GEODATENBANKSYSTEME KAPITEL 2: MODELLIERUNG VON GEODATEN

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1 GEODATENBANKSYSTEME KAPITEL 2: MODELLIERUNG VON GEODATEN Geodatenbanksysteme WS 2014/15 2-1

2 Modellierung von Geodaten Inhalte des Kapitels Eigenschaften von Geodaten Standardisierung von Geodaten Simple Feature Access SQL/MM Spatial Bezugssysteme Lernziele Beherrschung der grundlegenden Geodaten-Modellierungs- Terminologie Kennenlernen der wichtigsten(!) Konzepte zur Standardisierung von Geodaten Geodatenbanksysteme WS 2014/15 2-2

3 Modellbildung Modellbildung allgemein Ziel ist die Abbildung der Wirklichkeit in ein (mehr oder weniger) genaues Modell Die Genauigkeit der Modellierung unterliegt Einschränkungen Speicherplatzeinschränkungen Handhabbarkeit Entstehen von paradoxen Situationen Zu modellierende Eigenschaften für Geodaten Geometrische Eigenschaften Thematische Eigenschaften (qualitativ und quantitativ) Topologische Eigenschaften Temporale Eigenschaften Geodatenbanksysteme WS 2014/15 2-3

4 Geometrische Eigenschaften 1(2) Geometrische Eigenschaften von Geodaten dienen zur Beschreibung der Lage und Ausdehnung im Raum Wichtige Repräsentationsformen der geometrischen Eigenschaften Vektormodell P 1 P 2 P 5 P 3 F = (P 1, P 2, P 3, P 4, P 5, P 6 ) P 2 = (34,807 ; 55,352) Geo-Objekte sind über eine geordnete Liste von Punkten definiert. P 6 P 4 Rastermodell Geo-Objekte sind als Menge von Pixeln eines Gitters gegeben. Geodatenbanksysteme WS 2014/15 2-4

5 Geometrische Eigenschaften 2(2) Typ Vorteile Nachteile Vektordaten Rasterdaten Einfachere Repräsentation der Gegebenheiten der realen Welt Speichergünstiger Topologische Beziehungen einfacher zu realisieren Überlappungs-Layer einfach zu realisieren Einfachere Integration Fernerkundungsdaten (diese Daten liegen i.a. als Rasterdaten vor) Überlappungs-Layer schwieriger zu realisieren Informationen gehen aufgrund der Komprimierung verloren Topologische Beziehungen schwieriger zu realisieren Kombinationsmöglichkeit : Objektrepräsentation mit Vektordaten; Hintergrundbezug/-darstellung über Rasterdaten Schwerpunkt der Vorlesung: Vektordaten Source: Geodatenbanksysteme WS 2014/15 2-5

6 Thematische Eigenschaften Thematische Eigenschaften dienen zur Beschreibung der weiteren, nicht-geometrischen Eigenschaften Nominale Eigenschaften (z.b. Gemeindename) Qualitative Eigenschaften (z.b. Status einer Gemeinde) Quantitative Eigenschaften (z.b. Niederschlagsmenge einer Gemeinde) Bei der Zuordnung von thematischen Eigenschaften wird zwischen objektbasierten Datenmodellen (Zuordnung zum Geobjekt) und raumbasierten Datenmodellen (Zuordnung zum Datenraum durch kontinuierliche Funktion) unterschieden. Geodatenbanksysteme WS 2014/15 2-6

7 Topologische Eigenschaften Topologische Eigenschaften von Geodaten dienen zur Beschreibung der relativen räumlichen Beziehungen von Objekten zueinander, wobei von der Geometrie abstrahiert wird. Typische topologische Beziehungen: Nachbarschaft, Enthaltensein, Überschneidung, Entfernung Topologische Eigenschaften können explizit im Datenmodell gespeichert werden oder implizit aus den geometrischen Eigenschaften abgeleitet werden Beispiel für topologisch äquivalente Darstellung eines Liniennetzes: Quelle: de Lange (Geoinformatik) Geodatenbanksysteme WS 2014/15 2-7

8 Temporale Eigenschaften Temporale Eigenschaften dienen zur Beschreibung des Zeitpunktes oder des Zeitraums, für die die übrigen Eigenschaften gelten. Besonders interessant: Betrachtung der Eigenschaften für mehrere (aufeinanderfolgende) Zeitpunkt bzw. -räume. Beispiele: Veränderung der Bevölkerungsdichte in einem bestimmten Gebiet Veränderung der Größe eines Sees in einem bestimmten Zeitraum Aktuelles Forschungsthema: Unterstützung der raum-zeitlichen Modellierung der Daten (Spatio-Temporal Data Modeling) durch ein GIS oder Geodatenbanksystem. Quelle: Geodatenbanksysteme WS 2014/15 2-8

9 Modellierung von Geodaten Eigenschaften von Geodaten Standardisierung von Geodaten Simple Feature Access SQL/MM Spatial Bezugssysteme Geodatenbanksysteme WS 2014/15 2-9

10 Standardisierung von Geodaten 1(2) Voraussetzung für Öffnung von Geoinformationssystemen und Interoperabilität: Standards für Datenaustausch Standards für Modellierung und Speicherung von Geodaten OGC (Open Geospatial Consortium) internationale, non-profit Standardisierungsorganisation mit ca. 480 Mitgliedern aus Wirtschaft, Verwaltung und Wissenschaft 1994 als Open GIS Consortium gegründet, seit 2004 Open Geospatial Consortium Fokus auf Schnittstellen von Geoinformationssystemen sowohl abstrakte Spezifikationen als auch konkrete Implementierungsspezifikationen ISO-TC211 Geographic Information/Geomatics Technisches Komitee der ISO mit ca. 30 aktiven Mitgliedsstaaten und ca. 30 beobachtenden Mitgliedsstaaten Fokus auf digitalen Geoinformationen nur abstrakte Spezifikationen Geodatenbanksysteme WS 2014/

11 Standardisierung von Geodaten 2(2) Abstrakte Spezifikation ISO-TC211/OGC Implementierungsspezifkation Simple Feature Access (OGC) SQL/MM (ISO/IEC) Bestandteil von SQL:1999 ff. Implementierung Herstellerspezifische Implementierungen (IBM Informix, IBM DB2, Oracle, MS SQL Server, PostgreSQL/PostGIS, MySQL) Geodatenbanksysteme WS 2014/

12 Simple Feature Access Standard Simple Feature Access: Implementierungsspezifikation zur Beschreibung der Vektor- Geometrie von (maximal) zweidimensionalen Objekten. definiert räumliche Operationen für Zugriff, Anfrage und Verarbeitung von Geoobjekten. Simple Features sind Geometrien im zweidimensionalen Datenraum, deren Stützpunkte geradlinig miteinander verbunden sind. Geodatenbanksysteme WS 2014/

13 Simple Feature Access Standard Der Standard definiert Geometrieschema Repräsentationsformen Basismethoden Topologische Beziehungen Informationsschema Geodatenbanksysteme WS 2014/

14 Geometrieschema 1(3) Quelle: Brinkhoff (Geodatenbanksysteme) Geodatenbanksysteme WS 2014/

15 Geometrieschema 2(3) Punkte repräsentiert durch Klasse Point Methoden X() und Y() für den Zugriff auf die Koordinaten Linien repräsentiert durch (abstrakte) Oberklasse Curve Methoden: Length(),StartPoint(),EndPoint(),IsClosed(),IsRing() Unterklasse LineString erlaubt Speicherung beliebiger Streckenzüge: Darstellung als Folge von Punkten zusätzliche Methoden: NumPoints(), PointN() Unterklasse Line entspricht einer Strecke (2 Punkte) Unterklasse LinearRing enthält einfache, geschlossene Streckenzüge geschlossen Start- und Endpunkt stimmen in ihren Koordinaten überein einfach kein Schnitt außer bei den Streckenpunkten zu jedem Streckenpunkt gibt es maximal zwei Strecken Geodatenbanksysteme WS 2014/

16 Geometrieschema 3(3) Klasse Polygon stellt einfache Polygone mit Löchern zur Verfügung ein äußeres Polygon äußerer Ring (exteriorring) optional beliebige viele innere Polygone innere Ringe (interiorring) die inneren Ringe liegen innerhalb des äußeren Rings, aber nicht in anderen inneren Ringen bis Version 1.2 kein innerer Ring weist einen Schnitt mit dem äußeren Ring auf zwei innere Ringe schneiden sich in höchstens einem Punkt seit Version zwei Ringe dürfen sich nur in disjunkten (d.h. endlich vielen) Punkten berühren Geometriesammlungen werden durch Objekte der Klasse GeometryCollection oder deren Unterklassen repräsentiert. alle Objekte einer Geometriesammlung müssen das gleiche Koordinatensystem besitzen. Unterklassen für die Aufnahme von Objekten einer gleichen Klasse. Update! Geodatenbanksysteme WS 2014/

17 Repräsentationsformen Repräsentationsformen für Simple Feature (benutzt als Ein- und Ausgabeformate) Well-known Text (WKT) als Textrepräsentation Beispiele: POINT ( ) LINESTRING ( , , ) POLYGON ( ( , , , , ) ) POLYGON ( ( , , , , ), ( , , , ) ) Well-known Binary (WKB) als binäre Speicherrepräsentation Beispiel Punkt mit Koordinaten (1 1) F03F F03F mit 01 Byte Reihenfolge Geometrie Typ Bereitstellung über entsprechende Methoden Geodatenbanksysteme WS 2014/

18 Basismethoden Grundlegende Methoden, die in der Klasse Geometry definiert sind (Auswahl!) Dimension():integer Rückgabewerte: 0 (Point), 1 (Curve), 2 (Surface) GeometryType():string SRID():integer liefert die Schlüsselnummer des räumlichen Bezugssystems AsText():string AsBinary():binary Geodatenbanksysteme WS 2014/

19 Simple Feature Access Der Standard definiert Geometrieschema Repräsentationsformen Basismethoden Topologische Beziehungen Informationsschema Geodatenbanksysteme WS 2014/

20 Topologische Beziehungen 1(4) Verwendung des 9-Schnittmodells (9-Intersection-Modell, 9IM) für jedes Geo-Objekt O gibt es drei paarweise disjunkte Mengen: das Innere O I der Rand O R das Äußere O A Definition des Randes O R für die Geometrien: Polygon: äußerer Ring + innere Ringe Linien: Endpunkte Punkt: leer Für zwei Objekte A und B ergeben sich bzgl. des Schnitts neun Beziehungen: für jede Schnittmenge A X B Y ist das Ergebnis true oder false Geodatenbanksysteme WS 2014/

21 Topologische Beziehungen 2(4) Von den theoretisch möglichen 2 9 = 512 verschiedene Matrizen ( topologische Beziehungen) sind nur acht sinnvoll: A. Inside( B) B. Contains( A) A. Covers( B) B. CoveredBy( A) alle anderen Beziehungen sind symmetrisch Quelle: Brinkhoff (Geodatenbanksysteme) Geodatenbanksysteme WS 2014/

22 Topologische Beziehungen 3(4) Räumliche Analyse eines Objektes IsSimple():boolean testet, ob es sich um eine einfache Geometrie handelt Boundary():Geometry liefert den Rand des Geo-Objektes Envelope():Geometry liefert das minimal umgebende Rechteck (MUR) des Geo-Objekts Rückgabewert ist ein Objekt der Klasse Polygon: (minx, miny), (maxx, miny), (maxx, maxy), (minx, maxy), (minx, miny) ConvexHull():Geometry liefert konvexe Hülle ( Gummiband-Objekt ) Buffer (distance:double):geometry Pufferzone der angegebenen distance um das Geo-Objekt wichtige GIS-Funktion (z.b. Bestimmung aller Spielplätze, die nicht weiter als 25m von einer Straße entfernt liegen, Bestimmung von Uferzonen entlang von Flüssen etc.) Geodatenbanksysteme WS 2014/

23 Topologische Beziehungen 4(4) Abstand zwischen zwei Objekten Distance (anothergeometry : Geometry) : double minimaler Abstand gemäß des räumlichen Bezugsystems des Objektes, auf das die Methode angewandt wird Verschneidungsoperationen (Mengenop.) zwischen zwei Objekten Intersection (anothergeometry : Geometry) : Geometry Union (anothergeometry : Geometry) : Geometry Difference (anothergeometry : Geometry) : Geometry entfernt die Teile von der aktuellen Geometrie, die von der zweiten Geometrie überdeckt werden SymDifference (anothergeometry: Geometry) : Geometry wie Differenz, aber wechselseitig Geodatenbanksysteme WS 2014/

24 Informationsschema Aufnahme von Metadaten über die in einer Datenbank gespeicherten Geodaten Zwei Tabellen: GEOMETRY_COLUMNS zur Aufnahme von Informationen über alle (konkreten) Tabellenspalten der Datenbank, die Geometrien enthalten SPATIAL_REF_SYS für Daten über räumlichen Bezugssysteme SPATIAL_REF_SYS SR_ID <weitere Informationen> GEOMETRY_COLUMNS F_TABLE_CATALOG F_TABLE_SCHEMA F_TABLE_NAME F_GEOMETRY_COLUMN COORD_DIMENSION SR_ID GEO_TABLE_X GEO_A : GEOMETRY <weitere Attribute> GEO_TABLE_Y GEO_B : GEOMETRY GEO_C : GEOMETRY <weitere Attribute> Geodatenbanksysteme WS 2014/

25 Modellierung von Geodaten Eigenschaften von Geodaten Standardisierung von Geodaten Simple Feature Access Geometrieschema Repräsentationsformen Basismethoden Topologische Beziehungen Informationsschema SQL/MM Spatial Bezugssysteme Geodatenbanksysteme WS 2014/

26 SQL/MM Spatial SQL-Standard enthält sei SQL:1999 Erweiterungen für Anwendungsgebiete, die nicht mit normalem SQL abgedeckt werden können, u.a. SQL/MM (Multimedia) mit SQL/MM Full-Text SQL/MM Still Image (Speicherung von Rasterbildern) SQL/MM Data Mining SQL/MM Spatial für Geodaten SQL/MM Spatial 1999 Version 1: Simple Feature Access mit Erweiterungen Kreisbögen und zusammengesetzte Linienzüge Methoden zum Validieren von Geometrien Koordinatentransformationen Approximation von Kreisbögen durch Streckenzüge Bereitstellung von GML (Geography Markup Language) 2006 Version 3: Punkte mit zusätzlichem z-koordinatenwert und Messwert Netzwerk- und Topologie-Datenmodell Geodatenbanksysteme WS 2014/

27 SQL/MM Spatial: Geometrieschema 1(2) Quelle: Brinkhoff (Geodatenbanksysteme) Geodatenbanksysteme WS 2014/

28 SQL/MM Spatial: Geometrieschema 2(2) ST_CircularString repräsentiert Linienzüge, die aus Kreisbögen bestehen. ST_CompoundCurve repräsentiert zusammengesetzte Linienzüge, die aus (geradlinigen und kreisbogenförmigen) Linienzügen bestehen ST_CurvePolygon besitzt als innere und äußere Polygonzüge Objekte der Klasse ST_Curve. Damit können diese Polygonzüge nicht nur geradlinige Verbindungen, sondern auch Kreisbögen aufweisen. Quelle: Brinkhoff (Geodatenbanksysteme) Geodatenbanksysteme WS 2014/

29 SQL/MM Spatial Anmerkung: Der SQL/MM-Standard benutzt konsistent den Präfix ST* für alle Tabellen, Sichten, Typen, Methoden und Funktionsnamen (also auch die vom Simple Feature Access definierten) z.b. ST_Point, ST_Intersection etc. in der Vorlesung werden aus Lesbarkeitsgründen i.a. die Bezeichnungen des Simple Feature Access verwendet im Praktikum sollten bei der Arbeit mit PostGIS die SQL/MM- Bezeichnungen verwendet werden (Details auf den Praktikumsblättern) * ST stand ursprünglich für Spatial and Temporal Geodatenbanksysteme WS 2014/

30 Modellierung von Geodaten Eigenschaften von Geodaten Standardisierung von Geodaten Simple Feature Access SQL/MM Spatial Bezugssysteme Geodatenbanksysteme WS 2014/

31 Räumliche Bezugssysteme Räumliche Bezugssysteme (engl. Spatial Reference Systems) erlauben die Interpretation der gespeicherten Koordinaten als Beschreibung von Lageund Ausdehnungsinformationen in einem (realen) Datenraum. Kategorien Georeferenzierende Koordinatensysteme besitzen einen Bezug zur Position auf der Erdoberfläche Lokale Koordinaten beschreiben Position unabhängig von der Erdoberfläche Anwendung bspw. für CAD-Daten oder für (i.a. kleinräumige) Gebiete, in denen nur die relative Lage der Objekte relevant ist i.a. repräsentiert durch kartesisches Koordinatensystem (rechtwinklige Koordinatenachsen, metrischer Raum, Euklidischer Abstand) Geodatenbanksysteme WS 2014/

32 Räumliche Bezugssysteme: Georeferenzierte Koordinatensysteme 1(3) Georeferenzierte Koordinatensysteme Geographische Koordinatensysteme legen über Angaben im Winkelmaß Punkte der Erdoberfläche bezogen auf einen Äquator und einen Nullmeridian fest. Quelle: Brinkhoff (Geodatenbanksysteme) Quelle: Geodatenbanksysteme WS 2014/

33 Räumliche Bezugssysteme: Georeferenzierte Koordinatensysteme 2(3) Georeferenzierte Koordinatensysteme Projizierte Koordinatensysteme Motivation: Karten stellen gekrümmte Erdoberfläche auf einer ebenen Oberfläche dar mathematische Abbildung von Positionen der Erdoberfläche auf eine ebene Oberfläche, Verwendung eines rechtwinkligen, projizierten Koordinatensystems Geodatenbanksysteme WS 2014/

34 Räumliche Bezugssysteme: Georeferenzierte Koordinatensysteme 3(3) Georeferenzierte Koordinatensysteme Projizierte Koordinatensysteme (Forts.) Vorteil: einfacheres und effizienteres Rechnen als mit geographischen Koordinaten Nachteil: Flächentreue, Winkeltreue oder Längentreue gehen verloren Verzerrungen Wichtiger Vertreter: Gauß-Krüger-Koordinaten Quelle: Geodatenbanksysteme WS 2014/

35 Räumliche Bezugssysteme Räumliche Bezugssystemen werden von Standardisierungsorganisationen verwaltet Am bedeutendsten: EPSG Codes EPSG: European Petroleum Survey Group (heute: International Association of Oil & Gas Producers (OGP) Surveying & Positioning Committee) EPSG Code Datenbank mehrere Tausend georeferenzierende räumliche Bezugssysteme SRID eindeutige Identifizierung des räumlichen Bezugssystems innerhalb der Datenbank AUTH_NAME: Name des Standards, innerhalb dessen dieses Bezugssystem verwaltet wird, z.b. EPSG SPATIAL_REF_SYS SRID AUTH_NAME AUTH_SRID SRTEXT Geodatenbanksysteme WS 2014/

36 Lineare Bezugssysteme Lineare Bezugssysteme (engl. Linear Reference Systems) erlauben die Identifizierung von Punkten auf einer Linie durch Abstandsangaben zu einem ausgezeichneten Anfangspunkt. Beispiel: Anwendung für Netzwerke (z.b. Straßennetze, Ver- und Entsorgungsnetze) Wichtige Operationen Berechnung der Entfernung zum Anfangspunkt für einen beliebigen Punkt auf dem Linienzug Berechnung der Koordinaten eines Punktes auf dem Linienzug aus seiner Entfernungsangabe Geodatenbanksysteme WS 2014/

37 Zusammenfassung Geometrische, thematische, topologische und temporale Eigenschaften von Geodaten müssen adäquat modelliert werden Standardisierung von Geodaten Simple Feature Access SQL/MM Spatial Bezugssysteme Räumliche Bezugssysteme Lineare Bezugssysteme Geodatenbanksysteme WS 2014/

38 Geodatenbanksysteme Einführung Modellierung von Geodaten Speicherung von Geodaten Anfragebearbeitung in Geodatenbanksystemen Zusammenfassung und Ausblick Geodatenbanksysteme WS 2014/