Modul Landschaftsinformatik und Plandarstellung · Hochschule Anhalt Anhalt University of Applied Sciences FB Landwirtschaft, Ökotrophologie und Landschaftsentwicklung Seite 3/12

Modul Landschaftsinformatik und Plandarstellung

Einführung in ArcGIS Teil I:

Einführung

Version 10.0, English

Autor: Msc. Matthias Pietsch Tutorial-Version: 2012

Hochschule Anhalt Anhalt University of Applied Sciences

FB Landwirtschaft, Ökotrophologie und Landschaftsentwicklung

Bachelor Naturschutz und Landschaftsplanung 3. Semester



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Modul Landschaftsinformatik und Plandarstellung Matthias Pietsch

1. Einführung

1.1. Aufbau von ArcGIS

1.1.1 Allgemeines ArcGIS ist die Produktfamilie der Firma ESRI, die sich in Server-Dienste und Klienten unterscheidet (Abb. 1).

Abb. 1: Aufbau der ArcGIS-Produktfamilie (Esri Deutschland 2012)

Die Server-Dienste ArcGIS Server, ArcGIS Image Server, ArcSDE (Datenbankgateway) und ArcIMS (Internet Map Server) stellen Grundfunktionalität zur Verfügung und sind zugleich die Bindeglieder zwischen den GIS Klienten und der unternehmensweiten IT-Infrastruktur. Die Klienten sind funktional abgestufte Anwendungen. Hier stehen die ArcGIS Desktop Klienten ArcView, ArcEditor und ArcInfo im Vordergrund. Diese können über Erweiterungen (z. B. Spatial Analyst, 3D-Analyst, Network Analyst) mit zusätzlicher Funktionalität schrittweise ausgebaut werden. Mit ArcReader steht außerdem ein kostenloser Viewer für ArcGIS Desktop Projekte zur Verfügung. Weitere Klienten sind spezielle browserbasierte Anwendungen auf HTML- oder Java-Basis, ArcReader und ArcGIS Explorer Online als kostenfreie Geodatenviewer sowie mit ArcPad eine auf Pocket PC Geräten lauffähige mobile GIS-Lösung.

1.1.2 ArcGIS Desktop ArcGIS Desktop besteht aus einer Reihe von Softwareprodukten mit denen raumbezogene Daten erzeugt, vielfältig genutzt und ausgegeben werden können. Zu jedem ArcGIS Arbeitsplatz gehören die beiden Komponenten: ArcCatalog und ArcMap unabhängig vom jeweiligen Produkt. Während ArcMap mehr der Analyse und Präsentation von raumbezogenen Daten dient, ist ArcCatalog ein Programm zur Betrachtung und Verwaltung raumbezogener Daten sowie der Metadaten vergleichbar dem Explorer in Windows. Mit Hilfe dieser beiden Anwendungen lassen sich alle anstehenden Aufgaben, von einfach bis schwierig, einmalig oder sich wiederholend, durchführen. Dies umfasst Kartografie, Datenerfassung, die Analyse geografischer Daten und auch das Geoprocessing. Die ArcGIS Desktop-Produkte sollen im folgenden kurz beschrieben werden:



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ArcInfo ArcInfo ist die umfassendste GIS Lösung der ArcGIS Desktop-Produkte. In ArcInfo ist neben den in ArcView und ArcEditor enthaltenen Funktionen ein weiterer Ausbau der Geoverarbeitungs- und Analysewerkzeuge sowie der kartografischen Möglichkeiten enthalten. Als die komplette GIS Lösung bietet ArcInfo alle Funktionalitäten, die zum Aufbau einer GIS-Implementierung benötigt werden - von der Ansicht von Karten und Globen über Geodatenbanken und Metadaten bis hin zu Workflows und Modellen. All dies wird über eine Oberfläche angeboten, die durch Modelle, Skripte und Programmierung den eigenen Anforderungen angepasst werden kann.

Abb. 2: Aufbau des ArcInfo-Desktop-Produkts (Esri Deutschland 2012)

ArcEditor ArcEditor ist das leistungsfähige Desktop GIS für die Erfassung und das Management selbst komplexer Geodaten. Als Ausbaustufe über ArcView enthält ArcEditor alle Funktionen von ArcView und darüber hinaus reichhaltige Funktionalität für die Definition, Erfassung, Bearbeitung und Qualitätssicherung von Geodaten. ArcEditor kann sowohl als Einzelarbeitsplatz aber auch im Multi-User Betrieb eingesetzt werden. Die enthaltenen Werkzeuge und Funktionen erlauben die Realisierung fortgeschrittener Datenmodelle und Versionierungskonzepte wie Replikationskonzepte mit Geodaten.

Abb. 3: Aufbau des ArcEditor-Desktop-Produkts (Esri Deutschland 2012)

ArcView ArcView ist ein komplettes GIS Paket für die Erstellung, Verwaltung, Analyse und Darstellung/Ausgabe von Daten mit Raumbezug. Über Angaben wie Adresse, Ort, Postleitzahl, Region, Land oder etwa eine GPS Koordinate lässt sich für viele Daten meist ein Raumbezug herstellen. Mit ArcView kann dieser Raumbezug genutzt, räumliche Zusammenhänge erkannt, Methoden räumlicher Analyse angewendet und so Ergebnisse und Erkenntnisse erlangt werden, wie sie aus einer Datenbank, einer Tabellenkalkulation oder einer Statistik-Software sonst nicht hervorgehen.

Abb. 4: Aufbau des ArcView-Desktop-Produkts (Esri Deutschland 2012)



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ArcReader ArcReader ist eine kostenfreie Mapping-Anwendung. Damit können vorbereitete Karten und Globen visualisiert, abfragt und ausgeben werden. ArcReader ist eine Lösung, um raumbezogene Inhalte in interaktiver Form weiterzugeben. Mit Hilfe von ArcReader kann jeder Kartenmaterial in genau der Weise nutzen, wie es der Ersteller der Daten mit der Erweiterung ArcGIS Publisher vorher festgelegt hat. ArcReader kann kostenlos bezogen und frei verteilt werden, auch auf eigenen Medien wie CDs oder DVDs. Die Daten können für die ausschließliche Nutzung im Rahmen von ArcReader Dateien gekapselt und verschlüsselt werden.

Abb. 5: ArcReader-Beispiel (eigene Darstellung)

ArcGIS Desktop-Erweiterungen Mit dem Einsatz optionaler Erweiterungen stehen zusätzliche Funktionalitäten für besondere Aufgaben wie Rasterverarbeitung (Spatial Analyst) oder Analysen in der dritten Dimension (3D-Analyst) zur Verfügung. Erweiterungen können in aller Regel in gleicher Weise mit ArcInfo, ArcEditor oder ArcView verwendet werden. ArcGIS Desktop-Erweiterungen Mit dem Einsatz optionaler Erweiterungen stehen zusätzliche Funktionalitäten für besondere Aufgaben wie Rasterverarbeitung (Spatial Analyst) oder Analysen in der dritten Dimension (3D-Analyst) zur Verfügung. Erweiterungen können in aller Regel in gleicher Weise mit ArcInfo, ArcEditor oder ArcView verwendet werden. ArcGIS Online Mit ArcGIS Online bietet ESRI die Zusammenstellung verschiedener webbasierter Dienste sowie den Zugriff auf Daten an. Damit ist in ArcGIS Desktop der Zugriff auf Geodaten (z.B. Luftbilder, Straßendaten, vorgefertigte Dienste) möglich. Andererseits kann damit eine eigene Austausch-Plattform eingerichtet werden.



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1.2. Raumbezogene Daten

1.2.1 Layer Ein Datenrahmen ist eine interaktive Karte, mit der Sie geographische Daten anzeigen, erkunden und abfragen können. Er enthält nicht die eigentlichen Daten, sondern verweist auf Datenquellen. Die geographischen Daten eines Datenrahmens werden in Layern organisiert. Ein Layer entspricht einer Kartenebene und stellt die Objekte einer Datenquelle dar.

Abb. 6: Datenrahmen und Layer

1.2.2 Objektdaten Objekt- bzw. Vektordaten speichern raumbezogene Informationen in einem rechtwinkligen, ebenen Koordinatensystem. ArcGIS unterscheidet zwischen den Objektklassen Punkt, Linie und Fläche. Punkte werden als einzelne XY-Koordinaten und Linien und Umrisse von Polygonen als eine geordnete Reihe von Koordinaten aufgezeichnet. Das Shapeformat von ArcView speichert die Geometrie- und Sachdaten in mehreren Dateien mit unterschiedlichen Namenserweiterungen, die im selben Ordner liegen müssen. Die Geometrien werden in einer .shp-, der Index der Geometrien in einer .shx- und die Attributtabelle in einer .dbf-Datei gespeichert. Im Gegensatz dazu enthält eine ARC/INFO-Coverage eine oder mehrere Objektklassen, wobei ein Layer eines Datenrahmens eine Objektklasse repräsentiert.

Abb. 7a: Objektklasse Punkte Abb. 7b: Objektklasse Linie Abb. 7c: Objektklasse Polygon



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1.2.3 Bilddaten Digitale topographische Karten und Luftbilder sind Bilddaten in einem Rasterformat. Die raumbezogenen Informationen werden hier in den Zeilen und Spalten eines Gitters gespeichert, wobei jede Gitterzelle (Pixel) einen bestimmten Wert enthält. Bei einer gescannten Karte z. B. stellt ein Pixel einen Farbwert dar. Die Anzahl der möglichen Farbwerte pro Pixel (Farbtiefe) hängt von der Anzahl der Bits ab, die beim Speichern verwendet wird. Ein weit verbreitetes Bildformat ist das Tag Image File Format (TIFF), das als Schnittstelle zwischen vielen Grafikprogrammen dient. Mit Hilfe eines World Files werden die Bild- in Weltkoordinaten umgewandelt. Diese Datei mit der Namenserweiterung .tfw enthält die Parameter der Transformation. Der World File besitzt den gleichen Namen wie die Rasterkarte und muss im selben Ordner gespeichert werden. Im Gegensatz zu Objektdaten enthalten Bilddaten keine Attributtabellen.

Abb. 8a: Topographische Karte 1:10.000 Abb. 8b: Digitales Orthophoto Abb. 8c: Weltkoordinaten (.tfw-file)

1.2.4 GRID Rasterdaten können einen erheblichen „Mehrwert“ erlangen, wenn es gelingt, mit den Werten der einzelnen Zellen mathematische Operationen durchzuführen (= GRID). Damit lassen sich die vielfältigsten Rechenoperationen durchführen.

Abb. 9a: Bodentypen (Rasterzellen beinhalten die Pufferfähigkeit als Zellwert)

Abb. 9b: Schummerung einer Geländeoberfläche (Rasterzellen beinhalten den Höhenwert als Zellwert)



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1.2.5 TIN (Triangulated Irregular Network) TIN (Triangulated Irregular Network) ist eine Methode zur Erstellung einer digitalen Geländedarstellung aus Punktdaten im Vektordatenmodell. Das TIN wird durch eine willkürliche Verteilung von Punkten erstellt, die so verbunden werden, dass sie Dreiecke formen. Jeder Punkt verfügt über eine X- und eine Y-Koordinate und ein oder mehrere Attribute (z. B. Höhe).

Abb. 10: Aus einer Punktwolke erzeugtes TIN

Abb. 11: Messpunkte (X, Y und Z-Werte)

1.2.6 Geodatabase Durch die Einführung der ArcGIS-Produktreihe wurde die Möglichkeit der Speicherung von reinen Sachdaten und raumbezogenen Daten in einer Geodatenbank (Geodatabase) eingeführt. Dabei handelt es sich um das primäre Datenformat zur Bearbeitung und Verwaltung von Daten in ArcGIS. Die Ablage erfolgt in Form von Datasets, die als Tabellen in der Geodatabase gespeichert werden. Mit der Einführung der Version 10, wurde die Struktur der Geodatabase geändert, weshalb eine Abwärtskompatibilität nicht gegeben ist! Es werden Personal-Geodatabase, File-Geodatabase und ArcSDE-Geodatabases unterschieden. Versionierung und Mehrbenutzerumgebung sind nur mit der ArcSDE-Geodatabase möglich. Die Personal-Geodatabase verwendet zur Speicherung die Datenbank-Dateistruktur von Access (*.mdb) un speichert alle Informationen in einer Datei. Damit liegt die maximale Speichermöglichkeit bei theoretisch 2GB, wobei die empfohlene Größe bei 250-500MB liegt. Die File-Geodatabase legt die Datasets in separaten Dateien in einem einfachen Dateisystemordner mit der Endung „gdb“ ab. Da nicht nachvollzogen werden kann, welche Inhalte welcher Einzeldatei zuzuordnen ist, ist stets der gesamte Ordner bei einer Dateiübergabe zu übergeben. Theoretisch kann jede einzelne der separaten Dateien bis zu 1TB speichern. Grundsätzlich wird die File-Geodatabase zur Datenverwaltung empfohlen.



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Die ArcSDE-Geodatabase bietet die Möglichkeit der Versionierung und des Mehrbenutzerzugriffs und ist damit für große Datenmengen sowie den Einsatz in Umgebungen geeignet, in denen mehrere Nutzer gleichzeitig lesend und schreibend auf den Datenbestand zugreifen.. Das Geodatabase (Kurzform für "geographic database") Modell ist ähnlich Coverages und Shapefiles in der Lage, verschiedene Objektstrukturen in Ebenen zu verwalten, fügt dem aber noch zusätzliche Möglichkeiten hinzu. So können beispielsweise Z-Werte (3. Dimension) und M-Werte (ortsbezogene Messwerte) geführt werden. Echte Kurven sind ebenso darstellbar wie komplexe Netzwerke und die Beziehungen einzelner Datenebenen untereinander. Frei definierbare Topologie zwischen den einzelnen Datenebenen und Möglichkeiten objektrelationaler Technologie, so wie der temporäre Check-out von Teildatenbeständen im Rahmen eines umfassenden Versionierungskonzeptes, stehen zur Verfügung. Eine vereinheitlichte Form der Speicherung von Rasterdaten ist ebenfalls Bestandteil der Geodatabase.

1.3. Dateiformate

1.3.1 Von ArcGIS unterstützte Datenformate Neben den Dateibasierten Datenformaten kann in ArcGIS mit Daten aus Datenbankmanagementsystemen sowie ArcIMS-Services oder anderen WebServices (WMS, WFS) gearbeitet werden. Vektor

- Shapefiles - Geodatabases - ArcInfo coverages - ArcIMS Feature Services - ArcIMS Map Services - Geography Network connections - PC ARC/INFO coverages - SDE layers - TIN - DXF (Release 12 bis AutoCAD 2006) - DWG (Release 12 bis AutoCAD 2006) - DGN (5.x bis 8) - VPF - OLE DB Tabellen

Raster

- ESRI GRID - ESRI SDE Raster - ESRI Raster Catalogs (Image Catalogs) - ERDAS Imagine (.IMG) - ERDAS 7.5 Lan (.LAN) - ERDAS 7.5 GIS (.GIS) - ERDAS Raw (.RAW) - ESRI Band Interleaved by Line (.BIL) - ESRI Band Interleaved by Pixel (.BIP) - ESRI Band Sequential (.BSQ) - ESRI GRID Stack (<directory>) - ESRI GRID Stack File (.STK) - Windows Bitmap (.BMP) - Controlled Image Base, CIB - Compressed ARC Digitized Raster Graphics, CADRG - DTED Level 0, 1, and 2 (.DT*) - ER Mapper (.ERS) - ER Mapper Enhanced Compressed Wavelet (ECW) - Graphic Interchange Format, GIF (.GIF) - ADRG Image (.IMG) - ADRG Overview (.OVR) - ADRG Legend (.LGG) - JPEG File Interchange Format, JIFF (.JPG) und JPEG 2000 (.JP2) - National Image Transfer Format, NITF 2.0 and 2.1 (.NTF) - Portable Network Graphics (.PNG) - LizardTech MrSID (.SID) - Tagged Image File Format, TIFF (.TIF)



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- Hierarchical Data Format (HDF) 4 - Idrisi Raster Format (RST) - Intergraph raster file (.CIT oder .COT) - PC Raster (.MAP) - PCI Geomatica (.PIX) - Raster Product Format (RPF) - USGS DEM (.DEM) - XPixMap (.XPM)

weitere Formate:

- Text files (.TXT) - PMF - StreetMap Europe SDC

1.3.2 Über Importroutinen unterstützte Datenformate in ArcInfo, Arcview und Arceditor Direkte Umwandlung der folgenden Formate in ein eigenes ArcInfo-Format:

- ADS - DFAD - DIME - DLG - ETAK - GIRAS - IGDS - IGES - MOSS - S-57 - SDTS (Point, Raster, and Vector) - SLF - TIGER (through v2002) - Sun Raster

Direkte Umwandlung der folgenden Formate in ein eigenes ArcView- und ArcEditor-Format:

- AGF - MIF - SDTS (Point and Raster)



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1.4. Onlinehilfe von ArcCatalog

1.4.1 Registrierkarte Inhalt Benutzen Sie bei Fragen zu ArcCatalog, ArcMap oder ArcToolbox die Online-Hilfe. Wenn Sie die Online-Hilfe öffnen, erscheint zuerst das Dialogfenster ArcGIS Desktop Help mit den Registerkarten Inhalt, Favoriten und Search. In der Registerkarte Inhalt finden Sie hierarchisch geordnet Informationen über ArcGIS und eine Einführung in das Programm.

Abb. 12: ArcGIS Desktop Help – Registrierkarte Inhalt

Abb. 13: ArcGIS Desktop Help – Registrierkarte Index

1.4.2 Registrierkarte Favoriten Hier können häufig genutzte Hilfethemen zusammengestellt werden.

Abb. 15: ArcGIS Desktop Help – Registrierkarte Favoriten

1.4.3 Registrierkarte Search Hier wird das ganze Hilfesystem nach Wörtern oder Ausdrücken durchsucht. Die Suchbegriffe können durch logische Ausdrücke (AND, OR, NEAR, NOT) erweitert werden. Sie können angeben, dass nach Begriffen, die ähnlich geschrieben werden (Ähnliche Wörter suchen), nur in den Überschriften der Hilfetexte (Nur Titel



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suchen) oder nur im Resultat einer vorherigen Suche gesucht wird. Geben Sie das gesuchte Wort in das erste Textfeld ein und betätigen Sie die Schaltfläche „Ask“. Wählen Sie ein Thema durch Auswahl im Inhaltsverzeichnis aus.

Abb. 14: ArcGIS Desktop Help – Registrierkarte Search

1.4.5 Querverweise: Verwandte Hilfethemen Wenn Sie sich gerade über ein Thema in der Hilfe informieren, werden Sie oft unterstrichene Wörter bzw. Sätze in Farbe vorfinden. Durch diese Querverweise werden verwandte Hilfethemen beschrieben, zu denen Sie durch Anklicken wechseln können. Sie erhalten damit die Möglichkeit Unklarheiten durch genauere und umfangreichere Informationen zu ersetzen.

Abb. 16: Querverweis zu verwandten Hilfethemen

1.4.6 Kontext-Hilfe Die kontextbezogene Hilfe ermöglicht Ihnen auf direktem Weg Hilfe zu erlangen, ohne lange suchen zu müssen. Drücken Sie die Tasten Shift + F1, um sich das Hilfethema über das geöffnete Dialogfenster oder das aktive Dialogfeld anzeigen zu lassen. Wenn Sie auf die Schaltfläche What's this klicken, verändert sich der Mauszeiger zu einem Zeiger mit Fragezeichen. Klicken Sie anschließend auf einen Menübefehl, eine Schaltfläche, ein Werkzeug oder ein Dokument um die entsprechende Seite im Hilfesystem zu öffnen.

Abb. 17: kontextbezogene- oder What’s this Hilfe



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1.4.7 Hilfe im Dialogfenster Viele Funktionen starten Dialogfenster. Um hier schnelle Hilfe zu erhalten, drücken Sie die Schaltfläche mit dem Fragezeichen, drücken Sie die Taste F1 oder die rechte Maustaste.

Abb. 18: Hilfe im Dialogfenster über die ?-Schaltfläche

Literatur & Quellenverzeichnis:

- Abb. 1 bis 5: ESRI Geoinformatik GmbH, 2012 - BALZERT, H. (1999): Lehrbuch der Objektmodellierung: Analyse und Entwurf. Spektrum Akad. Verl. Heidelb., Berlin - GI Geoinformatik GmbH (2011): ArcGIS 10 – das deutschsprachige Handbuch für ArcView und ArcEditor,

Wichmann Verlag VDE Verlag GmbH, Berlin und Offenbach - ZEILER, M. (1999): Modeling Our World, The Esri Guide to Geodatabase Design.

Weiterführende Links:

- www.esri-germany.de - www.esri.com

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