Nutzung von Digitalen Geländemodellen unter ArcGIS

Transkript

1 AG GIS-Küste und ESRI Anwendergruppe Küste 20./21. September 2010 Nutzung von Digitalen Geländemodellen unter ArcGIS Volker Leonhardt Praktikant im GIS-Dezernat 42 des LLUR ( ) Praktikumsbetreuer: Guido Baltes 1

2 Überblick Kurze Einführung in die Erstellung und die Aufbereitung der DGM2-Daten Analysetechniken für DGM-Daten über die Erweiterung Spatial Analyst und die ArcToolbox von ArcGIS Optimierte Darstellungsmöglichkeiten für DGM-Daten in ArcGIS 2

3 Nutzung von DGM-Daten Digitale Geländemodelle unterschiedlicher Auflösung (z.b. DGM2 mit Gitterweite 1 m für den Maßstabsbereich 1:2.000) Beispiele für Anwendungsbereiche: Hochwasserrisikoanalysen, Qualitätssicherung von Wassereinzugsgebieten, Visualisierung von Geländestrukturen, Ableitung von Höhenlinien, Planung von Funknetzen, Planung von Verkehrstrassen, Volumenberechnungen 3

4 Projekt Laserscanbefliegung Landesweit flächendeckende Laserscanbefliegung mit besonders hoher Auflösung und Genauigkeit Gemeinsames Projekt zwischen dem Ministerium für Landwirtschaft, (MLUR) und dem Innenministerium (IM) Projektdurchführung durch das Landesvermessungsamt (LVermA) und das Landesamt für Natur und Umwelt (LANU, heute LLUR) Auftragnehmer: Firma TopScan Gesellschaft zur Erfassung topographischer Information mbh in Rheine Umsetzungszeitraum: 2005 bis 2007 (Auftragserteilung bis Datenübergabe an LVermA) 4

5 Projekt Laserscanbefliegung zusammengestellt unter Nutzung von Präsentationen des Landesvermessungsamtes und der Befliegungsfirma TopScan Anforderungen Lagegenauigkeit: 30 cm Höhengenauigkeit: flaches Gelände (bis 10%) 15 cm geneigtes Gelände (10 % - 25%) 25 cm steiles Gelände (ab 25%) 35 cm (einzuhalten jeweils mit 95% Sicherheitswahrscheinlichkeit) Wasserstand: keine Überschwemmungsflächen, im Wattenbereich nur 2 Std. vor und nach Tideniedrigwasser. Witterungsverhältnisse: Schnee- und Eisfreiheit Vegetationszustand: ohne Belaubung Messpunktdichte: mind. 3 bis 4 Punkte je m² mit Befliegung jeweils erst nach Flugfreigabe durch das LANU und Kontrolle der Einhaltung der Anforderungen durch das LVermA => Diese sehr hohen Anforderungen an die Laserscanbefliegung sind z.b. für hydrologische Auswertungen insbesondere in flachem Gelände erforderlich. 5

6 DGM2-Kacheln Kacheln à 1 km² Fläche 6

7 Gelieferte Datenformate zum DGM2 5.9: Ascii-xyz (ca. 31 MB/ Kachel) (in Projektionen Gauß-Krüger und UTM) 5.10: Ascii-Grid (ca. 5 MB/ Kachel) (nur für Projektion Gauß-Krüger) Ausschnitte Dateianfang jeweils gekachelt in 1 km²-kacheln mit x m² = 1 Million Höhenpunkten 7

8 DGM2-Ascii-Daten Datenvolumen: Kacheln = x 1 Million Höhenpunkte = über 18 Milliarden Höhenpunkte insgesamt Landesweites Datenvolumen (in Projektion GK3, zzgl. GK4 und UTM) : Ascii-xyz ca. 545 GB bzw. Ascii-Grid ca. 94 GB 8

9 DGM-Produkte des Landesvermessungsamtes SH DGM2 mit Gitterweite 1 m ( Basis-DGM ) (ca. M 1: :10.000) wird zukünftig wahrscheinlich als DGM1 bezeichnet aus dem DGM2 abgeleitete Produkte mit geringerer Auflösung für großräumigere Analysen: DGM5 mit Gitterweite 5 m (ca. M 1: :20.000) DGM5 mit Gitterweite 10 m (ca. M 1: :50.000) wird zukünftig wahrscheinlich als DGM10 bezeichnet DGM25 mit Gitterweite 25 m (ca. M 1: : ) (ersetzt das bisherige, qualitativ schlechtere DGM25) DGM50 mit Gitterweite 50 m (ca. M 1: und kleiner) (ersetzt das bisherige, qualitativ schlechtere DGM50) 9

10 DGM5 5 m Gitter DGM50 50 m Gitter DGM2 1 m Gitter Vergleich der Auflösung im Maßstab 1:

11 Import und Mosaikierung von Ascii-Grids (Beispiel mit 4 DGM2-Kacheln) 1. Einzelkachel-Raster erstellen (4x) (Conversion Tools) 2. Gesamt-Raster mosaikieren (Data Management Tools) 11

12 Import und Mosaikierung von Ascii-xyz-Daten (Beispiel mit 4 DGM2-Kacheln) 1. Gesamt-Multipoint- Shapefile erstellen (3D Analyst Tools) 2. Shapefile in Gesamt- Raster konvertieren (Conversion Tools) 12

13 Dateibasierte Rasterformate von ESRI in ArcGIS Grid Altes Rasterformat von ArcInfo-Workstation, Verzeichnis mit zugehörigem Info-Verzeichnis, Namen max. 13 Zeichen, nicht mit Zahl beginnend, Datenvolumen i.d.r. auf 2 GB begrenzt, Dateioperationen nur über ArcCatalog, nicht über Explorer! wird von ArcGIS ab Version 10 nicht mehr als internes Zwischenformat genutzt Format wird erstellt, wenn innerhalb eines Verzeichnisses keine Endung angegeben wird FileGDB-Raster ( Raster Dataset ) Neues Rasterformat ab ArcGIS 9.2, FileGDB-Verzeichnis *.gdb mit 1 oder mehreren Rastern (und ggf. anderen Feature Classes) Datenvolumen unbegrenzt, Verschieben und Kopieren des FGDB-Verzeichnisses ist auch im Explorer möglich, FileGDB muss vor Nutzung angelegt werden, 13

14 Weitere dateibasierte Rasterformate in ArcGIS ERDAS IMAGINE Rasterformat der Fernerkundungs-Software ERDAS IMAGINE, img-datei, Format wird erstellt, wenn innerhalb eines Verzeichnisses die Endung.img angegeben wird 14

15 Aufbereitung als landesweite Mosaike für 4 Datenebenen DGM2-Höhendaten mit Visualisierung als klassifizierte Höhenschichten Ableitung einer Reliefschummerung (Hillshade) aus den DGM2-Daten Ableitung von Hangneigungen (Slope) aus den DGM2-Daten Ableitung der Exposition (Aspect) aus den DGM2-Daten 15

16 Aufbereitung und Visualisierung der Höhendaten Python-Skript über alle Kacheln unter Einbindung von Tools der ArcToolbox: Ascii-Daten => ESRI-Raster (Grid oder FileGDB-Raster) ESRI-Raster => GDB-Rastermosaik Layerfiles zur Symbolisierung als klassifizierte Höhenschichten in ArcMap Software-Voraussetzungen: ArcGIS (ArcView) + ggf. Extension 3D-Analyst Gesamt Detail 16

17 Die Erweiterung Spatial Analyst Allgemeine Voreinstellungen Bei Berechnungen von Rasterdatensätzen ist es von Vorteil, im Vorfeld einen Rahmen mit einheitlicher Ausdehnung und einheitlichen Pixelkantenlängen festzulegen. 17

18 Voreinstellungen der ArcToolbox zwei Möglichkeiten: Rechtsklick auf ArcToolbox Umgebung Werkzeuge Optionen 18

19 General Settings Unter Extent kann der zu bearbeitende Ausschnitt angegeben werden. Standard: Berechnungen werden für gesamtes Raster durchgeführt Wie unten angegeben: Berechnungsausdehnung wird durch Angabe von Koordinaten begrenzt Gleich wie Anzeige: Berechnung wird für den aktuell angezeigten Ausschnitt durchgeführt. Bei Snap Raster wird das Raster angegeben, an dem die Berechnung ausgerichtet werden soll 19

20 Einstellungen für einzelne Berechnungen Die Einstellungen können auch individuell für jedes Werkzeug der ArcToolbox vorgenommen werden und gelten dann nur für die jeweilige Analyse. 20

21 Voreinstellungen des Spatial Analyst Angabe des Arbeitsverzeichnisses zum Speichern temporärer Ergebnisse. 2. Angabe einer Maske zur Bestimmung der Ausdehnung einer Analyse (Berechnung findet nur innerhalb der angegebenen Maske statt) 3. Angabe des Koordinatensystems, in dem das Ergebnis gespeichert werden soll. 21

22 1. Angabe der absoluten Ausdehnung der Berechnung Angabe des Rasters, an dem alle Ergebnisse ausgerichtet werden Eingabe der Auflösung des Zielrasters. Der Wert sollte im Regelfall der des Eingaberasters entsprechen 22

23 Morphologische Berechnungen Schummerung (Hillshade) Stellt einen Schattenwurf zu einer vorgegebenen Sonnenposition dar. Dadurch wird ein sehr plastischer Eindruck einer Rasteroberfläche vermittelt. ArcToolbox: Spatial Analyst Tools Surface Hillshade Spatial Analyst Werkzeugleiste: Spatial Analyst Oberflächenanalyse Schummerung 23

24 Eingaberaster angeben 2. Horizontalen Winkel eingeben (Himmelsrichtung). 3. Vertikalen Winkel angeben (Sonnenstand). 4. Angeben, ob harte Schatten modelliert werden sollen (insbesondere in flachem Gelände zu aktivieren, dadurch wird der Geländeeffekt plastischer vermittelt). 5. Multiplikator für Z-Werte. 6. Angabe der Auflösung des Ausgaberasters. 7. Mit der Standardeinstellung wird die Schummerungsberechnung temporär abgespeichert. 24

25 Ableitung einer Reliefschummerung (Hillshade) Python-Skript über alle Kacheln unter Einbindung von Tools der ArcToolbox Einzelkachel-Raster => Hillshade-Raster (20-fach überhöht) Hillshade-Raster => Hillshade-Rastermosaik in GDB Layerfiles zur Symbolisierung in ArcMap (halbtransparent + Höhenschichten-überlagernd) Software-Voraussetzungen: ArcGIS (ArcView) + Extension Spatial Analyst Mülldeponie an der A7 westl. NMS Gesamt Detail 25

26 Überlagerung von Höhendaten und Reliefschummerung Gesamt Detail 26

27 DGM2-Daten + Topograpie (hier: TK50) + Vektordaten (Gewässernetz, Einzugsgebiete) 27

28 Hangneigungsberechnung (Slope) Ermittelt für jedes Pixel die steilste Hangneigung zu den Nachbarpixeln. Ausgabe in Prozent oder in Grad. ArcToolbox: Spatial Analyst Tools Surface Slope Spatial Analyst Werkzeugleiste: Spatial Analyst Oberflächenanalyse Neigung 28

29 Eingaberaster angeben 2. Ausgabemaßeinheit auswählen 3. Multiplikator für Z-Werte 4. Angabe der Auflösung des Ausgaberasters. 5. Möglichkeit der Angabe für Speicherort und name. 29

30 Ableitung von Hangneigungen Python-Skript über alle Kacheln unter Einbindung von Tools der ArcToolbox Einzelkachel-Raster => Hangneigungs-Raster Hangneigungs-Raster => Hangneigungs-Rastermosaik in GDB Layerfiles zur Symbolisierung von Hangneigungsklassen in ArcMap Software-Voraussetzungen: ArcGIS (ArcView) + Extension Spatial Analyst Gesamt Detail 30

31 Ausrichtungsberechnung (Aspect) Gibt für jedes Pixel eines Rasterdatensatzes die Ausrichtung an ArcToolbox: Spatial Analyst Tools Surface Aspect Spatial Analyst Werkzeugleiste: Spatial Analyst Oberflächenanalyse Ausrichtung 31

32 Eingaberaster angeben 2. Angabe der Auflösung des Ausgaberasters. 3. Möglichkeit der Angabe für Speicherort und name. 32

33 Ableitung der Exposition (= Ausrichtung der Hangneigung) Python-Skript über alle Kacheln unter Einbindung von Tools der ArcToolbox Einzelkachel-Raster => Expositions-Raster Expositions-Raster => Expositions-Rastermosaik in GDB Layerfiles zur Symbolisierung von Expositionsbereichen in ArcMap Software-Voraussetzungen: ArcGIS (ArcView) + Extension Spatial Analyst Gesamt Detail 33

34 Raster Calculator Eine Art wissenschaftlicher Taschenrechner, mit dem sich Rasterbilder verrechnen lassen abfragen lassen Spatial Analyst Werkzeugleiste: Spatial Analyst - Raster berechnen 34

35 Layerauswahl 2. Standartoperatoren 3. Konstanten/Dezimalzeichen 4. Klammern/relationale Operatoren 5. Boolsche Operatoren 6. Feld, in dem der Textausdruck der Berechnung/Abfrage zu sehen ist 35

36 Flächen berechnen im Raster Calculator Beispiel: Berechne die Fläche zwischen -20m und -10m 36

37 Flächen berechnen im Raster Calculator Das Ergebnis wird in der Attributtabelle der Berechnung angegeben oder kann über das Identify-Tool abgefragt werden. Wert 0: Fläche außerhalb der Berechnung Wert 1: Fläche innerhalb der Berechnung (zwischen -20m und -10m) in [m²] 37

38 Abspeichern temporärer Dateien Die Berechnungen des Raster Calculators werden zunächst in einen temporären Ordner abgelegt. Um diese als permanente Dateien abzuspeichern muß auf die entsprechende Datei mit der rechten Maustaste angeklickt werden. 38

39 Abtrags-/Auftragsberechnung (Cut/Fill) Dient zur Berechnung von Volumina zwischen zwei Rasterbildern. Dabei wird für die einzelnen Bereiche differenziert aufgeführt, ob ein lokaler An- oder Abtrag stattgefunden hat und wie hoch jeweils der Betrag ist. ArcToolbox: Spatial Analyst Tools Surface Cut/Fill Spatial Analyst Werkzeugleiste: Spatial Analyst Oberflächenanalyse Abtrag/Auftrag 39

40 Ausgangsraster angeben 2. Raster angeben, zu welchem hin die Volumenänderung berechnet werden soll. 3. Multiplikator für Z-Werte angeben 4. Angabe der Auflösung des Ausgaberasters. 5. Möglichkeit der Angabe für Speicherort und name des Ausgaberasters. 40

41 41

42 Sichtfeldberechnung (Viewshed) Hiermit lässt sich der sichtbare Bereich von einem oder mehreren Standorten im Gelände berechnen. ArcToolbox: Spatial Analyst Tools Surface Viewshed Spatial Analyst Werkzeugleiste: Spatial Analyst Oberflächenanalyse Sichtbarkeit 42

43 Eingaberaster 2. Punkt- oder Polylinien-File angeben, von dem aus die Beobachtung ausgeht Speicherort und name für Ausgabe- File 4. Multiplikator für Z-Werte 5. Angeben, ob die Erdkrümmung mit angegeben werden soll (Sinnvoll nur für sehr großräumige Analysen) 6. Angeben, wie stark die Lichtbrechung sein soll (um schlechte Sichtverhältnisse zu simulieren kann der Standardwert von 0,13 verändert werden) 43

44 Optionale Einstellungen der Viewshed-Analyse Beobachter und zu beobachtendes Objekt können durch Attribute im Beobachter-File (einzugeben in 2.) sehr genau definiert werden. Lässt man diese aus wird das denkbare Maximum eingesetzt. OFFSETA (1) Höhe des Beobachters OFFSETB (0) Größe des zu beobachtenden Objektes SPOT Höhe des Beobachters über dem Meer (NICHT kombinierbar mit OFFSETA) VERT1 (90) und VERT2 (-90) vertikal einsehbarer Bereich des Beobachters. VERT1 zu VERT2 in Grad (Horizontale = 0) AZIMUTH1 (0) und AZIMUTH2 (360) horizontaler Sichtbarkeitsbereich. AZIMUTH1 zu AZIMUTH2 in Grad (0 = Nord) RADIUS1 (1) und RADIUS2 (Infinity) minimale Sichtdistanz (RADIUS1) hin zu maximaler Sichtdistanz (RADIUS2) 44

45 Sichtbarkeitsberechnung (Observer Point) Hiermit lässt sich berechnen, von welchen Pixeln aus ein oder mehrere angegebene Objekte zu sehen sind. ArcToolbox: Spatial Analyst Tools Surface Viewshed 45

46 1. Eingaberaster angeben 2. File angeben, in dem die zu beobachtenden Punkte gespeichert sind 3. Speicherort und name angeben 4. Multiplikator für Z-Werte 5. Angeben, ob die Erdkrümmung berücksichtigt werden soll 6. Angeben, wie stark die Lichtbrechung sein soll Die Attributierung erfolgt wie bei der Sichtbarkeitsanalyse, mit dem Unterschied, dass für OFFSETA die Höhe des zu beobachtenden Objektes und OFFSETB die Höhe 46

47 Anwendung von Farbverläufen an einem Beispielausschnitt aus Eiderstedt landesweit optimierter Farbverlauf für den Gebietsausschnitt optimierter Farbverlauf 47

48 Symbolisierung von DGM-Rastern in ArcGIS Darstellung Gestreckt bzw. Stretched Automatisch abgestufter Farbverlauf über 256 Stufen Farbverlauf bezieht sich auf die Statistik (u.a. Minima und Maxima) des jeweiligen Rasters relative Darstellung : exakter Höhenwert ist aus der Legende nicht ableitbar Darstellung steht unmittelbar zur Verfügung Anwendung für Hillshade als Grauwerte, auch für DGM-Höhen sinnvoll Darstellung Klassifiziert bzw. Classified Darstellung von in Klassen zusammengefassten Zellwerten Beliebige Klassenunterteilung durch den Nutzer unabhängig von der Statistik des jeweiligen Rasters absolute Darstellung : jeder Farbe ist in der Legende ein exakter Höhenbereich zugeordnet Darstellung erfordert vorherige Klassendefinition durch den Nutzer Anwendung für DGM-Höhen, Hangneigung und Exposition sinnvoll 48

49 Beispiel: Manuelle Klassifikation in 3 Klassen Teil Klassenobergrenzen eingeben 49

50 Beispiel: Manuelle Klassifikation in 3 Klassen Teil

51 Farbverläufe bzw. Color Ramps in ArcGIS Die verschiedenen Darstellungsmöglichkeiten ( Renderer ) in ArcGIS (z.b. Gestreckt oder Klassifiziert) werden auf vordefinierte Farbverläufe bzw. Color Ramps angewendet. Color Ramps können einfach (z.b. grün nach braun) oder komplex (Multipart-Farbverlauf, z.b. dunkelgrün nach hellgrün nach gelb nach braun) sein. Die Color Ramps werden in sog. Styles abgelegt, welche über den Style Manager verwaltet werden. Im ESRI-Style stehen vordefinierte Color Ramps zur Verfügung. Für DGM-Daten sind z.b. die Color Ramps Black to White (einfach, für Hillshade-Darstellungen) oder Temperature (komplex, u.a. für Höhendarstellungen geeignet) zur Verfügung. Die Nutzer können weitere eigene Color Ramps erstellen und in ihrem Nutzer-Style ablegen. Der Style-Manager wird über Werkzeuge/ Styles/ Style-Manager geöffnet. ESRI.style im Style- Manager <Nutzer>.style im Style- Manager 51

52 Erstellung einer neuen Multipart-Color Ramp im Nutzer-Style Teil 1 1. Style-Manger, Nutzer-Style, Color Ramps: in rechtem Fenster Kontextmenü New/ Multi-part Color Ramp 2. Add-Button, Algorithmic Color Ramp 3. Algorithmic Color Ramp markieren, Properties 4. Color 1 und 2 definieren, Algorithm wählen (z.b. CIE Lab), OK 5. Schritte 2 bis 4 wiederholen, Color 1 entspricht vorheriger Color 2 6. Nach Abschluss mit OK bestätigen 52

53 Erstellung einer neuen Multipart-Color Ramp im Nutzer-Style Teil 2 7. Im Style-Manger Namen für neue Color Ramp vergeben 8. Nach dem Schließen des Style-Managers steht die neue Color Ramp in der Symbologie zur Verfügung 9. Unter Color Ramp mit der rechten Maustaste der Graphic View aktiviert (Farbdarstellung) und deaktiviert (Angabe der Namen in alphabetischer Reihenfolge zum Suchen einer best. Color Ramp) werden 10. Anwendung der neuen Color Ramp auf DGM-Raster 53

54 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 54