Norbert de Lange Geoinformatik in Theorie und Praxis

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1 Norbert de Lange Geoinformatik in Theorie und Praxis

2 Norbert de Lange Geoinformatik in Theorie und Praxis 2. aktualisierte und erweiterte Auflage Mit 184 Abbildungen

3 PROFESSOR DR. NORBERT DE LANGE UNIVERSITÄT OSNABRÜCK FACHBEREICH KULTUR- UND GEOWISSENSCHAFTEN SEMINARSTR OSNABRÜCK Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN Springer Berlin Heidelberg Newy York 1. Auflage 2002 ISBN Springer Berlin Heidelberg New York ISBN Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Ü- bersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006 Printed in The Netherlands Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: E. Kirchner, Heidelberg Herstellung: A. Oelschläger Satz: Druckreife Vorlage des Autors Gedruckt auf säurefreiem Papier 30/2132 AO

4 Vorwort zur zweiten Auflage Die freundliche Aufnahme dieses Lehrbuches zur Geoinformatik aus dem Jahre 2002 hat zur Vorbereitung einer zweiten, aktualisierten und erweiterten Auflage schon im Sommer 2005 geführt. Dabei bleibt die Konzeption in der vorliegenden Aktualisierung unverändert, obschon andere Schwerpunktsetzungen denkbar sind. Nach wie vor ist die Diskussion um Inhalte der Geoinformatik nicht abgeschlossen. Die im Vorwort zur ersten Auflage genannte und im ersten Kapitel verdeutliche Vielschichtigkeit der Geoinformatik zeigt sich auch in den vielfältigen Rezensionen und Reaktionen von Fachkollegen. Zum einen wird die Breite und Tiefgründigkeit bei sehr konzentrierter Schreibweise herausgestellt. Zum anderen wird vereinzelt angeregt, auf die Kapitel zu Grundlagen aus der Informatik und zu Computersystemen zu Gunsten z.b. von Inhalten zu Geoinformationssystemen zu verzichten. Diese Position ist für die Studiengänge verständlich, für die (inzwischen) Lehrveranstaltungen zur Informatik zum Pflichtangebot gehören. Allerdings gilt weiterhin die Ausrichtung als umfassendes Handbuch für Studium und Praxis, das die Inhalte der Geoinformatik anwendungsbezogen zusammenführt und das eine Brückenfunktion zur Geoinformatik besitzt. Weiterhin gilt, dass ohne derartige Kapitel manche Anwender in der Praxis oder auch Studierende in einem Anwendungsfach wie z.b. der Geographie kaum mit diesen Inhalten in Berührung kommen und oberflächlich oder vordergründig nur Anwendungsprogramme bedienen würden. Diese Neuauflage wäre ohne die Unterstützung mehrerer Kolleginnen und Kollegen nicht erstellt worden. Der Autor dankt daher allen Personen und Einrichtungen, die ihm wertvolle Hinweise und Anregungen gaben. Insbesondere möchte ich meiner Mitarbeiterin Frau M. Gähler für die kritische Durchsicht des Kapitels zur Fernerkundung danken. Ferner danke ich Herrn C. Reichel für die Überarbeitung mehrerer Abbildungen sowie vor allem meinen studentischen Mitarbeitern Herrn J. Kossow und Herrn S. Oltmer für die aufwändigen Materialrecherchen und Überprüfungen der Weblinks. Schließlich danke ich dem Springer-Verlag für die bewährte gute Zusammenarbeit. Osnabrück, Juli 2005 Norbert de Lange

5 Vorwort zur ersten Auflage In den neunziger Jahren ist mit der Geoinformatik ein neues interdisziplinäres Fachgebiet entstanden. Entwicklung und Konsolidierung sind in vollem Gange. Der vorliegende Band führt verschiedene Themenbereiche zusammen, die zur Geoinformatik gezählt werden. Dabei geht es nicht (allein) um Techniken. Geoinformatik wird vielmehr als Wissenschaft hinter den geographischen bzw. raumbezogenen Informationstechnologien verstanden. Dieses Buch besitzt somit eine Brückenfunktion zur Informatik. Entstanden ist ein umfassendes Handbuch für Studium und Praxis, das die Inhalte der Geoinformatik anwendungsbezogen zusammenführt, das aber auch wichtige Hintergrundinformationen liefert. Es soll insbesondere als Praxishandbuch einzusetzen sein, das auf direkte Anwendungen zielt, für die kommerzielle Software vorhanden ist. Selbst bei dieser Zielsetzung ist die Auswahl der Inhalte zu diskutieren. Sind z.b. ein breiter Einstieg in Kerninhalte der Informatik oder die Darlegung der ER-Modellierung notwendig? Ohne derartige Kapitel würden aber manche Anwender mit diesen Inhalten kaum in Berührung kommen und oberflächlich oder vordergründig nur Anwendungsprogramme bedienen. Diese hier beispielhaft und sehr verkürzt wiedergegebenen Positionen zeigen, dass die Diskussion um Inhalte der Geoinformatik nicht beendet ist. Die Themen des vorliegenden Bandes gehen auf viele Lehrveranstaltungen und vor allem auf die Vorlesung Grundlagen der Geoinformatik zurück, die ich seit 1994 an der Universität Osnabrück durchgeführt habe. Grundlage der ersten Vorlesung war ein Konzept der Geoinformatikvorlesung von U. Streit (Münster). Für die damaligen Anregungen danke ich herzlich. Die Anfänge haben sich teilweise ähnlich, aber auch unterschiedlich weiter entwickelt. Allen Studierenden, die mir durch Fragen und durch kritische Anmerkungen vielfache Anregungen gegeben habe, möchte ich sehr danken. Stellvertretend für die vielen Kollegen, die Hinweise und Anregungen gaben, möchte ich Herrn Breunig (Vechta) erwähnen, der das Kapitel Grundlagen aus der Informatik kritisch durchsah, wofür ich mich sehr bedanke. Meinem derzeitigen Mitarbeiter Herrn S. Pryka, möchte ich für die kritische Durchsicht und für das mühevolle Korrekturlesen danken. Großen Dank schulde ich ihm für die vielen Formulierungshilfen zum Kapitel Fernerkundung und Digitale Bildverarbeitung. Mein besonderer Dank gilt auch meinem langjährigen Mitarbeiter Herrn K. Wessels. Er hat das Werk seit den Anfängen durch konstruktive Hinweise begleitet. Ferner möchte ich meinen (ehemaligen) studentischen Mitarbeitern Herr C. Diekmann, Herrn D. Dinger, Herrn C. Heuermann und Herrn T. Stapenhorst für die konstruktive Zusammenarbeit danken, die an der Material- und Literaturrecherche beteiligt waren und die vor allem wesentliche Hilfestellungen bei den kartographischen Arbeiten leisteten. Nicht zuletzt danke ich dem Springer-Verlag für die gute und hilfreiche Zusammenarbeit. Osnabrück, Januar 2002 Norbert de Lange

6 Inhaltsverzeichnis 1 EINFÜHRUNG Ansatz und Aufgaben der Geoinformatik Ansatz und Aufgaben der Informatik Informatik und Gesellschaft GRUNDBEGRIFFE UND ALLGEMEINE GRUNDLAGEN DER INFORMATIONSVERARBEITUNG Information, Nachricht, Datum Automat, Computer, Programm, Hard- und Software EVA-Prinzip der Informationsverarbeitung Algorithmen und Programme in Computersystemen Algorithmusbegriff Programmablaufpläne und Struktogramme Stufen der Algorithmusausführung in einem Computer Darstellung von Informationen in Computersystemen durch Bitfolgen Binärdarstellungen Bitfolgen Logische Werte Zahlen Texte Bilder und Graphiken Dualzahlenarithmetik Farben Farben als Informationsträger Farbmischung und Farbmodelle Farbcodierungen und Farbtiefe GRUNDLAGEN AUS DER INFORMATIK Architektur von Computersystemen Struktur eines von-neumann-rechners Aufbau und Funktionsweise eines Prozessors Arbeitsspeicher, E/A-Prozessor und Bus Operationsprinzip eines von-neumann-rechners Programmierung in Maschinensprache Weitere Rechnerarchitekturen...43

7 VIII Inhaltsverzeichnis 3.2 Programmierung von Computersystemen System- und Anwendungssoftware, Programmierebenen Erstellen und Ausführen von Programmen mit einem Computersystem Programmiersprachen Programmierkonzepte Graphiksprachen und Graphikbibliotheken Programmierung von Anwendungen für Intranet, Internet Daten und Datentypen Einführung Standarddatentypen Strukturierte Datentypen Abstrakte Datentypen Dateien Algorithmen Definitionen und Merkmale Sequentielle und parallele Algorithmen Iterationen und Rekursionen Komplexität von Algorithmen Grundlegende Algorithmen der Geoinformatik Algorithmen der Koordinatengeometrie Graphen und ausgewählte Wegealgorithmen Klassifikationsalgorithmen Softwareentwicklung Aufgaben und Ziele der Softwareentwicklung Instrumente der Softwareentwicklung Traditionelle Vorgehensmodelle der Softwareentwicklung Objektorientierte Softwareentwicklung Weiterentwicklungen KOMPONENTEN VON COMPUTERSYSTEMEN Aufbau eines Computersystems Das Motherboard Prozessoren Unterscheidungskriterien und Leistungsmerkmale von Prozessoren CISC- und RISC-Technologie Prozessoren für Personal Computer Prozessoren für Workstations Arbeitsspeicher Graphikadapter Massenspeicher Sequentielle Speicher Direktzugriffsspeicher RAID-Technologie...126

8 Inhaltsverzeichnis IX 4.7 Eingabegeräte Nichtgraphische Eingabegeräte Graphische Eingabegeräte Ausgabegeräte Monitore Displays Drucker Plotter Systembetrieb Systemsoftware und systemnahe Software Betriebsarten Aufgaben von Betriebssystemen Benutzerschnittstellen Übersicht über wichtige Betriebssysteme Netzwerke Definition und Unterscheidungsmerkmale Kommunikationsschnittstellen und Netzprotokolle Internet Verteiltes Arbeiten im Internet Anwendungssoftware Individual- und Standardsoftware Anwendungssoftware in der Geoinformatik RÄUMLICHE OBJEKTE UND BEZUGSSYSTEME Geoobjekte Begriff des Geoobjekts Geometrie von Geoobjekten Topologie von Geoobjekten Thematik von Geoobjekten Dynamik von Geoobjekten Dimensionen von Geoobjekten Koordinatensysteme Metrische Räume und kartesische Koordinaten Polarkoordinaten und geographische Koordinaten Homogene Koordinaten Koordinatentransformationen Kartennetzentwürfe Raumkoordinaten und lokale Bezugssysteme auf der Erde Abbildungseigenschaften von Kartennetzentwürfen Abbildungsflächen von Kartennetzentwürfen Grundlagen geodätischer Bezugssysteme Annäherung der Erde durch Ellipsoide Geodätisches Datum und traditionelle Bezugssysteme Neue terrestrische Referenzrahmen Datumstransformationen Geoid...188

9 X Inhaltsverzeichnis 5.5 Geodätische Abbildungen Begriff und Bedeutung Geodätischer Abbildungen Das Gauß-Krüger-Koordinatensystem in Deutschland Das Österreichische Bundesmeldenetz Das Schweizer Koordinatensystem Das UTM-Koordinatensystem DIGITALE RÄUMLICHE DATEN: DATENGEWINNUNG UND GEOBASISDATEN Grundbegriffe Primär- und Sekundärdaten Analog-Digital-Wandlung Diskretisierung Digitale Erfassung von Geometriedaten Digitale Erfassung von Geometriedaten im Vektorformat Digitale Erfassung von Geometriedaten im Rasterformat Konvertierung zwischen Vektor- und Rasterdaten On-Screen-Digitalisierung Erfassung von Lagekoordinaten mit GPS Metadaten und Qualität von Daten Metadaten Der Umweltdatenkatalog UDK Der Content Standard for Digital Geospatial Metadata Metadaten-Informationssystem über Geodaten des Bundes Qualität von Daten und Geodaten Räumliche Auflösung, Generalisierung, Lagegenauigkeit Standards von Daten und Geodaten GPS - Global Positioning System Aufbau des Satellitensystems Prinzip der Distanzbestimmung Fehlereinflüsse und Genauigkeiten einer GPS-Standortbestimmung Differentielles GPS (DGPS) Einsatzmöglichkeiten des Global Positioning Systems Zukunft von GPS Geobasisdaten Geobasisdaten der Vermessungsverwaltungen Das Automatisierte Liegenschaftskataster Das Amtliche Topographisch-Kartographische Informationssystem ATKIS Das AFIS-ALKIS-ATKIS Konzept Aufbau von Geodateninfrastruktur...242

10 Inhaltsverzeichnis XI 7 VISUALISIERUNG RAUMBEZOGENER INFORMATIONEN Graphische Informationsverarbeitung Graphische Darstellungen von Informationen Digitale graphische Darstellungsformen raumbezogener Informationen Computergestützte wissenschaftliche Visualisierung Graphische Kommunikation und graphische Semiologie Graphische Kommunikation Graphische Semiologie Graphische Gestaltungsmittel Signaturen Allgemeine Gestaltungsmerkmale Klasseneinteilungen Texte und Beschriftungen Diagrammdarstellungen Einsatz von Farbe Farbe als einfaches und kritisches Ausdrucksmittel Farbassoziationen Farbabstufungen Desktop Mapping Entstehung von Desktop Mapping aus Desktop Publishing Anforderungen an Systeme zum Desktop Mapping Kartographie im multimedialen Umfeld Paradigmenwechsel der Kartographie Datenexploration in der Kartographie Kartographische Potenziale moderner Informations- und Kommunikationstechnologien Multimediale Visualisierung und Web-Mapping Multimedia Kartographie: Standards und Perspektiven Digitale und multimediale Nationalatlanten Kartographische Auskunftssysteme und interaktive Planungskartographie Ausblick DATENORGANISATION UND DATENBANKSYSTEME Datenorganisation Grundbegriffe der Datenorganisation Dateisysteme Datenbanksysteme Datensichten in einem Datenbanksystem Datenmodelle...292

11 XII Inhaltsverzeichnis 8.2 Datenbankentwurf mit ER-Modellierung Modellierungskonzepte Entities und Attribute Relationships Konzeptueller Datenbankentwurf an einem Beispiel Das relationale Datenmodell Aufbau einer relationalen Datenbasis Normalformen Transformation eines ER-Diagramms in das Relationenmodell Relationale Datenstrukturen in Geoinformationssystemen Arbeiten mit einem relationalen Datenbanksystem Datendefinition und Verwaltungsfunktionen Datenmanipulation und Datenauswertung Der Sprachstandard SQL einer Datenmanipulationssprache für relationale Datenbanksysteme Datenkonsistenzen Begriff und Bedeutung von Datenkonsistenzen Referentielle Integrität Trigger Transaktionen Objektorientierung in Datenbanksystemen Ansatz objektorientierter Datenbanksysteme Merkmale objektorientierter Datenbanksysteme Standardisierungen Erweiterte relationale Datenmodelle Generalisierung und Vererbung Geschachtelte relationale Datenbankmodelle Objektrelationale Datenbankmodelle GEOINFORMATIONSSYSTEME Digitale Informationssysteme und Geoinformationssysteme Informationssysteme Vierkomponentenmodelle eines Informationssystems Begriff und Bedeutung von Geoinformationssystemen Modellierung von Geoobjekten in einem Geoinformationssystem Geoinformationssystem als Modell der realen Welt Geometrisch-Topologische Modellierung von Geoobjekten im Vektormodell Geometrisch-Topologische Modellierung von Geoobjekten im Rastermodell Speicherung von Geometrien im Rastermodell Thematik von Geoobjekten Vergleich von Vektor- und Rastermodell...335

12 Inhaltsverzeichnis XIII 9.3 Bearbeitung und Analyse von Geoobjekten im Vektormodell Erfassen und Editieren raumbezogener Daten Verwaltung raumbezogener Daten: Datenabfragen und Suchoperationen Fortführung und Aktualisierung raumbezogener Daten Räumliche Überlagerungen und geometrisch-topologische Analysefunktionen Bearbeitung und Analyse von Geoobjekten im Rastermodell Aufbereiten von Rasterdaten Konvertieren von Sachdaten auf Rasterbasis Räumliche Analysen von Rasterdaten Netzwerkanalysen Das Netzwerkdatenmodell Analyse optimaler Wege in einem Netzwerk Ermittlung von Einzugsbereichen Weitere Analysemöglichkeiten in einem Netzwerk Räumliche Interpolation und Modellierung von Flächen Ausgangsfragestellungen Trendflächenanalyse Räumliche Interpolation durch Mittelwertbildung Dreiecksvermaschung und Thiessen-Polygone Erstellen von Höhenmodellen und Oberflächenmodellen Trends FERNERKUNDUNG UND DIGITALE BILDVERARBEITUNG Begriffsbestimmungen und Einsatzmöglichkeiten der Fernerkundung Ansatz von Fernerkundung und digitaler Bildverarbeitung Grundprinzip der Fernerkundung Digitale Bildverarbeitung Photogrammetrie Physikalische Grundlagen Das elektromagnetische Spektrum Solare Einstrahlung und Einflüsse der Atmosphäre Das Reflexionsverhalten der Erdoberfläche Wichtige Aufnahmesysteme Übersicht Leistungsmerkmale abbildender Fernerkundungsinstrumente Bahnparameter von Fernerkundungssatelliten Aufnahmesysteme von Wettersatelliten Die Aufnahmesysteme von Landsat Die Aufnahmesysteme von SPOT Indian Remote Sensing Satellite Aufnahmesysteme mit abbildendem Radar...389

13 XIV Inhaltsverzeichnis Ausblick zur Satellitenfernerkundung Flugzeuggestützte Aufnahmesysteme Digitale Bilder Aufnahme digitaler Bilder in der Fernerkundung Visualisierung digitaler Bilder in der Fernerkundung Bezug von Fernerkundungsdaten Digitale Bildbearbeitung Bildvorbearbeitung Kontrastverbesserung Bildtransformationen Räumliche Filteroperationen Kombination mehrerer Bilder Multispektralklassifikation Prinzip der Multispektralklassifikation Unüberwachte Klassifikation Überwachte Klassifikation Probleme der pixelbasierten Multispektral-Klassifikation Ermittlung der Klassifikationsgenauigkeit Räumlich-spektrale Bildsegmentierung...422