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 Welche Standards/Normen gibt es im GIS-Bereich?
Beispiel Spatial Schema (ISO) Beispiel Simple Features (OGC) UML-Diagramm Topologische Relationen Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 01/ Vorlesung 10

3 Die wichtigsten Normen/Standards
ISO (International Organization for Standardization) siehe übernächste Folie CEN/DIN (Europäisches/Dt. Komitee für Normung) Normen sind oder werden abgelöst durch ISO-Normen OGC (Open GIS Consortium) ( Simple Features für SQL (Relationale Datenbanken), CORBA, OLE/COM für GML/XML (GISIII / Kolbe) Web Map Server (Karten im WWW) Kataloge (Wo finde ich welche Daten?) Koordinatentransformation Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 01/ Vorlesung 10

4 Weitere GIS-Standards
herstellerspezifische Standards, z.B. Shapefiles (ESRI) SQD (SICAD), ... anwendungsspezifische Standards, z.B. ATKIS (topographische Daten) ALK (Kataster - geometrisch) ALB (Kataster - nichtgeometrisch) EDBS (Datenaustausch für ATKIS/ALK) DIGEST (Datenaustausch im militärischen Bereich) ... Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 01/ Vorlesung 10

5 ISO: die wichtigsten GIS-Standards
Spatial schema (Geometrie und Topologie) Rules for application schema (Anwendungsobjekte und Verknüpfung mit Geometrie und Topologie) Temporal schema (Zeit) Feature cataloguing methodology Spatial referencing by coordinates Spatial referencing by geographic identifiers Quality principles Metadata Portrayal (Visualisierung) Encoding (Datentransfer) …… (insgesamt 25 Standards) Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 01/ Vorlesung 10

6 Wozu Standards? Ermöglichung/Erleichterung des reibungslosen Datenaustauschs zwischen verschiedenen GIS-(Teil-)Systemen Interoperabilität Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 01/ Vorlesung 10

7 GIS-Standards der ISO in der Phase der Verabschiedung als ISO-Norm: DIS (Draft International Standard) lösen die zur Zeit gültigen europäischen/deutschen Normen (CEN/DIN) ab Verwendung z.B. bei Vorhaben ALKIS Neumodellierung des Katasters (ALK und ALB), Vereinheitlichung mit ATKIS (Topographische Daten) Modellierung in UML (Klassendiagramme) Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 01/ Vorlesung 10

8 Was leistet ISO/DIS 19107 Spatial Schema?
Modellierung des Raumbezugs von GIS-Objekten Geometrie 0 - 3-dimensional 1-D: Splines, Klothoiden, 2,5-D: TINs (Dreiecksvermaschungen) 3-D: Volumina, Spline-Oberflächen Aggregationen Topologie eigene Klassen für Topologie, die Assoziationen mit entsprechenden Geometrie-Klassen haben Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 01/ Vorlesung 10

9 Spatial Schema: 1-dimensionale Primitive
GM_GenericCurve GM_Object Referenzsystem 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 01/ Vorlesung 10

10 OGC: Simple Features Standard des Open GIS Consortium (OGC)
OGC: privater, nichtkommerzieller Verein Mitglieder: GIS-Hersteller, Behörden, Universitäten Modellierung der Geometrie raumbezogener Objekte "Simple": nur dimensional (weder 2,5-D noch 3-D) nur gerade Linien keine Topologie keine Aggregation " ... reicht in 80% aller Fälle aus ... (?)" Implementierung standardisiert für SQL (Relationale Datenbanken), CORBA, OLE/COM GML/XML (GIS III / Kolbe) Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 01/ Vorlesung 10

11 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 01/ Vorlesung 10

12 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 01/ Vorlesung 10

13 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 01/ 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 01/ Vorlesung 10

15 1-D-Objekte: MultiLineString
MultiLineString: Menge (Aggregation) von LineStrings LineString2 LineString1 LineString1 LineString2 LineString1 LineString2 Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 01/ Vorlesung 10

16 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 01/ Vorlesung 10

17 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 01/ Vorlesung 10

18 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 01/ Vorlesung 10

19 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 01/ 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 nicht topologisch zusammenhängend kein Polygon kein Polygon Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 01/ Vorlesung 10

21 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 01/ Vorlesung 10

22 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 01/ Vorlesung 10

23 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 01/ Vorlesung 10

24 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 01/ Vorlesung 10

25 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 01/ Vorlesung 10

26 Punktmengentopologie (Wh. aus GIS I)
Beziehungen zwischen Punktmengen Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 01/ Vorlesung 10

27 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 01/ Vorlesung 10

28 Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
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29 Topologische Relationen (Wh. aus GIS I)
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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)
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 01/ Vorlesung 10

36 Vom 4 Schnitt- zum 9-Schnitt-Modell: Rand, Inneres und Äußeres
Inneres (°) rot Rand () grün Äußeres ( ¯ ) blau Gerhard Gröger - Geoinformation III Semester - WS 01/ Vorlesung 10

37 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 01/ Vorlesung 10

38 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 01/ Vorlesung 10

39 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 01/ Vorlesung 10

40 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 01/ Vorlesung 10

41 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 01/ Vorlesung 10

42 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 01/ Vorlesung 10

43 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 01/ Vorlesung 10

44 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 01/ Vorlesung 10

45 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 01/ Vorlesung 10

46 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 01/ Vorlesung 10

47 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit. Fragen?