Nutzung von Digitalen Geländemodellen unter ArcGIS - AG GIS-Küste

Nutzung von Digitalen Geländemodellen unter ArcGIS 

Landesamt für Landwirtschaft, 

Umwelt und ländliche Räume 

Schleswig-Holstein 

AG GIS-Küste und ESRI Anwendergruppe Küste 

20./21. September 2010 

Nutzung von Digitalen Geländemodellen 

unter ArcGIS 

Volker Leonhardt 

Praktikant im GIS-Dezernat 42 des LLUR (07.12.09 – 09.04.10) 

Praktikumsbetreuer: Guido Baltes 

Volker Leonhardt, LLUR SH, 20.09.2010 1





Überblick 

Kurze Einführung in die Erstellung und die Aufbereitung der DGM2-Daten 

Analysetechniken für DGM-Daten über die Erweiterung Spatial Analyst und 

die ArcToolbox von ArcGIS 

Optimierte Darstellungsmöglichkeiten für DGM-Daten in ArcGIS 

Volker Leonhardt, LLUR SH, 20.09.2010 

2





Nutzung von DGM-Daten 

Digitale Geländemodelle unterschiedlicher Auflösung 

(z.B. DGM2 mit Gitterweite 1 m für den Maßstabsbereich 1:2.000) 

Beispiele für Anwendungsbereiche: 

Hochwasserrisikoanalysen, 

Qualitätssicherung von Wassereinzugsgebieten, 

Visualisierung von Geländestrukturen, 

Ableitung von Höhenlinien, 

Planung von Funknetzen, 

Planung von Verkehrstrassen, 

Volumenberechnungen… 


3





Projekt Laserscanbefliegung 

Landesweit flächendeckende Laserscanbefliegung mit besonders hoher 

Auflösung und Genauigkeit 

Gemeinsames Projekt zwischen dem Ministerium für Landwirtschaft, 

Umwelt und ländliche Räume (MLUR) und dem Innenministerium (IM) 

Projektdurchführung durch das Landesvermessungsamt (LVermA) und 

das Landesamt für Natur und Umwelt (LANU, heute LLUR) 

Auftragnehmer: Firma TopScan Gesellschaft zur Erfassung 

topographischer Information mbH in Rheine 

Umsetzungszeitraum: 2005 bis 2007 (Auftragserteilung bis Datenübergabe an LVermA) 


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Projekt Laserscanbefliegung 

zusammengestellt unter Nutzung von Präsentationen des Landesvermessungsamtes und der Befliegungsfirma TopScan 

Anforderungen 

Lagegenauigkeit: 

≤ 30 cm 

Höhengenauigkeit: flaches Gelände (bis 10%) ≤ 15 cm 

geneigtes Gelände (10 % - 25%) ≤ 25 cm 

steiles Gelände (ab 25%) 

≤ 35 cm 

(einzuhalten jeweils mit 95% Sicherheitswahrscheinlichkeit) 

Wasserstand: 

keine Überschwemmungsflächen, 

im Wattenbereich nur 2 Std. vor und 

nach Tideniedrigwasser. 

Witterungsverhältnisse: Schnee- und Eisfreiheit 

Vegetationszustand: 

ohne Belaubung 

Messpunktdichte: mind. 3 bis 4 Punkte je m² 

mit Befliegung jeweils erst nach Flugfreigabe durch das LANU 

und Kontrolle der Einhaltung der Anforderungen durch das LVermA 

=> Diese sehr hohen Anforderungen an die Laserscanbefliegung sind z.B. für 

hydrologische Auswertungen insbesondere in flachem Gelände erforderlich. 


5





DGM2-Kacheln 

18.339 Kacheln 

à 1 km² Fläche 


6





Gelieferte Datenformate zum DGM2 

5.9: Ascii-xyz (ca. 31 MB/ Kachel) 

(in Projektionen Gauß-Krüger und UTM) 

5.10: Ascii-Grid (ca. 5 MB/ Kachel) 

(nur für Projektion Gauß-Krüger) 

Ausschnitte 

Dateianfang 

jeweils gekachelt in 1 km²-Kacheln mit 1.000 x 1.000 m² = 1 Million Höhenpunkten 


7





DGM2-Ascii-Daten 

Datenvolumen: 

18.339 Kacheln = 18.339 x 1 Million Höhenpunkte 

= über 18 Milliarden Höhenpunkte insgesamt 

Landesweites Datenvolumen (in Projektion GK3, zzgl. GK4 und UTM) : 

Ascii-xyz ca. 545 GB bzw. Ascii-Grid ca. 94 GB 


8





DGM-Produkte des Landesvermessungsamtes SH 

DGM2 mit Gitterweite 1 m („Basis-DGM“) (ca. M 1:2.000 – 1:10.000) 

wird zukünftig wahrscheinlich als DGM1 bezeichnet 

aus dem DGM2 abgeleitete Produkte mit geringerer Auflösung für 

großräumigere Analysen: 

DGM5 mit Gitterweite 5 m (ca. M 1:10.000 – 1:20.000) 


wird zukünftig wahrscheinlich als DGM10 bezeichnet 


(ersetzt das bisherige, qualitativ schlechtere DGM25) 

DGM50 mit Gitterweite 50 m (ca. M 1:100.000 und kleiner) 

(ersetzt das bisherige, qualitativ schlechtere DGM50) 


9





DGM5 

5 m Gitter 

DGM50 

50 m Gitter 

DGM2 

1 m Gitter 

Vergleich der Auflösung 

im Maßstab 1:5.000 


10





Import und Mosaikierung 

von Ascii-Grids 

(Beispiel mit 4 DGM2-Kacheln) 

1. Einzelkachel-Raster 

erstellen (4x) 

(Conversion Tools) 

2. Gesamt-Raster 

mosaikieren 

(Data Management Tools) 


11





Import und Mosaikierung 

von Ascii-xyz-Daten 

(Beispiel mit 4 DGM2-Kacheln) 

1. Gesamt-Multipoint- 

Shapefile erstellen 

(3D Analyst Tools) 

2. Shapefile in Gesamt- 

Raster konvertieren 

(Conversion Tools) 


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Dateibasierte Rasterformate von ESRI in ArcGIS 

Grid 

Altes Rasterformat von ArcInfo-Workstation, 

Verzeichnis mit zugehörigem Info-Verzeichnis, 

Namen max. 13 Zeichen, nicht mit Zahl beginnend, 

Datenvolumen i.d.R. auf 2 GB begrenzt, 

Dateioperationen nur über ArcCatalog, nicht über Explorer! 

wird von ArcGIS ab Version 10 nicht mehr als internes Zwischenformat 

genutzt 

Format wird erstellt, wenn innerhalb eines Verzeichnisses keine Endung 

angegeben wird 

FileGDB-Raster („Raster Dataset“) 

Neues Rasterformat ab ArcGIS 9.2, 

FileGDB-Verzeichnis *.gdb mit 1 oder mehreren Rastern (und ggf. 

anderen Feature Classes) 

Datenvolumen unbegrenzt, 

Verschieben und Kopieren des FGDB-Verzeichnisses ist auch im 

Explorer möglich, 

FileGDB muss vor Nutzung angelegt werden, 


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Weitere dateibasierte Rasterformate in ArcGIS 

ERDAS IMAGINE 

Rasterformat der Fernerkundungs-Software ERDAS IMAGINE, 

img-Datei, 

Format wird erstellt, wenn innerhalb eines Verzeichnisses 

die Endung .img angegeben wird 


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Aufbereitung als landesweite Mosaike für 4 Datenebenen 

DGM2-Höhendaten mit Visualisierung als klassifizierte Höhenschichten 

Ableitung einer Reliefschummerung (Hillshade) aus den DGM2-Daten 

Ableitung von Hangneigungen (Slope) aus den DGM2-Daten 

Ableitung der Exposition (Aspect) aus den DGM2-Daten 


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Aufbereitung und Visualisierung der Höhendaten 

 

 

 

Python-Skript über alle Kacheln unter Einbindung von Tools der ArcToolbox: 

Ascii-Daten => ESRI-Raster (Grid oder FileGDB-Raster) 

ESRI-Raster => GDB-Rastermosaik 

Layerfiles zur Symbolisierung als klassifizierte Höhenschichten in ArcMap 

Software-Voraussetzungen: ArcGIS (ArcView) + ggf. Extension 3D-Analyst 

Gesamt 

Detail 


16





Die Erweiterung Spatial Analyst 

Allgemeine Voreinstellungen 

Bei Berechnungen von Rasterdatensätzen ist es von Vorteil, im 

Vorfeld einen Rahmen mit einheitlicher Ausdehnung und 

einheitlichen Pixelkantenlängen festzulegen. 


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Voreinstellungen der ArcToolbox 

zwei Möglichkeiten: 

Rechtsklick auf ArcToolbox – Umgebung… 

Werkzeuge – Optionen… 


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General Settings 

Unter „Extent“ kann der zu 

bearbeitende Ausschnitt angegeben 

werden. 

Standard: Berechnungen werden für gesamtes 

Raster durchgeführt 

Wie unten angegeben: Berechnungsausdehnung 

wird durch Angabe von 

Koordinaten begrenzt 

Gleich wie Anzeige: Berechnung wird für den 

aktuell angezeigten Ausschnitt durchgeführt. 

Bei „Snap Raster“ wird das Raster 

angegeben, an dem die Berechnung 

ausgerichtet werden soll 


19





Einstellungen für einzelne Berechnungen 

Die Einstellungen können auch individuell für jedes Werkzeug der 

ArcToolbox vorgenommen werden und gelten dann nur für die 

jeweilige Analyse. 


20





Voreinstellungen des Spatial Analyst 

1. 

2. 

3. 

1. Angabe des Arbeitsverzeichnisses zum Speichern temporärer Ergebnisse. 

2. Angabe einer Maske zur Bestimmung der Ausdehnung einer Analyse (Berechnung 

findet nur innerhalb der angegebenen Maske statt) 

3. Angabe des Koordinatensystems, in dem das Ergebnis gespeichert werden soll. 


21





1. Angabe der absoluten Ausdehnung der Berechnung. 

1. 

2. Angabe des Rasters, an dem alle Ergebnisse 

ausgerichtet werden. 

2. 

3. 

3. Eingabe der Auflösung des Zielrasters. Der 

Wert sollte im Regelfall der des Eingaberasters 

entsprechen 


22





Morphologische Berechnungen 

Schummerung (Hillshade) 

Stellt einen Schattenwurf zu einer vorgegebenen Sonnenposition 

dar. Dadurch wird ein sehr plastischer Eindruck einer 

Rasteroberfläche vermittelt. 

ArcToolbox: 

Spatial Analyst Tools – Surface – Hillshade 

Spatial Analyst Werkzeugleiste: 

Spatial Analyst – Oberflächenanalyse – Schummerung… 


23





1. 

2. 

4. 

6. 

7. 

3. 

5. 

1. Eingaberaster angeben 

2. Horizontalen Winkel eingeben 

(Himmelsrichtung). 

3. Vertikalen Winkel angeben 

(Sonnenstand). 

4. Angeben, ob harte Schatten modelliert werden sollen (insbesondere in flachem 

Gelände zu aktivieren, dadurch wird der Geländeeffekt plastischer vermittelt). 

5. Multiplikator für Z-Werte. 

6. Angabe der Auflösung des Ausgaberasters. 

7. Mit der Standardeinstellung wird die Schummerungsberechnung temporär 

abgespeichert. 


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Ableitung einer Reliefschummerung (Hillshade) 

Python-Skript über alle Kacheln unter Einbindung von Tools der ArcToolbox 

Einzelkachel-Raster => Hillshade-Raster (20-fach überhöht) 

Hillshade-Raster => Hillshade-Rastermosaik in GDB 

Layerfiles zur Symbolisierung in ArcMap (halbtransparent + Höhenschichten-überlagernd) 

Software-Voraussetzungen: ArcGIS (ArcView) + Extension Spatial Analyst 

Mülldeponie an der A7 westl. NMS 

Gesamt 

Detail 


25





Überlagerung von Höhendaten und Reliefschummerung 

Gesamt 

Detail 


26





DGM2-Daten 

+ Topograpie 

(hier: TK50) 

+ Vektordaten 

(Gewässernetz, 

Einzugsgebiete) 


27





Hangneigungsberechnung (Slope) 

Ermittelt für jedes Pixel die steilste Hangneigung zu den 

Nachbarpixeln. Ausgabe in Prozent oder in Grad. 

ArcToolbox: 

Spatial Analyst Tools – Surface – Slope 


Spatial Analyst – Oberflächenanalyse – Neigung… 


28





1. 

2. 

5. 

3. 

4. 


2. Ausgabemaßeinheit auswählen 

3. Multiplikator für Z-Werte 


5. Möglichkeit der Angabe für Speicherort und –name. 


29





Ableitung von Hangneigungen 


Einzelkachel-Raster => Hangneigungs-Raster 

Hangneigungs-Raster => Hangneigungs-Rastermosaik in GDB 

Layerfiles zur Symbolisierung von Hangneigungsklassen in ArcMap 


Gesamt 

Detail 


30





Ausrichtungsberechnung (Aspect) 

Gibt für jedes Pixel eines Rasterdatensatzes die Ausrichtung an 

ArcToolbox: 

Spatial Analyst Tools – Surface – Aspect 


Spatial Analyst – Oberflächenanalyse – Ausrichtung… 


31





1. 

3. 

2. 



3. Möglichkeit der Angabe für Speicherort und –name. 


32





Ableitung der Exposition (= Ausrichtung der Hangneigung) 


Einzelkachel-Raster => Expositions-Raster 

Expositions-Raster => Expositions-Rastermosaik in GDB 

Layerfiles zur Symbolisierung von Expositionsbereichen in ArcMap 


Gesamt 

Detail 


33





Raster Calculator 

Eine Art wissenschaftlicher Taschenrechner, mit dem sich 

Rasterbilder 

verrechnen lassen 

abfragen lassen 


Spatial Analyst - Raster berechnen… 


34





2. 3. 4. 5. 

1. 

6. 

1. Layerauswahl 

2. Standartoperatoren 

3. Konstanten/Dezimalzeichen 

4. Klammern/relationale Operatoren 

5. Boolsche Operatoren 

6. Feld, in dem der Textausdruck der Berechnung/Abfrage zu sehen ist 


35





Flächen berechnen im Raster Calculator 

Beispiel: Berechne die Fläche zwischen -20m und -10m 


36





Flächen berechnen im Raster Calculator 

Das Ergebnis wird in der Attributtabelle der Berechnung angegeben 

oder kann über das „Identify-Tool“ abgefragt werden. 

Wert 0: Fläche außerhalb der Berechnung 

Wert 1: Fläche innerhalb der Berechnung (zwischen -20m und -10m) 

in [m²] 


37





Abspeichern temporärer Dateien 

Die Berechnungen des Raster Calculators werden zunächst in einen 

temporären Ordner abgelegt. Um diese als permanente Dateien 

abzuspeichern muß auf die entsprechende Datei mit der rechten 

Maustaste angeklickt werden. 


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Abtrags-/Auftragsberechnung (Cut/Fill) 

Dient zur Berechnung von Volumina zwischen zwei Rasterbildern. 

Dabei wird für die einzelnen Bereiche differenziert aufgeführt, ob ein 

lokaler An- oder Abtrag stattgefunden hat und wie hoch jeweils der 

Betrag ist. 

ArcToolbox: 

Spatial Analyst Tools – Surface – Cut/Fill 


Spatial Analyst – Oberflächenanalyse – Abtrag/Auftrag… 


39





1. 

2. 

4. 

5. 

3. 

1. Ausgangsraster angeben 

2. Raster angeben, zu welchem hin die Volumenänderung berechnet werden soll. 

3. Multiplikator für Z-Werte angeben 


5. Möglichkeit der Angabe für Speicherort und –name des Ausgaberasters. 


40






41





Sichtfeldberechnung (Viewshed) 

Hiermit lässt sich der sichtbare Bereich von einem oder mehreren 

Standorten im Gelände berechnen. 

ArcToolbox: 

Spatial Analyst Tools – Surface – Viewshed 


Spatial Analyst – Oberflächenanalyse – Sichtbarkeit… 


42





5. 

1. 

2. 

3. 

4. 

1. Eingaberaster 

2. Punkt- oder Polylinien-File angeben, 

von dem aus die Beobachtung 

ausgeht 

6. 

3. Speicherort und –name für Ausgabe- 

File 


5. Angeben, ob die Erdkrümmung mit angegeben werden soll (Sinnvoll nur für sehr 

großräumige Analysen) 

6. Angeben, wie stark die Lichtbrechung sein soll (um schlechte Sichtverhältnisse zu 

simulieren kann der Standardwert von 0,13 verändert werden) 


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Optionale Einstellungen der Viewshed-Analyse 

Beobachter und zu beobachtendes Objekt können durch Attribute im Beobachter-File 

(einzugeben in 2.) sehr genau definiert werden. Lässt man diese aus wird das 

denkbare Maximum eingesetzt. 

OFFSETA (1) – Höhe des Beobachters 

OFFSETB (0) – Größe des zu beobachtenden Objektes 

SPOT – Höhe des Beobachters über dem Meer (NICHT kombinierbar mit OFFSETA) 

VERT1 (90) und VERT2 (-90) – vertikal einsehbarer Bereich des 

Beobachters. VERT1 zu VERT2 in Grad (Horizontale = 0) 

AZIMUTH1 (0) und AZIMUTH2 (360) – horizontaler Sichtbarkeitsbereich. 

AZIMUTH1 zu AZIMUTH2 in Grad (0°= Nord) 

RADIUS1 (1) und RADIUS2 (Infinity) – minimale Sichtdistanz 

(RADIUS1) hin zu maximaler Sichtdistanz (RADIUS2) 


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Sichtbarkeitsberechnung (Observer Point) 

Hiermit lässt sich berechnen, von welchen Pixeln aus ein oder 

mehrere angegebene Objekte zu sehen sind. 

ArcToolbox: 

Spatial Analyst Tools – Surface – Viewshed 


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2. File angeben, in dem die zu 

beobachtenden Punkte gespeichert 

sind 

3. Speicherort und –name angeben 


5. Angeben, ob die Erdkrümmung 

berücksichtigt werden soll 

6. Angeben, wie stark die Lichtbrechung sein soll 

Die Attributierung erfolgt wie bei der Sichtbarkeitsanalyse, mit dem Unterschied, dass für 

OFFSETA die Höhe des zu beobachtenden Objektes und OFFSETB die Höhe 


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Anwendung von Farbverläufen an einem Beispielausschnitt aus Eiderstedt 

landesweit optimierter Farbverlauf 

für den Gebietsausschnitt optimierter Farbverlauf 


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Symbolisierung von DGM-Rastern in ArcGIS 

Darstellung Gestreckt bzw. Stretched 

Automatisch abgestufter Farbverlauf 

über 256 Stufen 

Farbverlauf bezieht sich auf die Statistik 

(u.a. Minima und Maxima) des 

jeweiligen Rasters 

„relative Darstellung“: exakter Höhenwert 

ist aus der Legende nicht 

ableitbar 

Darstellung steht unmittelbar zur Verfügung 

Anwendung für Hillshade als Grauwerte, auch für DGM-Höhen sinnvoll 

Darstellung Klassifiziert bzw. Classified 

Darstellung von in Klassen zusammengefassten 

Zellwerten 

Beliebige Klassenunterteilung durch 

den Nutzer unabhängig von der Statistik 

des jeweiligen Rasters 

„absolute Darstellung“: jeder Farbe ist 

in der Legende ein exakter Höhenbereich 

zugeordnet 

Darstellung erfordert vorherige Klassendefinition 

durch den Nutzer 

Anwendung für DGM-Höhen, Hangneigung und Exposition sinnvoll 


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Beispiel: Manuelle Klassifikation in 3 Klassen – Teil 1 

1. 2. 

3. 4. 

Klassenobergrenzen 

eingeben 


49





Beispiel: Manuelle Klassifikation in 3 Klassen – Teil 2 

5. 6. 

7. 


50





Farbverläufe bzw. Color Ramps in ArcGIS 

Die verschiedenen Darstellungsmöglichkeiten („Renderer“) in ArcGIS (z.B. Gestreckt oder Klassifiziert) 

werden auf vordefinierte Farbverläufe bzw. Color Ramps angewendet. 

Color Ramps können einfach (z.B. grün nach braun) oder komplex (Multipart-Farbverlauf, z.B. 

dunkelgrün nach hellgrün nach gelb nach braun) sein. 

Die Color Ramps werden in sog. Styles abgelegt, welche über den Style Manager verwaltet werden. 

Im ESRI-Style stehen vordefinierte Color Ramps zur Verfügung. Für DGM-Daten sind z.B. die Color 

Ramps Black to White (einfach, für Hillshade-Darstellungen) oder Temperature (komplex, u.a. für 

Höhendarstellungen geeignet) zur Verfügung. 

Die Nutzer können weitere eigene Color Ramps erstellen und in ihrem Nutzer-Style ablegen. 

Der Style-Manager wird über Werkzeuge/ 

Styles/ Style-Manager … geöffnet. 

ESRI.style 

im Style- 

Manager 

.style 

im Style- 

Manager 


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Erstellung einer neuen Multipart-Color Ramp im Nutzer-Style – Teil 1 

1. Style-Manger, Nutzer-Style, Color Ramps: 

in rechtem Fenster Kontextmenü New/ 

Multi-part Color Ramp … 

2. Add-Button, 

Algorithmic Color Ramp 

3. Algorithmic Color Ramp markieren, 

Properties … 

4. Color 1 und 2 definieren, Algorithm 

wählen (z.B. CIE Lab), OK 

5. Schritte 2 bis 4 wiederholen, 

Color 1 entspricht vorheriger Color 2 

6. Nach Abschluss mit OK 

bestätigen 


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Erstellung einer neuen Multipart-Color Ramp im Nutzer-Style – Teil 2 

7. Im Style-Manger Namen für 

neue Color Ramp vergeben 

8. Nach dem Schließen des Style-Managers steht die neue 

Color Ramp in der Symbologie zur Verfügung 

9. Unter Color Ramp mit der rechten Maustaste der Graphic View aktiviert 

(Farbdarstellung) und deaktiviert (Angabe der Namen in alphabetischer 

Reihenfolge zum Suchen einer best. Color Ramp) werden 

10. Anwendung der neuen Color Ramp auf 

DGM-Raster 


53





Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 


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Nutzung von Digitalen Geländemodellen unter ArcGIS - AG GIS-Küste

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