Digitale Geologische Karte des Nordteils von Blatt 5728 Oberlauringen (Unterfranken). Erläuterungen der Methodik und zum Datenmanagement mittels GIS


Forschungsarbeit, 2009
47 Seiten

Leseprobe

Inhalt

Vorwort

1. GIS-basiertes Datenmanagement
1.1 Arbeitsumgebung
1.2. ArcGIS-Projekt und Geodatabase
1.3 Datengrundlage
1.3.1 Geographische Datenbasis
1.3.1.1 Topographische Karte
1.3.1.2 Satellitenbild
1.3.1.3 Digitales Geländemodell
1.3.2 Kartierergebnisse

2. Automatisierte Datenvisualisierung und -auswertung
2.1 Kartenlayout und 2D-Sichten
2.2 Geomorphologische Analysen
2.3 Interaktives 3D-Modell
2.3.1 Das 3D-Modell im VRML-Format
2.4 Schichtlagerungskarte (Streichlinienplan)

Literatur

Anhang
Anhang A: Verzeichnis der Abbildungen im Text
Anhang B: Verzeichnis der auf der Projekt-DVD enthaltenen Dateien
Anhang C: Kundeninformation des BLVA zur Rasterdatenlieferung 05/03 (Auszug)
Anhang D: Spezifikation der im GIS-Projekt verwendeten Legenden
Anhang E: Dokumentation VBA-Code 'BerechneHilfspunkteStreichlinienplan'

Kurzfassung

Basierend auf einer Geländeaufnahme des Autors wurde für ein rund 38 qkm großes Gebiet im Norden von Blatt 5728 Oberlauringen eine digitale geologische Karte erstellt. Ziel war, die Kartierergebnisse mittels angewandter Methoden der Geoinformatik in digitaler Form für beliebige Ausgaben und Analysen sowie für eine Weiterverarbeitung durch Dritte verfügbar zu machen. Datengrundlage und Vorgehen bei der Durchführung des Projektes werden beschrieben.

Für das Vorhaben kam das Geoinformationssystem ArcGIS von ESRI zum Einsatz, mit dem die Geländedaten aufbereitet, visualisiert und ausgewertet wurden. Ergebnis sind eine Anzahl geologischer 2D- Geländeansichten, mehrere Layouts zur Druckausgabe von geologischer Karte und Streichlinienplan sowie ein digitales Geländemodell, mit dem das Kartiergebiet dreidimensional dargestellt und geomorphologisch analysiert wird. Die Anzeige der Untersuchungsergebnisse zusammen mit den geographischen Gegebenheiten in einem interaktiven 3D-Modell ist besonders anschaulich. Sie erlaubt dem Anwender, das Kartiergebiet aus den unterschiedlichsten Blickwinkeln zu betrachten und ergänzt so die geologische Karte durch beliebige perspektivische Geländeansichten.

Vorwort

Das vorliegende GIS-Projekt basiert auf Daten einer 1983 an der Ruhr-Universität Bochum fertig gestellten Diplomkartierung (STINDER 1983), mit der die Geologie von Muschelkalk und Keuper im Norden von Blatt 5728 Oberlauringen untersucht und im Maßstab 1:10.000 detailliert aufgenommen wurde. Das am Nordrand der Hassberge, südwestlich von Bad Königshofen im Grabfeld (Unterfranken, Bayern) gelegene, tektonisch komplexe Gebiet umfasst den Auffiederungsbereich der Hassberg-Störung in die Heustreuer Störungszone und ist durch zahlreiche Bruch- und Verbiegungsstrukturen gekenn- zeichnet. Die stratigraphische und tektonische Situation wird in STINDER (1983 / 2003) eingehend beschrieben und diskutiert.

Da die Veröffentlichung einer geologischen Detailaufnahme von Blatt Oberlauringen durch amtliche Stellen bis heute aussteht, war es das Ziel des Projektes, die Untersuchungsergebnisse in zeitgemäßer, einfach zu nutzender Form interessierten Dritten für wissenschaftliche und kommerzielle Auswertungen zur Verfügung zu stellen. Dazu wurden die bislang nur in konventioneller, papiergebundener Darstellung vorliegenden Kartierergebnisse mittels eines Geoinformationssystems (GIS) digital aufbereitet und in einer Geodatabase sowie in Dateien im weit verbreiteten Shape-Format gespeichert.

Darüber hinaus sind im Rahmen des GIS-Projektes rechnergenerierte 2D- und 3D-Ansichten des Kartiergebietes erzeugt worden, die die Aussagen der ursprünglichen Geländeaufnahme ergänzen. Auch sie sind, ebenso wie die im Erläuterungstext in stark verkleinerter Form einfügten Karten und 3D- Darstellungen, als Grafikdateien auf der Projekt-DVD abgelegt und können mit geeigneter Software in beliebigen Maßstäben angezeigt und ausgegeben werden. Eine vollständige Liste der Dateien findet sich im Anhang B der Erläuterungen. Die Daten stehen dem Käufer der Studie für eigene Auswertungen frei zur Verfügung. Eine Weitergabe oder Publikation ist dagegen nur mit ausdrücklicher schriftlicher Genehmigung des Autors zulässig.

Die nachstehenden Ausführungen beschäftigen sich mit dem EDV-gestützten Datenmanagement der Kartierergebnisse sowie deren rechnerbasierter Visualisierung und Auswertung und beleuchten in diesem Zusammenhang auch die bei der Bearbeitung angewandte Methodik und das im GIS-Projekt verwendete Datenmaterial. Die Durchführung des GIS-Projektes wird anhand der einzelnen Arbeitsschritte genau beschrieben, so dass die Qualität und Vertrauenswürdigkeit der erzeugten Daten beurteilt werden kann. Abgesehen von einigen Ergänzungen zur Geomorphologie aufgrund des erstellten Geländemodells und neuen Ergebnissen zur Tektonik, die sich aus der Verfeinerung des Streichlinienplans im Zuge der GISBearbeitung der Daten ergaben, wird hier auf die geologischen Verhältnisse des Untersuchungsgebietes nicht mehr weiter eingegangen, vgl. dazu STINDER 1983 / 2007.

Mein Dank gilt der Fa. Topware Entertainment GmbH, Ettlingen, für die Erlaubnis zur Nutzung des Satellitenbildes und Frau Dr. Schreiber vom Geological Survey of Namibia für ihre Unterstützung bei der Konvertierung von Shapefiles und der Durchsicht des Manuskriptes.

1. GIS-basiertes Datenmanagement

1.1 Arbeitsumgebung

Zur DV-technischen Bearbeitung der Kartierergebnisse, aber auch zu ihrer Visualisierung und Aus- wertung (vgl. Kap. 2), stand die Hard-, Soft- und Orgware der Fa. TerraCom Datentechnik zur Ver- fügung. Als Rechner dienten zwei Fujitsu-Siemens-Tower-PCs mit 1 GHz1 bzw. 1,5 GHz Pentium-CPU sowie 500 MB-Arbeitsspeicher und 320 GB-Harddisk2. Darüber hinaus kam ein mit 2,8 GHz getaktetes Amilo-Notebook des gleichen Herstellers mit 1 GB-RAM und 60 GB-Festplatte zum Einsatz. Entwickelt wurde auf der 1,5 GHz-Maschine, die beiden anderen Systeme wurden lediglich zu Testzwecken genutzt um die Praxistauglichkeit des GIS-Projektes auf Rechnerhardware unterschiedlicher Leistungsfähigkeit zu ermitteln. Dabei erwiesen sich die beiden 1 / 1,5 GHz-Maschinen für die 3D-Visualisierung als zu leistungsschwach, so daß zu diesem Zweck ein Fujitsu-Siemens Scaleo P-PC mit Core 2 Quad-CPU, Nividia Geforce 8600 GS 512 VRAM-Grafikkarte, 2 GB Arbeitsspeicher und 320-GB-Festplatte eingesetzt wurde. Zur Druckausgabe ist ein Hewlett-Packard Laserjet 4 und ein Designjet 500 PS-A0- Großformatdrucker verwendet worden.

Auf den drei im Wechsel betriebenen Rechnern war für das Projekt das Microsoft Windows 2000 ServerBetriebssystem mit Service Pack (SP) 4 installiert. Als Betriebssystem für den Scaleo-PC wurde Vista Home Premium genutzt. Zudem waren die Rechner mit der Anwendungssoftware Microsoft Office 2000 SP 4 und Corel Draw SE 7.0 ausgestattet.

Die für das Projekt eingesetzte GIS-Technologie stammte von Environmental Systems Research Institut Inc. (ESRI). Sie umfasste das Basissoftwarepaket ArcGIS 8.3 mit den Modulen ArcCatalog, ArcMap und ArcToolbox in ihrer aktuellen Version (Service Pack 2) sowie das Erweiterungsmodul 3D-Analyst einschließlich der Visualisierungssoftware ArcScene, alle mit deutscher Benutzeroberfäche. Zudem wurde der Myriad 3D Reader 5.0.0.6 der Informative Graphics Corporation zur 3D-Visualisierung genutzt. Als relationales Datenbankmanagementsystem (RDBMS) kam für die von ArcGIS angelegte (Personal-) Geodatabase Microsoft ACCESS 2000 zur Anwendung.

1.2 ArcGIS-Projekt und Geodatabase

Zu Beginn der GIS-Arbeiten wurde mit ArcCatalog die Verzeichnisstruktur 'DigGK10-5728Oberlaurigen (Nord)' generiert. Als Container für die Projektdaten enthält sie alle im Zuge der Bearbeitung erzeugten geographischen und geologischen Themen (Shapefiles3 mit Punkt-, Polylinien- und Polygongeometrie [15-26, 62-94]4 ) sowie die Rasterdaten der Topographischen Karte (TK25) [12], des Satellitenbildes [105] und der Geologischen Karte (GK10) [36]. Weitere Unterverzeichnisse ordnen die Daten nach Inhalt und Format (Raster- und Vektordaten) (vgl. Anhang B). Diese Struktur ist auch auf der Projekt- DVD abgebildet.

Im nächsten Schritt wurde ein ArcMap-Dokument [2] erzeugt und die Themen für die kartographische Bearbeitung hinzugefügt (vgl. Kap. 1.3). Zur besseren Übersicht und zur einfacheren Handhabung sind diese dabei in eine zuvor angelegte Struktur, bestehend aus den Gruppenlayern 'Geographie-Raster' und '-Vektor' sowie 'Geologie-Raster' und '-Vektor', eingeordnet worden. Eine Übersicht gibt auch hier Anhang B. Die Vektor-Themen enthielten zu dieser Zeit noch keine Objekte.

Nachdem die Arbeiten zur geologischen Karte und zum Geländemodell abgeschlossen waren, konnten verschiedene Auswertungen in das Projekt integriert werden. Die dabei entstandenen Vektordaten [95- 99, 110] finden sich in den ArcMap-Dokumenten [1, 2, 3] in den Gruppenlayern 'SchichtlagerungskarteVektor' und 'Geomorphologie-TIN' (vgl. Kap. 2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Tabellenstruktur der Projekt-Geodatabase in Microsoft ACCESS 2000

Zur Datenverwaltung in GIS-Projekten favorisiert ESRI seit längerer Zeit Datenbanksysteme (DBS). Die Vorteile der integrierten Datenhaltung gegenüber einer durch isolierte Shape- und Rasterfiles aufge- bauten Flat-File-Architektur sind unbestreitbar: Redundanzvermeidung und dadurch Reduzierung von Konsistenzproblemen, Einhaltung der Datenintegrität durch die zentrale Kontrollinstanz des Datenbank- managementsystems (DBMS) sowie ein geringerer Aufwand bei der Datenpflege, um nur die wichtigsten zu nennen. ESRI hat deshalb neben dem schon seit langem vertriebenem Gateway 'Spatial Data Engine' (SDE bzw. ArcSDE) zur Nutzung von relationalen, mehrbenutzerfähigen Datenbankmanagementsys- temen (RDBMS), wie Oracle oder Microsoft SQL Server, nun auch eine Variante für die Verwaltung raumbezogener Daten im Single-User Betrieb eingeführt: Die Personal-Geodatabase. Sie basiert eben- falls auf dem Relationalen Datenmodell, benutzt aber die Microsoft Jet-Engine um ACCESS- Datenbanken zu erzeugen, in denen die Sach- und Geometrie-Daten eines GIS-Projektes zusammen mit ihren (topologischen) Beziehungen verwaltet werden.

Um den Anwendern für das GIS-Datenmanagement eine Wahlmöglichkeit zwischen klassischen Shape- files und einer Geodatabase zu geben, wurde nach Abschluß der Editierarbeiten die Anwendung auf die datenbankgestützte Datenhaltung umgestellt. Dazu ist mit ArcCatalog eine Personal-Geodatabase [117] angelegt und diese durch Import der geographischen und geologischen Themen mit der Shapfile-zu-Geo- database-Routine der ArcToolbox gefüllt worden (vgl. Abb. 1). Die Shapefiles blieben dabei unverändert in ihren Ordnern erhalten. Anschließend wurden die Angaben zur Datenquelle der Themen in den ArcMap- und ArcScene-Dokumenten entsprechend geändert. Die Rasterdaten des Projektes konnten mit der vorliegenden Version von ArcGIS nicht in die Personal-Geodatabase importiert werden und sind deshalb weiterhin nur als Files eingebunden. Mit den Shapefiles und der Geodatabase stehen die vektorisierten Fachdaten des Projektes nun redundant zur Verfügung. Obwohl theoretisch möglich, sollten im Hinblick auf einen konsistenten Datenbestand beide Formen der Datenhaltung nicht mitein- ander vermischt werden.

Um die Vorteile der datenbankgestützten Datenverwaltung nutzen zu können, sind die Fachdaten in einem Datenmodell, das auch den topologischen Bezug der Geo-Objekte berücksichtigt, zu strukturieren. Ansonsten bilden die durch den Import der Shapefiles in der Geodatabase erzeugten Tabellen lediglich die Flat-File-Struktur der filebasierten Datenhaltung nach. Die Entwicklung eines Datenmodells ist daher dringend notwendig, sie hätte jedoch den Rahmen dieses Projektes gesprengt. Bei einer Weiterentwicklung wären Entwurf und Implementierung des Datenmodells aber eine zentrale Aufgabe. Datenmodelle für geologische Anwendungen sind zur Zeit Gegenstand der Forschung. Aktuelle Vorschläge dazu finden sich z.B. bei RAINES et al. (2007).

1.3 Datengrundlage

1.3.1 Geographische Datenbasis

1.3.1.1 Topographische Karte

Als geographische Datengrundlage wurde die Topographische Karte von Bayern 1:25.000 (TK25) Blatt 5728 Oberlauringen verwendet, die als digitales Produkt vom Bayerischen Landesvermessungsamt (BLVA) zur Zeit der Datenbeschaffung nur in Form von Rasterdaten angeboten wurde. Das den Inte- ressenbereich abdeckende Rasterbild nördlich des Hochwertes 5569000 wurde vom BLVA in einer un- komprimierten TIF-Datei [12] zusammen mit den Daten der Randbereiche (max. 270 m Breite) der unmittelbar angrenzenden Blätter (5627 Bad Neustadt a.d. Saale, 5628 Bad Königshofen i. Grabfeld, 5629 Römhild, 5727 Münnerstadt und 5729 Alsleben) geliefert. Die Daten basieren auf der letztmalig durchgeführten Aufnahme bzw. Fortschreibung des Blattes Oberlauringen im Jahre 1998 und reprä- sentieren damit den aktuellen Bearbeitungsstand. Für die benachbarten Blätter werden vom BLVA die Versionsstände 1994-2000 angegeben (vgl. Anhang C). Die Rasterdaten sind über ein World-File [13] georeferenziert und enthalten als Folienzusammenkopien die Ebenen 'Grundriss', 'Höhenlinien', 'Gewässerdecker' und 'Gewässerkontur'. Letztere zeigt einen leichten Versatz gegenüber den anderen Folien, wodurch die Genauigkeit der durch Digitalisierung generierten Vektordaten (vgl. Kap. 1.3.1.3) des Layers 'Fließgewässer' beeinträchtigt ist.

Die vorliegenden Rasterbilder wurden durch Großformatscans papiergebundener TK25 erzeugt. Mit einer Auflösung von 320 L/cm liegen sie in der höchsten verfügbaren Genauigkeit vor. An ihren Rändern sind die Rasterkarten streckenweise nicht deckungsgleich. Sprünge von Höhenlinien, Straßen und Signaturen sind hier deutlich sichtbar. Für die Darstellung der Kartierobjekte sind diese Ungenauigkeiten jedoch ohne Bedeutung, sie überschreiten die Blattgrenzen nicht. Lediglich das Geländemodell ist in den betroffenen Grenzregionen kritisch zu betrachten. In den ArcMap-Dokumenten [1, 2, 3] war die Rasterkarte zunächst im Gruppenlayer 'Geographie-Raster' unter dem Layernamen 'TK25-5728 Ober- lauringen-N_a6913col.tif' [12] eingebunden, aus urheberrechtlichen Gründen wurde sie aber später wieder aus dem Projekt entfernt.

Zur themendifferenzierten Visualisierung der geographischen Objekte, aber auch als Datenbasis für die Erstellung des digitalen Geländemodells, wurde der TK25-Kartenausschnitt in ArcMap vektorisiert und in einzelne Layer überführt [15-26] (vgl. Kap. 1.3.1.3).

Als topographische Grundlage für die geologische Geländeaufnahme ist eine auf den Maßstab 1:10.000 hochvergrößerte Kopie des Nordteils der TK25 Blatt 5728 Oberlauringen mit dem Fortführungsstand 'Berichtigt 1975', 'Einzelne Nachträge 1978' verwendet worden. Trotz der zu erwartenden Ungenauig- keiten durch das Verfahren des Hochkopierens auf Mutterpausen und der Herstellung nicht verzugsfreier Abzüge sowie den unterschiedlichen Ausgaben der TK25, konnte die gescannte Karte der Diplomkartie- rung mit hoher Deckungsgenauigkeit auf die vom BLVA bereitgestellte Rasterkarte eingepasst werden.

Das Digitalisieren der Karte der Abschlussarbeit erfolgte bei der Deutschen Steinkohle (DSK). Mittels Großformatscan wurde hier von der Vorlage ein RGB-Rasterbild von 24-Bit Farbtiefe und einer horizontalen und vertikalen Auflösung von 400 dpi angefertigt [36]. Es ist als Layer 'DkOberlauringen- GK10.jpg' in den ArcMap-Dokumenten [1, 2, 3] eingebunden. Zur schnelleren Anzeige wurde ein 'Reduced Resolution Dataset' (RRD), d.h. eine Pyramiden-Datei [37], einschließlich zugehöriger Auxillary-Datei [38] erzeugt.

Die Georeferenzierung des Rasterbildes der Diplomkartierung geschah in Anlehnung an die von MINAMI (2000) beschriebenen Vorgehensweise: Durch den eingehenden Vergleich beider Rasterbilder wurden zunächst 265 Links (Verknüpfungen von Kontrollpunkten) generiert und diese für eine spätere Wiederverwendung in einer Datei [39] permanent gespeichert. Mit diesen Links als Eingabedaten konnte sodann eine affine Transformation (Polynom 1. Ordnung) gerechnet werden. Anhand des Transforma- tionsergebnisses wurde für die gescannte jpeg-Datei schließlich ein World-File [40] erzeugt und die zugehörige Statistikdatei [38] aktualisiert. Versuche mit den beiden anderen von ArcMap angebotenen, nicht-affinen Transformationsmethoden (Polynom 2. & 3. Ordnung) zeigten, dass unter Berücksichtigung der Passgenauigkeit und des 'root mean square error' (RMS), ein noch besseres Ergebnis mit einer Transformation der 3. Ordnung erzielt werden konnte. Diese wurde dann letztendlich auch angewandt. Von einer Rektifizierung, d.h. der Erstellung eines neuen, permanent in den Kartenkoordinaten georeferenzierten Rasters, z.B. zur Verwendung in anderen Anwendungen außerhalb von ArcGIS, wurde abgesehen. Es kann bei Bedarf jederzeit erzeugt werden.

Als geeignete Methode für die Grauwertzuweisung (Resampling) bei der Transformation kontinuierlicher Daten schlägt MINAMI (2000) die bilineare Interpolation oder kubische Faltung vor. Wie BOLLMANN & KOCH (2001) ausführen, erhöht sich dadurch zwar der zu leistende Rechenaufwand gegenüber der Nearest-Neighbour-Methode um den Faktor 10 bzw. 20, kantige und blockige Strukturen lassen sich damit bei der Anzeige aber weitgehend vermeiden. Von beiden Methoden wurde wegen des geringeren Rechenaufwandes die bilineare Interpolation für das Resampling der gescannten Karte gewählt.

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Abb. 2: Nordteil der TK25 Blatt 5728 Oberlauringen - Rasterkarte des BLVA Stand 1998

1.3.1.2 Satellitenbild

Im Zuge der topographischen Rasterdatenbeschaffung ist beim BLVA auch wegen Luft- und Satellitenbildern des Kartiergebietes angefragt worden. Digitale Luftbilder aus der Zeit der Geländeaufnahme existieren nicht. Lediglich aus jüngerer Zeit, und hier auch nur von Befliegungskampagnen im Sommer, hätten Daten zu wenig attraktiven Konditionen erworben werden können.

Es wurde deshalb für dieses Projekt auf den von der Firma Scout Systems produzierten und von der Fa. TopWare Entertainment vertriebenen 'Satellitenatlas für Deutschland' von 1997 zurückgegriffen, der flächendeckend digitale Rasterbilddaten von ganz Deutschland in einer Auflösung von 2 m / Pixel bereitstellt. Bei dem Bildmaterial handelt es sich um Mosaiken russischer COSMOS-Satelliten. Sie sind aus Einzelaufnahmen zusammengesetzt, die nach Herstellerangaben über einen Zeitraum von 5 Jahren, zwischen 1991/92 - 1996/97, gewonnen wurden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Kenngrößen von COSMOS-Fernerkundungssatelliten aus: Scout Systems (1997)

Satelliten der COSMOS-Baureihe umkreisen die Erde in ca. 270 km Flughöhe auf polaren, sonnensynchronen Bahnen, die sicherstellen, dass ein Gebiet bei Tageslicht stets zur gleichen Zeit überflogen wird (vgl. Abb. 4). Die Umlaufzeit beträgt dabei 98 Minuten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Polarer, sonnensynchroner Orbit aus: Scout Systems (1997)

Der COSMOS-Satellitentyp ist mit zwei analogen Bildsensorsystemen ausgerüstet, wovon eines, das KVR-1000, ein 1000 mm-Teleobjektiv verwendet. Von diesem stammen die im Projekt benutzten Aufnahmen. Durch die große Flughöhe und die eingesetzte Teleoptik handelt es sich bei den Bildern um flächentreue Parallelprojektionen, die im Gegensatz zu Zentralprojektionen keine aufwendige photogrammetrische Nachbearbeitung erfordern (vgl. Abb. 5).

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Abb. 5: Parallelprojektion aus: Scout Systems (1997)

Um den hohen Detaillierungsgrad zu erreichen, wurden Schwarz-Weiß-Filme eingesetzt. Nach den in der Online-Hilfe des Satellitenatlas bereitgestellten technischen Informationen beträgt die Originalgröße eines Satellitenbildes 30 x 30 cm, was einem Bildmaßstab von 1:250.000 bis 1:280.000 oder einem Blickfeld von 80 x 80 km entspricht (vgl. Abb. 3).

Die Aufbereitung der analogen Aufnahmen zu Rasterdaten ist in Rußland von der Firma Sovinformsputnik Interbranch Association durchgeführt worden. Sie beinhaltete die Schritte Filmentwicklung, Produktion von Abzügen verschiedener Vergrößerung, Erstellen und Scannen eingenordeter Bildstreifen und schließlich das Speichern der Rasterdaten auf einen Datenträger. Der Gesamtumfang der bundesweiten Rasterdaten beträgt unkomprimiert rund 150 GByte, das Satellitenbild des Nordteils von Blatt Oberlauringen umfasst als komprimierte jpeg-Datei rund 1,6 MB [105]. Dieses wurde mittels Hardcopy dem Satellitenatlas entnommen. Eine Vereinbarung mit der Fa. TopWare Entertainment GmbH zur Nutzung der Satellitenbilddaten im Rahmen dieser Studie liegt vor.

Das Einbinden des Satellitenbildes in das ArcGIS-Projekt verlief analog zu der gescannten topographisch-geologischen Karte: Nach dem Erzeugen von Pyramiden [106] wurden zur Georeferenzierung 484 Links [108] erstellt und mit diesen dann die Transformation (Polynom 3. Ordnung) durchgeführt [109]. Als Methode für die Grauwertzuweisung ist auch hier die bilineare Interpolation angewendet worden. In den ArcMap-Dokumenten ist das Satellitenbild [105] im Datenrahmen 'DigGK25-5728 Oberlauringen (Nord)', Gruppenlayer 'Geographie-Raster' zu finden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: Satellitenbild des Nordteils von Blatt 5728 Oberlauringen aus: Scout Systems (1997), erg.

1.3.1.3 Digitales Geländemodell

Die Datenbasis für das digitale Geländemodell (DGM) ist durch die themendifferenzierte Digitalisierung der vom BLVA gelieferten Rasterkarte(n) [12] gewonnen worden. Eine zu diesem Zweck zunächst mittels Software durchgeführte Vektorisierung brachte nicht den gewünschten Erfolg - der erforderliche Nachbearbeitungsaufwand wäre zu groß gewesen -, so dass die für das DGM relevanten Kartenobjekte nach Thema Freihand am Bildschirm digitalisiert wurden. Um eine möglichst hohe Genauigkeit zu gewährleisten, lag, je nach Strichstärke der Kartenobjekte, der gewählte Arbeitsmaßstab zwischen 1:500 und 1:1.000, bei besonders problematischen Stellen auch darunter. Die Aufnahme erfolgte bei PunktObjekten (z.B. Höhenpunkte) mittelpunkt-, bei Linien- und Polygon-Objekten (z.B. Fließ-/ Stehgewässer) mittellinienorientiert. Eine Attributierung zur Erfassung von Höhenangaben (Feld 'Hoehe') wurde bei den Themen 'Höhenpunkte' und 'Höhenlinien' vorgenommen.

Die Qualität des Rasterbildes ist hoch, so dass die Kartenobjekte in der Regel gut zu identifizieren und abzugrenzen waren. Von einer Interpretation der Rasterdaten ist bei der Vektorisierung weitgehend abge- sehen worden. Lediglich an Stellen, wo offensichtlich technisch bedingt Beschriftungen und Signaturen lokal begrenzt Objekte verdecken, wurden diese als zusammenhängend betrachtet und z.B. Fließgewässer durchgezeichnet. Vereinzelt war allerdings bei Isohypsen, wo Höhenangaben fehlten, und hier vor allem an den Blatträndern, die Wertzuweisung problematisch. In diesen Fällen wurde versucht, die richtige Zuordnung aus dem Kontext zu ermitteln. Hinsichtlich der Höhenwerte fragliche Isohypsen sind bei der Digitalisierung mit dem Wert 'ja' in der speziell angelegten Spalte 'Unsicher' markiert worden.

Die digitalisierten Themen der TK25 sind im Gruppenlayer 'Geographie-Vektor' der ArcMap-Dokumente zusammenstellt. Im einzelnen handelt es sich um die Layer 'Höhenlinien', 'Höhenpunkte’, 'Bruchkanten', 'Stehgewässer', 'Fließgewässer', 'StrassenWege', 'Plätze' sowie 'Bebauung' [15-22]. Zudem gibt es vier Punkt-Themen zur Beschriftung geographischer Objekte [23-26]. Diese enthalten alle das Attribut 'Name' für die Aufnahme von Werten wie Stadt-, Tal- oder Flußbezeichnungen und das Feld 'Grad' um die Beschriftungen entsprechend der Vorgaben in der TK25 im Kartenbild zu orientieren. Darüber hinaus sind spezielle Layer für Verschneidungsoperationen [27] und zu Anzeigezwecken [28-35] angelegt worden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 1: Vektorisierte geographische Themen als Eingabedaten für das TIN

Mit den Features der o.g. Themen als Eingabe wurde mit der ArcGIS-Erweiterung 3D-Analyst eine kontinuierliche Geländeoberfläche als Triangulated Irregular Network (TIN) gerechnet. Als Höhenmaß für die Berechnung sind die bei der Digitalisierung der TK25 ermittelten und im Attribut 'Hoehe' der Layer 'Höhenlinien' und 'Höhenpunkte' gespeicherten Werte verwendet worden. Sie gingen bei der Triangulation als Massenpunkte ein, die anderen Themen wurden entsprechend den in Tabelle 1 zusammenstellten Angaben modelliert. Die vom DGM [110] abgeleiteten Analysen der Oberfläche sind im Gruppenlayer 'Geomorphologie-TIN' enthalten (vgl. Kap. 2).

1.3.2 Kartierergebnisse

Die nach dem Einscannen der handgezeichneten geologischen Karte als Rasterdaten vorliegenden geologischen Informationen mussten für die weitere Bearbeitung durch Digitalisierung in das Vektorformat überführt werden. Dies geschah, ebenso wie bei der Topographischen Karte, Freihand am Bildschirm vom Pixelbild der georeferenzierten jpeg-Grafik (vgl. Kap. 1.3.1.3). Bei der Erfassung der Objekte bzw. Features ist im Hinblick auf eine möglichst hohe Detailtreue mit einem großen Maßstab, in Abhängigkeit von der Komplexität der Kartierobjekte zwischen 1:500 und 1:1.000, gearbeitet worden. Zu Kontrollzwecken und bei notwendigen Nachbearbeitungen wurde ggf. auch weiter vergrößert. Punktobjekte sind, wie bei der Geographie, mittelpunkt-, Kartenobjekte mit Linien- und Polygongeometrie mittellinienorientiert vektorisiert worden.

Die auskartierten lithofaziellen Einheiten sind in 21 Polygon-Themen (Shape-Geometrie 'Polygon ZM') verzeichnet, deren Namen und Abkürzungen sich an den in der Generallegende der GK 25/50 von Bayern verwendeten Bezeichnungen orientieren (z.B. 'kuD_Grenzdolomit') [74-94]. Darüber hinaus wurden die Ausbisse von Anisotropieflächen als Linien-Themen mit der Shape-Geometrie 'Polyline ZM' in jeweils eigenen Layern erfasst (z.B. 'Schichtgrenze_sicher') [62-65]. Für das Auftreten von Quellen, Gipsresiduen, Dolinen sowie für Fossilfundpunkte [70-73] sind Punkt-Themen (Shape-Geometrie 'Punkt ZM') angelegt worden. Weitere Punkt-Themen dienen der Beschriftung tektonischer Strukturen [68] und zur Anzeige von Schichtlagerungswerten [66-67]. Als Symbole sind weitgehend die zur Zeit der Geländeaufnahme an der RUB verwendeten Signaturen beibehalten worden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7: Geologische Karte des Nordteils von Blatt Oberlauringen (Kartenlayout) Farbgebung nach dem an der RUB verwendeten Stil [11]

Für die Farbgestaltung der Polygon-Themen wurden zwei 'Style'-Varianten entworfen. Die erste [10] folgt der Generallegende der GK 25/50 von Bayern, die zweite, kontrastreichere, die einzelnen Horizonte stärker akzentuierende, übernimmt die bei den Kartierungen an der RUB verwendete Farbgebung [11]. Eine Spezifikation der im GIS-Projekt benutzten Legenden findet sich in Anhang D. Um eine Anzeige in Kombination mit anderen Layern, z.B. mit dem Satellitenbild, zu ermöglichen, ist für alle PolygonThemen eine 30 %-tige Transparenz eingestellt worden. Für beide Legendenvarianten existieren ArcMap-Dokumente [1, 2] und Vorlagedateien (Templates) [4, 5].

Die Relationen (Tabellen) der Polygon-Themen wurden um die Textspalte 'Legende' erweitert, in der für jedes Feature die nach der Bayerischen Generallegende übliche Kurzbezeichnung eingetragen ist. Mit diesen Werten sind die Schichteinheiten in der Karte beschriftet. Auch für das Punkt-Thema 'Quelle' wurde ein Legenden-Feld eingefügt. Bei den Layern 'Lagerung_gemessen' und 'Lagerung_generell' sind die Felder 'Streichen' und 'Fallen' als Attribute in die Tabellen aufgenommen und mit den entsprechenden Messwerten gefüllt worden. Während der Fallwert als Beschriftung am Schichtlagerungssymbol in der Karte annotiert ist, wird der Streichwert zu Berechnung der Rotation, d.h. zur Orientierung des Symbols im Kartenblatt, benutzt. Ähnlich ist beim Thema 'BeschriftungTektonik' verfahren worden: Hier wird das Attribut 'Name' zur Beschriftung und das Feld 'Grad' zur Ausrichtung verwendet.

2. Automatisierte Datenvisualisierung und -auswertung

2.1 Kartenlayout und 2D-Sichten

Zur einfacheren Orientierung sowie zum schnellen und gezielten Wechsel des Kartenausschnittes sind mit Hilfe der Lesezeichen-Funktion von ArcMap achtundzwanzig 2D-Ansichten des Kartiergebietes erstellt worden. Diese können vom Anwender aus dem Untermenü 'Lesezeichen' ausgewählt werden (Menü 'Ansicht', Befehl 'Lesezeichen'). Die Einträge im Submenü sind nach Ausschnittsgröße geordnet: Zuerst die Befehle zum Aufruf von Übersichtskarten, dann jene zur Anzeige von Detailansichten, wie z.B. des Bichenberges oder der NES 2 (vgl. Abb. 8).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 8: 'Lesezeichen'-Auswahl der anwählbaren Kartenausschnitte (links) und 2D- Ansicht 'NES 2' (Straße Kleinbardorf - Kleineibstadt) (rechts). Farbgebung in Anlehnung an die bayerische Generallegende der GK 25/50

Für die Druckausgabe im Maßstab 1:10.000 wurde ein für das DIN-A0-Querformat optimiertes Kartenlayout entworfen. Es wird sowohl für die geologische Karte mit Legende im RUB- und BGLA-Stil als auch für den Streichlinienplan verwendet. Bei den geologischen Kartenvorlagen wurde die Legende der lithofaziellen Einheiten durch eine stratigraphische Einordnung in Anlehnung an die Bayerische Generallegende 25/50 ergänzt (vgl. Abb. 7).

2.2 Geomorphologische Analysen

Zur Analyse einer berechneten Geländeoberfläche stellt der 3D-Analyst verschiedene Werkzeuge bereit, von denen unter geologischen Aspekten drei von besonderem Interesse sind: Höhenstufen, Hang- neigungsrichtungen und Hangneigungen. Mit ihnen wurde die Morphologie des Kartiergebietes untersucht. Zusätzliche Raster-Themen sind dabei aber nicht angelegt worden, statt dessen wurde das jeweilige Ergebnis durch unterschiedliches Rendering des TIN-basierten Höhenmodells mit den dafür im Legenden-Editor angebotenen Visualisierungstechniken erzeugt. Die so erstellten drei Reliefanalysen 'DGM-Tin-Höhenstufen', '-Hangneigungsrichtungen' und '-Hangneigungen' sind im Gruppenlayer 'Geo- morphologie-TIN' der ArcMap-Dokumente eingeordnet. Sie sollen im folgenden anhand der Abbil- dungen 9-11, in denen zur leichteren Orientierung Orte, Straßen und Flüsse mit einbezogen sind, kurz behandelt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 9: DGM des Aufnahmegebietes mit einer Klassifikation der Geländehöhen Legende: blau-grün 250-350 m, orange-braun 350-450 m, grau-weiß 450-500 m

Abbildung 9 zeigt die Verteilung von Höhenstufen in Nordteil von Blatt Oberlauringen durch abgestuften Farbverlauf, die auf einer manuellen Einteilung der Geländehöhen in zehn Klassen zu je 25 m basiert. Sie wurde mit dem Renderer 'Höhen' erzeugt. Harte und weiche Bruchkanten sind hier nicht angezeigt, können jedoch jederzeit eingeblendet werden. Die Höhenverteilung spiegelt deutlich die Verwitterungs- resistenz der ausstreichenden Schichten wieder: Zum einen die beständigeren Sand-, Kalk- und Mergel- steine von Sandsteinkeuper und Oberem Muschelkalk, die den markanten Hassbergrücken bzw. die Er- hebungen im NW ausbilden, und zum anderen die weicheren, stärker ausgeräumten Ton- und Mergel- steine des Unter- und Gipskeupers, welche für die Niederungen im Untersuchungsgebiet verantwortlich sind.

[...]


1 Die hier verwendeten Abkürzungen wie GHz, GB, RAM,VRAM etc. sind im Bereich der (Geo-) Informatik üblich und haben sich größtenteils auch schon im allgemeinen Sprachgebrauch etabliert. Auf eine Erläuterung im Text wurde deshalb verzichtet.

2 Englischsprachige Ausdrücke wie Harddisk, Notebook u.a. gehören mittlerweile zu den gängige Begriffe in der Literatur und werden so übernommen. Existieren deutschsprachige Synonyme, so werden diese ggf. parallel verwendet.

3 Termini wie Shapefile, Geodatabase, Gruppenlayer, Layer oder Feature sind feststehende Ausdrücke im Zusam- menhang mit Geoinformationssystemen der Fa. ESRI und werden hier, wie auch im Schrifttum üblich, im Kontext mit der Software gebraucht. Glossare zu diesen Begriffen finden sich u.a. bei BOOTH (2000), BOOTH, SHANER, CROSIER, SANCHEZ & MacDONALD (2002), SHANER & WRIGHTSEL (2000) sowie bei VIENNEAU (2001).

4 Die in eckigen Klammern angegebenen Zahlen bezeichnen die Dateinummern in Anhang B.

Ende der Leseprobe aus 47 Seiten

Details

Titel
Digitale Geologische Karte des Nordteils von Blatt 5728 Oberlauringen (Unterfranken). Erläuterungen der Methodik und zum Datenmanagement mittels GIS
Hochschule
Technische Fachhochschule Georg Agricola für Rohstoff, Energie und Umwelt zu Bochum
Autor
Jahr
2009
Seiten
47
Katalognummer
V186597
ISBN (eBook)
9783656999263
ISBN (Buch)
9783867469586
Dateigröße
72335 KB
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
ohne Daten-DVD
Schlagworte
digitale, geologische, karte, nordteils, blatt, oberlauringen, unterfranken, erläuterungen, methodik, datenmanagement
Arbeit zitieren
Dr. Thomas Stinder (Autor), 2009, Digitale Geologische Karte des Nordteils von Blatt 5728 Oberlauringen (Unterfranken). Erläuterungen der Methodik und zum Datenmanagement mittels GIS, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/186597

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