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Im vorherigen Kapitel: Geodaten als formale Beschreibungen von Geoinformationen über Geoobjekte In diesem Kapitel: Methoden, Probleme Kontext der Messung.

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1 Im vorherigen Kapitel: Geodaten als formale Beschreibungen von Geoinformationen über Geoobjekte In diesem Kapitel: Methoden, Probleme Kontext der Messung und Erfassung digitaler Geodaten

2 Digitale Geodaten Messung und digitale Erfassung von Geodaten Metadaten für Geodaten Qualität von Geodaten Standardisierung von Geodaten Geobasisdaten: ATKIS, ALKIS (ALK; ALB) Praxisbeispiele

3 Messung und digitale Erfassung von Geodaten Messdaten = Grundlage für die Analyse, Modellierung raumbezogener Phänomene. Qualität und Quantität der Meßdaten bestimmen die fachliche Breite und Zuverlässigkeit der aus den Daten gewonnen Resultate ("garbage in, garbage out").,

4 Messung thematischer Daten Messungen erfolgen mittels Sensoren (z.B. optische, physikalische Sensoren). Messungen können direkt oder indirekt erfolgen Direkte Messung: Das Geophänomen wird mit Hilfe einer geeigneten Maßskala direkt erfasst. Beispiele: –Zählung der Anzahl von Pflanzenindividuen –Messung des Niederschlages (geeichtes Gefäß) –Messung der Windrichtung (Fahne)

5 Indirekte Messung: Das Geophänomen wird mit Hilfe physikalischer, chemischer oder biotischer Merkmale erfaßt, die in sehr enger Korrelation zum Geophänomen stehen. In den Geowissenschaften überwiegen die indirekten Meßverfahren. Beispiele: –Temperaturmessung mit einem Thermometer (indirekt über Ausdehnung der Hg-Säule) –Messung der Windgeschwindigkeit mit dem Schalen-Anemometer (indirekt über Zahl der Umdrehungen)

6 Messung der Geometrie von Geoobjekten Messung der Geometrie von Geoobjekten: die Bestimmung der drei-dimensionalen Position von Punkten auf der Erdoberfläche (Länge, Breite, Höhe). geodätische Vermessung: mit Maßband, Theodolit (zur Winkel-Messung), Tachymeter, GPS Photogrammetrie: berechnet geometrische Daten aus photographischen Messbildern.

7 Globales Positionierungssystem GPS Aktuelles satellitengestütztes Messverfahren Vom Department of Defence der USA entwickeltes Verfahren NAVSTAR-GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging-Global Positioning System). Ursprünglich ausschließlich für militärische Zwecke der Ortung und Navigation konzipiert. Mittlerweile auch zivile Nutzung. Europäische Version „SAPOS“

8 System, das unter der Voraussetzung des "Sichtkontaktes" zu mindestens vier Navigationssatelliten weltweit, kontinuierlich und unabhängig von Tageszeit und meteorologischen Bedingungen genutzt werden kann. Unter optimalen Bedingungen theoretisch(!) eine millimetergenaue drei-dimensionale Positionsbestimmung möglich mit darauf aufbauender Navigation. NAVSTAR-GPS seit 1978 im operationellen Einsatz; volle Ausbaustufe seit 1994

9 GPS aus drei Segmenten aufgebaut: Weltraum-Segment: 24 Satelliten, die gegen- einander versetzt die Erde auf fast kreisförmigen Bahnebenen in einer Höhe von ca km mit einer Umlaufzeit von 12 Stunden umkreisen. Kontrollsegment: mehrere Bodenstationen zur Steuerung und Überwachung der Satelliten. Nutzersegment: GPS-Anwender, der mit geeigneten Empfangsanlagen für die GPS- Signale. Unterschiedliche Genauigkeiten je nach Einsatzzweck.

10 Die drei GPS Segmente

11 Prinzip der GPS-basierten drei-dimensionalen Positionsbestimmung: Berechnung der Entfernung zwischen Satellitenantenne und Empfangsantenne aus Messungen der Signal-Laufzeit. Voraussetzung: Satellitenposition ist bekannt. aus indirekter Entfernungsmessungen für 4 Satelliten Berechnung der 3D-Position auf Erde

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13 Fehler bei der GPS-Messung: Laufzeitfehler durch unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten des Satellitensignals in verschiedenen Schichten der Erdatmosphäre; geräteabhängige Störungen in den Empfangsgeräten (Rauschen); Uhrenfehler in den Satelliten und Empfangsgeräten; Fehler durch unterschiedliche Anordnung der Satelliten in Bezug auf den Positionspunkt auf der Erdoberfläche (sog. Satellitengeometrie).

14 Genauigkeit bei Einzelpunktbestimmungen: mit einfachen Geräten aufgrund solcher Fehlerquellen bei ca. 20m. Außerdem: künstliche Systemverschlechterungen vom militärischen Betreiber des NAVSTAR-GPS => Einzelpunktbestimmung nur Genauigkeiten von ca. +/- 100 m. Seit Ende des 'kalten Krieges‘ (Mai 2000) Abschalten dieser Störung.

15 Minimierung der systembedingten Fehler: => Differentielles GPS = DGPS Positionsbestimmung relativ zu einem bekannten Nachbarpunkt Prinzip: Referenzstation ermittelt Korrekturwerte a) Echtzeitkorrektur der gemessenen GPS-Signale an mobiler Station übertragen b) postprocessing-Korrektur mit gespeicherten Korekturwerten nach Abschluss der Mobil-Messungen

16 Genauigkeit mit DGPS Je nach Konfiguration der Empfangsstationen Genauigkeiten bis in den cm-Bereich bei 'normalem' Geräteaufwand bis ca. 1 m.

17 Digitale Datenerfassung Ziel der Datenerfassung ist die Speicherung von Messdaten auf Datenträgern für Zwecke der Auswertung und längerfristigen Archivierung. Je nach Art der Erfassungsmethode und verwendeten Datenträger unterscheidet man - analoge von der - digitalen Datenerfassung

18 Analoge Datenerfassung Die Meßdaten werden in sichtbarer oder physikalisch abtastbarer Form auf einen Datenträger geschrieben, ohne direkt der Datenverarbeitung (DV) zugänglich zu sein. Beispiele:  Eintragen von Mess- und Beobachtungsdaten in eine Feldkarte und ein Feldtagebuch  Aufzeichnung von Temperaturganglinien auf Schreibstreifen eines Thermohygrographen  Aufzeichnung von Bildern auf ein Videoband in konventioneller VHS-Technik

19 Digitale Datenerfassung: Die Meßdaten werden (alpha-)numerisch kodiert und auf DV-geeigneten Datenträgern gespeichert. Beispiele:  Kodierung der Tropfenanzahl eines Regenmessgerätes als Integer-Daten und Speicherung auf einem Datenserver  Erfassen der multispektralen (mehrkanaligen) Strahlungintensität mittels eines Satellitensensors digitalen Kamera und Aufzeichnen auf einer CD- ROM.

20 Für die Datenverarbeitung erforderlich: Umwandlung aller analog erfassten Daten in digitale Form = Digitalisierung Digitalisierung => zeitliche und räumliche Auflösung und Genauigkeit der Meßwerte werden mehr oder minder stark verringert. => zeitlich und räumlich kontinuierliche Prozesse werden diskretisiert.

21 Beispiel: Photozelle erzeugt kontinuierlich elektrische Spannung zur Messung der Globalstrahlung. Dieses vom Sensor erzeugte analoge Signal wird jede Minute in digitale Messwerte (positive Realzahl mit 2 Nachkommastellen) umgewandelt. Die zeitliche und numerische Diskretisierung ergibt Ungenauigkeiten,“Digitalisierungsfehler“. Digitalisierungsfehler müssen so klein gehalten werden, daß die fachliche Aussagefähigkeit der Daten nicht gravierend beeinträchtigt wird.

22 Die Digitalisierung kann manuell, halb- automatisch oder voll-automatisch mit Hilfe von Analog-Digital-Wandlern (A/D-Wandler) erfolgen manuell:

23 Probleme bei der Digitalisierung von Geodaten Eingabefehler durch Schreib- oder Lesefehler => automatische Plausibilitätskontrollen  Eingabefehler bei Geometrieerfassung - ungenaue Positionierung von Punkten - Liniensegmente sind zu kurz / lang - Punkte und Liniensegmente fehlen => Methoden zur automatischen Konsistenzprüfung und Korrektur

24 Metadaten von Geodaten Metadaten = datenbeschreibende Daten, also 'Daten über Daten'.

25 Beispiel: Metadaten für Temperaturdaten Maßeinheit und numerische Genauigkeit Art des Temperatur-Sensors (Quecksilberthermometer, PT100) Messhöhe am Standort (z.B. 10cm, 200cm über Boden) Zeitliche Auflösung der Messungen (Stundenwerte, Tagesmittel) Methoden der Fehlerprüfung und Vorverarbeitung (Lückenfüllung durch Interpolation, Mittelbildung) Verfügbarkeit der Meßdaten (wer, wo, welche, wie) Datentypen, Formate, Zugriffspfade etc.

26 Metadaten-Typen Navigatorische MD (recherchebezogene Beschreibung) Semantische MD (inhaltliche, qualitative Beschreibung) Syntaktische MD (datentechnische Beschreibung) Strukturelle MD (datenstrukturbezogene Beschreibung) (Denzer, Güttler 1994)

27 Metadatenstandard Empfehlung für Metadatenmodell legt fest: Metadaten-Elemente und Deskriptoren Welche Datenmerkmale sind zu beschreiben? Metadaten-Bezeichnung und Notation Wie sind die Datenmerkmale zu beschreiben?

28 Metadaten-Elemente FGDC Standard (Federal Geographic Data Committee) Identification Information Spatial Reference Information Data Quality Information Entity and Attribute Information Spatial Data Organization Information Time Period Information Distribution Information Metadata Reference Information Contact Information

29 Metadaten-Elemente und Deskriptoren Distribution Information Datenformat Kontaktperson Bezugsmodalitäten und Konditionen Spatial Reference Information Projektion geodätisches Datum Koordinatensystem Auflösung

30 Metadatenstandards für Geodaten DIF Direct Interchange Format der NASA, 32 Deskriptoren (1990) FDGC Content Standard des Federal Geographic Data Committee, 334 Deskriptoren (1995) ISO der International Standard Organisation, 1600 Deskriptoren (2002) OGC OpenGIS Consortium Kooperation mit ISO (2002)

31 Metadaten-Modell aus: ISO 19115

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34 Warum braucht man Metadaten? Wegweiser im Daten-Dschungel!

35 Qualität von Geodaten Qualität = Eignung eines Systems (Objekts, Artefakts) zur Erfüllung einer geforderter Leistungen. Qualität von Primär-, Sekundär- und Metadaten von großer Bedeutung Beispiel: –Räumliche Auflösung von Daten (Daten im Maßstab 1:2 Mio unbrauchbar für detaillierte Geländeanalyse) –Aggregationsstufe (Daten von Landkreisen ungeeignet für Betrachtung auf Gemeindeebene)

36 Qualitätsbeschreibende Attribute für Geodaten:  Herkunft der Geodaten (Meßmethoden, Vorverarbeitungsprozesse etc.)  Geometrische Genauigkeit (mittlerer Lagefehler)  Thematische Genauigkeit (Konsistenz im fachlichen Zusammenhang und Homogenität der Bedeutung)  Räumliche, zeitliche und thematische Auflösung der Geodaten  Vollständigkeit (räumlich, zeitlich, thematisch) der Geodaten  Aktualität und Aktualisierungsintervalle der Geodaten  Nutzungseinschränkungen und Datenrechte

37 In Geo- und Umweltinformationssystemen thematische Genauigkeit von besonderer Bedeutung. In der Geodäsie geometrische Genauigkeit wichtig. Für die Qualität von Daten existieren Vorschriften in den Qualitätsnormen ISO (Lit. Bartelme 2000)

38 Standardisierung von Geodaten Geodaten = mittlerweile marktfähiges Produkt. Starke Nachfrage in sehr vielen Bereichen der Wirtschaft und Verwaltungen eine besteht. Beispiele: Geomarketing, Optimierung von Mobilfunknetzen, Umweltverträglichkeitsprüfung, Stadt- und Landschaftsplanung.

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40 Situation bei Geodaten: Produzenten von Geodaten (z.B. Landesvermessungs- ämter, Umweltinstitutionen, Kommunen) haben meist eigene Erfassungsmethoden, Attribut- Kataloge, Datentypen und Formate entwickelt, die für ihre spezielle Anwendung am besten geeignet waren. Vielfalt war in vergangenen Jahren durchaus sinnvoll, da alternative Wege ohne Zwang der Normung erprobt werden konnten. Heute jedoch: Zunehmende Verfügbarkeit und Nutzung von Geodaten => zunehmende Probleme als Resultat der semantischen und strukturellen Vielfalt bei Geodaten

41 Probleme Sehr spezielle Zielvorstellungen bei Daten- erfassung erschweren die Weitergabe und Mehrfachnutzung von Geodaten und führen zu unwirtschaftlichen Lösungen Die vertikale Integration von Geodaten, d.h. der Datenfluß von der Erfassung bis zur Auswertung und Präsentation mit ggf. unterschiedlichen Softwaresystemen auf ggf. unterschiedlichen Rechnersystemen ist schwierig und fehleranfällig Die horizontale Integration, d.h. die Nutzbarkeit derselben Geodaten in unterschiedlichen Fachgebieten ist erschwert

42 Problemlösung: Entwicklung und Umsetzung von Standards für Geodaten. Standards für unterschiedliche Bereiche –Semantik –Syntax –Metadaten –Schnittstellen

43 Beispiele OSKA ObjektSchlüssel-KAtalog: Hierarchischer Katalog topographischer Objekte für das Automatisierte Liegenschaftskataster ALK und das Amtliche Topographisch-Kartografische Informationssystem ATKIS entwickelt (z.B. 5000=Verkehrsfläche, 5100=Straße, 5111=Autobahn)

44 EDBS Einheitliche DatenBankSchnittstelle: Weitgehend standardisiertes Austauschformat für Geodaten der deutschen Landesvermessungs- ämter; Nutzung u.a. für den Austausch von ATKIS- Daten SDTS Spatial Data Transfer Standard: Ein Standard des US Geological Survey zum Transfer geologischer und anderer raumbezogener Daten

45 FGDC Metadaten-Standard des Federal Geographic Data Committee der USA für raumbezogene Metadaten mit dem Ziel einer "national spatial data infrastructure“. ISO Metadaten -Standard der International Standard Organisation

46 Geobasisdaten ATKIS und ALKIS (ALK, ALB) ATKIS Amtliche Topographisch-Kartografische Informations-System ATKIS = bundesweit angewandtes Geobasisdaten-System für digitale topographische Daten. Erstellung durch Landesvermessungsämter bzw. Bundesamt für Kartographie und Geodäsie

47 Charakteristika Objektstrukturierte Modellierung der realen Welt (nicht: OO i.e.S.). Die reale Landschaft wird durch ein Digitales Landschaftsmodell DLM auf Vektor-Basis abgebildet. Konzeptionelle Grundlage des DLM ist der Objektartenkatalog ATKIS-OK., Festlegung der wichtigsten topographischen Geoobjekte mit ihren Attributen. Digitale Speicherung des DLM in speziellen Datenbank- und/oder Geoinformationssystemen mit objektbezogener Verwaltung der Geometrie- und Sachdaten.

48 ATKIS-Daten (Auszug)

49 Zusätzlich zu DLM Aufbau Digitaler Gelände- modelle DGM für die Maßstabsbereiche –1: (DGM25: 50m-Raster, Höhen- genauigkeit ± 5m) und –1:5.000 (DGM5: 10m-Raster, Höhen- genauigkeit ± 0,5m)

50 Digitales Geländemodell Ausschnitt vergrößert Auflösung (Rasterweite) 30 x 30m

51 Überführung eines beliebigen räumlichen oder fachlichen Ausschnittes des DLM mittels kartografischer Gestaltungsvorschriften (Signaturenkatalog ATKIS-SK) in ein Digitales Kartografisches Modell DKM. Visuell darstellbar auf diversen Medien (Monitor, Papier, Folie etc.)

52 ATIS-Daten (visualisiert) ATKIS-Daten mit Rasterdaten ATKIS-Daten

53 Der Datenaustausch erfolgt über die Einheitliche Datenbank-Schnittstelle EDBS. Das DLM wird zunächst für die Maßstabsbereiche - 1: (DLM 25 mit ± 3m Lagegenauigkeit), - 1: (DLM 50, für Maßstab 1: : ) - 1: (DLM 200) und - 1:1 Million (DLM 1000) erarbeitet. Bearbeitung des DLM25 durch Landesvermessungs- ämter. Der Bearbeitungsstand ist in den Bundesländern unterschiedlich.

54 Anwendungsbereich für ATKIS Daten DLM 25 ATKIS-Daten als topographische Basisdaten bei allen raumbezogenen Planungen in der Maßstabsklasse 1: einsetzbar also: für Probleme im kartographischen Maßstab zwischen etwa 1: bis 1: Da vektorielle Geometriedaten => der Maßstab für Anwendungen im Prinzip(!) variabel, jedoch: Erfassungsgenauigkeit von ± 3m beachten! (z.B. Arbeitsmaßstab von 1:5.000 mit dem DLM25 nicht mehr sinnvoll, da Anwendungen Lagegenauigkeiten im Dezimeter-Bereich erfordern.)

55 ALK, ALB, ALKIS Automatisierte Liegenschaftskarte ALK, in den 80er Jahren entwickelt, enthält die Geometriedaten für das Liegenschafts- kataster Erfassungsmaßstäbe von 1:500 und 1:1.000 mit Zentimeter-Genauigkeit Automatisierte Liegenschaftsbuch ALB parallel dazu entwickelt enthält Sachdaten (z.B. Eigentümer der Liegenschaft) Beide Katastersysteme Standard bei den Vermessungs- und Katasterämtern

56 Informationstechnisch sind ALK und ALB veraltet: Eine integrierte Abfrage von ALK und ALB ist nicht möglich; Das ALK-Datenmodell unterscheidet sich von ATKIS-Datenmodell, => Datenaustausch nicht möglich Metadaten können in ALK und ALB nicht verwaltet werden. Entwicklung von ALKIS

57 ALKIS Amtliches Liegenschaftskataster-Informationssystem ALKIS Vereinigung und Neustrukturierung vonALK und ALB durch die Arbeitsgemeinschaft der Vermessungs- verwaltungen der Bundeesländer (AdV)

58 Vorteile von ALKIS ALKIS basiert auf einem mit ATKIS abgestimmten Datenmodell => vertikale Daten-Integration über mehrere Maßstabsebenen hinweg möglich z.B. Verwendung von ALKIS-Geometriedaten zur Aktualisierung der ATKIS-Geometriedaten Beachtung internationaler Normen Integrierter Zugriff auf Geometrie- und Sachdaten Nutzerbezogene Bestandsaktualisierung der Daten mit einem Versionskonzept => alle Objekt-Änderungen werden gespeichert EDBS wird ersetzt durch Normbasierte Austauschschnittstelle NAS, basierend auf ISO- Standards


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