Modellierung von Geodaten

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1 Modellierung von Geodaten Universität Augsburg Fachbereich Informatik Seminar: Datenbankunterstützung für mobile GIS Sommersemester 2011 Zeev Turevsky Betreuer: Dipl.-Informatiker Florian Wenzel

2 Gliederung Einführung Eigenschaften von Geodatenbanken Thematischen Eigenschaften Beispiel Hauptbegriffe und Operationen in räumlichen Datenbanken Modellierung und Darstellung von Information in Geodatenbanken Zusammenfassung 2

3 Einführung Geodatenbanken Eigenschaften von Geodatenbanken: Geometrische Form und Koordinaten Topologische Beziehungen von Objekten zueinander (überlappen, ineinander, aneinander, getränt) Thematische Sachattributen (Name, PLZ, Einwohneranzahl) Temporale Wann oben beschriebene Attributen gelten 3

4 Einführung Geoobjekte mit thematischen Attributen Thematische Ebenen eines Geoobjektes 4

5 Beispiel Kindernavigator: Wo befindet sich das Kind geografisch? Welche Sehenswürdigkeiten sind in der Nähe? Fotos von Sehenswürdigkeiten topologische, politische, geologische und anderen Karten zu benutzen Länderinformation: Name, Hauptstadt, Hauptsehenswürdigkeit Konkrete Beispiel: Deutschland, Berlin, Neuschwanstein 5

6 Hauptbegriffe und Operationen Theme Sammlung von geografischen Objekten, besteht von Schema und Instanzen. Fluss Theme Lech konkrete Instanz Theme = { Geografisches Objekt } Karte Abbildung von Schema auf Papier oder Bildschirm. Themes, Farben, Maßstaben, Legenden Immer Zweckorientiert Topologische, Politische, Wetter usw. Geografisches Objekt Darstellung des Objektes aus realer Welt auf einer Karte oder in Datenbank. Geografisches Objekt = (Beschreibung, räumliches Teil) // atomare Objekte (Beschreibung, { Geografisches Objekt }) // komplexe Objekte 6

7 Hauptbegriffe und Operationen Themes zum Kartenbeschreibung: 1. Länder. Attributen: Name, Hauptstadt, Bevölkerungsanzahl. Geometrisches Attribut: Geo:Region. 2. Sprache. Attributen: Sprache (Die Sprache oder Sprachfamilie, auf der die meisten Einwohner in der Region sprechen). Geometrisches Attribut: Geo:Region. Übliche Operationen von Geodatenbanken: PROJECTION, SELECT, UNION, Überlagerung, Windowing, Clipping, MERGE. 7

8 Hauptbegriffe und Operationen Projektion: Beispiel: Von einer regelmäßigen Karte eine Karte ohne Ländernamen erstellen. 8

9 Hauptbegriffe und Operationen SELECT: Beispiel: Von einer regelmäßigen Karte eine Karte erstellen, auf der nur die Länder mit über 50 Millionen Einwohner abgebildet werden. 9

10 Hauptbegriffe und Operationen UNION: Beispiel: Karte von Länder mit über 50 Millionen Einwohner muss mit der Karte der restlichen Länder zusammengefügt werden. 10

11 Hauptbegriffe und Operationen Überlagerung: Beispiel: Auf der europäischen Karte muss der germanische Sprachraum bezeichnet werden. 11

12 Hauptbegriffe und Operationen Windowing Kartenabschnitt mit ganzen Länder anzeigen. 12

13 Hauptbegriffe und Operationen Clipping Kartenabschnitt anzeigen, wo nur die Wünschenregion angezeigt wird. 13

14 Hauptbegriffe und Operationen MERGE: Beispiel: Die zwei Karten von Westdeutschland und Ostdeutschland in eine Karte von Deutschland zusammengefügt werden müssen. 14

15 Karten für Kindernavigator Länderkonturen und die Hauptstädte von politischer Karte abfragen. Bergenkonturen von geologischer Karte abfragen. Bevölkerungsanzahl, Sprache, Wahrungseinheit usw. von administrativer Karte abfragen. Fotografien von Sehenswürdigkeiten in einer Sehenswürdigkeitskarte abfragen. Ergebnisthemes in eine neue Karte überlagern. Die neue Karte muss in eine Geodatenbank gespeichert werden. 15

16 Modellierung und Darstellung von Information in Geodatenbanken Dimensionen von Objekten in Geodatenbanken. 0D: Punkte auf Karte. Kleine Objekte. Die Formen nicht wichtig. 1D: Linien auf Karte. Wege, Flüsse. Linienzuge. 2D: Stellen die große Gebiete dar. Cities, Regionen, Länder. Darstellung in Form eines Polygons. 3D: In Google-Earth oder 3D-Navigatoren. 4D: Zeigen die Änderungen von Gebäude, Städte und Flüsse über die Zeit dar. 16

17 Modellierung und Darstellung von Information in Geodatenbanken Rasterdarstellung. Reguläre Mosaiken: Die Größe und Forme aller Raster ist gleich. Irreguläre Mosaiken: Die Größe und Forme von Raster ist verschieden. 17

18 Modellierung und Darstellung von Information in Geodatenbanken Darstellung von Polygonen: Pixeldarstellung: Koordinaten von Pixeln. P = <5, 12, 13, 14,17, 18, 19, 20, 21, 22, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 35, 36, 37, 38> Vektordarstellung: point: [x: real, y: real] linienzug: <point> polygon: <point> region: {polygon} 18

19 Modellierung und Darstellung von Information in Geodatenbanken Darstellung von Polygonen: Vektordarstellung: Kanten von Polygonen sind Vektoren P = < [4, 4], [6, 1], [3, 0], [0, 2], [2, 2] > Halbebene-Darstellung: Polygon wird als Schnitt von verschiedenen Ebenen dargestellt (nicht berücksichtigt). 19

20 Modellierung und Darstellung von Information in Geodatenbanken Objekte müssen in einer DB gespeichert werden. Objekte werden nie allein auf einer Karte angezeigt. Objekte stehen miteinander in Beziehungen Objektsammlung Modelle für die Speicherung von Objektsammlungen Spaghetti-Modell Netzwerk-Modell Topologisches Modell 20

21 Modellierung und Darstellung von Information in Geodatenbanken Spaghetti-Modell: Objekte werden nacheinander in DB eingefügt. Topologie nicht berücksichtigt. Vorteile: Leicht realisierbar Leicht INSERT, DELETE, UPDATE Nachteile: Die Grenze zwischen zwei Polygonen wird doppelt gezeichnet. Dadurch werden manche Regionen mehrmals auf der Karte oder Bildschirm gezeichnet. 21

22 Modellierung und Darstellung von Information in Geodatenbanken Netzwerk-Modell: Ursprünglich für Netzbasierten Anwendungen gedacht. Besteht aus Eckpunkten und Linienzüge dazwischen. Topologie nicht berücksichtigt. Objekte: Punkt: [x: real, y: real] Knote: [Punkt, <Kante>] Kante: [Startpunkt, Endpunkt, <Punkt>] Polygon: <Punkt> Region: [Polygon] Vorteile: Gut für die Suche optimaler Wege, U-Bahn-Schemata oder Linienfahrpläne. Nachteile: Nicht überall anwendbar. Berücksichtigt Topologie von Objekten nicht. 22

23 Modellierung und Darstellung von Information in Geodatenbanken Topologisches Modell: Speichert die Objekte zusammen mit ihren Topologien. Objekte: Punkt: [x: real, y: real] Knote: [Punkt, <Kante>] Kante: [Startpunkt, Endpunkt, linke Polygon, rechte Polygon, <Punkt>] Polygon: <Kante> Region: [Polygon] Isolierte Eckpunkte Sehenswürdigkeiten Polygon als Polygon oder als Kantenmenge darstellen 23

24 Modellierung und Darstellung von Information in Geodatenbanken Topologisches Modell: Vorteile: Weniger Redundanzen. Stellt fest, ob eine Kante schon gezeichnet wurde oder nicht. Kann festgestellt werden, in welchen Beziehungen zwei Objekten stehen: überlappend, isoliert, aneinander liegen, ein liegt in anderem Nachteile: Schwer realisierbar. Objektsanalyse braucht viel Rechnerleistungen INPUT, DELETE, UPDATE sind aufwändig 24

25 Zusammenfassung Navigatoren spielen wichtige Rolle im Alltag. Karte - ein Teil von Navigator. Karte wird in Geodatenbank gespeichert. Karten besitzen geometrischen, topologischen, thematischen und temporalen Eigenschaften. Übliche Datenbankoperationen SELECT, INSERT usw. für Geodatenbank. 0D, 1D, 2D, 3D und 4D Objekte in Geodatenbank. Darstellung von Polygonen: Rastermodell und Vektormodell. Speicherung von Objektsammlung: Spaghetti-Modell Netzwerk-Modell Topologisches Modell 25

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 26

27 Referenzen [1] T. Brinkhoff. Geodatenbanksysteme in Theorie und Praxis (2. Auflage). Eigenschaften von Geodaten, pp , Verlag Wichmann, 2008 [2] P. Rigaux, M. Scholl, A. Voisard. An Introduction to Spatial Databases. In Spatial Databases with Application to GIS. Vocabulary in Geospatial Database Applications, Geospatial Data Manipulation, pp. 9-21, Morgan Kaufmann Publishers, 2002 [3] P. Rigaux, M. Scholl, A. Voisard. An Introduction to Spatial Databases. In Spatial Databases with Application to GIS. Representation of Spatial Objects, pp , Morgan Kaufmann Publishers, 2002 [4] Karl Heinz Borgwardt. Optimierung, Operations Research, Spieltheorie. Mathematische Grundlagen. (p. 37), Verlag Birkhäuser,