Proseminar Geoinformation II Thomas Artz

13/01/2003

Raster

Datenstruktur und Operationen

Proseminar Geoinformation IIThomas Artz

Gliederung des Vortrags

Grundlagen der Datenstruktur Raster

Operationen mit dem „raster calculator“

Allgemeines

Aufbau eines Rasters

Speicherung

Bewertung

Mathematische Operatoren und Funktionen

Anwendungen

Aufgabe 1

Map-Algebra Syntax

Aufgabe2

Daten in GIS-Systemen

Geometriedaten beschreiben modellhaft räumliche Strukturen der Umwelt.

Sachdaten kennzeichnen die Strukturen über assoziierte Attribute, sie sind den Geometriedaten in eindeutiger Weise zugeordnet .

Rasterdaten Vektordaten

Geometriedaten Sachdaten

Daten

Vektor- vs. Rasterdaten

Vektororientierte Datenstruktur:

Wird durch Punkte, Linien und Flächen repräsentiert.

Rasterorientierte Datenstruktur:

Die geometrische Grundstruktur wird in einzelne Rasterpunkte zerlegt

Rasterelemente sind meist quadratisch geformt und von identischer Größe

Rastertypen

Im Allgemeinen werden sie in zwei Kategorien unterteilt:

Thematische-Daten (thematic raster):

Werte aller Zellen des Rasters sind gemessene Größen oder Einteilungen.

Diese Rasterdaten stellen Thematische Karten dar.

Können in diskreter oder kontinuierlicher Form vorliegen.

Bild-Daten (image raster):

Werden durch abbildende Systeme in Satelliten oder Flugzeugen gewonnen.

Jede Zelle enthält den Wert der registrierten Lichtintensität.

Gewinnung von Rasterdaten

Rasterdaten stammen häufig aus:

Satellitenbildern Luftbildern gescannten Karten Photos konvertieren Daten

Einsatz von Rasterdaten

Diese Datenstruktur wird benutzt, um Phänomene der realen Welt darzustellen und zu untersuchen.

KartenhintergrundLandnutzung

Hydrologische AnalysenAnalyse der Umwelt

Geländeanalyse

Rasterdaten können in verschiedenen Formen vorliegen:

a.) regelmäßige Raster

b.) unregelmäßige Raster

Aufbau eines Rasters I

Aufbau eines Rasters II

y-A

chse

x-Achse

Zelle (pixel):Grundlage des

RastersSind gleich großGröße hängt von

der Auflösung abJeder Zelle ist ein

spezieller Wert zugeordnet

Jeder Zelle ist ein Koordinatenpaar zugeordnet

Zeilen (row) &Spalten (column)Zellen sind in Zeilen und

Spalten angeordnet eindeutige „Adresse“Sie erzeugen eine

Matrix.Sind parallel zu den

Achsen des Koordinatensystems

Werte, Zonen und Regionen

Wert: Gibt an, zu welcher Klasse, Kategorie oder Gruppe eine Zelle gehört.

Integer und Gleitkomma Werte möglich.

NODATA-Wert, wenn keine oder unzureichende Information über den repräsentierten Ort vorhanden ist.

Zone: besteht aus zwei oder mehr Zellen, die den selben Wert haben.

Zellen müssen nicht zusammenhängen

Jede Zelle gehört zu einer Zone.

Region: Besteht aus einer Gruppe verbundener Zellen einer Zone.

Sachdaten - „associated table“

}Zwingende Einträge:Wert der ZoneAnzahl der Pixel in

der Zone

}Optionale Einträge:Unbegrenzte AnzahlRepräsentieren weitere

Eigenschaften der Zone

Name

Datentypen

Der Wert einer Zelle kann einen der vier folgenden Datentypen

repräsentieren:

Nominal data

Ordinal data

Intervall data

Ratio data

Beispiele:

Landnutzung

Eignung für best. Zweck

Temperatur, ph-Wert

Entfernung,Höhe

Speicherung

Datenmengen abhängig von Genauigkeit und somit Auflösung

eines Rasterbildes

Full- Raster – Encoding

Run- Length- Encoding

Value- Point- Encoding

Quadtree- Verfahren

100%

75%

44%

44%

Speicherbedarf

Verschiedene Möglichkeiten der Speicherung

Datenreduktion

Pyramiden

Einer detaillierten Darstellung liegt eine hohe Auflösung zu Grunde Hoher Speicherbedarf

Pyramiden werden erstellt um die Anzeige zu beschleunigen

Die Originaldaten werden in verschiedenen Ebenen abgespeichert.

Beim Hineinzoomen werden Ebenen mit feinerer Auflösung dargestellt kleinere Bereiche können schneller dargestellt werden.

Ohne Pyramiden muss der gesamte Datensatz durchsucht werden.

Pyramiden in ArcCatalog erstellen:

1.Rechtsklick auf das raster dataset

2.„Build Pyramids“ anklicken.

Bewertung der Rasterdatenstruktur

Vorteile

Identische Struktur für alle Features Kontinuierlichen Phänomene gut

modellierbar. Raumbezogene Analysen mit hoher

Geschwindigkeit Produkte häufig Rasterform Rasterform durch scannen. Einfache Überlagerung und logische

Auswertung durch Gitterstruktur

Nachteile

Nur dominantes Merkmals

gespeichert. Alle Punkte eines Pixels haben die

selbe Koordinate Große Datenbanken, die quadratisch

mit der Rasterauflösung wachsen. Hohe Genauigkeit nur bei sehr hoher

Auflösung; Somit meist grobe

Darstellung.

Der „raster calculator“

Funktion des Spatial Analyst

Werkzeug um vielfältige

Prozesse zu verrichten

Ausführen mathematischer

Berechnungen durch

Operationen und Funktionen

Eingaben in Map Algebra

Syntax

Vereinfacht ausgedrückt dient dieses Werkzeug dazu, aus bestehenden Rasterdaten neue zu berechnen.

„raster calculator“-Vorbereitungen

Um den raster calculator nutzen zu könnnen muss der Spatial Analys zu erst unter „Tools-Extensions....“ aktiviert werden.

Exkurs: “cell-based-modelling” I

Focal function

Auch die direkten Nachbarzellen werden in die Berechnung mit einbezogen.

Local function

Berechnungen mit einer Zelle

Nachbarzellen beeinflussen das Ergebnis nicht

Exkurs: “cell-based-modelling” II

Zonal function

Berechnungen mit einem Satz von Zellen

Diese müssen den gleichen Wert haben

Global function

Berechnungen bezüglich des gesamten Rasters

Mathematische Operatoren und Funktionen

Entscheidend für die

erfolgreiche Anwendung des

„raster calculators“ ist eine

korrekte Georeferenzierung, da

sonst falsche Zellen miteinander

verbunden werden.

Mathematische Operatoren

Beziehen sich je nach Art des Operators auf ein einzelnes

bzw. mindestens zwei eingelesene Raster

Werden zellenweise angewendet.

Es existieren 3 Gruppen:

Arithmetische Operatoren

Relationelle Operatoren

Boolsche Operatoren

Mathematische Operatoren II

+ ][ /2

true

false

[calculation] < >3

=

( [layer1]+[layer2] )/2

Mathematische Funktionen I

Mathematische Funktionen beziehen sich auf ein eingelesenes Raster.

Sie müssen in der Regel bei Start des „raster calculators aktiviert werden.

Mathematische Funktionen II

Die Funktionen

werden in 4

Gruppen

unterteilt:

1.) Arithmetische- Funktionen

2.) Trigonometrische- Funktionen

3.) Logarithmische- Funktionen

4.) Power-Funktionen

Anwendungen

a) Kombinieren von Rastern

b) Gewichten von Rastern

c) Daten selektieren

Kombinieren von Rastern

Durch Doppelklick auf „raster1“, erscheint dieses in der „Expression Box“

Nach klicken auf „+“ und Doppelklick auf „raster2“ erscheinen diese ebenfalls in dieser Box.

Berechnen der Kombination, durch Klick auf „Evaluate“

Ist ein Raster-Layer in ArcMap geöffnet, erscheint er hier.

Gewichten von Rastern

Zu gewichtendes Raster wieder durch Doppelklick auswählen und mit Gewicht p multiplizieren

Start der Berechnung, durch Klick auf „Evaluate“

Daten selektieren

Layer und gewünschte Eigenschaft auswählen

z.B. Höhe > 2500

Start der Berechnung, durch Klick auf „Evaluate“

true

false

Aufgabe 1

Temperaturkarte aus einem Höhenmodell erstellen.

1. Den Ordner V:\GIS_Proseminar_13-01-2003\Übung1 ins eigene Verzeichnis U:\ kopieren.

2. Das Raster elevation in ArcMap öffnen.

3. Es ist ein Temperaturraster zu erstellen, wenn an der niedrigsten Stelle (438m ü.NN) eine Temperatur von 20°C gemessen wurde und die Temperatur je 100 m um 1°C fällt. (Tip: Das Höhenmodell muss zunächst reduziert werden)

4. Ein zweites Raster, indem alle Bereiche mit einer Temperatur von weniger als -10°C enthalten sind, soll erstellt werden.

Aufgabe 1 - Ergebnis

Map Algebra Syntax

Analyse Sprache, die benötigt wird, um im “raster calculator”

Funktionen auszuführen, für die sonst verschiedene Funktionen

des “Spatial Analyst” benötigt werden.

Eingaben werden in der Dialog Box gemacht.

Durch Kombination einzelner Komandos werden komplexere

Ausdrücke ermöglicht.

Möglich sind: focal, zonal, local, und global functions.

Überblick über Map algebra I

Map algebra benutzt mathematische Ausdrücke, diese

setzen sich zusammen aus:

Objekten: grids, numbers, files, coverages, database

tables, etc.

Operatoren: + - / > < etc.

Funktionen: slice( ), reclass( ), focalmean( ),

con( ) etc.

Ausgabedaten sind i.A. Rasterdaten (Grid)

Neu

Überblick über Map algebra II

Ansprechen eines Rasters:

In der Dialog Box

2 Möglichkeiten:

a.) geöffneten Layer wie bisher

durch Doppelklick aktivieren

b.) Layer direkt ansprechen

z.B. (D:\GIS-Data\Esri\ArcTutor\Spatial\Elevation)

eingeben.

Oberflächenanalyse

Begriffe aus der letzten Woche:

slope, hillshade, aspect

Funktion eingeben

(slope)

offene Klammer

Raster auswählen

geschlossene Klammer

Kostenraster

Problematik: Die Kosten eines Straßenbaus hängen von der

Landnutzung und dem Gefälle ab.

Höhenmodell und Land-nutzung liegen Rasterdaten vor.

1. Schritt: Sloperaster aus Höhenmodell erstellen

Beispiel: Kostenraster

2. Schritt: Gewichten

Slope – 66%

Landuse – 34%

3. Schritt: Kombinieren

Aufgabe 2

Erstellen eines Geländemodells zur besseren Vorstellung der Geländestruktur & Selektion mit Map Algebra

1. Das Gefälle (slope) des Rasters D:\GIS-Data\Esri\ArcTutor\Spatial\Elevation

berechnen, ohne dieses in ArcMap zu laden.

2. Die Schummerung (hillshade) dieses Rasters ebenfalls auf diese Weise berechnen lassen.

3. Die Farbgebung des slope-Layers kontrastreicher einstellen.

4. Die Transparenz des Layers calculation2 (hillshade) unter „properties-display“ auf 50% setzen.

5. Die Gebiete selektieren, in denen das Gefälle kleiner als 50° ist und Wald wächst

Datei: D:\GIS-Data\Esri\ArcTutor\Spatial\LanduseWert = 6

Aufgabe 2 - Ergebnis