Auswertung von Geodaten

Transkript

1 Auswertung von Geodaten Wir haben bislang einige Beispiele kennen gelernt, wie man sich Geodaten beschaffen kann (u.a. GPS, Luft- und Satellitenbilder). Des weiteren haben wir gesehen, dass diese mitunter erst aufbereitet werden müssen (u.a. durch Georeferenzierung). Nun sammelt aber niemand Daten, um Daten zu haben, sondern um damit zu arbeiten bzw. neue Erkenntnisse daraus zu gewinnen. Auch hierzu haben wir bereits einige Beispiele gesehen. Wir wollen heute hierzu einige weitere Möglichkeiten betrachten. In der nächsten (letzten) Sitzung werden wir dann noch die Themen Geo-Informationssysteme (GIS) und Visualisierung räumlicher Informationen ansprechen.

2 Analyse räumlicher Informationen Die Sachanteile von Geodaten können mit den üblichen Werkzeugen verarbeitet und analysiert werden. So könnte man beispielsweise Klimadaten statistisch betrachten, um Mittelwerte zu berechnen. Das Besondere an Geodaten ist ihr (zusätzlicher) Geometrieanteil, der eine Reihe von räumlichen Berechnungen und Analysen ermöglicht, die dann selbst wieder Geodaten liefern können. Einige Beispiele: Flächenhafte Interpolation von Geländemodellen aus Primärdaten Messen von Entfernungen und Flächeninhalten in geocodierten Datensätzen (Raster, Vektor) Berechnen von Reichweiten (z.b. von Funkantennen) Topologische Relationen (A liegt in B, A ist Nachbar von B usw.) Im Folgenden wollen wir uns einige weitere Aspekte zur Nutzung räumlicher Informationen ansehen.

3 Simulation von Wasserständen Nach Vorgabe eines (konstanten) z-wertes können verschiedene grafische Ansichten erstellt werden. Mittels Differenz-DGM lässt sich auch das Wasservolumen berechnen. Rechts: Höhenlinien 5m, Wasserspiegel 1370m ünn

4 Volumenberechnungen Zur Erinnerung: Das DGM (16-Bit-Rasterbild) entstand aus Primär- Vektordaten, der Zusammenhang wurde beschrieben durch Spaltenposition = (x xmin) / pixgr Zeilenposition = zei ((y ymin) / pixgr) Grauwert = (z zmin) / (zmax-zmin) * (vgl. folie_9) Aus dem Grauwert kann umgekehrt die Höhe berechnet werden zu z = Grauwert / * (zmax-zmin) + zmin Bei der Wasserstandssimulation haben wir 2 Grauwerte, einmal die Geländehöhe, dann die Wasserspiegelhöhe. Das Wasservolumen berechnet sich folglich über dz = (GW Wasser GW Gelände ) / * (zmax-zmin) dann multipliziert mit der Fläche.

5 Pufferzonen Beispiel: Beidseitig entlang geplanter Trassen soll ein Streifen von 25 Metern Breite frei von Bebauung bleiben. Binär 25m Entfernungscodiert

6 Entfernungen zu Zielpunkten Beispiel: Wo ist die nächstgelegene Telefonzelle (der nächste Spielplatz, das nächste Krankenhaus, )? Entfernung? Zielpunkt (alternative Farbpalette)

7 Verbindet man alle Punkte, die gleiche Entfernung zu zwei benachbarten Zielpunkten haben, erhält man die sogenannten Thiessen-Polygone (oder Voronoi-Diagramme oder Dirichlet- Zerlegung der Ebene ). Man kann die entstehenden Flächen deuten als die zum jeweiligen Zielpunkt gehörende Nachbarschaften. Die Thiessen-Polygone verhalten sich dual zur Delaunay-Triangulation, die wir bereits im Zusammenhang mit der Erstellung von DGMs gesehen haben (vgl. TINs, folie_9). Die Polygonseiten sind Mittelsenkrechte zu Verbindungen benachbarter Punkte.

8 Neben der linearen ( wirklichen ) Entfernung kann man natürlich auch nicht-lineare Entfernungsfunktionen ansetzen (*), des weiteren lassen sich Barrieren einbauen. Nebenstehend ein Bild zur Simulation der Lärmbelastung: Die Lautstärke nimmt mit 1/entf 2 ab; die Gebäude bilden Barrieren, um welche herum sich die Schall ausbreitet. In ähnlicher Weise könnte z.b. die Ausbreitung von Schadstoffen simuliert werden. --- (*) hierfür wird gelegentlich der Begriff Kostenfunktion verwendet

9 Hierzu ein kurzer Einschub: Metriken Wenn wir vom Abstand zwischen zwei Punkten A und B sprechen, ist es irgendwie klar, was wir meinen. Tatsächlich aber wäre zunächst zu definieren, welche Metrik wir verwenden wollen. Def.: Eine Metrik ist eine mathematische Funktion, die je zwei Punkten eines Raumes einen nicht negativen reellen Wert zuordnet, der als Abstand der beiden Elemente voneinander bezeichnet wird. Der uns geläufigen Vorstellung liegt die euklidische Metrik zugrunde, der Abstand wird dann nach dem Satz des Pythagoras berechnet. Zwei gelegentlich verwendete Alternativen: Manhattan-Metrik: Summe der Differenzen in x und y. Auch bezeichnet als Cityblock- oder Taxifahrermetrik. Maximum-Metrik: Maximum der Differenzen in x und y

10 Abstand zwischen den Punkten A und B: B Euklidische Metrik Manhattan-Metrik Maximum-Metrik A Bilder des Einheitskreises:

11 Datenverschneidung Unter räumlicher Analyse verstehen wir die Verschneidung und Abfrage von Geodaten, wobei die Art der Verschneidung von der jeweiligen Fragestellung abhängig ist. [Quelle: Allgemein bedeutet Verschneidung, dass unterschiedliche Sachinformationen lagerichtig miteinander in Beziehung gesetzt werden. Voraussetzung dafür ist, dass (1.) die Sachinformationen auf geeignete Weise geordnet und (2.) georeferenziert sind. Dies kann beispielsweise (aber nicht nur) realisiert werden, in dem die Sachinformationen in Form georeferenzierter Rasterbilder verwaltet werden, wie die nächste Abbildung verdeutlicht:

12 Datenanordnung in Ebenen (Schichten, layer ) Landnutzung Gewässer Siedlungen Verkehrswege Relief (DGM) Punktgenauer Zugriff (x, y) auf unterschiedliche Sachinformationen

13 Das Modell der Ebenen hat mindestens zwei Väter : Bei der klassischen Herstellung topographischer Karten wurde für jede Farbe eine eigene Druckplatte verwendet. Jede Farbe hatte dabei eine bestimmte Bedeutung (Blau = Gewässer, Grün = Vegetation usw.). In der Regionalen Geographie ist es üblich, nach Sachinhalten geordnet vorzugehen (z.b. Geologie, Relief, Klima, Vegetation, ), zumal dies naheliegend ist. Auch hierbei werden also inhaltliche Aspekte gewissermaßen in Ebenen behandelt, die alle denselben Raumbezug haben ein Kontinent, ein Staat, ein Bundesland o.ä. --- Ein Link zum Thema Ebenen:

14 Verschneidungen können unterschiedlicher Art sein: Optisch (z.b. im Sinne einer Doppelbelichtung ) Geometrisch (Mosaike) Im Sinne von Map Algebra In letzterem Fall wird sozusagen mit den Pixelwerten gerechnet. Erinnern wir uns beispielsweise an den NDVI (vgl. folie_10): NDVI = Kanal 4 Kanal 3 Kanal 4 + Kanal 3 Idealer Weise liegen beide Kanäle des LandSat TM georeferenziert vor. Pixel für Pixel kann nach obiger Formel ein neues Bild berechnet werden, welches Informationen über den Gesundheitszustand der Vegetation liefert. Das Ergebnis ist wieder ein georeferenziertes Rasterbild.

15 Zur Map Algebra gehören auch logische Verknüpfungen. Hier ein fiktives Beispiel: Ebene 1 = DGM. Daraus abgeleitet werden Ebene 2 = Hangwinkel Ebene 3 = Expositionen Generieren einer neuen Ebene: WENN Hangwinkel zwischen 5 und 20 Grad UND Exposition zwischen Südwest und Südost, DANN Pixel = 1, sonst Pixel = 0. Diese Ebene (georeferenziertes binäres Rasterbild) könnte z.b. die Gebiete ausweisen, die zum Weinanbau geeignet sind. Binäre Bilder solcher Art werden gelegentlich auch als Masken bezeichnet.

16 Noch ein Beispiel: Ebene 1 = Hangwinkel (aus DGM) Ebene 2 = Bodenart (Korngröße) und -tiefe Ebene 3 = geologischer Untergrund Ebene 4 = Vegetation Ebene 5 = Niederschläge (Jahresmittelwerte) Ziel ist, eine Karte von Gebieten möglicher Hangrutschungen zu erstellen, differenziert nach Gefährdungsgrad (Risikobewertung). Die Gefährdung steigt (a) mit zunehmender Hangneigung, (b) bei lockeren, tiefgründigen Böden, (c) bei wassersperrenden Schichten im Untergrund, (d) je geringer die Vegetationsbedeckung ist und (e) je mehr Niederschlag fällt. Zur Erstellung der gewünschten Karte benötigt man daher neben der Beschaffung der oben aufgeführten Daten eine geeignete Formel, welche die 5 Parameter sinnvoll gewichtet und daraus einen Wert der Gefährdung ableitet (z.b. in 10 Stufen).

17 Eine weitere interessante Anwendung sind Zeitreihen. Unter Verwendung von Daten aus verschiedenen Jahren oder Jahrzehnten können Veränderungen auf der Erdoberfläche dargestellt und ausgewertet werden ( change detection ). In den einzelnen Ebenen würden hier die Jahrgänge vorgehalten. Beispiele: Gletscherrückzug als Folge von Klimaänderungen hier können z.b. Flächen- und Volumenberechnungen durchgeführt werden Abnahme des Waldanteils und/oder Zunahme der Flächen mit Bebauung bzw. Verkehrswegen Schadensermittlung nach Erdbeben, Vulkanausbrüchen usw. Veränderungen von Wasserflächen und Küstenlinien --- Zur Vertiefung des Themas geeignet: orl-gis3-ht10-kap2a.pdf

18 Farbkompositen aus LandSat-TM-Daten, Gebiet Reno / Lake Tahoe (Grenzgebiet Kalifornien / Nevada, USA) Quelle und weitere Informationen zur Verarbeitung: