Proseminar Geoinformation II
Thomas Artz
13/01/2003
Raster
Datenstruktur und Operationen
Gliederung des Vortrags

Grundlagen der Datenstruktur Raster
Allgemeines
Aufbau
eines Rasters
Speicherung
Bewertung

Operationen mit dem „raster calculator“
Mathematische
Operatoren und Funktionen
Anwendungen
Aufgabe
1
Map-Algebra
Aufgabe2
Syntax
Daten in GIS-Systemen
Daten
Geometriedaten
Rasterdaten
Sachdaten
Vektordaten
Geometriedaten beschreiben modellhaft räumliche
Strukturen der Umwelt.
Sachdaten kennzeichnen die Strukturen über assoziierte
Attribute, sie sind den Geometriedaten in eindeutiger Weise
zugeordnet .
Vektor- vs. Rasterdaten
Vektororientierte
Datenstruktur:

Wird durch
Punkte, Linien
und Flächen
repräsentiert.
Rasterorientierte
Datenstruktur:
 Die
geometrische
Grundstruktur wird
in einzelne
Rasterpunkte
zerlegt
 Rasterelemente
sind meist
quadratisch geformt
und von identischer
Größe
Rastertypen
Im Allgemeinen werden sie in zwei Kategorien unterteilt:
Thematische-Daten
(thematic raster):



Werte aller Zellen des
Rasters sind gemessene
Größen oder Einteilungen.
Diese Rasterdaten stellen
Thematische Karten dar.
Können in diskreter oder
kontinuierlicher Form
vorliegen.
Bild-Daten
(image raster):


Werden durch
abbildende Systeme in
Satelliten oder
Flugzeugen gewonnen.
Jede Zelle enthält den
Wert der registrierten
Lichtintensität.
Gewinnung von Rasterdaten
Rasterdaten stammen häufig aus:





Satellitenbildern
Luftbildern
gescannten Karten
Photos
konvertieren Daten
Einsatz von Rasterdaten
Diese Datenstruktur wird benutzt, um Phänomene der realen
Welt darzustellen und zu untersuchen.
Kartenhintergrund
Landnutzung
Hydrologische Analysen
Analyse der Umwelt
Geländeanalyse
Aufbau eines Rasters I
Rasterdaten können in verschiedenen Formen vorliegen:
a.)
regelmäßige Raster
b.)
unregelmäßige Raster
Aufbau eines Rasters II
Zelle (pixel):
 Grundlage des
Rasters
 Sind gleich groß
 Größe hängt von
der Auflösung ab
 Jeder Zelle ist ein
spezieller Wert
zugeordnet
 Jeder Zelle ist ein
Koordinatenpaar
zugeordnet
Zeilen (row) &
Spalten (column)
 Zellen sind in Zeilen und
Spalten angeordnet
 eindeutige „Adresse“
 Sie erzeugen eine
Matrix.
 Sind parallel zu den
Achsen des
Koordinatensystems
Werte, Zonen und Regionen
Wert:
Zone:
Region:

Gibt an, zu welcher Klasse, Kategorie oder Gruppe eine
Zelle gehört.

Integer und Gleitkomma Werte möglich.

NODATA-Wert, wenn keine oder unzureichende
Information über den repräsentierten Ort vorhanden ist.

besteht aus zwei oder mehr Zellen, die den selben
Wert haben.

Zellen müssen nicht zusammenhängen

Jede Zelle gehört zu einer Zone.

Besteht aus einer Gruppe verbundener Zellen einer Zone.
Sachdaten - „associated table“
Name
}
}
Zwingende Einträge:
 Wert der Zone
 Anzahl der Pixel in
der Zone
Optionale Einträge:
 Unbegrenzte Anzahl
 Repräsentieren weitere
Eigenschaften der Zone
Datentypen
Der Wert einer Zelle kann einen der vier folgenden Datentypen
repräsentieren:
Beispiele:

Nominal data
Landnutzung

Ordinal data
Eignung für best. Zweck

Intervall data
Temperatur, ph-Wert

Ratio data
Entfernung,Höhe
Speicherung
 Datenmengen abhängig von Genauigkeit und somit Auflösung
eines Rasterbildes
 Verschiedene Möglichkeiten der Speicherung
 Datenreduktion
Full- Raster – Encoding
100%
Run- Length- Encoding
75%
Value- Point- Encoding
44%
Quadtree- Verfahren
44%
Speicherbedarf
Pyramiden
 Einer detaillierten Darstellung liegt eine hohe Auflösung zu Grunde
 Hoher Speicherbedarf
 Pyramiden werden erstellt um die Anzeige zu beschleunigen
 Die Originaldaten werden in verschiedenen Ebenen abgespeichert.
 Beim Hineinzoomen werden Ebenen mit feinerer Auflösung dargestellt
 kleinere Bereiche können schneller dargestellt werden.
 Ohne Pyramiden muss der gesamte Datensatz durchsucht werden.
Pyramiden in ArcCatalog erstellen:
1.Rechtsklick auf das raster dataset
2.„Build Pyramids“ anklicken.
Bewertung der
Rasterdatenstruktur
Nachteile
Vorteile
 Identische
Struktur für alle Features
 Kontinuierlichen Phänomene gut
modellierbar.
 Raumbezogene Analysen mit hoher
Geschwindigkeit
 Produkte häufig Rasterform
 Rasterform durch scannen.
 Einfache Überlagerung und logische
Auswertung durch Gitterstruktur
 Nur
dominantes Merkmals
gespeichert.
 Alle Punkte eines Pixels haben die
selbe Koordinate
 Große Datenbanken, die quadratisch
mit der Rasterauflösung wachsen.
 Hohe Genauigkeit nur bei sehr hoher
Auflösung; Somit meist grobe
Darstellung.
Der „raster calculator“

Funktion des Spatial Analyst

Werkzeug um vielfältige
Prozesse zu verrichten

Ausführen mathematischer
Berechnungen durch
Operationen und Funktionen

Eingaben in Map Algebra
Syntax
Vereinfacht ausgedrückt dient dieses Werkzeug dazu, aus
bestehenden Rasterdaten neue zu berechnen.
„raster calculator“-Vorbereitungen
Um den raster calculator nutzen
zu könnnen muss der Spatial
Analys zu erst unter „ToolsExtensions....“ aktiviert werden.
Exkurs: “cell-based-modelling” I
Local function
 Berechnungen mit einer Zelle
 Nachbarzellen beeinflussen das
Ergebnis nicht
Focal function
 Auch die direkten Nachbarzellen
werden in die Berechnung mit
einbezogen.
Exkurs: “cell-based-modelling” II
Zonal function
 Berechnungen mit einem Satz
von Zellen
 Diese müssen den gleichen
Wert haben
Global function
Berechnungen bezüglich des gesamten Rasters
Mathematische Operatoren und Funktionen
Entscheidend für die
erfolgreiche Anwendung des
„raster calculators“ ist eine
korrekte Georeferenzierung, da
sonst falsche Zellen miteinander
verbunden werden.
Mathematische Operatoren

Beziehen sich je nach Art des Operators auf ein einzelnes
bzw. mindestens zwei eingelesene Raster

Werden zellenweise angewendet.
Es existieren 3 Gruppen:

Arithmetische Operatoren

Relationelle Operatoren

Boolsche Operatoren
Mathematische Operatoren II
( [layer1]+[layer2] )/2
[
+
true
false
]
/2 =
[calculation] < >3
Mathematische Funktionen I
Mathematische
Funktionen
beziehen sich auf
ein eingelesenes
Raster.
Sie müssen in der Regel
bei Start des „raster
calculators aktiviert
werden.
Mathematische Funktionen II
Die Funktionen
werden in 4
Gruppen
unterteilt:
1.) Arithmetische- Funktionen
3.) Logarithmische- Funktionen
2.) Trigonometrische- Funktionen
4.) Power-Funktionen
Anwendungen
a)
Kombinieren von Rastern
b)
Gewichten von Rastern
c)
Daten selektieren
Kombinieren von Rastern
Ist ein Raster-Layer in
ArcMap geöffnet,
erscheint er hier.
Durch Doppelklick auf
„raster1“, erscheint
dieses in der
„Expression Box“
Nach klicken auf „+“
und Doppelklick auf
„raster2“ erscheinen
diese ebenfalls in
dieser Box.
Berechnen der
Kombination,
durch Klick auf
„Evaluate“
Gewichten von Rastern
Zu gewichtendes Raster
wieder durch Doppelklick
auswählen und mit
Gewicht p multiplizieren
Start der
Berechnung,
durch Klick
auf „Evaluate“
Daten selektieren
Layer und gewünschte
Eigenschaft auswählen
z.B. Höhe > 2500
true
false
Start der
Berechnung,
durch Klick auf
„Evaluate“
Aufgabe 1
Temperaturkarte aus einem Höhenmodell erstellen.
1. Den Ordner V:\GIS_Proseminar_13-01-2003\Übung1 ins
eigene Verzeichnis U:\ kopieren.
2. Das Raster elevation in ArcMap öffnen.
3. Es ist ein Temperaturraster zu erstellen, wenn an der
niedrigsten Stelle (438m ü.NN) eine Temperatur von 20°C
gemessen wurde und die Temperatur je 100 m um 1°C fällt.
(Tip: Das Höhenmodell muss zunächst reduziert werden)
4. Ein zweites Raster, indem alle Bereiche mit einer Temperatur
von weniger als -10°C enthalten sind, soll erstellt werden.
Aufgabe 1 - Ergebnis
Map Algebra Syntax

Analyse Sprache, die benötigt wird, um im “raster calculator”
Funktionen auszuführen, für die sonst verschiedene Funktionen
des “Spatial Analyst” benötigt werden.

Eingaben werden in der Dialog Box gemacht.

Durch Kombination einzelner Komandos werden komplexere
Ausdrücke ermöglicht.

Möglich sind: focal, zonal, local, und global functions.
Überblick über Map algebra I
Map algebra benutzt mathematische Ausdrücke, diese
setzen sich zusammen aus:

Objekten: grids, numbers, files, coverages, database
tables, etc.

Operatoren: + - / > < etc.

Funktionen: slice( ), reclass( ), focalmean( ),
con( ) etc.
Ausgabedaten sind i.A. Rasterdaten (Grid)
Neu
Überblick über Map algebra II
Ansprechen eines Rasters:
In der Dialog Box
2 Möglichkeiten:
a.) geöffneten Layer wie bisher
durch Doppelklick aktivieren
b.) Layer direkt ansprechen
z.B. (D:\GIS-Data\Esri\ArcTutor\Spatial\Elevation)
eingeben.
Oberflächenanalyse
Begriffe aus der letzten Woche:
slope, hillshade, aspect
Raster
auswählen
Funktion
eingeben
(slope)
offene
Klammer
geschlossene
Klammer
Kostenraster
Problematik: Die Kosten eines Straßenbaus hängen von der
Landnutzung und dem Gefälle ab.
Höhenmodell und Landnutzung liegen
Rasterdaten vor.
1. Schritt: Sloperaster
aus Höhenmodell
erstellen
Beispiel: Kostenraster
2. Schritt: Gewichten
Slope – 66%
Landuse – 34%
3. Schritt: Kombinieren
Aufgabe 2
Erstellen eines Geländemodells zur besseren Vorstellung
der Geländestruktur & Selektion mit Map Algebra
1. Das Gefälle (slope) des Rasters
D:\GIS-Data\Esri\ArcTutor\Spatial\Elevation
berechnen, ohne dieses in ArcMap zu laden.
2. Die Schummerung (hillshade) dieses Rasters ebenfalls auf diese Weise
berechnen lassen.
3. Die Farbgebung des slope-Layers kontrastreicher einstellen.
4. Die Transparenz des Layers calculation2 (hillshade) unter „propertiesdisplay“ auf 50% setzen.
5. Die Gebiete selektieren, in denen das Gefälle kleiner als 50° ist und
Wald wächst
Datei: D:\GIS-Data\Esri\ArcTutor\Spatial\Landuse
Wert = 6
Aufgabe 2 - Ergebnis

Institut für Kartographie und Geoinformation Thomas Artz