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Datenerfassung und -übernahmeNeuerfassung von Daten |
Zu den Möglichkeiten, durch technische Verfahren Daten direkt in der Örtlichkeit zu erfassen (primäre Erfassungsmethoden) zählen neben der Datenerhebung durch Befragung, Zählung und ähnlichen Verfahren, die geodätische Einmessung im Feld, die photogrammetrische Aufnahme, die Nutzung von Fernerkundungssystemen und die Lagebestimmung über GPS.
Bei der terrestrischen Neuvermessung wird die Lage von Objekten auf, unter oder über der Erdoberfläche mittels geodätischer Vermessungsmethoden, bezogen auf ein einheitliches Lage- und Höhenbezugssystem, bestimmt. Mit der Lagefestlegung erfolgt, soweit in der Örtlichkeit erkennbar, eine Erfassung identifizierender oder beschreibender Objekteigenschaften. Eine Neuvermessung für die Schaffung einer zuverlässigen Datengrundlage wird notwendig,
wenn kein ausreichender Bestand an analogen, vollständigen und aktuellen Karten in geeignetem Maßstab zur Verfügung steht,
wenn im Falle von Leitungsbestandsplänen Maßangaben fehlen,
wenn Widersprüche und Fehler durch keine andere Methode ausgeräumt werden können.
Die Neueinmessung stellt die arbeits- und kostenintensivste Art der Informationsbeschaffung dar. Verfahren zur Neueinmessung können sein:
Herkömmliche geodätische Meßverfahren: Die Messung wird mit einfachen, herkömmlichen Vermessungsgeräten wie Maßband und Winkelprisma durchgeführt. Gemessen werden Orthogonalmaße in bezug auf feste Gegenstände der Erdoberfläche, die erst nachfolgend in Berechnungsprogrammen zu Koordinaten umgeformt werden oder die Grundlage einer konstruktiven Datenerfassung bilden.
Messung mittels elektronischem Tachymeter: Es werden gleichzeitig Entfernung, Horizontal- und Vertikalwinkel bestimmt, so daß eine Bestimmung von Lagekoordinaten und Höhe für den angezielten Punkt erfolgen kann. Die digitale Registrierung von Meßwerten und daraus abgeleiteten Größen erlaubt die Weiterverarbeitung in speziellen Programmen zur Datenprüfung und Aufbereitung mit anschließender Übernahme in das GIS (vgl. ).
GIS-seitig muß die Möglichkeit der Übernahme der punkt-, linien- oder flächenförmigen Daten vorhanden sein. In der Regel entsteht noch Zusatzaufwand für die Anpassung von Schnittstellenprogrammen an die innerhalb des Unternehmens für tachymetrische Aufnahmen gebräuchlichen Codes. Nach der Datenübernahme hat eine Prüfung am graphisch-interaktiven Arbeitsplatz zu erfolgen. In vielen Fällen erweist sich die endgültige Objektbildung und Bildung linien- oder flächenförmiger Strukturen erst in diesem Arbeitsschritt als sinnvoll.
Leitungsortung: Die Rekonstruktion der Leitungslage von bisher unzureichend oder gänzlich undokumentierten, erdverlegten Leitungen erfolgt durch spezielle Detektionsgeräte, die auf elektromagnetischen, magnetischen oder funktechnischen Grundprinzipien aufgebaut sind (Höper 1992). Diese Form der Neueinmessung stellt die arbeits- und kostenintensivste Art der Lagebestimmung dar, die dennoch nur beschränkte Genauigkeit bietet.
Photogrammetrische Aufnahme- und Auswerteverfahren tragen in verschiedener Weise zum Aufbau von GIS-Datenbanken bei.
Gewinnung vektorieller Information
Photogrammetrische Aufnahmen werden in der Regel von Flugzeugen aus mit speziell kalibrierten, photographischen Aufnahmesystemen (Reihenmeßkammern) gewonnen. Liegen die Aufnahmen überlappend vor, können sie an analytischen Stereoauswertegeräten oder digitalen Systemen zueinander und über Paßpunkte mit dem Landeskoordinatensystem in Beziehung gesetzt werden (Orientierung). Dann erfolgt die stereoskopische Auswertung zur Gewinnung punktbezogener, linien- oder flächenhafter dreidimensionaler Daten. Insbesondere werden Höheninformationen in Form von Höhenlinien, Profilen und Punktrastern auf diese Weise sehr effizient erfaßt. Ein aktuelles Einsatzgebiet der Photogrammetrie ist der Aufbau von 3D-Stadtmodellen für die Funknetzplanung.
Die Stereoauswertung kann die geodätische Einmessung vielfach ersetzen. Voraussetzung ist die Sichtbarkeit der zu erfassenden Objekte, die durch besondere Kennzeichnung (Signalisierung) unterstützt werden kann.
Der wirtschaftliche Einsatz der Photogrammetrie setzt einen großen Umfang zu erfassender Daten voraus. Aufgrund der technischen Anforderungen wird die Erfassung und Auswertung von Fachfirmen durchgeführt. Durch die notwendige Planung und den aufwendigen Geräteeinsatz ist in der Regel eine gewisse Vorlaufzeit für die Durchführung nötig.
Photogrammetrische Aufnahmen für die Erstellung von Orthophotobildern werden i.a. von Flugzeugen aus mittels kalibrierter Reihenmeßkameras gewonnen. Der Prozeß der Erzeugung der Orthophotobilder beinhaltet die Georeferenzierung der Aufnahmen und ihre anschließende Entzerrung. Diese erfolgt auf der Basis eines digitalen Geländemodells für jeweils sehr kleine Bildbereiche (differentielle Entzerrung). Teil des Verarbeitungsprozesses ist die Digitalisierung der Information über Scanner. Die gewonnenen Daten können als rasterbasierte Information beispielsweise anstelle von gescannten Karten in das GIS übernommen und mit weiteren (vektoriellen) Informationen für Betrachtungs- und Ausgabezwecke überlagert werden. Wesentlich sind folgende Einsatzmöglichkeiten von Orthophotobildern:
Hintergrundinformation: Als Hintergrundinformation liefern die digitalen Orthophotobilder (Farbe oder Halbtöne) georeferenzierte und aktuelle Informationen über die Erdoberfläche. Für ungeübte Nutzer können Orthophotobildern leichter lesbar sein als vektorielle Information. Sie können jedoch durch ihren Detailreichtum auch überfordern. Einige Beispiele sind dazu im Internet zu finden.
Qualitätssicherung: Ein weiterer Einsatzzweck ergibt sich durch die Nutzung zur Prüfung bestehender oder neu erfaßter digitaler Datenbestände. Die Vektordaten werden den Rasterdaten überlagert und können auf ihre Lagegenauigkeit und Vollständigkeit hin geprüft werden.
Datenerfassung: Die rasterbasierte Information dient als Grundlage einer Digitalisierung am Bildschirm. In manchen Fällen werden GIS-Daten auch am Digitalisiertisch aus analogen Orthophotos gewonnen.
Für die sinnvolle Nutzung von Orthophotobildern ergeben sich bestimmte Darstellungsmaßstäbe, die vom Aufnahmemaßstab und von der Auflösung beim Scannen abhängen.
Gewinnung von Zusatzinformation
Erfolgt die photogrammetrische Aufnahme mittels Infrarot-Film, können spektrale Charakteristika der Umwelt im nahen Infrarot des elektromagnetischen Spektrums in die Auswertung mit einbezogen werden, beispielsweise um die Vitalität der Vegetation zu erfassen.
Fernerkundungssensoren stellen vor allem für großräumige GIS-Applikationen eine vielseitige und vergleichsweise kostengünstige Informationsquelle dar. Fernerkundungsdaten werden von Flugzeugen oder von Satelliten aus gewonnen und lassen sich folgendermaßen charakterisieren:
Digitale Verfügbarkeit: Die Daten werden in der Regel digital erfaßt und aufgezeichnet und eignen sich daher für die Integration in geographische Informationssysteme.
Vielfältige Produktformen: Fernerkundungsdaten können in einer Vielzahl von Ausschnittsgrößen (Szenen, Viertelszenen, ...), Formaten und Formen (unkorrigierte Rohdaten bis zu präzise entzerrten Datensätzen) erworben werden.
Hohe Wiederholungsrate: Satellitengetragene Aufnahmesysteme verfügen theoretisch über sehr hohe Wiederholungsraten (bis zu wenigen Tagen), so daß prinzipiell eine hohe Aktualität der Daten erreichbar ist. In der Praxis ergeben sich jedoch Einschränkungen aufgrund atmosphärischer Gegebenheiten (Wolkenbedeckung), Prozessierungs- und Lieferzeiten und aufgrund der anfallenden Kosten.
Zentrale Datenlieferung: Fernerkundungsdaten sind weltweit entweder beim Betreiber des Systems oder bei Datenvertriebsstellen erhältlich.
Vielfache Einsatzmöglichkeiten: Die durch Fernerkundungssysteme erfaßten Bereiche des elektromagnetischen Spektrums gestatten die Informationsgewinnung für eine große Vielzahl geowissenschaftlicher und planerischer Disziplinen (Forstwirtschaft, Landwirtschaft, Geologie, Geographie, Archäologie, Umweltschutz, Stadt- und Regionalplanung).
Landsat und SPOT sind zwei Reihen satellitengestützter Aufnahmesysteme mit dem Schwerpunkt auf der Bereitstellung von Information über die Erdoberfläche. Die verschiedenen Aufnahmesysteme weisen Unterschiede hinsichtlich ihrer räumlichen, spektralen und temporalen Auflösung sowie des jeweils erfaßten Bereichs der Erdoberfläche auf.
Die Einbeziehung der Daten des einen oder anderen Sensorsystems oder ihre Kombination wird projektabhängig entschieden. Häufig wird die Kombination von panchromatischen SPOT-Daten mit ihrer hohen räumlichen Auflösung mit Daten verschiedener spektraler Bänder des Landsat Thematic Mapper-Sensors verwendet. Ziel ist die visuelle Präsentation der aus den Daten mittels Bildaufbereitung oder spektraler Klassifizierung gewonnenen Informationen sowie die Übernahme der Klassifizierungsergebnisse in das GIS.
Weitere Informationen finden Sie im Remote Sensing Tutorial von Nicholas M. Short Sr.
Informationen über den IKONOS-Sensor finden Sie unter http://www.spaceimaging.com/.
Globales Positionierungssystem
Das Globale Positionierungssystem (GPS) beruht auf dem NAVSTAR-GPS-Project ( Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System) des US-amerikanischen Verteidigungsministeriums, das derzeit auch für zivile Zwecke zur Verfügung steht. Ein russisches Pendant (GLONASS) ist ebenfalls vorhanden. GPS stellt ein Verfahren zur Verfügung, dreidimensionale Koordinaten von Punkten der Erdoberfläche mit vergleichsweise geringem Aufwand aus den von Satelliten abgestrahlten Signalen zu bestimmen. Die erreichbare Genauigkeit beträgt ca. 1,5 m. Eine eindeutige Lösung ist allerdings nur bei der gleichzeitigen Beobachtung von mindestens vier Satelliten gegeben. Eine höhere Genauigkeit (ca. 0,5 m) ist durch differentielle Messungen ( differential GPS, DGPS) erreichbar, wobei ein zusätzlicher, stationärer Empfänger mit bekannter Position in das Verfahren einbezogen wird. Daten derartiger Referenzstationen werden ebenfalls kommerziell angeboten.
Typische Einsatzgebiete im Umfeld geographischer Informationssysteme sind:
Datenerhebung im Feld
Schaffung von Bezugsnetzen im Rahmen der Landesvermessung,
Navigationssysteme für Kraftfahrzeuge und Schiffe,
Lagebestimmung von Paßpunkten zur Entzerrung (Georeferenzierung)
von Fernerkundungsdaten,
Qualitätskontrolle für extern durchgeführte Erfassungsarbeiten,
Management von Fahrzeugflotten.
Um den Einsatz von GPS als Datenerfassungswerkzeug für GIS bewerten zu können, sind folgende Systemeigenschaften zu betrachten (Müller 1993):
keine Sichtverbindung zwischen Meßpunkten nötig,
Unabhängigkeit von Witterungsverhältnissen,
einfache Bedienung bei Punktaufnahmen,
weitgehend automatisierter Meßvorgang,
wenig Bedienungspersonal (1 - 2 Personen),
leichte Einarbeitung,
Sachinvestitionen nicht höher als bei traditionellen Verfahren,
vergleichbare Aufnahmegenauigkeit wie bei traditionellen Verfahren.
Mit GPS sind jedoch auch einige Nachteile verbunden:
aufwendige Transformations- und Auswerteverfahren für die Erreichung
hoher Genauigkeiten,
Abhängigkeit vom Systembetreiber,
nahezu freie Sicht" (freier Horizont) zu den Satelliten erforderlich.
Gerade die letztgenannte Forderung ist in bebauten Gebieten oft nicht erfüllt, so daß dort konventionelle Verfahren auch weiterhin ihre Berechtigung haben. Sichtbeeinträchtigungen und Signalverfälschungen sind u.a. bei Gebäuden, Brücken, Autos, Menschen und Bäumen zu befürchten, die vom Aufnahmeort aus einen Höhenwinkel von 15â überschreiten. Eine Planung der Vermessungstätigkeit muß also sowohl die Verfügbarkeit der Satelliten im Meßgebiet als auch die örtlichen Gegebenheiten berücksichtigen.
In Hinblick auf die Kopplung von GPS-Empfängern mit mobilen Systemen stehen bereits verschiedene Systemlösungen zur Verfügung.
Die Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen Deutschlands (AdV) bietet mit SAPOS - den Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung an.
SAPOS richtet einen permanent betriebenen, multifunktionalen Differential
GPS (DGPS)- Dienst ein. Dieser Service wird mit hoher
Zuverlässigkeit flächendeckend verfügbar sein. Grundlage
des Systems bildet ein Netz von GPS-Referenzstationen.
SAPOS umfaßt vier Servicebereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften und Genauigkeiten:
SAPOS EPS Echtzeit Positionierungs-Service
SAPOS HEPS Hochpräziser Echtzeit Positionierungs-Service
SAPOS GPPS Geodätischer Präziser Positionierungs-Service
SAPOS GHPS Geodätischer Hochpräziser Positionierungs-Service.
Für zivile Nutzer ist eine absolute Genauigkeit von etwa 100 Meter
möglich. Höhere Genauigkeiten erreicht man durch
Relativmessungen mit zwei gleichzeitig betriebenen GPS-Empfängern
(Differential GPS=DGPS). Auf diese Weise sind
Genauigkeiten im Meter-, Dezimeter-, Zentimeter- und sogar Millimeterbereich
möglich.
Bisher waren dafür temporäre Referenzstationen erforderlich,
die durch SAPOS eingespart werden. So wird dem Nutzer eine
wirtschaftliche und effiziente Lösung seiner Aufgaben ermöglicht.
SAPOS EPS bietet Echtzeit-Positionierung mit 1 bis 3 Meter Genauigkeit
Referenzstationen messen ständig Entfernungen zu den GPS-Satelliten und ermitteln daraus Korrekturwerte. Dem nwender stehen die Korrekturdaten in Echtzeit (in standardisiertem Format) zur Verfügung. Es ist ihm - mit geringem Geräteaufwand - möglich, die gemessene GPS-Position auf 1 bis 3 Meter zu korrigieren.
Die Korrekturdaten werden in Zusammenarbeit mit den Rundfunkanstalten der ARD (UKW), mit der Deutschen Telekom AG (Langwelle) und über Sender der Landesvermessung (2m-Band) gesendet. Als Format dient der international eingeführte Standard RTCM SC-104 (US-Radio Technical Commission for Maritime Services Special Committee No. 104), Version 2.0.
Um SAPOS EPS nutzen zu können, genügt ein einfacher GPS-Empfänger
und ein im Handel erhältlicher UKW/LW-Empfänger beziehungsweise
ein 2m-Band-Empfänger mit Decoder.
SAPOS HEPS bietet Echtzeit-Positionierung mit 1 bis 5 Zentimeter Genauigkeit.
Zusätzlich zu den GPS-Korrekturwerten stehen dem Nutzer auch die Trägerphasenkorrekturdaten
der Satellitensignale in Echtzeit (in
standardisiertem Format) zur Verfügung. Damit werden ihm genaue
Positionsbestimmungen ermöglicht.
Die Korrekturdaten werden über eigene Sender der Landesvermessung im 2m-Band ausgestrahlt. Die Daten sind auch über Telefon abrufbar. Als Format dient der international eingeführte Standard RTCM SC-104, Version 2.1. Die Daten werden im Sekundentakt übertragen. Ein Decodermodul der AdV ist erforderlich.
Künftig wird in verschiedenen Gebieten ein erweiterter Service angeboten. Mehrere GPS-Referenzstationen arbeiten vernetzt und können auf diese Weise ortsabhängige Fehlereinflüsse erfassen. Dem Nutzer werden spezifische, positionsabhängige Korrekturwerte zur Verfügung gestellt. Damit werden Zuverlässigkeit und Genauigkeit weiter gesteigert.
SAPOS GPPS bietet Ein-Zentimeter-Genauigkeit sowohl "near online" als auch im Postprocessing
Die kontinuierlichen Messungen der Referenzstationen stehen dem Nutzer (in standardisiertem Format) zur Verfügung. Die Referenzstationen registrieren ständig die Signale der GPS-Satelliten und stellen sie für den Nutzer im RINEX-Format (Receiver INdependent Exchange Format) bereit. Die Daten sind "near-online" über Mobiltelefon abrufbar; für Postprocessing ist der Datenaustausch über Telefon und Datenträger möglich.
Für Zentimetergenauigkeit waren bisher zwei hochwertige GPS-Empfänger erforderlich. Bei SAPOS GPPS genügt auf der Nutzerseite ein einziges Gerät.
SAPOS GHPS bietet Positionierung im Millimeterbereich. Dem Anwender stehen die kontinuierlichen Langzeitmessungen der Referenzstationen (in standardisiertem Format) zur Verfügung.
Die Referenzstationen registrieren ständig die Signale der GPS-Satelliten
und stellen sie im RINEX-Format bereit. Die Auswertung erfolgt im Postprocessing.
Mit langen Meßzeiten lassen sich Genauigkeiten im Millimeterbereich
erzielen. Es ist zweckmäßig, die präzisen Bahndaten des
International GPS Service for Geodynamics (IGS) zu verwenden.
Weitere Informationen zu GPS finden Sie untern http://www.utexas.edu/depts/grg/gcraft/notes/gps/gps.html.
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