Lernmodul 2 Topologie. Lernmodul 2: Geoobjekte und ihre Modellierung - Topologie
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- Rolf Breiner
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1 Folie 1 von 71 Lernmodul 2 Topologie
2 Folie 2 von 71 Topologie Übersicht Topologie - Allgemeines Punktmengentopologie Nachbarschaft Beispiele zur Nachbarschaft Nähe, offene/geschlossene Menge Abschluß, Inneres, Grenze Zusammenhang topologische Transformationen Regularisierung topologische Relationen (Egenhofer) Algebraische Topologie Simplizes Teilsimplizes Simpliziale Komplexe
3 Folie 3 von 71 Topologie Motivation Die quantitative Beschreibung räumlicher Zusammenhänge (im Euklidischen Raum) ist Aufgabe der Vermessungskunde Räumliche Modellierungen müssen ebenso bestimmten strukturellen -topologischen- Zusammenhängen genügen (Beispiel: Sind zwei Grundstücke benachbart?) Wir betrachten die grundlegenden Konzepte der Topologie bzw. topologischer Räume
4 Folie 4 von 71 Topologie Allgemeines Wir unterscheiden zwei Ansätze der Topologie: Punktmengentopologie (analytische Topologie) Definition des topologischen Raumes durch das Konzept der Nachbarschaft auf einer Menge von Punkten Alle topologischen Eigenschaften lassen sich auf Nachbarschaft zurückführen Räumliche Beziehungen (Verbundenheit, Grenze,...) lassen sich durch die Terminologie der Punktmengentopologie ausdrücken Algebraische Topologie (geometrische Topologie) Theorie der simplizialen Komplexe: Mosaikzerlegung der Objekte in strukturell gleich gebaute Primitive
5 Folie 5 von 71 Punktmengentopologie Topologischer Raum Gegeben: Eine Menge S und die Menge aller Teilmengen von S (die Potenzmenge P(S) ) Ein topologischer Raum besteht aus einer Menge S und einer Menge von Teilmengen von S (nicht notwendig aller), den Nachbarschaften. Dabei gilt: T1: Jeder Punkt p S liegt in einer Nachbarschaft von S. T2: Der Durchschnitt zweier Nachbarschaften eines Punktes p S enthält eine Nachbarschaft von p.
6 Folie 6 von 71 Punktmengentopologie Beispiel I Die Nachbarschaft sei eine offene Kreisscheibe in der euklidischen Ebene (S = ) offene Kreisscheibe: Menge aller Punkte, die durch einen Kreis begrenzt werden, aber nicht auf demselben liegen punktierte Linie: offen durchgezogene Linie: geschlossen ist ein topologischer Raum: T1 ist erfüllt: Jeder Punkt p Kreisscheibe als Nachbarschaft hat eine offene T2 ist erfüllt: Der Durchschnitt zweier Nachbarschaften eines p enthält eine Nachbarschaft von p.
7 Folie 7 von 71 Punktmengentopologie Beispiele II - V Die diskrete Topologie einer Punktmenge S: Nachbarschaften sind S und die Menge aller Teilmengen von S T1 und T2 sind erfüllt die kleinste Nachbarschaft von p S ist {p} ( Einzimmerappartment, daher der Name diskret ) Die indiskrete Topologie S selbst ist die einzige Nachbarschaft von S T1 und T2 sind erfüllt Euklidische Räume aller Dimensionen; T1 und T2 sind z.b. erfüllt für die offenen Intervalle (a,b) in der Menge S = der reellen Zahlen als Nachbarschaften die offenen Kugeln in S = als Nachbarschaften
8 Folie 8 von 71 Punktmengentopologie Beispiel VI Fahrtzeittopologie Gegeben sei ein Gebiet, das durch ein Verkehrsnetz erschlossen ist. S sei die Menge aller Punkte des Gebiets. Sei (p,q) die Fahrtzeit auf der kürzesten Verbindung zwischen p und q. Annahme: Für alle p, q S gilt: (p,q) = (q,p) Symmetrie, keine Einbahnstraßen t-zone: die Menge aller Punkte, die von einem Ausgangspunkt aus in weniger als t Minuten erreichbar ist S mit der Menge aller t-zonen (für jeden Punkt!) ist eine Topologie.
9 Folie 9 von 71 Punktmengentopologie Abbildung zu Beispiel VI Ein-Stunden-Zone um Liége Quelle: Worboys (1995)
10 Folie 10 von 71 Punktmengentopologie Wo sind wir? Wir haben den Begriff der "Nachbarschaft" definiert Jetzt kommen mehrere auf den ersten Blick recht abstrakte Definitionen - alle beruhen auf dem Konzept der Nachbarschaft Zielbegriff: Der Rand oder die Grenze Teilziel: Offene und geschlossene Flächen Im folgenden gilt stets: S sei ein topologischer Raum X S; p, q S
11 Folie 11 von 71 Punktmengentopologie Nähe, Offen, Geschlossen p ist nahe an X, falls jede Nachbarschaft von p einen Punkt von X enthält. Beispiel: C = {(x,y) x² + y² < 1} sei die offene Kreisscheibe um den Ursprung mit Radius 1. X ist offen, wenn jeder Punkt q eine Nachbarschaft hat, die ganz in X ist. X ist geschlossen, wenn X alle nahen Punkte enthält.
12 Folie 12 von 71 Punktmengentopologie Wichtige nahe Punkte Interessant sind die nahen Punkte, die nahe an X sind ohne zu X zu gehören bei der offenen Kreisscheibe die Punkte des Kreises beim offenen Intervall die Zahlen a, b Sie werden sehen, dass der Begriff der Grenze auf dem Begriff der Nähe aufbaut.
13 Folie 13 von 71 Punktmengentopologie Abschluß, Inneres, Grenze Der Abschluß von X ist die Vereinigung von X mit allen nahen Punkten. Notation: X Beispiel: geschlossene Kreisscheibe C = {(x,y) x² + y² <= 1} Komplement von X: X Das Innere von X ist die Menge aller Punkte von X, die nicht zugleich nahe Punkte von X sind. Notation: X Die Grenze (oder der Rand) von X ist die Menge aller Punkte, die nahe zu X und zugleich zu X sind. Notation: X Es gilt: X = X \ X (mengentheor. Differenz) Der "Rand" einer Kreisscheibe ist der Kreis (wie zu erwarten)
14 Folie 14 von 71 Punktmengentopologie Beispiele "Inneres",... Die Menge S Das Innere von S Abschluß von S Rand von S
15 Folie 15 von 71 Punktmengentopologie Zusammenhang Ein Punktmenge X heißt zusammenhängend, wenn für jede Partition (disjunkte Zerlegung) in nichtleere Teilmengen A und B gilt: Entweder enthält A einen Punkt nahe an B oder B enthält einen Punkt nahe an A oder beides. zusammenhängend nicht zusammenhängend
16 Folie 16 von 71 Punktmengentopologie Diskret und indiskret Übung 1: Zeigen Sie: In der diskreten Topologie ist jede nichtleere Menge X gleichzeitig offen und geschlossen. Übung 2: Zeigen Sie: In der indiskreten Topologie ist jede Menge X, die nicht leer und nicht gleich S ist, weder offen noch geschlossen.
17 Folie 17 von 71 Punktmengentopologie Topologische Abbildung Eine topologische Transformation (Homeomorphismus) ist ein >>Isomorphismus, der Nachbarschaften auf Nachbarschaften abbildet. Beispiel: Topologie des äquivalent Ausgangs- und Zielmenge einer topologischen Transformation sind topologisch äquivalent nicht äquivalent Topologische Eigenschaften sind die Invarianten topologischer Abbildungen.
18 Folie 18 von 71 Punktmengentopologie Isomorphismus Ein Isomorphismus ist eine verknüpfungstreue, bijektive Abbildung: Wenn A verknüpft B gleich C, dann ist f(a) verknüpft f(b) gleich f(c). Beispiel: Wenn, dann Sei f eine Funktion von X nach Y. f: X Y f ist bijektiv, wenn sie injektiv und surjektiv ist. f ist injektiv, wenn für alle y aus Y höchstens ein x aus X mit f(x) = y existiert. f ist surjektiv, wenn für alle y aus Y mindestens ein x aus X mit f(x) = y existiert.
19 Folie 19 von 71 Punktmengentopologie Pfadzusammenhang Ein Pfad ist ein homeomorphes Bild einer geraden Kante. elastische Verformung Eine Menge X eines topologischen Raumes heißt (pfad-) zusammenhängend, wenn jedes Paar von Punkten durch einen Pfad verbunden werden kann, der ganz in X liegt. Pfadzusammenhang
20 Folie 20 von 71 Punktmengentopologie Regularisierung X sei eine Punktmenge der Euklidischen Ebene mit der Standardtopologie (offene Kreisscheiben). Die Regularisierung von X ist der Abschluß ( ) des Inneren ( ) von X: reg(x) = X Ergebnis ist ein rein flächenhaftes Objekt (ohne Beimengung von Punkten und Linien, die nicht zur Flächenbildung beitragen)
21 Folie 21 von 71 Punktmengentopologie Topologische Relationen
22 Folie 22 von 71 Topologische Relationen Problemstellung Gesucht: Beziehung zwischen zwei Punktmengen X und Y (schneiden sich X und Y, liegt X in Y, usw.) Gegeben: Rand und Inneres beider Mengen ( bzw. ) Lösung: Wir bringen jeweils den Rand bzw. das Innere von X mit dem Rand und dem Inneren von Y zum Schnitt und betrachten die Schnittmengen
23 Folie 23 von 71 Topologische Relationen X disjunkt Y X disjunkt Y X disjunkt Y
24 Folie 24 von 71 Topologische Relationen X disjunkt Y Ø X disjunkt Y X disjunkt Y
25 Folie 25 von 71 Topologische Relationen X disjunkt Y Ø Ø X disjunkt Y X disjunkt Y
26 Folie 26 von 71 Topologische Relationen X disjunkt Y Ø Ø Ø X disjunkt Y X disjunkt Y
27 Folie 27 von 71 Topologische Relationen X disjunkt Y X disjunkt Y
28 Folie 28 von 71 Topologische Relationen X trifft Y X trifft Y X trifft Y
29 Folie 29 von 71 Topologische Relationen X trifft Y not Ø X trifft Y X trifft Y
30 Folie 30 von 71 Topologische Relationen X trifft Y not Ø Ø X trifft Y X trifft Y
31 Folie 31 von 71 Topologische Relationen X trifft Y not Ø Ø Ø X trifft Y X trifft Y
32 Folie 32 von 71 Topologische Relationen X trifft Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y X trifft Y
33 Folie 33 von 71 Topologische Relationen X gleich Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y X gleich Y X gleich Y
34 Folie 34 von 71 Topologische Relationen X gleich Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø X gleich Y X gleich Y
35 Folie 35 von 71 Topologische Relationen X gleich Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø X gleich Y X gleich Y
36 Folie 36 von 71 Topologische Relationen X gleich Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø X gleich Y X gleich Y
37 Folie 37 von 71 Topologische Relationen X gleich Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y X gleich Y
38 Folie 38 von 71 Topologische Relationen X innerhalb Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y X innerhalb Y X innerhalb Y
39 Folie 39 von 71 Topologische Relationen X innerhalb Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø X innerhalb Y X innerhalb Y
40 Folie 40 von 71 Topologische Relationen X innerhalb Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø X innerhalb Y X innerhalb Y
41 Folie 41 von 71 Topologische Relationen X innerhalb Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø X innerhalb Y X innerhalb Y
42 Folie 42 von 71 Topologische Relationen X innerhalb Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y X innerhalb Y
43 Folie 43 von 71 Topologische Relationen Y innerhalb X not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Y innerhalb X Y innerhalb X
44 Folie 44 von 71 Topologische Relationen Y innerhalb X not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø Y innerhalb X Y innerhalb X
45 Folie 45 von 71 Topologische Relationen Y innerhalb X not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø not Ø Y innerhalb X Y innerhalb X
46 Folie 46 von 71 Topologische Relationen Y innerhalb X not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø not Ø Ø Y innerhalb X Y innerhalb X
47 Folie 47 von 71 Topologische Relationen Y innerhalb X not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø not Ø Ø not Ø Y innerhalb X Y innerhalb X
48 Folie 48 von 71 Topologische Relationen X überdeckt Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø not Ø Ø not Ø Y innerhalb X X überdeckt Y X überdeckt Y
49 Folie 49 von 71 Topologische Relationen X überdeckt Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø not Ø Ø not Ø Y innerhalb X not Ø X überdeckt Y X überdeckt Y
50 Folie 50 von 71 Topologische Relationen X überdeckt Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø not Ø Ø not Ø Y innerhalb X not Ø not Ø X überdeckt Y X überdeckt Y
51 Folie 51 von 71 Topologische Relationen X überdeckt Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø not Ø Ø not Ø Y innerhalb X not Ø not Ø Ø X überdeckt Y X überdeckt Y
52 Folie 52 von 71 Topologische Relationen X überdeckt Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø not Ø Ø not Ø Y innerhalb X not Ø not Ø Ø not Ø X überdeckt Y X überdeckt Y
53 Folie 53 von 71 Topologische Relationen Y überdeckt X not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø not Ø Ø not Ø Y innerhalb X not Ø not Ø Ø not Ø X überdeckt Y Y überdeckt X Y überdeckt X
54 Folie 54 von 71 Topologische Relationen Y überdeckt X not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø not Ø Ø not Ø Y innerhalb X not Ø not Ø Ø not Ø X überdeckt Y not Ø Y überdeckt X Y überdeckt X
55 Folie 55 von 71 Topologische Relationen Y überdeckt X not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø not Ø Ø not Ø Y innerhalb X not Ø not Ø Ø not Ø X überdeckt Y not Ø not Ø Y überdeckt X Y überdeckt X
56 Folie 56 von 71 Topologische Relationen Y überdeckt X not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø not Ø Ø not Ø Y innerhalb X not Ø not Ø Ø not Ø X überdeckt Y not Ø not Ø not Ø Y überdeckt X Y überdeckt X
57 Folie 57 von 71 Topologische Relationen Y überdeckt X not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø not Ø Ø not Ø Y innerhalb X not Ø not Ø Ø not Ø X überdeckt Y not Ø not Ø not Ø Ø Y überdeckt X Y überdeckt X
58 Folie 58 von 71 Topologische Relationen X überlappt Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø not Ø Ø not Ø Y innerhalb X not Ø not Ø Ø not Ø X überdeckt Y not Ø not Ø not Ø Ø Y überdeckt X X überlappt Y X überlappt Y
59 Folie 59 von 71 Topologische Relationen X überlappt Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø not Ø Ø not Ø Y innerhalb X not Ø not Ø Ø not Ø X überdeckt Y not Ø not Ø not Ø Ø Y überdeckt X not Ø X überlappt Y X überlappt Y
60 Folie 60 von 71 Topologische Relationen X überlappt Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø not Ø Ø not Ø Y innerhalb X not Ø not Ø Ø not Ø X überdeckt Y not Ø not Ø not Ø Ø Y überdeckt X not Ø not Ø X überlappt Y X überlappt Y
61 Folie 61 von 71 Topologische Relationen X überlappt Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø not Ø Ø not Ø Y innerhalb X not Ø not Ø Ø not Ø X überdeckt Y not Ø not Ø not Ø Ø Y überdeckt X not Ø not Ø not Ø X überlappt Y X überlappt Y
62 Folie 62 von 71 Topologische Relationen X überlappt Y not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø not Ø Ø not Ø Y innerhalb X not Ø not Ø Ø not Ø X überdeckt Y not Ø not Ø not Ø Ø Y überdeckt X not Ø not Ø not Ø not Ø X überlappt Y X überlappt Y
63 Folie 63 von 71 Topologische Relationen Zusammenfassung I X disjunkt Y X trifft Y X gleich Y X innerhalb Y X überdeckt Y X überlappt Y
64 Folie 64 von 71 Topologische Relationen Zusammenfassung II not Ø Ø Ø Ø X trifft Y not Ø not Ø Ø Ø X gleich Y Ø not Ø not Ø Ø X innerhalb Y Ø not Ø Ø not Ø Y innerhalb X not Ø not Ø Ø not Ø X überdeckt Y not Ø not Ø not Ø Ø Y überdeckt X not Ø not Ø not Ø not Ø X überlappt Y
65 Folie 65 von 71 Topologie Algebraische Topologie
66 Folie 66 von 71 Algebraische Topologie Motivation In Kapitel 4 wurde die Geometrie räumlicher Objekte durch eine Vektor-Struktur (Punkt, Kante, Polygon) repräsentiert. Grundlegendes, theoretisches Modell dieser Darstellung ist die Notation der simplizialen Komplexe Objekte werden durch simpliziale Komplexe modelliert Simpliziale Komplexe bestehen aus strukturell gleichgebauten Primitiven (Simplexe) Simpliziale Komplexe eignen sich gut zur Modellierung topologischer Zusammenhänge: Belegung von Komplexen mit Attributen Belegung der Primitive mit Attributen
67 Folie 67 von 71 Algebraische Topologie Anwendungen Geländemodell (Triangulation) Computergraphik Eisberge...
68 Folie 68 von 71 Algebraische Topologie Simplizes Ein 0-Simplex ist ein Punkt Ein 1-Simplex ist eine gerade Kante Ein 2-Simplex ist ein Dreieck (Inneres + 3 Kanten + 3 Knoten) Ein 3-Simplex ist ein Tetraeder
69 Folie 69 von 71 Algebraische Topologie Teilsimplizes Ein Knoten ist Teilsimplex einer Kante Eine Kante ist Teilsimplex eines Dreiecks Ein Dreieck ist Teilsimplex eines Tetraeders Der Teilsimplex T eines Simplex S ist ein Simplex, dessen Knoten alle in S vorkommen. Der Rand eines Simplex ist die Menge aller Teilsimplizes.
70 Folie 70 von 71 Algebraische Topologie Simpliziale Komplexe Ein Simplizialer Komplex C ist eine Menge von Simplizes mit folgenden Eigenschaften: jeder Teilsimplex in C ist ebenfalls in C der Durchschnitt zweier Simplizes in C ist entweder leer oder ein Teilsimplex beider Simplizes falsch: Korrektur:
71 Folie 71 von 71 Topologie Literatur Worboys, Michael F.: GIS: A Computing Perspective. Taylor & Francis Inc., London 1995
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