarschaft, Enthaltensein, Überschneidung, Entfernung • Topologische Eigenschaften können – explizit im Datenmodell gespeichert werden oder – implizit aus den geometrischen Eigenschaften abgeleitet werden • Beispiel für topologisch äquivalente Darstellung eines Liniennetzes: Quelle: de Lange (Geoinformatik) h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-7 Temporale Eigenschaften • Temporale Eigenschaften dienen zur Beschreibung des Zeitpunktes oder des Zeitraums, für die die übrigen Eigenschaften gelten. • Besonders interessant: Betrachtung der Eigenschaften für mehrere (aufeinanderfolgende) Zeitpunkt bzw. -räume. Beispiele: – Veränderung der Bevölkerungsdichte in einem bestimmten Gebiet – Veränderung der Größe eines Sees in einem bestimmten Zeitraum • Aktuelles Forschungsthema: Unterstützung der raum-zeitlichen Modellierung der Daten (Spatio-Temporal Data Modeling) durch ein GIS oder Geodatenbanksystem. Quelle: www.geo.de h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-8 Modellierung von Geodaten • Eigenschaften von Geodaten • Standardisierung von Geodaten – Simple Feature Access – SQL/MM Spatial • Bezugssysteme h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-9 Standardisierung von Geodaten – 1(2) • Voraussetzung für Öffnung von Geoinformationssystemen und Interoperabilität: Standards für Datenaustausch Standards für Modellierung und Speicherung von Geodaten – OGC (Open Geospatial Consortium) • internationale, non-profit Standardisierungsorganisation mit ca. 480 Mitgliedern aus Wirtschaft, Verwaltung und Wissenschaft • 1994 als Open GIS Consortium gegründet, seit 2004 Open Geospatial Consortium • Fokus auf Schnittstellen von Geoinformationssystemen • sowohl abstrakte Spezifikationen als auch konkrete Implementierungsspezifikationen – ISO-TC211 „Geographic Information/Geomatics“ • Technisches Komitee der ISO mit ca. 30 aktiven Mitgliedsstaaten und ca. 30 beobachtenden Mitgliedsstaaten • Fokus auf digitalen Geoinformationen • nur abstrakte Spezifikationen h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-10 Standardisierung von Geodaten – 2(2) Abstrakte Spezifikation • ISO-TC211/OGC Implementierungsspezifkation • • Simple Feature Access (OGC) SQL/MM (ISO/IEC) – Bestandteil von SQL:1999 ff. Implementierung • Herstellerspezifische Implementierungen (IBM Informix, IBM DB2, Oracle, MS SQL Server, PostgreSQL/PostGIS, MySQL) h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-11 Simple Feature Access Standard • Simple Feature Access: – Implementierungsspezifikation zur Beschreibung der VektorGeometrie von (maximal) zweidimensionalen Objekten. – definiert räumliche Operationen für Zugriff, Anfrage und Verarbeitung von Geoobjekten. – Simple Features sind Geometrien im zweidimensionalen Datenraum, deren Stützpunkte geradlinig miteinander verbunden sind. h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-12 Simple Feature Access Standard • Der Standard definiert – Geometrieschema – Repräsentationsformen – Basismethoden – Topologische Beziehungen – Informationsschema h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-13 Geometrieschema – 1(3) Quelle: Brinkhoff (Geodatenbanksysteme) h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-14 Geometrieschema – 2(3) Punkte repräsentiert durch Klasse Point • Methoden X() und Y() für den Zugriff auf die Koordinaten Linien repräsentiert durch (abstrakte) Oberklasse Curve • Methoden: Length(),StartPoint(),EndPoint(),IsClosed(),IsRing() • Unterklasse LineString erlaubt Speicherung beliebiger Streckenzüge: – Darstellung als Folge von Punkten – zusätzliche Methoden: NumPoints(), PointN() – Unterklasse Line entspricht einer Strecke (2 Punkte) – Unterklasse LinearRing enthält einfache, geschlossene Streckenzüge • geschlossen – Start- und Endpunkt stimmen in ihren Koordinaten überein • einfach – kein Schnitt außer bei den Streckenpunkten – zu jedem Streckenpunkt gibt es maximal zwei Strecken h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-15 Geometrieschema – 3(3) • Klasse Polygon stellt einfache Polygone mit Löchern zur Verfügung – ein äußeres Polygon ≡ äußerer Ring (exteriorRing) – optional beliebige viele innere Polygone ≡ innere Ringe (interiorRing) – die inneren Ringe liegen innerhalb des äußeren Rings, aber nicht in anderen inneren Ringen – bis Version 1.2 • kein innerer Ring weist einen Schnitt mit dem äußeren Ring auf • zwei innere Ringe schneiden sich in höchstens einem Punkt – seit Version 1.2.1 • zwei Ringe dürfen sich nur in disjunkten (d.h. endlich vielen) Punkten berühren Update! • Geometriesammlungen werden durch Objekte der Klasse GeometryCollection oder deren Unterklassen repräsentiert. – alle Objekte einer Geometriesammlung müssen das gleiche Koordinatensystem besitzen. – Unterklassen für die Aufnahme von Objekten einer gleichen Klasse. h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-16 Repräsentationsformen Repräsentationsformen für Simple Feature (benutzt als Ein- und Ausgabeformate) • Well-known Text (WKT) als Textrepräsentation – Beispiele: • • • • POINT (100.5 130.7) LINESTRING (100 100, 200 200, 300 250) POLYGON ( (100 100, 100 200, 200 200, 200 150, 100 100) ) POLYGON ( (100 100, 100 200, 200 200, 200 150, 100 100) , (150 150, 150 180, 180 180, 150 150) ) • Well-known Binary (WKB) als binäre Speicherrepräsentation – Beispiel – Punkt mit Koordinaten (1 1) • 01|01000000|000000000000F03F|000000000000F03F mit – 01 ≡ Byte Reihenfolge – 01000000 ≡ Geometrie Typ • Bereitstellung über entsprechende Methoden h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-17 Basismethoden Grundlegende Methoden, die in der Klasse Geometry definiert sind (Auswahl!) • Dimension():integer – Rückgabewerte: 0 (Point), 1 (Curve), 2 (Surface) • GeometryType():string • SRID():integer – liefert die Schlüsselnummer des räumlichen Bezugssystems • AsText():string • AsBinary():binary h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-18 Simple Feature Access • Der Standard definiert Geometrieschema Repräsentationsformen Basismethoden – Topologische Beziehungen – Informationsschema h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-19 Topologische Beziehungen – 1(4) • Verwendung des 9-Schnittmodells (9-Intersection-Modell, 9IM) – für jedes Geo-Objekt O gibt es drei paarweise disjunkte Mengen: • das Innere OI • der Rand OR • das Äußere OA – Definition des Randes OR für die Geometrien: • Polygon: äußerer Ring + innere Ringe • Linien: Endpunkte • Punkt: leer – Für zwei Objekte A und B ergeben sich bzgl. des Schnitts neun Beziehungen: – für jede Schnittmenge AX ∩ BY ist das Ergebnis true oder false h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-20 Topologische Beziehungen – 2(4) • Von den theoretisch möglichen 29 = 512 verschiedene Matrizen (≡ topologische Beziehungen) sind nur acht sinnvoll: • A.Inside( B) ⇔ B.Contains ( A) • A.Covers( B) ⇔ B.CoveredBy ( A) • alle anderen Beziehungen sind symmetrisch Quelle: Brinkhoff (Geodatenbanksysteme) h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-21 Topologische Beziehungen – 3(4) Räumliche Analyse eines Objektes • IsSimple():boolean – testet, ob es sich um eine einfache Geometrie handelt • Boundary():Geometry – liefert den Rand des Geo-Objektes • Envelope():Geometry – liefert das minimal umgebende Rechteck (MUR) des Geo-Objekts – Rückgabewert ist ein Objekt der Klasse Polygon: (minx, miny), (maxx, miny), (maxx, maxy), (minx, maxy), (minx, miny) • ConvexHull():Geometry – liefert konvexe Hülle („Gummiband-Objekt“) • Buffer (distance:double):Geometry – Pufferzone der angegebenen distance um das Geo-Objekt – wichtige GIS-Funktion (z.B. Bestimmung aller Spielplätze, die nicht weiter als 25m von einer Straße entfernt liegen, Bestimmung von Uferzonen entlang von Flüssen etc.) h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-22 Topologische Beziehungen – 4(4) Abstand zwischen zwei Objekten • Distance (anotherGeometry : Geometry) : double – minimaler Abstand gemäß des räumlichen Bezugsystems des Objektes, auf das die Methode angewandt wird Verschneidungsoperationen (Mengenop.) zwischen zwei Objekten • • • Intersection (anotherGeometry : Geometry) : Geometry Union (anotherGeometry : Geometry) : Geometry Difference (anotherGeometry : Geometry) : Geometry – entfernt die Teile von der aktuellen Geometrie, die von der zweiten Geometrie überdeckt werden • SymDifference (anotherGeometry: Geometry) : Geometry – wie Differenz, aber wechselseitig h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-23 Informationsschema • Aufnahme von Metadaten über die in einer Datenbank gespeicherten Geodaten • Zwei Tabellen: – GEOMETRY_COLUMNS zur Aufnahme von Informationen über alle (konkreten) Tabellenspalten der Datenbank, die Geometrien enthalten – SPATIAL_REF_SYS für Daten über räumlichen Bezugssysteme SPATIAL_REF_SYS SR_ID <weitere Informationen> h_da Prof. Dr. Uta Störl GEOMETRY_COLUMNS F_TABLE_CATALOG F_TABLE_SCHEMA F_TABLE_NAME F_GEOMETRY_COLUMN COORD_DIMENSION SR_ID Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 GEO_TABLE_X GEO_A : GEOMETRY <weitere Attribute> GEO_TABLE_Y GEO_B : GEOMETRY GEO_C : GEOMETRY <weitere Attribute> 2-24 Modellierung von Geodaten • Eigenschaften von Geodaten • Standardisierung von Geodaten – Simple Feature Access Geometrieschema Repräsentationsformen Basismethoden Topologische Beziehungen Informationsschema – SQL/MM Spatial • Bezugssysteme h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-25 SQL/MM Spatial • • • SQL-Standard enthält sei SQL:1999 Erweiterungen für Anwendungsgebiete, die nicht mit „normalem“ SQL abgedeckt werden können, u.a. SQL/MM (Multimedia) mit – SQL/MM Full-Text – SQL/MM Still Image (Speicherung von Rasterbildern) – SQL/MM Data Mining – SQL/MM Spatial für Geodaten SQL/MM Spatial – 1999 Version 1: Simple Feature Access mit Erweiterungen • Kreisbögen und zusammengesetzte Linienzüge • Methoden zum Validieren von Geometrien • Koordinatentransformationen • Approximation von Kreisbögen durch Streckenzüge • Bereitstellung von GML (Geography Markup Language) – 2006 Version 3: • Punkte mit zusätzlichem z-Koordinatenwert und Messwert • Netzwerk- und Topologie-Datenmodell h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-26 SQL/MM Spatial: Geometrieschema 1(2) Quelle: Brinkhoff (Geodatenbanksysteme) h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-27 SQL/MM Spatial: Geometrieschema 2(2) • ST_CircularString repräsentiert Linienzüge, die aus Kreisbögen bestehen. • ST_CompoundCurve repräsentiert zusammengesetzte Linienzüge, die aus (geradlinigen und kreisbogenförmigen) Linienzügen bestehen • ST_CurvePolygon besitzt als innere und äußere Polygonzüge Objekte der Klasse ST_Curve. Damit können diese Polygonzüge nicht nur geradlinige Verbindungen, sondern auch Kreisbögen aufweisen. Quelle: Brinkhoff (Geodatenbanksysteme) h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-28 SQL/MM Spatial • Anmerkung: Der SQL/MM-Standard benutzt konsistent den Präfix ST* für alle Tabellen, Sichten, Typen, Methoden und Funktionsnamen (also auch die vom Simple Feature Access definierten) – z.B. ST_Point, ST_Intersection etc. • in der Vorlesung werden aus Lesbarkeitsgründen i.a. die Bezeichnungen des Simple Feature Access verwendet • im Praktikum sollten bei der Arbeit mit PostGIS die SQL/MMBezeichnungen verwendet werden (Details auf den Praktikumsblättern) * ST stand ursprünglich für Spatial and Temporal h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-29 Modellierung von Geodaten • Eigenschaften von Geodaten • Standardisierung von Geodaten − Simple Feature Access − SQL/MM Spatial • Bezugssysteme h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-30 Räumliche Bezugssysteme Räumliche Bezugssysteme (engl. Spatial Reference Systems) erlauben die Interpretation der gespeicherten Koordinaten als Beschreibung von Lageund Ausdehnungsinformationen in einem (realen) Datenraum. Kategorien • Georeferenzierende Koordinatensysteme – besitzen einen Bezug zur Position auf der Erdoberfläche • Lokale Koordinaten – beschreiben Position unabhängig von der Erdoberfläche – Anwendung bspw. für CAD-Daten oder für (i.a. kleinräumige) Gebiete, in denen nur die relative Lage der Objekte relevant ist – i.a. repräsentiert durch kartesisches Koordinatensystem (rechtwinklige Koordinatenachsen, metrischer Raum, Euklidischer Abstand) h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-31 Räumliche Bezugssysteme: Georeferenzierte Koordinatensysteme – 1(3) Georeferenzierte Koordinatensysteme • Geographische Koordinatensysteme – legen über Angaben im Winkelmaß Punkte der Erdoberfläche bezogen auf einen Äquator und einen Nullmeridian fest. Quelle: Brinkhoff (Geodatenbanksysteme) h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 Quelle: www.darmstadt.de 2-32 Räumliche Bezugssysteme: Georeferenzierte Koordinatensysteme – 2(3) Georeferenzierte Koordinatensysteme • Projizierte Koordinatensysteme – Motivation: Karten stellen gekrümmte Erdoberfläche auf einer ebenen Oberfläche dar mathematische Abbildung von Positionen der Erdoberfläche auf eine ebene Oberfläche, Verwendung eines rechtwinkligen, projizierten Koordinatensystems h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-33 Räumliche Bezugssysteme: Georeferenzierte Koordinatensysteme – 3(3) Georeferenzierte Koordinatensysteme • Projizierte Koordinatensysteme (Forts.) – Vorteil: einfacheres und effizienteres Rechnen als mit geographischen Koordinaten – Nachteil: Flächentreue, Winkeltreue oder Längentreue gehen verloren Verzerrungen – Wichtiger Vertreter: Gauß-Krüger-Koordinaten Quelle: www.darmstadt.de h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-34 Räumliche Bezugssysteme • Räumliche Bezugssystemen werden von Standardisierungsorganisationen verwaltet – Am bedeutendsten: EPSG Codes • EPSG: European Petroleum Survey Group (heute: International Association of Oil & Gas Producers (OGP) Surveying & Positioning Committee) • EPSG Code Datenbank http://www.epsg.org/ • mehrere Tausend georeferenzierende räumliche Bezugssysteme • SRID – eindeutige Identifizierung des räumlichen Bezugssystems innerhalb der Datenbank • AUTH_NAME: Name des Standards, innerhalb dessen dieses Bezugssystem verwaltet wird, z.B. EPSG h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 SPATIAL_REF_SYS SRID AUTH_NAME AUTH_SRID SRTEXT 2-35 Lineare Bezugssysteme Lineare Bezugssysteme (engl. Linear Reference Systems) erlauben die Identifizierung von Punkten auf einer Linie durch Abstandsangaben zu einem ausgezeichneten Anfangspunkt. • Beispiel: • Anwendung für Netzwerke (z.B. Straßennetze, Ver- und Entsorgungsnetze) • Wichtige Operationen – Berechnung der Entfernung zum Anfangspunkt für einen beliebigen Punkt auf dem Linienzug – Berechnung der Koordinaten eines Punktes auf dem Linienzug aus seiner Entfernungsangabe h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-36 Zusammenfassung • Geometrische, thematische, topologische und temporale Eigenschaften von Geodaten müssen adäquat modelliert werden • Standardisierung von Geodaten – Simple Feature Access – SQL/MM Spatial • Bezugssysteme – Räumliche Bezugssysteme – Lineare Bezugssysteme h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-37 Geodatenbanksysteme Einführung Modellierung von Geodaten • Speicherung von Geodaten • Anfragebearbeitung in Geodatenbanksystemen • Zusammenfassung und Ausblick h_da Prof. Dr. Uta Störl Geodatenbanksysteme − WS 2014/15 2-38
