GIS Grundlagen Skript PDF

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Script zum Modul GIS Anwendungen...

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Skript

GIS Grundlagen und Anwendungen

B.Eng. Umweltingenieur Bau

Beuth Hochschule für Technik Berlin

Dozent:

Alexander Blume

Stand:

03.04.2018

Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis .................................................................................................................. II Abschnitt 1

GIS Grundlagen ...................................................................................................... 1

1

Einleitung.............................................................................................................................. 2

2

Grundlagen Geoinformationssysteme (GIS) ........................................................................ 3

3

4

5

6

7

8

2.1

Was ist ein GIS? .......................................................................................................... 3

2.2

Was sind Geodaten? ................................................................................................... 3

2.3

Wie entstehen Geodaten? ........................................................................................... 4

2.4

Übersicht Vektor- und Rasterdaten ............................................................................. 5

2.5

Unterschied CAD zu Geoinformationssystemen.......................................................... 7

Software ArcMap .................................................................................................................. 8 3.1

Grundfunktionen .......................................................................................................... 8

3.2

Grundbegriffe............................................................................................................. 10

3.3

Unterschiedliche Cursor ............................................................................................ 11

3.4

Ansichten ................................................................................................................... 12

Projekt anlegen ..................................................................................................................16 4.1

Ordnerstruktur ........................................................................................................... 16

4.2

Datenformate ............................................................................................................. 16

Daten betrachten ................................................................................................................ 18 5.1

Grundfunktionen ........................................................................................................ 18

5.2

Daten visualisieren (Transparenz und Symbolisierung) ............................................ 18

5.3

Daten visualisieren (Beschriftung) ............................................................................. 21

Daten bearbeiten ................................................................................................................ 24 6.1

Grundfunktionen ........................................................................................................ 24

6.2

Editor ......................................................................................................................... 24

6.3

Option: Zeichnen einer Fläche................................................................................... 26

6.4

Option: Zerschneiden bzw. Teilen von Flächen ......................................................... 27

6.5

Option: Flächen umformen ........................................................................................ 28

6.6

Fangen (Snap)........................................................................................................... 30

Attributtabelle ..................................................................................................................... 31 7.1

Grundfunktionen ........................................................................................................ 31

7.2

Markieren / Auswählen .............................................................................................. 31

7.3

Werte eingeben ......................................................................................................... 32

7.4

Werte berechnen ....................................................................................................... 32

Koordinatensysteme........................................................................................................... 33 8.1

Geographische Koordinaten ...................................................................................... 33

8.2

Projizierte Koordinaten .............................................................................................. 33

Skript GIS | Grundlagen und Anwendung | Abschnitt 1

I

9

8.3

Transformationen ...................................................................................................... 37

8.4

Einstellungen in ArcMap ........................................................................................... 37

Georeferenzierung ............................................................................................................. 39 9.1

10

Funktionen ................................................................................................................ 39

Layout erstellen.................................................................................................................. 41 10.1

Layout-Werkzeugleiste.............................................................................................. 41

10.2

Zeichnen-Werkzeugleisten........................................................................................ 41

10.3

Symbole erstellen...................................................................................................... 43

10.4

Legende einstellen .................................................................................................... 44

10.5

Datenrahmen (Data frame) ....................................................................................... 48

10.6

Karte exportieren....................................................................................................... 50

Abschnitt 2 1

GIS Grundlagen ...................................................................................................... 1

Werkzeuge in ArcMap.......................................................................................................... 1

Abbildungsverzeichnis Abbildung 1-1: Abbildung 1-2: Abbildung 1-3: Abbildung 1-4: Abbildung 1-5: Abbildung 1-6: Abbildung 1-7: Abbildung 1-8: Abbildung 1-9: Abbildung 1-10: Abbildung 1-11:

Abbildung 1-12: Abbildung 1-13: Abbildung 1-14: Abbildung 1-15: Abbildung 1-16: Abbildung 1-17: Abbildung 1-18: Abbildung 1-19:

Schema strukturelle, geometrische und thematische Eigenschaften von Geodaten. .......................................................................................................... 4 Entstehung von Geodaten ausgehend von Rohdaten über interpretierte Daten hin zu symbolisierten Daten. .............................................................................. 5 Gegenüberstellung von Geodaten im Rasterformat (links) und Vektorformat (rechts). .............................................................................................................. 6 Standard-Werkzeugleiste inkl. Nummerierung................................................... 8 Werkzeuge-Werkzeugleiste inkl. Nummerierung der wesentlichen Funktionen. 9 Auszug aus den ArcMap-Optionen - Reiter Allgemein. .................................... 12 Übersicht ArcMap Datenansicht mit den Bereichen der Werkzeugleisten (1), des Inhaltsverzeichnis (2), des Datenbereichs (3) sowie des Katalogs (4). ..... 13 Ausschnitt mit Schaltflächen zum Wechsel zwischen Datenansicht und Layoutansicht.. ................................................................................................. 13 Ansicht eines Ausschnittes des Katalogs......................................................... 13 Ansicht eines Ausschnittes des Inhaltsverzeichnis. ......................................... 14 Schema des Layerprinzips (Quelle: http://desktop.arcgis.com/de/arcmap/10.3/guide-books/map-projections/whatare-map-projections.htm). ................................................................................ 14 Übersicht ArcMap Layout-Ansicht mit den Bereichen der Werkzeugleisten (1), des Inhaltsverzeichnis (2), des Layoutbereiches (3) sowie des Katalogs (4). .. 15 Beispiel flächenhafter Symbole sowie verfügbarer Einstellungen für einen Layer bei Rechtsklick. ................................................................................................ 19 Auszug aus den Layer-Eigenschaften - Reiter Anzeige................................... 19 Auszug aus den Layer-Eigenschaften - Reiter Symbolisierung. ...................... 20 Auszug aus den Layer-Eigenschaften - Reiter Beschriftung: ........................... 21 Auszug aus den Eigenschaften des Datenrahmens - Reiter Allgemein. .......... 22 Platzierungseigenschaften mit der Maplex-Label-Engine. ............................... 22 Ausschnitt der Schaltfläche "Daten hinzufügen" inkl. der Option eine Grundkarte hinzufügen..................................................................................... 23

Skript GIS | Grundlagen und Anwendung | Abschnitt 1

II

Abbildung 1-20: Abbildung 1-21: Abbildung 1-22: Abbildung 1-23: Abbildung 1-24: Abbildung 1-25: Abbildung 1-26: Abbildung 1-27: Abbildung 1-28: Abbildung 1-29: Abbildung 1-30:

Auswahl möglicher Grundkarten. .....................................................................23 Editieroptionen - Reiter Allgemein. ................................................................... 24 Editor-Werkzeugleiste ...................................................................................... 25 Fenster Features erstellen................................................................................ 26 Editor - Erstellen eines Polygons...................................................................... 27 Editor - Zerschneiden bzw. Teilen von Flächen................................................ 28 Editor - Stützpunkte bearbeiten. ....................................................................... 29 Editor - Automatisch vervollständigen und Fangen. ......................................... 29 Fangen-Werkzeugleiste.................................................................................... 30 Attributtabelle (Beispiel).................................................................................... 31 Übersicht Längen- und Breitengrade (Quelle. https://www.timeanddate.de/geographie/laengengrad-breitengrad). ................ 33 Abbildung 1-31: Grundproblem der Projektion - eine Kugel in eine Ebene. ...............................34 Abbildung 1-32: Beispiel für Konische- (Kegel-) Projektionen. (Quelle: http://desktop.arcgis.com/de/arcmap/10.3/guide-books/mapprojections/projection-types.htm)...................................................................... 34 Abbildung 1-33: Beispiel für Zylindrische-Projektionen. (Quelle: http://desktop.arcgis.com/de/arcmap/10.3/guide-books/mapprojections/projection-types.htm)...................................................................... 34 Abbildung 1-34: Beispiel für Planare-Projektionen. (Quelle: http://desktop.arcgis.com/de/arcmap/10.3/guide-books/mapprojections/projection-types.htm)...................................................................... 34 Abbildung 1-35: Beispiel Sphäroid (Ellipsoid) (Quelle: Quelle: http://desktop.arcgis.com/de/arcmap/10.3/guide-books/mapprojections/spheroids-and-spheres.htm). ......................................................... 35 Abbildung 1-36: Die Weltkarte in der Mercatorprojektion (Quelle: https://en.wikipedia.org/wiki/Mercator_projection). ........................................... 35 Abbildung 1-37: Zonen der UTM-Projektion (Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/UTMKoordinatensystem).......................................................................................... 36 Abbildung 1-38: UTM-Tonen in Deutschland (Quelle: https://gpso.de/navigation/utm.html). .....36 Abbildung 1-39: Auszug aus den Eigenschaften des Datenrahmens - Reiter Koordinatensystem. .........................................................................................................................37 Abbildung 1-40: Auswahl der Transformation für Koordinatensysteme. ..................................... 38 Abbildung 1-41: Übersicht Funktionen der Georeferenzierung-Werkzeugleiste. ........................ 39 Abbildung 1-42: Beispielhafte Georeferenzierung mit einem Passpunkt (1 grün und 1 rot). ...... 40 Abbildung 1-43: Layout-Werkzeugleiste inkl. ausgewählter Nummerierung............................... 41 Abbildung 1-44: Zeichnen-Werkzeugleiste inkl. ausgewählter Nummerierung........................... 41 Abbildung 1-45: Auszug aus den ArcMap-Optionen - Reiter Layoutansicht. .............................. 42 Abbildung 1-46: Übersicht der möglichen Elemente zum Einfügen in der Layoutansicht................ 43 Abbildung 1-47: Auszug aus den Eigenschaften der Legende - Reiter Allgemein......................44 Abbildung 1-48: Auszug aus den Eigenschaften der Legende - Reiter Themen. ....................... 45 Abbildung 1-49: Auszug aus den Eigenschaften der Legende - Reiter Layout. .........................46 Abbildung 1-50: Auszug aus den Eigenschaften der Legende - Reiter Rahmen........................ 47 Abbildung 1-51: Auszug aus den Eigenschaften der Legende - Reiter Größe und Position. ..... 48 Abbildung 1-52: Auszug aus den Eigenschaften des Datenrahmens - Reiter Allgemein. ............... 49 Abbildung 1-53: Auszug aus den Eigenschaften des Datenrahmens - Reiter Datenrahmen .....50 Abbildung 1-54: Exportieren einer Karte in beliebigem Format. ................................................. 51 Abbildung 2-1: Übersicht Arc-Toolbox. .............................................................................................. 1 Abbildung 2-2: Aktivieren der Erweiterungen. ................................................................................... 2 Abbildung 2-3: Schematische Übersicht eines Werkzeuges (hier Ausschneiden). ........................... 3

Skript GIS | Grundlagen und Anwendung | Abschnitt 1

III

Abbildung 2-4: Umgebungseinstellungen (über das Werkzeug zu erreichen). ................................. 3 Abbildung 2-5: Bestimmung der Ausgabe-Koordinaten in den Umgebungseinstellungen. ............... 4 Abbildung 2-6: Fenster "Suchen". ..................................................................................................... 4

Skript GIS | Grundlagen und Anwendung | Abschnitt 1

IV

Abschnitt 1 GIS Grundlagen

Einleitung

1

Einleitung

Immer wenn Sie sich fragen „Wo“ sich etwas befindet, stellen Sie einen Raumbezug zu einer Information oder Sache her. Dazu können Fragen gehören, wie: Wo befindet sich Berlin oder wo ist der nächste Supermarkt aber auch wie viele Bäume gibt es auf dem Campus der Beuth Hochschule oder welche Gebiete sind im Falle eines Hochwassers überflutet. Antworten auf diese Fragen können mit einem Geoinformationssystem (GIS) gefunden werden. Dazu sollen Sie lernen und verstehen wie ein solches Programm funktioniert, wie sie Daten mit Raumbezug (Geodaten) bearbeiten können oder selber erstellen. Und abschließend auch, wie Sie Ihre Ergebnisse für Andere aufbereiten und darstellen können. Das vorliegende Skript bietet Ihnen hierfür sowohl eine Zusammenfassung der Übung GISGrundlagen im Bachelorstudium Umweltingenieur-Bau als auch eine Übersicht der wesentlichen Funktionen des Geoinformationssystems ArcMap (Version 10.4) von ESRI. Die Struktur folgt der Übung und spiegelt die Projektbearbeitung wieder: von der Anlage des Projekts über das Arbeiten und Bearbeiten von Geodaten bis hin zur Ergebnisdarstellung. Anhand von Screenshots werden die einzelnen Funktionen beschrieben. Dieses Skript erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder 100% Richtigkeit, es ist eher als Leitfaden durch die Veranstaltung und das Programm gedacht. Hinweis

Als Hinweis sind Zusatzfunktionen gekennzeichnet, die aus Sicht des Autors hilfreich sind.

Exkurs

Exkurse gehen etwas über den Inhalt der Veranstaltung hinaus, liefern jedoch nützliches Hintergrundwissen zum Thema.

Empfohlene Literatur laut Modulhandbuch: BARTELME, N.: Geoinformatik. – Springer, Berlin. BILL, R.: Grundlagen der Geo-Informationssysteme. – Wichmann-Verlag, Heidelberg. LONGLEY, P.A., GOODCHILD, M. F., MAGUIRE, D. J. & RHIND, D. W.: Geographic Information Systems and Science. – ESRI Press, Redlands.

Weiterführende Links für “Geo-“ Interessierte: ARTE Sendung „Mit offenen Karten“ (http://ddc.arte.tv/de) Atlas der Globalisierung (https://monde-diplomatique.de/index.php?cPath=80) NASA Earth Observatory (https://earthobservatory.nasa.gov) arcAKTUELL (ESRI Zeitung) (https://www.esri.de/neuigkeiten/arcaktuell)

Skript GIS | Grundlagen und Anwendung | Abschnitt 1

2

Grundlagen Geoinformationssysteme (GIS)

2

Grundlagen Geoinformationssysteme (GIS)

Der nachfolgende Abschnitt bietet Ihnen eine Einführung in die Grundlagen und-prinzipien von Geoinformationssystemen.

2.1

Was ist ein GIS?

Haben Sie schon mal ein Navigationsgerät bedient oder z.B. über die Seite der BVG die kürzeste Verbindung herausgesucht? Falls ja, haben Sie bereits (unbemerkt) im Hintergrund ein Geoinformationssystem verwendet. Darin werden Informationen im Raum verortet und verwaltet bzw. ordnen sie Flächen, Linien oder Punkten im Raum Informationen zu. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um eine Datenbank oder eine Tabelle in der Sie auch räumliche Informationen speichern. Je nach Fragestellung können Sie diese Informationen mit einander verbinden und auswerten. Ein Blick in die Literatur zeigt jedoch, dass unter dem Begriff GIS noch weitere Funktionen verstanden werden können. In BARTLEME (2005:16) findet sich dazu folgende allgemeine Aufzählung:      

Sammlung georelevanter Daten, Fundgrube für Lösungen raumbezogener Fragen, Sammlung von Werkzeugen (Algorithmen, Funktionen), Gesamtheit von Hardware- und Softwarekomponenten, Technologie, ein „Sich-Zurechtfinden“ im Raum.

Im Sinne der Übung werden Sie ein GIS im Wesentlichen als Software kennenlernen, mit der Sie Geodaten visualisieren, bearbeiten und darstellen können.

2.2

Was sind Geodaten?

Nehmen Sie sich zunächst gerne einen Augenblick Zeit um zu überlegen, was Sie selber unter Geodaten verstehen. Wie es der Name vermuten lässt, handelt es sich um Daten mit einem Erd- bzw. Raumbezug. Je nach Betrachtungsweise kann behauptet werden, dass sich jede Information direkt oder indirekt im Raum verortet lässt. Sei es die direkte Z...