Normen und Standards in GIS

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1 Normen und Standards in GIS
Institut für Kartographie und Geoinformation Prof. Dr. Lutz Plümer Geoinformation III Vorlesung 10 Normen und Standards in GIS

2 Überblick Motivation: mangelnden Interoperabilität
Welche Standards/Normen gibt es im GIS-Bereich? Fokus: hersteller- und anwendungsunabhängige Geometriestandards die beiden wichtigsten: einfacher Standard: Simple Features komplexer Standard: ISO/DIS Spatial Schema Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

3 z.B. Sender- standort- planung
Wozu Standards? erforderlich: gemeinsamer Dienst (Kommunikation) gemeinsames Geometriemodell Interoperabilität: reibungslose Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Systemen Anwendung GIS D Modell D z.B. Sender- standort- planung Internet, Intranet, ... GIS A Modell A GIS B Modell B GIS C Modell C z.B. Häuser in BN z.B. Häuser in SU z.B. Gelände- modell Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

4 GIS-Standards: Organisationen
OGC - Open GIS Consortium internationales privates Konsortium von GIS-Herstellern, Behörden und Universitäten herstellerübergreifend ISO - International Organization for Standardization offizielle Standardisierungsorganisation in Deutschland durch DIN vertreten GIS-Bereich: Arbeitsgruppe (TC) 211 CEN / DIN - Europäisches/Dt. Komitee für Normung Normen sind oder werden abgelöst durch ISO-Normen Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

5 Interoperabilität: Die wichtigsten Dienste
Austausch von Vektordaten (Objekten) im WWW Web Feature Server Geography Markup Language (GML) Austausch von Karten (Bildern) im WWW Web Map Server Austausch von Vektordaten über Datenbankanfragen „Simple Features“ for SQL Programmierschnittstellen „Simple Features“ for CORBA „Simple Features“ for OLE/COM Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

6 Dienste: Welche Geometriemodelle?
„Simple Features“ nur 2D einfache Geometrie keine Topologie Vektor-Datenaustausch im WWW: GML 2 Vektor-Datenaustausch über Anfragen an Datenbanken: SQL Spatial Schema 2D + 3D reichhaltige Geometrie Topologie Vektor-Datenaustausch im WWW: GML 3 Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

7 Geometriemodelle: Unterschiede
Simple Features OGC nur 2D keine Topologie nur gerade Linien nur ebene Polygone Implementationen: GML 2, SQL, OLE/COM, CORBA Spatial Schema OGC/ISO auch 3D (Volumen) Topologie auch Kreisbögen, Splines, .. auch gekrümmte Flächen (Zylinder-, BSplineflächen,...) Dreiecksvermaschungen Implementationen: GML 3 (noch nicht veröff.) Anwendung: z.B. ALKIS (2D) Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

8 Geometriemodelle: Gemeinsamkeiten
Simple Features / Spatial Schema Modellierung der Geometrie raumbezogener Objekte Formalismus: UML Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

9 Dokumente Simple Features Spatial Schema
Spezifikation: GML 2: Spatial Schema Spezifikation: Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

10 Weitere hersteller- u. anwendungs-unabhängige GIS-Standards
OGC (Open GIS Consortium) Kataloge (Wo finde ich welche Daten?) Koordinatentransformation ..... ISO (International Organization for Standardization) Rules for application schema (Anwendungsobjekte und Verknüpfung mit Geometrie und Topologie) Temporal schema (Zeit) Feature cataloguing methodology Spatial referencing by coordinates Quality principles Metadata Portrayal (Visualisierung) Encoding (Datentransfer) …… (insgesamt 25 Standards) Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

11 Weitere Arten von GIS-Standards
herstellerspezifische Standards, z.B. Shapefiles, Coverages (ESRI) SQD (SICAD) ... anwendungsspezifische Standards, z.B. ATKIS (topographische Daten) ALK (Kataster - geometrisch) ALB (Kataster - nichtgeometrisch) ALKIS (Kataster – neu) EDBS (Datenaustausch für ATKIS/ALK) DIGEST (Datenaustausch im militärischen Bereich) Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

12 Simple Features Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

13 Simple Features: UML-Diagramm
Abstrakte Klasse (grün bzw. kursiv) Geometry SpatialReferenceSystem Point Curve Surface GeometryCollection 1+ 2+ 1+ LineString Polygon MultiSurface MultiCurve MultiPoint 1+ MultiPolygon MultiLineString Line LinearRing 1+ Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

14 UML-Diagramm: 1-D-Objekte
Geometry SpatialReferenceSystem Point Curve Surface GeometryCollection 1+ 2+ 1+ LineString Polygon MultiSurface MultiCurve MultiPoint 1+ MultiPolygon MultiLineString Line LinearRing 1+ Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

15 1-D-Objekte: LineString, Line, Linear Ring
LineString: Folge von Punkten, mit geraden Liniensegmenten verbunden einfacher LineString: keinen Punkt wird mehrfach durchlaufen geschlossener LineString: Anfangspunkt = Endpunkt Line: LineString mit genau 2 Punkten LinearRing: einfacher, geschlossener LineString nicht einfach einfach geschlossennicht einfach Line LinearRing Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

16 UML-Diagramm 1-D-Objekte
Geometry SpatialReferenceSystem Point Curve Surface GeometryCollection 1+ 2+ 1+ LineString Polygon MultiSurface MultiCurve MultiPoint 1+ MultiPolygon MultiLineString Line LinearRing 1+ Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

17 1-D-Objekte: MultiLineString
MultiLineString: Menge (Aggregation) von LineStrings LineString2 LineString1 LineString1 LineString2 LineString1 LineString2 Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

18 Simple Features und Topologie
LineString3 LineString2 Punkt p LineString1 drei LineStrings mit einem gemeinsamen Punkt p Punkt p existiert dreimal (einmal für LineString1, einmal für LineString2 und einmal für LineString3) drei Punkte mit identischen Koordinaten es gibt keine Knoten im Sinn von Landkarten/Graphen Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

19 UML-Diagramm: 2-D-Objekte
Geometry SpatialReferenceSystem Point Curve Surface GeometryCollection 1+ 2+ 1+ LineString Polygon MultiSurface MultiCurve MultiPoint 1+ MultiPolygon MultiLineString Line LinearRing 1+ Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

20 nicht topologisch zusammenhängend
Polygon: Definition begrenzt durch genau einen äußeren Ring und beliebig viele innere Ringe (= einfache Zyklen) Inneres topologisch zusammenhängend Polygon kein Polygon nicht topologisch zusammenhängend Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

21 Polygon: Definition begrenzt durch genau einen äußeren Ring und beliebig viele innere Ringe (= einfache Zyklen) Inneres topologisch zusammenhängend Polygon Polygon Polygon kein Polygon Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

22 nicht topologisch zusammenhängend
Polygon: Definition begrenzt durch genau einen äußeren Ring und beliebig viele innere Ringe (= einfache Zyklen) Inneres topologisch zusammenhängend Polygon nicht topologisch zusammenhängend kein Polygon kein Polygon Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

23 UML-Diagramm: 2-D-Objekte
Geometry SpatialReferenceSystem Point Curve Surface GeometryCollection 1+ 2+ 1+ LineString Polygon MultiSurface MultiCurve MultiPoint 1+ MultiPolygon MultiLineString Line LinearRing 1+ Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

24 MultiPolygon: Definition
Aggregation von Polygonen Die Inneren der Polygone sind disjunkt Berührung der Ränder zweier Polygone nur in Punkten kein MultiPolygon Polygon 1 Polygon 2 ein MultiPolygon Polygon 2 Polygon 1 ein MultiPolygon Polygon 1 Polygon 2 Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

25 Polygon und MultiPolygon
Zweck der Unterscheidung: Eindeutigkeit der Modellierung Eindeutigkeit: für jedes Realweltobjekt ("Punktmenge") darf es nur eine Möglichkeit der Modellierung geben See Park ein Polygon mit Loch zwei Polygone zwei verschiedene Möglichkeiten Erfasser 1 Erfasser 2 Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

26 Simple Features: Methoden (Auszug)
Geometry +ReferenceSystem() +Dimension() +Boundary() Point +X() +Y() Curve +Length() +StartPoint() +EndPoint() +IsClosed() +IsRing() Surface +Area() +Centroid() +PointOnSurface() 2+ Polygon +ExteriorRing() +NumInteroirRing() +InteriorRingN() LineString +NumberofPoints() +PointN() Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

27 Methoden für topologische Relationen
boolesche Methoden Zweck: raumbezogene Anfragen (Fließt der Rhein durch Hessen? Grenzt Siegburg an Bonn?) Ähnlich zu 4-Schnitt-Modell von Egenhofer (Vorlesung GIS I) Erweiterung des 4-Schnitt-Modells (Flächen) auf punkt- und linienhafte Objekte Dimensionserweitertes 9-Schnitt-Modell (DE-9IM) Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

28 Punktmengentopologie (Wh. aus GIS I)
Beziehungen zwischen Punktmengen Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

29 Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y Operation     X disjunkt Y not     X trifft Y not  not    X gleicht Y  not  not   X innerhalb Y  not   not  Y innerhalb X not  not   not  X überdeckt Y not  not  not   Y überdeckt X not  not  not  not  X überlappt Y X Y Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

30 Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
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31 Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
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32 Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
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33 Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
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34 Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
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35 Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
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36 Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
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37 Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
X  Y X°  Y° X  Y° X°  Y Operation     X disjunkt Y not     X trifft Y not  not    X gleicht Y  not  not   X innerhalb Y  not   not  Y innerhalb X not  not   not  X überdeckt Y not  not  not   Y überdeckt X not  not  not  not  X überlappt Y X Y Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

38 Vom 4 Schnitt- zum 9-Schnitt-Modell: Rand, Inneres und Äußeres
Inneres (°) rot Rand () grün Äußeres ( ¯ ) blau Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

39 Vom 4 Schnitt- zum 9-Schnitt-Modell
Inneres Y Rand Y Inneres X X°  Y° X°  Y Rand X X  Y° X  Y Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

40 Vom 4 Schnitt- zum 9-Schnitt-Modell
9-Schnitt-Modell (blau und grün) Inneres Y Rand Y Äußeres Y Inneres X X°  Y° X°  Y X°  Y ¯ Rand X X  Y° X  Y X  Y ¯ Äußeres X X ¯  Y° X ¯  Y X ¯  Y ¯ Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

41 Was bringt das 9-Schnitt-Modell?
F L F L 4-Schnitt-Modell Schnitte der Inneren leer Schnitte Rand mit Innerem leer Schnitte der Ränder nicht leer 4-Schnitt-Modell Schnitte der Inneren leer Schnitte Rand/Innere leer Schnitte der Ränder nicht leer im 4-Schnitt-Modell nicht unterscheidbar! 9-Schnitt-Modell Schnitt des Äußeren von F mit Rand von L nicht leer 9-Schnitt-Modell Schnitt des Äußeren von F mit Rand von L leer Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

42 Erweiterung um Dimension
9- und 4-Schnitt-Modell: Schnitt leer/nicht leer Erweiterung: Dimension des Schnitts Inneres Y Rand Y Äußeres Y Inneres X dim(X°  Y°) dim(X°  Y) dim(X°  Y ¯) Rand X dim(X  Y°) dim(X  Y) dim(X  Y ¯) Äußeres X dim(X ¯  Y°) dim(X ¯  Y) dim(X ¯  Y ¯) Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

43 Erweiterung um Dimension
9- und 4-Schnitt-Modell: Schnitt leer/nicht leer Erweiterung: Dimension des Schnitts Inneres Y Rand Y Äußeres Y Inneres X dim(X°  Y°) dim(X°  Y) dim(X°  Y ¯) Rand X dim(X  Y°) dim(X  Y) dim(X  Y ¯) Äußeres X dim(X ¯  Y°) dim(X ¯  Y) dim(X ¯  Y ¯) Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

44 0, falls A  B nulldimensional ist 1, falls A  B eindimensional ist
Definition von dim( ) -1, falls A  B =  0, falls A  B nulldimensional ist 1, falls A  B eindimensional ist 2, falls A  B zweidimensional ist dim(A  B) = Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

45 Was bringt die Dimension?
F1 F1 F2 F2 4-Schnitt-Modell Schnitte der Inneren leer Schnitte Rand mit Innerem leer Schnitte der Ränder nicht leer 4-Schnitt-Modell Schnitte der Inneren leer Schnitte Rand/Innere leer Schnitte der Ränder nicht leer im 4-Schnitt-Modell nicht unterscheidbar! Dimension Dimension des Schnitts der Ränder von F1 und F2: 1 Dimension Dimension des Schnitts der Ränder von F1 und F2: 0 Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

46 Verwendung des DE-9IM bei Simple Features
* ist Joker (Wert ist egal) Methode relate, 9-Schnitt-Matrix als Parameter z.B. objekt1.relate(objekt2, -1 * * * 1 * * * *) ergibt true, falls objekt1 mit objekt2 in Relation touches steht benannte räumliche Beziehungen: Methoden touches, crosses, within, contains, overlaps, disjoint, intersects, equals Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

47 DE-9IM: benannte räumliche Beziehungen I/II
grün.Touches(rot) grün.Crosses(rot) grün.Within(rot) rot.Contains(grün) grün.Overlaps(rot) Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

48 DE-9IM: benannte räumliche Beziehungen II/II
grün.Disjoint(rot) grün.Intersects(rot)  not grün.Disjoint(rot) grün.Equals(rot) Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

49 ISO/DIS 19107 Spatial Schema: Überblick
allgemeine Eigenschaften 1-dimensionale Objekte (Liniensegmente) 2-dimensionale Objekte (Flächen) 3-dimensionale Objekte (Volumina) Aggregationen Topologie Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

50 Eigenschaften Geometrie Topologie Aggregationen (verschiedene Arten)
0 - 3-dimensional 1-D: Splines, Klothoiden, 2,5-D: TINs (Dreiecksvermaschungen) 3-D: Volumina, Spline-Oberflächen Topologie eigene Klassen für Topologie, die Assoziationen mit entsprechenden Geometrie-Klassen haben Grund: Objekte ohne Geometrie nur mit Topologie Aggregationen (verschiedene Arten) Anwendung: z.B. ALKIS (nur 2D) Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

51 Liniensegmente (1-dimensionale Primitive)
GM_GenericCurve GM_Object Referenzsystem Teilmenge der Simple Features (blau) GM_Primitive GM_OrientablePrimitive GM_CurveSegment GM_OrientableCurve ..... ...... GM_Curve GM_Clothoid GM_LineString GM_SplineCurve GM_PolinomialSpline GM_BSplineCurve GM_LineSegment Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

52 Flächen: Beispiele Polygon (koplanar) (ALKIS) Zylinderfläche
Dreieck (Teil eines TIN) Kegelfläche Sphäre BSpline-Fläche Bikubisches Grid Bilineares Grid Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

53 Generalisierungshierarchie für Flächen
Orientierbare Fläche Parametrisierte Fläche Polygon Teilmenge der Simple Features (blau) Dreieck Kegelfläche Zylinderfläche Bikubisches Grid BSplineFläche Sphäre Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

54 Exkurs: Modellierung von 3D-Objekten
Constructive Solid Geometry CSG Boundary Representation BRep Volumenprimitive Mengentheor. Operatoren zur Kombination: , , \ Angabe der umschließenden Begrenzungsflächen   Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

55 Spatial Schema: Boundary Representation
Volumenkörper („Solids“) geschlossen begrenzt von beliebig vielen Flächen, die benachbart sind Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

56 Spatial Schema: Boundary Representation
Volumenkörper („Solids“) geschlossen begrenzt von beliebig vielen Flächen, die benachbart sind Flächen (2-D) werden von Linien (1-D) begrenzt Linien haben Anfangs- und Endpunkte (0-D) Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

57 Volumenkörper (Solids)
GM_Object GM_SolidBoundary GM_CompositSurface GM_Primitive außen innen GM_Solid boundary(): GM_SolidBoundary GM_Shell GM_OrientabeSurface innen Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

58 Aggregations-Konzepte
GM_Aggregate unstrukturierte Menge von Primitiven, auch rekursiv GM_MultiPoint (nur Punkte), GM_MultiCurve, GM_MultiSurface,... GM_Complex strukturierte Menge von Primitiven mit jedem Objekt ist dessen Rand (Endpunkte bei Kanten, Umring bei Flächen, ...) ebenfalls in Komplex Schnitt zweier Objekte ist entweder leer oder ebenfalls im Komplex vgl. Vorlesung GIS I, Simpliziale Komplexe oder Landkarten GM_Composit Komplex, der isomorph zu Primitiv ist CM_CompositCurve, GM_CompositSurface, GM_CompositSolid Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

59 Topologie und Geometrie: Überblick
Realisierung GM_Complex TP_Complex Realisierung GM_Primitive TP_Primitive TP_Node TP_Edge TP_Face Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

60 Topologie und Geometrie
GM_Primitive TP_Primitive Realisierung GM_Point TP_Node 2 0..* Realisierung GM_OrientableCurve TP_Edge 1..* 0..* Realisierung GM_OrientableSurface TP_Face 1..* 0..* Realisierung GM_Solid TP_Solid Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

61 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit. Fragen?

62 Topologie: Klassen TP_Primitive 1 2 TP_DirectedNode TP_Node 2 TP_Edge
TP_DirectedEdge 1 2 TP_Face TP_DirectedFace 1 2 TP_Solid TP_DirectedSolid 1 Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

63 Constructive Solid Geometry (CSG): Eigenschaften
Beliebig geformte Primitive möglich (Zylinder, Kugeln,...) Nicht eindeutig: ein Objekt kann auf unterschiedliche Weise repräsentiert werden Primitive erzwingen implizit geometrische Relationen wie z.B. Parallelität, Kollinearität etc. Vorteil: einfache Konstruktion, Haupteinsatz: CAD-Bereich Nachteil: Oberflächen nicht explizit repräsentiert Texturen problematisch, da diese Oberflächen zugeordnet sind Visualisierung nicht trivial; Oberflächen müssen erst ermittelt werden Explizites Volumenmodell Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10

64 Boundary Representation (BRep): Eigenschaften
Planare und gekrümmte Oberflächen (z.B. B-Spline-Flächen) modellierbar Eindeutig: jedes Objekt besitzt genau eine BRep Geometrischen Relationen (Parallelität, ..) nur implizit Vorteile: direkte Zuordnung von Texturen zu Oberflächen schnelle Visualisierung, nur Sichtbarkeit der Flächen muss bestimmt werden Haupteinsatz: Visualisierung (z.B. VRML), Computer-Graphik Nachteil: Konstruktion & Fortführung aufwändig Implizites Volumenmodell (Modellierung durch Angabe aller begrenzenden Oberflächen) Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 02/ Vorlesung 10