Aufgabenstellung Übung 4

GEO243.2
Übungen zu 'Einführung in die Raumanalyse mit GIS'
FS 2015
Übung 4: Modellieren von Rasterdaten
Abgabe: bis Freitag 24.04.2015 16:00 Uhr in den jeweiligen Briefkasten im Raum 25-J-07.
Lernziele
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Sie verstehen, wie eine Rasterrepräsentation aufgebaut ist, kennen mögliche
Einsatzgebiete und können die wichtigsten Unterschiede zur Vektorrepräsentation
nennen.
Sie kennen Beispiele für die verschiedenen Operationsklassen der Map-Algebra (local,
focal, zonal und global operations).
Sie können die Funktionsweise der in dieser Übung verwendeten Operationen erklären
und diese und auch andere Operationen der Map-Algebra in die vier Klassen einteilen.
Sie kennen die Grundprinzipien der räumlichen Interpolation.
Sie kennen die wichtigsten Operationen in GeoMedia Grid.
Produkte dieser Übung
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Ein GeoWorkspace, in dem alle Resultate der Übung ansprechend dargestellt und
sinnvoll auf mehrere Map Windows verteilt sind.
Ein Warehouse, in dem die wichtigen Resultate dieser Übung gespeichert sind.
Ein illustrierter Übungsbericht mit einer Diskussion der Resultate.
Ein kartographischen Ansprüchen genügendes Layout zu Aufgabe 4.
Anforderungen an die Abgabe
Die Lösungswege aller Aufgaben müssen im schriftlichen Übungsbericht nachvollziehbar
geschildert werden. Beschreiben und begründen Sie auch die bei den verschiedenen
Operationen gewählten Parameter. Die Aufgaben 2 bis 5 werden als Bildschirmlösungen
von den Betreuern überprüft. Die Aufgaben sollen getrennt in mehreren MapWindows
dargestellt werden und diese, sowie alle wichtigen Resultate, sollen sinnvoll benannt
werden. Wo Interpretation gefordert ist, soll diese vollständig sein.
Fügen Sie die Modulnummer, Ihre Namen und Ihre Gruppennummer in die Kopfzeile ein.
Initialisierung von GeoMedia
1. GeoMedia Pro starten und einen neuen GeoWorkspace erstellen.
2. GeoWorkspace als ueb4.gws im GeoWorkspaces Ordner speichen.
3. Eine ArcInfo Warehouse Connection nach K:\geo243\data\zh erstellen.
4. Eine ArcView Warehouse Connection nach K:\geo243\data\osm_dhm erstellen
5. Eine Access Connection Verbindung auf ueb2_data erstellen.
6. Ein Warehouse mit dem Namen ueb4_data im Warehouses Ordner erstellen.
WICHTIG! Die Pfade für GeoWorkspaces und Warehouses müssen auf die Ordner
im eigenen Gruppenverzeichnis (K:\geo243\stud\gr_XY\) abgespeichert werden und
nicht auf dem C:-Verzeichnis, sonst können Daten verloren gehen!
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Praktische Aufgaben
1. Umklassierung und Darstellen von Integer Grids
In dieser Aufgabe bearbeiten wir die Daten der Arealstatistik für den Raum Zürich. Uns
stehen zwei Raster zur Verfügung. Eines mit 60 Klassen (areal_zh) und eines, das bereits
auf 27 Klassen (areal_27) aggregiert ist. Das Raster mit 27 verschiedenen Klassen fassen
wir mit Hilfe der lokalen Funktion Recode auf fünf bis sechs Nutzungsarten zusammen.
Laden Sie die Raster der Arealstatistik (Grid > Import) von K:\geo243\data\grid\
areal_zh.mfm und areal_27.mfm. *.mfm ist das von GeoMedia verwendete
Dateiformat für Rasterdateien. Verwenden Sie das CH1903.csf Coordinate System File
aus dem grid Ordner. Laden Sie beide Raster in die gleiche Study Area in ueb4_data und
benennen Sie diese sinnvoll.
Zeigen Sie das importierte Raster im Map Window an (Grid > List, dann Rechtsklick und
Display in Map Window). Mit Rechtsklick >View Legend werden die Werte der einzelnen
Rasterzellen angezeigt. Schauen Sie sich die Legende an und erarbeiten Sie sich ein
Klassifikationsschema um von den 27 vorhandenen Klassen auf fünf bis sechs Klassen zu
kommen. Fassen sie mittels Recode die Klassen gemäss ihrem Schema zusammen. Die
Funktion Recode (Grid > Classification > Recode...) wird verwendet, um in einem Raster
Werte zu klassieren. Dabei können Sie einen Zielwert bestimmen, den Sie einer Menge von
Werten im Raster zuweisen wollen. Werte können mit Komma getrennt aufgezählt werden.
Mit drei Punkten zwischen zwei Zahlen wird ein Bereich definiert. Z.B.: Assigning Value:
1 To Value: 10, 22...32 würde den Zellen mit dem Wert 10 und allen Werten von 22 bis und
mit 32 den Wert 1 in einem neuen Raster zuweisen. (Tipp: verwenden Sie immer die
Option Carry over unaffected zones um Fehler besser erkennen zu können).
Beschreiben und begründen Sie Ihr Klassifikationsschema im Übungsbericht.
2. Konversion von Vektor- zu Rasterdaten
Nun machen wir einen Übergang von einer Vektor- zu einer Rasterrepäsentation. Dies
entspricht in gewisser Weise einer systematischen Stichprobe der Vektor-Polygone mit
einem Quadratraster.
Öffnen Sie ein neues Map Window und laden Sie die Kreise aus Übung 2. Stellen Sie
sicher, dass der Primary Key der Tabelle die Kreisnummer ist (Manage Data > Features >
Edit > Attributes). Konvertieren Sie die Stadtkreise aus Übung 2 in einen Rasterdatensatz
(Grid > Symbol Rasterize Legend Entries). Dabei wird die schon bestehende Study Area
aus Aufgabe 1 verwendet werden, um Auflösung und Ausdehnung des Rasters zu
bestimmen.
3. Lokale Operationen und Grid Calculator
Hier wird weiteres Beispiel einer lokalen Operation behandelt, dieses Mal aber über
mehrere Schichten. Es sollen pro Stadtkreis ausschliesslich die bewohnten Gebiete
ausgewählt werden. Dies können wir durch einen zellenweisen Vergleich mit dem
Hektarraster der Einwohnerzahlen aus der Volkszählung machen.
Wählen Sie aus dem Rasterdatensatz der Stadtkreise mittels Grid Calculator all jene Zellen
aus, in denen Leute wohnen (vertikale Verschneidung mit dem Grid
K:\geo243\data\grid\einw00_zh.mfm) und ordnen Sie diesen Zellen die
Kreisnummer mit dem Grid Calculator zu.
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4. Zonale Operationen
Nun möchten wir verschiedene Auswertungen von Rastern machen, indem wir die
Stadtkreise als Zonen, für die Berechnungen auszuführen sind, verwenden. Zuerst
berechnen wir die Einwohnerdichte pro Stadtkreis. Dann werten wir für die Kreise mit der
höchsten bzw. tiefsten Einwohnerdichte die Nutzung gemäss unserer aggregierten
Arealstatistik aus.
a) Berechnen Sie mit Zonal Score (Grid > Statistical Analysis > Zonal Score) die
Einwohnerdichte für die bewohnten Teile der Kreise. Machen Sie dieselbe
Berechnung mit den gesamten Kreisen. Sind die Resultate plausibel? Inwiefern
unterscheiden sie sich?
b) Finden Sie die zwei Kreise mit der höchsten bzw. tiefsten Einwohnerdichte.
Berechnen Sie jeweils ein neues Raster in dem nur die Landnutzung für diese Kreise
enthalten ist. Vergleichen Sie die Histogramme (Grid > Layer > Histogram) dieser
Raster miteinander und kommentieren Sie wichtige Unterschiede in der Landnutzung
und deren Auswirkungen auf die Einwohnerdichte in Ihrem Übungsbericht.
c) Wir haben die Einwohnerdichte im Rasterformat berechnet, zur Darstellung
verwenden wir aber die Polygone der Kreise. Dazu müssen wir unsere Daten in eine
Form bringen, in der wir sie mit unseren Kreis-Polygonen verknüpfen können.
Machen Sie ein Histogramm der Einwohnerdichte der Kreise. Kopieren Sie die Daten
des Histogramms in eine Excel Tabelle. Verwenden Sie die Funktion Grid > Symbol
Drilldown um herauszufinden, welcher Kreis, welche Bevölkerungsdichte hat und
füllen Sie von Hand die Kreisnummern in die Tabelle. Speichern Sie die Tabelle als
*.xls-File (Excel 97-2003 Workbook). Um die Tabelle anzuhängen Manage Data >
Features und dort ueb4_data anwählen, dann attach drücken und die Excel-Tabelle
anwählen. Somit ist die Tabelle im Warehouse und kann entsprechend verwendet
werden. Hängen Sie die Einwohnerdichten an die Kreis-Polygone an.
d) Erstellen Sie ein Layout der Resultate aus Aufgabe c) als Graustufenkarte. Heben Sie
die Kreise aus Aufgabe b) speziell hervor und stellen Sie auch die Histogramme im
Layout dar.
5. IDW und Dichtewerte: Interpolation von Punkt zu Feld
In dieser Aufgabe werden Punkte zu Feldern interpoliert. Die verwendeten Operationen
erlauben die Ausweitung der Informationen, die in Punktform vorliegen, auf eine Fläche,
indem sie Oberflächen generieren. Diese Oberflächen sind leichter darzustellen und zu
interpretieren als Punktdaten. Interpolationen und Dichteberechnungen sind
Schätzprozesse.
a) Interpolieren Sie aus den durchschnittlichen Mietzinsen pro Quadratmeter
Wohnfläche der Stadt Zürich (Punktdatensatz M2MIET_ZH aus der zh ArcInfo
Verbindung) eine Mietzinsoberfläche mit der IDW-Methode (Grid > Interpolation >
IDW). Der durchschnittliche Mietzins pro Quadratmeter ist im Attribut M2_PREIS
enthalten. Dazu muss zuerst der Punkt- zu einem Rasterdatensatz konvertiert werden.
Glätten Sie diese Oberfläche mit einer fokalen Operation (Grid > Surface > Smooth)
und erstellen Sie Höhelinien (Grid > Surface > Isolines) des entstandenen
„Mietzinsgebirges“.
b) Erstellen Sie eine Dichtekarte des Gastronomieangebots in der Stadt Zürich basierend
auf Open Street Map-Daten. Verwenden Sie dazu den Punktdatensatz
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zurich__Eating_Drinking (aus osm_dhm) und die Operation Density (Grid
> Interpolation > IDW).
c) Laden Sie das Digitale Höhenmodell (dhm25_stadtzh) in eine neue Study Area und
benennen Sie diese sinnvoll (das DHM wird in eine neue Study Area geladen, da es
nicht die gleiche Auflösung hat wie die bisherigen Rasterdaten). Mit einer fokalen
Operation (Grid > Surface > Grade) können Sie die Neigung aus den DHM25
ableiten (um Grade verwenden zu können müssen Sie in Grid > Layer > Information
die Data Units einstellen). Interpretieren Sie das Resultat mit Hilfe Ihrer
geographischen Kenntnisse und dem DHM.
6. Interpretation
Vergleichen Sie Mietzinsniveau (5.a), Dichte der Gastronomie (5.b) und die
Einwohnerdichte miteinander. Stellen Sie die Resultate in ihrem Übungsbericht dar und
interpretieren Sie diese visuell unter Zuhilfenahme wirtschafts- und stadtgeographischer
Kenntnisse.
Als Interpretationshilfe können Sie einen Ausschnitt der Swisstopo-Pixelkarte beiziehen.
Laden Sie dazu den Raster pk100_krel_m2007_2.mfm in eine neue Study Area.
Theoretische Aufgaben
7. Operationstypen
Geben Sie je eine kurze Definition und ein geeignetes Beispiel für:
a) Lokale Operationen
b) Zonale Operationen
c) Fokale Operationen
d) Globale Operationen
8. Moving Window
Berechnen Sie die Resultate eines 3x3 gleitenden Fensters am untenstehenden Beispiel für
die Option Mittelwert für die beiden markierten Zellen im Raster.
12
7
2
9
8
5
3
12
7
11
4
10
9
13
7
7
14
11
19
9
8
12
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Zusatzinformationen zu Übung 4
Voraussetzungen
GeoMedia Grid benötigt eine Verbindung auf ein Read-Write Warehouse, eine aktive Study
Area und einen oder mehrere Grid Layer. Sind diese Voraussetzungen nicht erfüllt, stehen die
Funktionen von GeoMedia Grid nicht zur Verfügung.
Study Area
Jeder Raster in GeoMedia gehört zu einer Study Area. Eine Study Area definiert die Zellgrösse,
den Ursprung und die Anzahl Zellen eines Rasters. Grids verschiedener Study Areas können
nicht miteinander verrechnet werden. Um ein Raster von einer Study Area in eine andere zu
bringen, muss der Raster reprojeziert werden.
Study Areas können von Hand definiert werden, beim Import von Rastern erstellt werden, oder
beim Erstellen eines Rasters aus einem Vektordatensatz definiert werden.
Importieren
Um ein Raster in GeoMedia verwenden zu können, muss dieser importiert werden und einer
Study Area in einem Warehouse zugeordnet werden. Im Gegensatz zu Vektordaten werden
Rasterdaten nicht in einer Datenbank gespeichert. In der Datenbank wird die Definition der
Study Area und welche Grids dazugehören gespeichert. Die Inhalte der Raster sind als Dateien
gespeichert.
GeoMedia Grid kann einige properitäre Raster-Dateiformate anderer Hersteller nicht verwenden.
Dazu gehört auch das Format von ESRI (ArcMap, ArcView). In diesen Programmen können die
Raster als ASCII Textdatei exportiert werden, welche wiederum von GeoMedia geöffnet werden
können.
Anzeigen
Um ein Grid in einem Map Window anzuzeigen, wird die Study Area List verwendet (Grid >
List). In der Liste kann mit Rechtsklick > Display in Map Window auf einen Eintrag, ein Raster
angezeigt werden.
Darstellen
Um die Darstellung eines Rasters zu verändern gibt es das View Legend(s) Tool (Rechtsklick auf
Eintrag in der Study Area List > View Legend).
Zellen Gruppieren
Gewünschte Werte markieren, dann Rechtsklick und Group Selection um alle
markierten Werte zusammenzufassen oder Group By um die markierten Werte in
mehrere Gruppen aufzuteilen (Equal Interval, Equal Area,...).
Farbsequenzen
Die gewünschten Werte oder Gruppen von Werten markieren, dann mit
Rechtsklick > Color Sequence eine Farbsequenz zuordnen.
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Funktionen
GeoMedia Grid hat eine Vielzahl von Funktionen, die in der GeoMedia Help beschrieben sind.
Hier sind zur Illustration einige Funktionen aufgelistet:
Recode
Den Werten eines Rasters können vom Benutzer spezifizierte Werte zugewiesen
werden.
Rasterize Legend Entrys
Wandelt einen Vektordatensatz in einen Rasterdatensatz um. Der
Vektordatensatz wird in der Legende angewählt, die verwendete Study Area in
der Study Area List. Der resultierende Datensatz hat alle Attribute des
Vektordatensatzes. Wenn nichts anderes spezifiziert wird beim Anzeigen oder
bei weiterer Verwendung der Primärschlüssel verwendet.
Grid Calculator
Mit dem Grid Calculator können arithmetische und logische Berechnungen mit
Rastern gemacht werden.
Zonal Score
Aus einem Source Layer, der Zonen definiert und einem Data Layer wird ein
Wert für jede Zone berechnet.
IDW
Eine Interpolationsfunktion die den Inverse Distance Weighting Algorithmus
verwendet.
Density
Eine Interpolationsfunktion die den Kernel Density Algorithmus verwendet.
Höhenmodelle
Viele Funktionen in GeoMedia Grid sind speziell für Höhenmodelle konzipiert (die Befehle
unter Grid > Surface). Damit die Berechnung von Neigung und Exposition sinnvoll ist, muss im
Ausgangsraster die Masseinheit der Zellwerte definiert sein. Importierte Raster haben keine
Einheit für die Rasterzellen definiert.
Um die Einheit zu definieren wird Grid > Layer > Information... geöffnet, dann den
gewünschten Raster auswählen und die Einheit einstellen.
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