Produktinformationen. Höhendaten Kanton Thurgau. Amt für Geoinformation ThurGIS-Zentrum. Geografisches Informationssystem ThurGIS.

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1 Geografisches Informationssystem ThurGIS Höhendaten Kanton Thurgau Produktinformationen Impressum Kontakt Amt für Geoinformation Verwaltungsgebäude Promenadenstrasse Frauenfeld Kontaktpersonen Michael Boller/BOL Identifikation 1-AGI (Kantonale Höhendaten) Stand Datei Informationen Höhendaten Thurgau.docx

2 1 Einleitung 1.1 Kantonale Höhendaten Der Kanton Thurgau hat die kantonalen Höhendaten mit einer Befliegung im Frühjahr 2014 mittels Airborne Laserscanning (Projekt LID14) erstellt. Perimeter des Höhenmodells Kanton Thurgau mit Gemeindeeinteilung. Ein Geländemodell (DTM) ist das Abbild des Grund und Bodens. Das Oberflächenmodell (DOM) stellt die obere Umhüllende Fläche aller auf dem Boden stehenden Objekte wie Gebäude, Bäume, Wälder etc. dar. Die Höhenmodelle werden über die gesamte Kantonsfläche sowie die angrenzenden Gebiete erstellt. 1.1 Airborne Laserscanning In den letzten Jahren hat die Erfassung von digitalen Geländemodellen mittels Laserscanning in verschiedenen Anwendungen ihre Tauglichkeit unter Beweis gestellt. Laserscanning 1 ist eine effiziente Methode, um dreidimensionale Objekte vollständig und genau zu erfassen. Die Systeme weisen ein breites Anwendungsspektrum auf und können zur Erfassung von sehr genauen räumlich begrenzten Korridoren bis hin zu Flächen von etlichen tausend Quadratkilometer eingesetzt werden. Das LiDAR-System besteht aus 3 verschiedenen Sensoren: einem Hochfrequenz-Laser (Zeitmessung von der Sensorplattform zum Grund), welcher gekoppelt ist mit einem GPS (Positionsbestimmung der Sensorplattform) und einem Inertialsystem (INS) für die Bestimmung der Lage im Raum. 1 Laserscanning LiDAR (Light Detection and Ranging) Produktinformationen 1

3 Die erreichbare Genauigkeit (Terrainmodell aus LiDAR verglichen mit GPS-Kontrollpunkten) ist stark abhängig von der Flughöhe, dem eingesetzten Laser und seinen Charakteristiken sowie der Qualität der GPS und den INS Messungen und beträgt zwischen ca. 5 cm (50 m Flughöhe) und 50 cm (1500 m). Detailansicht Klassifizierte Laserscanning-Punktwolke (Ausschnitt Stadt Frauenfeld). 1.1 Dreidimensionale Höhenreferenzdaten Die Höhendaten stehen als klassifizierte Punktwolke (Point Cloud) sowie einem Geländemodell (DTM) und Oberflächenmodell (DOM) zur Verfügung. Als Erfassungsmethode kommt die Airborne Laserscanning-Technologie zur Abwendung. Höhenmodelle DTM-AV und DOM, Modelle aus LiDAR Laserscanning-Daten Produktinformationen 2

4 Die Höhendaten weisen folgende Charakteristiken auf: Höhengenauigkeit (einfache Standardabweichung) an einer beliebigen Stelle des DTM (roh) bzw. von Strukturelementen im DOM (Gebäude, Brücken) ist ± 0.1 m (1 ) Höhengenauigkeit DOM (roh) in Bereichen der Vegetation: ± 0.20 m (1 ) Mittlerer Punktabstand im DTM-AV (roh) sowie DOM (roh). Gebiet Punktdichte Offene Flächen 8 pt / 0.15 m (Mittel) 8 pt / 1.0 m (Minimum) Waldgebiete 5 pt / 0.25 m (Mittel) - Minimale und mittlere Punktdichte des ALS Höhenmodells über den ganzen Perimeter. Die Angabe Mittel bezieht sich dabei auf eine mindestens erreichte mittlere Punktdichte für jede Flächeneinheit (1 ha). Die Angabe Minimum bezieht sich auf die grösste auftretende Distanz zwischen zwei benachbarten Punkten, die nicht überschritten werden darf. Im Wald kann es zu Datenlücken kommen (dichte Laubdecke, dichtes Unterholz, Nadelwald). In Waldgebieten kann eine minimale Punktdichte aufgrund der lokal sehr unterschiedlichen Verhältnissen nicht garantiert werden. Die Datenerfassung (Befliegung) fand in den laubfreien Monaten statt, so dass das Airbone Laserscanning Modell (ALS) auch in den Wäldern eine hohe Punktdichte aufweist. 2 Oberflächenmodelle Triangulated Irregular Network. Ein TIN (Triangulated Irregular Network) ist die Darstellung einer Oberfläche aus einer Anzahl von Punkten, die zu Dreiecken vernetzt werden. Der Vorteil einer solchen Netzwerkstruktur gegenüber regelmässigen Rastern besteht in der hohen Abbildungsqualität der Oberfläche bei wesentlich geringerer Punktezahl. TINs sind gut für grossmassstäbliche Anwendungen geeignet, bei denen es auf eine detaillierte Oberflächenbeschreibung und grosse Lagegenauigkeit ankommt. Im Sinne einer Verfeinerung sollen der Einbezug von Bruchkanten für die Erstellung der Oberflächenmodelle herangezogen werden. Aber auch bei der Repräsentation klar begrenzter, ebener Flächen wie z.b. bei Seen ist die Einbettung von Polygonen konstanter Höhe in TIN sinnvoll. Der in den meisten GIS implementierte Algorithmus zur Optimierung der Dreiecksfacetten ist die sogenannte Delaunay Triangulation. Höhenlinien. Linien gleicher Werte (Isoplethen) sind aus topographischen Karten als Höhenlinien, Schichten- bzw. Konturlinien (engl. contours) geläufig. So vorteilhaft sie zur Visualisierung des Reliefs und intuitiven visuellen Interpolation von Höhenwerten sind, so wenig sind sie zur digitalen Speicherung des Reliefs geeignet. Im Rahmen der Einführung des neuen Datenmodells DM-01-AV Version 2.4 sowie der kantonalen Mehranforderungen werden Höhenlinien explizit in den Datenstamm der AV aufgenommen. Diese dienen jedoch nur der Geländevisualisierung und werden nicht für die Auswertung herangezogen. 2.1 Vergleich TIN und Grid Sowohl Raster wie auch TINs eignen sich als Datenmodell zur Darstellung von Oberflächen. Zu jedem Ansatz gibt es Vor- und Nachteile, die je nach Schwerpunkt der Anwendung gegeneinander abzuwägen sind. Produktinformationen 3

5 Triangulated Irregular Network Raster Grids Struktur Irreguläre Punktdichte Regelmässige Rastereinteilung Stützpunkte angepasst an die Variation der Oberfläche, relativ niedrige Stützpunktzahl Redundanz der Information niedrig hoch Verfügbarkeit der Ausgangsdaten als Extrakt aus Raster, selten als Primärdaten Repräsentation der Oberfläche Direkte Repräsentation von Linien und Punkten, Berücksichtigung von Bruchlinien an Diskontinuitäten niedrig durch Hinzufügen einzelner Punkte fixiert durch Orientierung des Rasters, relativ hohe Stützpunktzahl oft gut, meist aus Photogrammetrie. Liegen als digitale Geländemodelle häufig in verschiedenen Formaten von amtlicher Seite her vor. Direkte Repräsentation von Linien und Punkten und Berücksichtigung von Bruchlinien an Diskontinuitäten nicht möglich Aufwand zur Verbesserung von Details hoch durch globale Verfeinerung des Rasters Speicheraufwand pro Punkt ab ca. 50 Byte (wegen Topologie) ca. 4 Byte Analyse von Oberflächen mässiger Rechen-Aufwand niedriger Rechen-Aufwand Zusammenstellung Vergleich Triangulated Irregular Network und Raster Grids 3 Produktebeschreibung 3.1 Perimeter Der Bildperimeter umfasst das gesamte Gebiet des Kanton Thurgau sowie Teile der angrenzenden Kantone gemäss nachfolgendem Perimeter- und Bildflugplan. Produktinformationen 4

6 Bildflugplan des Laserscanning Kanton Thurgau mit Fluglinien und Abdeckung. Es wurde eine Gesamtfläche von km 2 (Landfläche km 2, Gewässer ca km 2 ) beflogen. Die Befliegung erfolgte zwischen 24. Februar und 18. März Sämtliche Missionsflüge erfolgten bei guten meteorologischen Bedingungen (Trockenheit, keine tiefen Wolken oder starken Winde). 3.2 Bezugsrahmen Das Laserscanningmodell wird aufgrund der hohen Ansprüche an die Lagegenauigkeit im neuen Schweizerischen Bezugsrahmen LV95 sowie dem orthometrischen Höhensystem LHN95 erstellt. Die Höhendaten sind daher frei von lokalen Spannungen des alten Bezugsrahmens LV03 und bestens für die Kombination mit satellitengestützen Messverfahren (DNSS) geeignet. Bezugssystem Bezugsrahmen Transformation Neues, lokal gelagertes Bezugssystem CH1903+ der Schweizerischen Landesvermessung LV95 Neue Landesvermessung LV95 und neuer Höhenbezugsrahmen LHN95 Transformation der Höhendaten in den aktuellen Höhenbezugsrahmen LN02 (Gebrauchshöhen) durch Näherungstransformation HTRANS 3.3 Genauigkeit Über das gesamte Kantonsgebiet wurde eine Laserscanningbefliegung mit einer Höhengenauigkeit von 10.0 cm und einer Lagegenauigkeit von 20 cm druchgeführt. Genauigkeit Lage: ± 20cm (1σ) Höhe: ± 10cm (1σ) Produktinformationen 5

7 Punktdichte Mittlere Punktdichte (Lasershots) ohne Überlappung von 8 Punkte/m 2 Der Laserscanningflug wurde mit DGPS/INS durchgeführt und das Konzept der "Direkten Sensororientierung" angewendet. Als Referenz wurden Daten der AGNES-Stationen von swisstopo verwendet. Aerotriangulation Beobachtungen Laserscanner Genauigkeit a priori (1 σ) Beobachtungen IMS Genauigkeit a priori (1 σ) Passpunkte Genauigkeit a posteriori (1 σ) Genauigkeiten Distanzmess-Genauigkeit Position Geschwindigkeit Roll- & Pitch-Winkel Heading-Winkel RMS Z Maximum dz Minimum dz 2 cm m m/s m m m Die statistische Auswertung zeigt, dass die geforderten Genauigkeiten gem. Spezifikationen (10 cm 1 σ = 68% Wahrscheinlichkeit) auf allen Flächen eingehalten wurden. 3.4 Basisprodukte Im Rahmen der Datenerfassung werden folgende Basisprodukte erarbeitet. Klassifizierte Laser- Rohdaten Digitales Geländemodell DTM-AV Digitales Oberflächenmodell DOM Klassifizierte Laser-Rohdaten im LAS-Format Punktdichte durchschnittlich 8 Punkte pro m 2 Gelände-(Terrain-)Modell Höhengenauigkeit σ z < 20 cm 0.5 m Raster Oberflächenmodell Höhengenauigkeit von Strukturelementen analog zu DTM 0.5 m Raster ASPRS LAS-Format Version 1.2 LAS-Dataset für ESRI ArcGIS 10.1 Format LAS, GRID, XYZ (space delimited) Format LAS, GRID, XYZ (space delimited) Die Genauigkeitsangaben wurden anhand einer à posteriori Auswertung durch die Swissphoto AG ermittelt und beziehen sich auf das Gebiet des Kantons Thurgau. Die Laserscanningdaten sind in Kacheln mit einer Ausdehnung von 1x1 km 2 unterteilt. Die Benennung der einzelnen Kacheln beinhaltet die Koordinatenwerte in km der Ecke unten links (Beispiel: 2733_1275). Die Lasercanningdaten wurden anhand der nachstehenden Spezifikation klassifiziert. Klassen Nr. Punktklasse Beschreibung 2 Bodenpunkte Punkte auf Gelände Gebäude unter Boden sind in der Bodenklasse (Garagen, etc) 3 Tiefe Vegetation Vegetation <3m wird hart abgeschnitten Die Klasse kann Zäune enthalten, die unter Vegetation nicht sichtbar ist 5 Hohe Vegetation Vegetation >3m Produktinformationen 6

8 6 Gebäude Sämtliche Dachpunkte wie Aufbauten, Kamine etc. Sämtliche Gebäudewandpunkt Keine unterirdische Gebäude, Garagen die in Boden eingelassen sind gehören zum DTM. 10 Brücken Brückenfahrbahn Lampen, Geländer, etc. auf Brücke Sockel, Pfeiler, etc. unter der Brücke 15 Strassenflächen Strassen (feste Fahrbahn) gemäss Bodenbedeckungsflächen 16 Gewässer Gewässer wie Bäche und Seen gemäss Bodenbedeckungsflächen 17 Andere Objekte andere Objekte (Kran, Auto, etc.) Die Klassifikation erfolgt gemäss Vorgaben der ASPRS mit Sonderklassen gemäss Spezifikation Kanton Thurgau. Gemäss Spezifikation sind mindestens 98% der Punkte sind richtig klassiert. Die Nachführung der Höhendaten und der abgeleiteten Produkte ist auf 6 Jahre vorgesehen. 3.5 Übersicht abgeleiteter Datensätze Die folgende Abbildung gibt einen Überblick welche Produkte aus den Daten von DOM bzw. DTM-AV abgeleitet werden können: Die rot hervorgehobenen Boxen zeigen die Produkte, welche aus den Rohdaten abgeleitet wurden. Die wichtigsten aus dem DTM- AV abgeleiteten Datensätze sind Höhenkurven und Schummerung. 3.6 Produkte Kanton Thurgau Basierend auf den Basisdaten des Bundes wurden folgende veredelte Produkte erarbeitet. DTM-TIN Ausdünnen des Datensatzes DTM-AV (roh) um ca. Faktor 10, unter Beibehal- Lückenlose Dreiecksvermaschung Produktinformationen 7

9 DTM 0.5 m Raster DOM 0.5 m Raster DTM Höhenkonturen 1 m Äquidistanz Gebäudemodell Schummerungen für DTM und DOM tung der Anforderungen aus der TVAV (Strukturformen bleiben erhalten, max. Abweichung eines nicht exakt definierten Punktes < 60 cm) Einrechnen zusätzlicher Bruchkanten, wobei die Lageinformation aus der AV übernommen wird (insbesondere Strassen, Flüsse). Erzeugen einer lückenlosen Dreiecksvermaschung über das Kantonsgebiet. Berechnen eines lückenlosen Rasterdatensatzes mit 0.5 m Zellweite aus dem DTM. Berechnen eines lückenlosen Rasterdatensatzes mit 0.5 m Zellweite aus dem DOM. Ableiten von Höhenkonturen aus dem ALS mit entsprechender Generalisierung. Generelle Äquidistanz der Isohypsen von 1.0 m mit Ausdünnung in steilen Gebieten über 5% Steigung. Beschriftung der 5m-Höhenlinien, Position zentriert auf Linie, bei sehr langen Linien ca. alle 1.5 km eine Beschriftung. Ableitung von Gebäudemodlelen mit einfachen Dachformenen ab dem ALS basierend auf den Gebäudegrundrissen der Amtlichen Vermessung und dem DOM. Berechnen einer Schummerung sowie eines Reliefs (Schräglichtschattierung) Massenpunkte (PointZ) und Bruchkanten (PolygonZ- Shape) DXF Interlis-01 (Datenmodell DM01 Erweiterung Ostschweiz Kacheleinteilung: 1/16 des LK25-Blattes (3x4.375 km), blattschnittfrei Abgabeformat: ESRI Ascii Grid oder ESRI Binary GRID Kacheleinteilung: 1/16 des LK25-Blattes (3x4.375 km), blattschnittfrei Abgabeformat: ESRI Ascii Grid oder ESRI Binary GRID Kacheleinteilung: 1/16 des LK25-Blattes (3x4.375 km), blattschnittfrei Kacheleinteilung: 1/16 des LK25-Blattes (3x4.375 km) Abgabeformat Interlis DM01 Ostschweiz (TABLE Hoehenkurven), ESRI Shape Abgabeformat: ESRI Shape (PolygonZ, Patch), DXF Abgabeformat: ESRI Ascii Grid, GeoTIFF, GeoJPEG Kacheleinteilung: 1/16 des LK25-Blattes (3x4.375 km), blattschnittfrei Übersicht abgeleitete Produkte auf der Basis der Rohdaten (DTM-AV sowie DOM). Für kleinräumige Massstäbe bieten die Rohdaten des Bundes die genauesten Datensätze. Testdatensätze werden durch das Amt für Geoinformation zur Verfügung gestellt. 3.7 Anwendungen Aus den vorliegenden Gelände- und Oberflächenmodellen lassen sich in Kombination mit anderen Geobasisdaten folgende wichtige Anwendungen ableiten. Visualisierung Analyse Sichtbarkeitsanalysen Schummerung Landeskarte und Übersichtsplanes Dreidimensionale Darstellungen Amtliche Vermessung Strahlungsinformationen Analyse von Naturgefahren (Überschwemmungen) Gebäudehöhen zur Verifikation Kubaturen, Automatische Generierung Dachflächen Hangneigungen sowie Hangexpositionen Produktinformationen 8

10 Topografisches Landschaftsmodell (TLM) Dreidimensionale Gebäudemodelle mit Verschnitt Liegenschaftsdaten der Amtlichen Vermessung 3.8 Datenabgabe Das Höhenmodell liegt in verschiedenen georeferenzierten Formaten vor und wird auch als Darstellungsund Downloaddienst auf dem Geodatenportal ThurGIS der kantonalen Verwaltung zur Verfügung gestellt. Klassifizierte Laser- Rohdaten Digitales Geländemodell DTM-AV Digitales Oberflächenmodell DOM ASPRS LAS-Format Version 1.2 LAS-Dataset für ESRI ArcGIS 10.1 Format LAS, GRID, XYZ (space delimited) Format LAS, GRID, XYZ (space delimited) Andere georeferenzierte Datenformate sind auf Anfrage verfügbar. 3.9 Bezugspreise Die Bezugspreise richten sich nach der Verordnung des Regierungsrates über die Gebühren für Geodaten (RB ). Produktinformationen 9