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Voser 1997 - Modernes Georeferenzierungstool BEZUG german/deutsch
Voser, Stefan A. 1997
Anforderungen an ein modernes Georeferenzierungstool am Beispiel der Arc/Info-Applikation BEZUG,
5. deutsche Arc/Info-Anwender-Konferenz, März, 1997.
Abstract
Datenintegration und Datenaustausch haben eine zentrale Bedeutung beim Betreiben von Geo- Informationssystemen. Beim Zusammenführen von Geodaten besitzen diese Unterschiede in der Modellbildung auf geometrischer wie thematischer Ebene.
Bestandteile der geometrischen Modellbildung sind das zugrundeliegende Koordinatensystem, die geometrische Auflösung und Genauigkeit sowie die geometrischen Primitiven bei der Objektbildung. Ein Koordinatensystem zur Beschreibung raumbezogener Daten basiert prinzipiell auf einer Kartenprojektion mit zugehörigem Referenzellipsoid und dessen  Lagerung (geodätisches Datum).
Die Bearbeitung von Geodaten verlangt, daß sie in einem einheitlichen Koordinatensystem vorliegen. Zur Zusammenführung von Geodaten unterschiedlicher Koordinatensystemen sind unterschiedliche Prozesse der Georeferenzierung notwendig. Die Georeferenzierungs- Applikation BEZUG ermöglicht auf komfortable Weise ebene Transformationen, Umprojektionen und geodätische Datumsübergänge.
Zur Durchführung der geometrischen Transformationen werden Transformationsverfahren festgelegt, welche die Methode und deren Parametrisierung verwalten. Bestandteil der Applikation sind z.B. eine Kartenprojektionsbibliothek und Plausibilitätstests für das geodätische Datum.
Die Applikation BEZUG ist im F+E-Vorhaben “Untersuchung über die Nutzungsmöglichkeiten verschiedener geodätischer Bezugssysteme für Geo- Informationssysteme des Naturschutzes” für das Bundesamt für Naturschutz in Bonn entwickelt worden.
1. Einleitung
Raumbezogene Daten bilden den Kern von Geo-Informationssystemen. Zum Aufbau und zur Nutzung von GIS für die unterschiedlichen Fachanwendungen werden verschiedenste Datenquellen verwendet. Bei der Zusammenführung der Geodaten und deren Integration in die Geodatenbank sind die Ausgangsdaten in das Datenmodell und die Datenstrukturen der Geodatenbank abzubilden. Beim Modellvergleich zwischen den Datenquellen und der Geodatenbank sind für die Datenintegration Übereinstimmung in der Geometrie und in der Thematik notwendig [Voser 95]. Liegen die Geodaten analog vor, so sind diese nach den Objektbildungsregeln der Erfassungsvorschriften zu digitalisieren und in die Geodatenbank zu integrieren. Bei digitalen Geodaten sind die Abbildungsvorschriften bei der Schnittstellendefinition für den Datenaustausch festzulegen und die Daten in die Geodatenbank zu integrieren.
Der grundlegendste Schritt zur Homogenisierung der Geometrie unterschiedlicher Geodaten ist die Überführung in ein einheitliches Koordinatensystem. Dieser Arbeitsschritt kann unter dem Begriff der Georeferenzierung zusammengefaßt werden. Die folgende Betrachtung beschränkt sich auf die Behandlung zweidimensionaler Geodaten aus digitalen Datensätzen und Karten.
2. Geometrische Grundlagen
Zur Bestimmung von Form, Lage und Größe von Objekten bedient man sich der Metrik, welche sich auf Koordinatensysteme stützt, die wie folgt gegliedert werden können:
1- dimensional
  • Zeit
  • Höhensysteme
  • Kilometrierung entlang von Verkehrsachsen, Versorgungsnetzen ...
2- dimensional
ebene Koordinaten
  • mathematisches rechtwinkliges Koordinatensystem: kartesisch oder polar
  • geodätisches ebenes Koordinatensystem: ebene Landeskoordinaten, definiert durch die Kartenprojektion (z.B. Gauß-Krüger, UTM)
  • Kartenblattkoordinaten
  • Bild-/Rasterkoordinaten
  • Digitalisiertischkoordinaten
  • Bildschirmkoordinaten
Koordinaten auf gekrümmten Flächen
  • Koordinaten auf mathematisch definierten Bezugsflächen (Ellipsoid, Kugel):
    geographische/geodätische Koordinaten (Länge, Breite), Kugelkoordinaten
  • Koordinaten auf den Kartenprojektionsflächen
  • Koordinaten auf physikalisch definierten Bezugsfläche (Geoid): astronomische Koordinaten.
3- dimensional
räumliches kartesisches Koordinatensystem
  • geozentrisch-kartesisches Koordinatensystem mit Nullpunkt im Ellipsoidmittelpunkt oder im Erdschwerpunkt
gekrümmte räumliche Koordinaten
  • lokales Horizontsystem (Lage und Höhe)
  • ellipsoidische/geodätische Koordinaten mit ellipsoidischer Höhe
4- dimensional
  • Koordinaten zur gleichzeitigen Beschreibung von Raum und Zeit. Eine Erweiterung der 3D- Koordinaten um die Zeit.
Tabelle 1: Einteilung von Koordinatensystemen
3. Geodätische Grundlagen
Die geodätischen Grundlagen werden durch die mathematischen und physikalischen Bezugsflächen festgelegt. Es sind dies zur Beschreibung der Lage das Bezugsellipsoid und für die Höhe das Geoid. Desweiteren gehören die Kartenprojektionen zu den mathematischen Grundlagen. Diese bilden die Lagebeschreibung vom Bezugsellipsoid in die Ebene ab. Abbildung 1 zeigt den Prozeß der Gewinnung zweidimensionaler Lagekoordinaten von Objekten auf der Erdoberfläche.
Im Folgenden werden die geodätischen Grundlagen wie folgt begrifflich klassifiziert:
Bezugssystem oder geodätisches Datum
Festlegung von Form und Größe der mathematischen Bezugsfläche (Ellipsoid oder Kugel) sowie deren Lagerung gegenüber einem erdfesten, übergeordneten Koordinatensystem.
Kartenprojektion
Abbildung der Lageinformation von der mathematischen Bezugsfläche in die Ebene.
Tabelle 2: Klassifikation der geodätischen Grundlagen
Abb.1: Von der Erdoberfläche zu zweidimensionalen Lagekoordinaten
graphic
4. Prozesse der Georeferenzierung
Unter dem Begriff “Georeferenzierung” können alle Prozesse zusammengefaßt werden, welche sich mit der Homogenisierung von Koordinatenreferenzsystemen auseinandersetzen. Tabelle 3 enthält eine Übersicht über die verschiedenen Prozesse der Georeferenzierung in unterschiedlichen Fachdisziplinen.
Vermessung/Geodäsie
Terrestrische Erfassung der Geometrie
  • Aufbau von Festpunktfeldern: klassische Methoden (Triangulation, Trilateration, Polygonierung), GPS
  • Detailvermessung
Photogrammetrie
Luftbildphotogrammetrie
  • Orientierung von Luftbildern (Orientierung von Stereomodellen, Aerotriangulation) unter Verwendung von Paßpunkten
=> Stereomodellauswertung (Auswertung orientierter Luftbildpaare)
=> Kartierung mit Stereomodellen
  • Orthophotogenerierung = Entzerren von orientierten Luftbildern mit Hilfe eines digitalen Geländemodelles
=> Kartierung aus georeferenzierten Orthophotos
terrestrische Photogrammetrie
  • Orientierung der terrestrischen Bildern
=> Stereomodellauswertung
=> Fassadenkartierung mit entzerrten Aufnahmen...
Fernerkundung
Satellitenbildauswertung
  • Orientierung von Satellitenbildern
=> Stereomodellauswertung (Auswertung orientierter Satellitenbildpaare)  
=> Kartierung mit Stereomodellen
  • Orthophotogenerierung (= Entzerren von orientierten Satellitenbildern mit Hilfe eines digitalen Geländemodelles)
=> Kartierung mit Orthophoto
GIS und Kartographie
Ebene Transformation
  • Einpassung von lokalen Blatt- oder Bildkoordinaten in Landeskoordinaten (Ähnlichkeitstransformation, Affintransformation, projektive/ perspektivische Entzerrung, Polynomtransformation , Rubbersheeting ...)
Wechsel der Kartenprojektion
  • Ändern des Projektionsstreifens
  • Wechsel der Kartenprojektion auf denselben geodätischen Grundlagen
  • Wechsel der Kartenprojektion mit geodätischer Datumstransformation
Tabelle 3: Prozesse der Georeferenzierung
Bei der Integration von Geodaten in GIS und Kartographie (siehe Tabelle 3) umfassen die Georeferenzierungsprozesse in der Regel ebene Transformationen zur Einpassung lokaler Koordinaten in Projektionskoordinaten oder Kartenprojektionswechsel. Die Homogenisierung von Geodaten entspricht der Transformation der Daten auf ein einheitliches Bezugssystem. Dies erfordert im Allgemeinen auch eine geodätische Datumstransformation (Abbildung 2).
Abb.2: Prozesse der Georeferenzierung zur Homogenisierung des Koordinatensystems
graphic
5. Ebene Transformationen
Die Einpassung lokaler (Karten-, Bild-) Koordinaten in Projektionskoordinaten er-folgt mit ebenen Transformationen. Die ebene Transformation zwischen zwei Koordinaten-systemen kann an eine Vielzahl von Bedingun-gen geknüpft sein. Wie bei Kartenprojektionen treten unter-schiedliche Verzerrungen auf. Geometrische Bedingungen können sein (vgl. auch Tabelle 4):
  • Geradentreue
  • Parallelentreue
  • Winkeltreue
  • Flächentreue
  • Längentreue
  • Kreistreue
Transformationsart
Geraden-
 treue
Parallelen-
treue
Winkel-
treue
Flächen-
treue
Längen-
treue
Kreis-
treue
Maßstab
benötigte Punkte*
Projektiv
x
o
o
o
o
o
 
4
Affin
x
x
o
o
o
o
2 Hauptm.
3
Ähnlich
x
x
x
o
o
x
m
2
Translation
x
x
x
x
x
x
1
1
Rotation
x
x
x
x
x
x
1
2
Streckung
x
x
x
o
o
x
m
2
krummlinig
o
o
o
o
o
o
 
n
* ohne Überbestimmung
Tabelle 4: Auswahl von geometrischen 2D-Transformationen und deren Eigenschaften [Voser 96]
Die Bestimmung der Transformationsparameter erfolgt mit Hilfe von Paßpunkten (Kapitel 7).
6. Kartenprojektionen und Geodätisches Datum
Wie in den Abbildungen 1 und Abb. 2 dargestellt ist, müssen Kartenprojektionen und geodätisches Datum als von einander getrennte Problemstellungen betrachtet werden. Kartenprojektionen besitzen spezielle geometrische Verzerrungscharakteristiken, welche bei der Abbildung von der mathematischen Bezugsfläche in die Ebene auftreten. Die Verzerrungscharakteristiken sind unabhängig von der Bezugsfläche. Zur Parametrisierung einer Kartenprojektion ist die Größe der Bezugsfläche von Bedeutung, jedoch nicht aber deren Lage. Ein Kartenprojektion kann somit festgelegt werden ohne daß die Lagerung des Bezugssystems im Raum vorgegeben ist.
Ein Wechsel des Bezugssystems wird in der Regel dann notwendig, wenn die zugrundeliegende Landesvermessung sich ändert. (z.B. in Deutschland Wechsel zwischen: Besselellipsoid mit Potsdamdatum, Krassowskijellipsoid mit Pulkowdatum, sowie in der militärischen Anwendung das internationale Ellipsoid mit dem europäischen Datum 1950).
Bei länderübergreifenden Projekten treffen unterschiedliche Projektionen und unterschiedliche Bezugssysteme aufeinander. Oft sind die notwendigen Parameter der geodätischen Grundlagen nicht zusammen verfügbar, insbesondere fehlen häufig die Datumsparameter.  In Tabelle 5 erfolgt die Zusammenstellung der Datumshandhabung mit PROJECT in Arc/Info.  Eindeutige und zuverlässige Projektionsinformationen enthalten die Datumsparameter für Ausgangs- und Zielprojektion, weil sonst kein Datumsübergang möglich ist. Arc/Info erlaubt es nicht, in einer Projektionsspezifikation das Datumskennwort wegzulassen und in der zweiten eine Datumsangabe vorzunehmen.  In den übrigen Fällen erfolgt kein Datumsübergang.
Handhabung des geodätischen Datums
Zielprojektion
mit PROJECT
 
unbekannt 1
keines 2
definiert 3
Ausgangs- projektion
unbekannt/ nicht definiert 1
o
o
-
 
keines 2
o
o
o
 
definiert 3
-
o
x

1 Datum nicht spezifiziert
2 Datum NONE
3 Datum xxx/USER_DEFINED
- Fehler bei PROJECT
o keine Datumstransformation
x Datumstransformation
Tabelle 5: Die Handhabung von Datumsinformationen in Arc/Info
7. Paßpunkte
Die Bestimmung der Parameter ebener Transformationen erfolgt mit Hilfe von Paßpunkten. Paßpunkte sind Punkte, deren Koordinaten in Ausgangs- und Zielkoordinatensystem bekannt sind. Die Gewinnung und Aufbereitung von Paßpunkten ist aufwendig und mühsam. Je nach zu georeferenzierenden Daten werden unterschiedliche Paßpunkte verwendet:
physische Paßpunkte
  • Vermessungsfestpunkte (geodätische Festpunkte)
  • topographische Festpunkte (Straßenkreuzungen, Hausecken ...)
  • natürliche Festpunkte (Waldränder, Einzelbäume, Flußmündungen ...)
mathematische Paßpunkte
  • Kartennetzpunkte (Schnittpunkte von Meridianen und Breitenkreisen)
  • Kartengitterpunkten (definiert in Projektions- /Landeskoordinaten)
  • Blattecken
Die geodätischen Festpunkte sind kaum geometrischen Veränderungen unterworfen und eignen sich deshalb wie die mathematischen Paßpunkte zur Integration in Paßpunktbibliotheken.
8. Automation von Prozessen der Georeferenzierung
Die Prozesse der Georeferenzierung sind sehr vielschichtig. Die Automation ist sehr komplex und hängt neben den Informationen über die geodätischen Grundlagen auch von der Art der Daten (Luft- bzw. Satellitenbilder, gescannte Karten, Vektordaten ...) ab.
Die automatische oder semiautomatische Extraktion von Paßpunkten aus Bilddaten benötigt andere Algorithmen als jene zur Zeichenextraktion aus topographischen und thematischen Karten, und ist nur beschränkt durchführbar. Zudem muß eine Identifikation und Zuordnung zu den bestehenden Paßpunkten interaktiv erfolgen. 
In Tabelle 6 erfolgt eine Zusammenstellung der Problemfelder, welche eine Automation der Georeferenzierung erschweren bzw. beinahe Unmöglich machen, und im speziellen ebene Transformationen und Umprojektionen betreffen. Der zweite Teil der Tabelle enthält eine Aufzählung möglicher Automationsschritte und Hilfsmittel.
Einschränkungen der Automation
Kartenprojektionen/Geodätisches Datum
  • Kartenprojektion unbekannt
  • fehlende Projektionsparameter
  • Bezugssystem unbekannt
  • Datumsparameter unbekannt
  • Koordinatenwerte lassen nicht auf Projektion schließen
  • Geodaten werden oft ohne Metainformationen über die geodätischen Grundlagen veräußert.
ebene Transformationen
  • aufwendige Aufbereitung der Paßpunkte
  • schwierige Interpretation der Transformationsparameter
  • unterschiedliche Transformationsverfahren werden je nach Ausgangsdaten verlangt.
Möglichkeiten der Automation (Auswahl)
  • Aufbau von Verfahrensbibliotheken zur Georeferenzierung
  • Tests über die Vollständigkeit der Informationen über die geodätischen Grundlagen
  • Aufbau von Paßpunktbibliotheken
  • Aufbau von Projektionsbibliotheken
  • Extraktion von Paßpunkten aus Netz- und Gitterlinien
  • Erzeugen von Protokollen über die geodätischen Grundlagen
Tabelle 6: Automation bei Prozessen der Georeferenzierung
9. Die Arc/Info-Applikation BEZUG zur Georeferenzierung von Vektordaten.
Die Arc/Info-Applikation BEZUG stellt ein komfortables Werkzeug zur Georeferenzierung von Arc/Info- Coverages dar.
Der Kern der Applikation enthält die Verwaltung von Transformationsverfahren, welche vom Benutzer erweitert werden können. Ein Transformationsverfahren enthält alle notwendigen Parameter, um die Transformationsprozesse “ebene Transformation” und “Umprojektion” oder deren Kombination durchführen zu können. Hat man sich für ein Verfahren entschieden, kann eine Liste von Coverages erstellt werden, welche alle nach demselben Verfahren transformiert werden sollen.
Ist ein Transformationsverfahren nicht vorhanden, kann ein neues Verfahren angelegt werden. Zur Auswahl stehen drei Transformationsmethoden (ebene Transformation, Umprojektion oder deren Kombination). Zur Aufbereitung der ebenen Transformationen können die Paßpunkte entweder menügesteuert aufbereitet, oder aus Kartennetz- oder Kartengitterlinien semiautomatisch extrahiert werden. Dabei werden die lokalen und die globalen Paßpunkte aufbereitet, um daraus Transformations-parameter zu bestimmen. Die Transformationsparameter der verschiedenen Verfahren werden in einem Menü gegenübergestellt.
Die Auswahl der Projektionsinformationen für Umprojektionen erfolgt über eine Projektionsbibliothek. Es werden Tests über die Datumskompatibilität (Tabelle 6) durchgeführt. 
Die Aufbereitung der Transformationsverfahren erfolgt benutzergeführt. Eine Zusammenstellung der Funktionalität von BEZUG findet sich in Tabelle 7.
Bei der Aufbereitung von Transformationsverfahren ist ein Grundverständnis über die geodätischen Grundlagen und geometrische Informationen notwendig. Der Automationsgrad läßt ich  weiter steigern. Sinnvolle, aber noch nicht realisierte Funktionalitäten sind in Tabelle 7 dargestellt.
Beispiele für Transformationsverfahren sind:
graphicWechsel zwischen Gauß-Krüger-Streifen auf Bessel/Potsdam
graphicWechsel von Gauß-Krüger (Bessel/Potsdam) nach UTM
graphicEinpassung von Digitalisiertischkoordinaten in Landeskoordinaten
Funktionalität von BEZUG
Kernfunktionalität
  • Verwaltung und Erzeugung von Transformationsverfahren
  • Transformation von Listen von Coverages mit denselben Verfahrensparametern
Umfang der Transformationsverfahren
graphic3 Verfahrensmethoden:
graphicebene Transformation
- Ähnlichkeitstransformation
- Affintransformation
- projektive Transformation
graphicUmprojektionen (mit/ohne Datumstransformation)
graphicebene Transformation und Umprojektion
graphicDarstellung der Transformationsparameter in Menüs
graphicMenügesteuerte Bearbeitung von Paßpunkten
graphicExtraktion von Paßpunkten aus Kartennetz und Kartengitter
graphicZugriff auf ein Projektionsbibliothek
graphicTests von Datumsinformationen
graphicBenutzerführung bei der Aufbereitung der Transformationsverfahren
Nicht enthalten
graphicAutomatische Erkennung der Kartenprojektion in bestehenden Coverages
graphicPaßpunktbibliotheken (geodätische Festpunkte, Blatteckkoordinaten)
graphicVerknüpfung von Paßpunktbibliotheken mit Projektionsbibliothek
graphicUmwandlung von geographischen Koordinaten in Projektionskoordinaten für Einzelpunkte
graphicAutomatische Erzeugung von Metadaten “geodätische Bezugssysteme”
graphicTransformation von Rasterdaten
Tabelle 7: Leistungsumfang der Applikation BEZUG
Das Hauptmenü
graphic
Schlußbetrachtung
Die Georeferenzierung ist ein zentraler und teilweise sehr aufwendiger Prozeß bei der Integration (Datenerfassung und Datenaustausch) und geometrischen Homogenisierung von Geodaten. Mit der Applikation BEZUG steht ein funktionales Werkzeug zur Georeferenzierung zur Verfügung. Durch das einmalige Festlegen von Transformationsverfahren können beliebige Datensätze komfortabel nach derselben Transformationsmethode und mit denselben Parametern transformiert werden, ohne daß der Anwender sich weiter um die Parametrisierung zu kümmern braucht.
Viele Teilschritte sind bei der Verfahrensaufbereitung automatisiert und entsprechen den Anforderungen eines modernen Georeferenzierungstools. Eine vollständige Automation der Georeferenzierung ist kaum möglich. Es sind, ergänzend zu den bestehenden Funktionalitäten von BEZUG, weiterführende Schritte vorgestellt worden, welche den Komfort bei der Georeferenzierung betreffen.
Betrachtet man den Produktemarkt, so bieten diverse Softwareentwickler Georeferenzierungstools zur Georeferenzierung von Rasterdaten (Luftbildern, Satellitenbildern, gescannte Karten) an, insbesondere nur zur Durchführung von ebenen Transformationen. Der momentane Stand von BEZUG ist nur zur Georeferenzierung von Vektordaten ausgelegt, erlaubt jedoch die Handhabung von ebenen Transformationen und den Wechsel von Kartenprojektionen. Die Transformationsverfahren von BEZUG basieren auf den beiden Arc/Info-Befehlen PROJECT und TRANSFORM.
Literatur
Hake, G., Grünreich D., 1994; Kartographie, 7.Auflage, Walter de Gruyter Verlag, Berlin.
Heck, B. 1987; Rechenverfahren und Auswertemodelle der Landesvermessung; Herbert Wichmann Verlag, Karlsruhe.
Voser, S., 1995: Datenaustausch zwischen Geo-Informationssystemen - Abbildung zwischen zwei Datenmodellen auf konzeptioneller und logischer Ebene; 3. Deutsche Arc/Info- Anwenderkonferenz.
Voser, S., 1996: Anforderungen an die Geometrie zur gemeinsamen Nutzung unterschiedlicher Datenquellen; 4. Deutsche Arc/Info-Anwenderkonferenz.