Erfassung raumbezogener Daten Erfassungsverfahren im Überblick · Erfassung raumbezogener...
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Erfassung raumbezogener Daten-
Erfassungsverfahren im Überblick
Prof. Dr.-Ing. Ralf BillUniversität Rostock
Agrar- und Umweltwissenschaftliche FakultätProfessur für Geodäsie und Geoinformatik
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Anliegen
Grundsätzliche Vorbemerkungen zur raumbezogenen Erfassung von Daten
Unterschied Primär- und Sekundärerfassung kennenlernen
Grobe Charakterisierung verschiedener Erfassungsmethoden
Aufzeigen von Trends in der Datenerfassung
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Inhalt
Übersicht zu raumbezogenen Erfassungsmethoden
Systematische Charakterisierung gängiger Erfassungsmethoden
Trends in der Datenerfassung
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Raumbezogene Datenerfassung
Einstieg in die GIS-Verarbeitungskette Aufwändiger Prozess Oftmals mehrere Möglichkeiten der Datenerfassung => Vielfalt
Wahl abhängig von Anwendung und dem zu erfassenden Objekt
Abwägungsprozesse bei der Datengewinnung Wirtschaftlichkeit und Aufwandsabschätzung Qualität, sowohl geometrisch (maßstabsorientiert) als auch thematisch, Exaktheit, Vollständigkeit und Sachgerechtheit der Daten, Aktualität bzw. zeitliche Passfähigkeit der Daten
Die Datenerfassung sollte zum einen so genau und vollständig wie notwendig und zum anderen so wirtschaftlich wie möglich erfolgen.
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Einteilung der Erfassungsmethoden
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Charakteristiken von Erfassungsmethoden
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Methode Primäres Element
(Verarbeitung)
Genauigkeit (ca.)
Eignung für Gebiete
Aufwand (Geräte)
VermessungTachymetrieTerrestr. LaserscanningMobiles LaserscanningGNSS
Punkt/LiniePunktPunkt
Punkt/Linie
cm – dmcm – dmcm – dmcm – m
lokal – regionallokallokal
lokal – global
mittelmittelhoch
gering
FernerkundungPhotogrammetrieDGM (Höhe)Airborne LaserscanningVisuelle InterpretationAutom. Fernerkundung
Punkt/LiniePunkt/Linie
PunktFlächeFläche
1 * 10-5* mb
1 * 10-4* hg
dm-
>1 m
lokal – regionallokal – regionallokal – regionallokal – regionallokal – global
hochmittelmittelgeringhoch
Digitalisierungmanuellsemi-automatischautomatisch
Punkt-LiniePunkt-Linie
Punkt-Fläche
2,5 * 10-4* mk
2,5 * 10-4* mk
2,5 * 10-4* mk
lokal – globallokal – globallokal – global
mittelhochhoch
Legende: mb = Bildmaßstab, mk = Kartenmaßstab, hg = Flughöhe
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Einordnung der Erfassungsmethoden
GIS-Anwendungs-abhängigkeit von Maßstäben und Datenquellen
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Erfassung
Quelle
VermessungPhotogrammetrie
Fernerkundung
Digitalisieren
ObjektAbbild
Karte AtlantenDatenbanken
Maß
stab
szah
l
1.000.000
100.000
10.000
1.000
KommuneUmweltVer-/EntsorgungLiegenschaft
Lokal
Regional
TopographieStatistikPlanungUmwelt
Global
GeographieUmweltKlimaGeopolitik
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Einteilung der Datenerfassung
in Bezug zur Quelle: Primäre Datenerfassung
- Vermessung- Photogrammetrie- Fernerkundung- Interviews/Fragebögen- Umweltmessnetze- andere
Sekundäre Datenerfassung- manuelle Digitalisierung- semi-automatische Digitalisierung- automatische Digitalisierung- andere
in Bezug zum Datentyp: Geometriedaten (Vektor - Raster)
- Vermessung- Photogrammetrie- Fernerkundung- andere
Sachdaten/Thematische Daten- Fernerkundung- Interviews / Fragebögen- Tastatureingabe- Dokumentenleser- Umweltmessnetze - andere
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Primärerfassungsmethoden
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Primärdatenerfassung/Originärdatenerfassung
Daten werden direkt am Objekt oder dessen unverarbeitetem Abbild gewonnen. Als wichtigste Methoden der topographisch-geographischen Erfassung digitaler Geodaten sind die Vermessung sowie die Photogrammetrie und Fernerkundung zu nennen. Andere originäre Erfassungsmethoden sind thematische Felderhebungen (z. B. Biotopkartierung) oder Permanentregistrierungen in Messnetzen (Wasserstände, Gewässergüte, Radioaktivität etc.). Auch Interviews und Befragungen führen zu originären Daten, dann aber eher zu Sachdaten.
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Geometriedaten Vermessungsmethoden
- Tachymetrie, TLS, GNSS u.a. Photogrammetrie inkl. Airborne
Laserscanning Fernerkundung
Sachdaten Fernerkundung Interviews Fragebogen etc.
- Tastatureingabe- Belegleser
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Tachymetrie
Prinzip „Vom Großen ins Kleine“ In das von der Landesvermessung
geschaffene Grundlagennetz werden die lokalen Vermessungen eingehängt
Auswerteprinzip „Polares Anhängen“ Überbestimmung und
Ausgleichungsrechnung
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Kombinierte Trilaterationund Triangulation
Polygonzüge, freie Stationierung und Tachymetrie
Grundlagennetz – Global bis regional
Detailvermessung
Tachy-metrie
Polygonzüge
Freie Stationierung
A
hz
B
shAB
hB = hA + s cot (z)
x
y
C
A
B
s tAB
tAC
xB = xA + s cos (tAB)yB = yA + s sin (tAB)
Vertikalschnitt
Grundriss
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Tachymetrie
Geräte: Tachymeter
Datentyp: Merkmal-codierte Vektordaten
Qualität: mm-cm
Besondere Merkmale: 400-800 Punkte / Tag 100-1000 Punkte / ha Dichte selektive Übernahme
Vielfältige Anwendungen lokale Bereiche N X Y P
212 132.45 243.01 KD213 138.97 231.33 Sch
Projekt: Rostock - [Digitale Karte]
Whs. 9
Sch
34.4
GI-Erfassung 12
XA , YA , HA
XB , YB ? , ? , ?
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Terrestrisches Laserscanning(TLS)
Geräte: Video-Tachymeter Laserscanner
Datentyp: Punktwolken (Vektordaten)
Qualität: mm-cm
Besondere Merkmale: Große Datenmengen Punktwolken Nur tlw. automatisierbar
Vielfältige Anwendungen
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www.trimble.com/spatialimaging.shtml
GI-Erfassung 13
3D-Punktwolke 3D-Vektormodell
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Global Navigation Satellite System (GNSS)
Unterschiedliche Messprinzipien
Unterschiedliche Empfänger Einbindung in mobile
robuste Felderfassungs-systeme
Als Komponenten von Smartphones für jedermann
Unterschiedliche Beobachtungstypen
Unterschiedliche Genauigkeiten
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s1s2
s3s4
P(X,Y,Z)
Positionierung mit nur einem Empfänger Satellitenspezifische Fehler bleiben voll erhalten (keine Differenzenbildungzwischen Empfänger möglich)
s1
P(X,Y,Z)P(X,Y,Z)
Positionierung mit zwei EmpfängernHäufigste Positionierungsform (Differenzen-bildung zwischen Empfänger und Satellitenmöglich)Statisch und kinematischDie meisten Fehlereinflüsse werden eliminiert
Positionierung mit vielen Empfängern
Nur statisch
Absolut
Differenziell/relativ
Netzwerk
Beobachtungstyp Empfänger Differenzenbildung Empfängeranzahl Zeitpunkt der Auswertung
Phase statisch Differenzierungsstufe absolut Echtzeit (Realtime)Pseudorange kinematisch Differenzierungsart relativ NachbearbeitungLinearkombination Stop-and-go Netz (post processing)Phasenglättung
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Global Navigation Satellite System (GNSS)
Geräte: GNSS-Empfänger
Datentyp: Merkmal-codierte Vektordaten
Qualität: mm-m
spezifische Merkmale: 400-800 Punkte / Tag 100-1000 Punkte / ha Dichte selektive Übernahme
Vielfältige Anwendungen lokale Bereiche
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Total Positioning System(TPS)
Geräte: Tachymeter GNSS
Datentyp: Merkmal-codierte Vektordaten
Qualität: mm-cm
Besondere Merkmale: 400-800 Punkte / Tag 100-1000 Punkte / ha Dichte selektive Übernahme
Vielfältige Anwendungen lokale Bereiche
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1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1112
13
TS
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Mobile Datenerfassung
Geräte: Smartphone, Tablet PC, FieldPad Integriertes GNSS Freihand-Distometer
Datentyp: Merkmal-codierte Vektordaten
Qualität: m-dm
Besondere Merkmale: 400-800 Punkte / Tag 100-1000 Punkte / ha Dichte selektive Übernahme
Vielfältige Anwendungen lokale Bereiche
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Mobiles Laserscanning(MLS)
Geräte: GNSS/INS Kamera Laser-Scanner
Datentypen: Punktwolke (Vektordaten) Bilder (Rasterdaten)
Qualität: dm-cm
Besondere Merkmale: Große Datenmengen Punktwolken Nur teilweise automatisierbar
Vielfältige Anwendungen
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Fernerkundung und Photogrammetrie
Fernerkundung bezeichnet ein indirektes berührungsfreies Beobachtungsverfahren. Messungen werden nicht direkt am Objekt, sondern an dessen Abbild ohne direkten Kontakt des Sensors mit dem zu erkundenden Objekt durchgeführt. Zu messende Größe wird aus der vom Objekt reflektierten oder emittierten elektromagnetischen Strahlung abgeleitet.
Photogrammetrie bezeichnet die Gewinnung und Verarbeitung von Informationen über Objekte und Vorgänge mittels Bildern, schwerpunktmäßig mit der Bestimmung der Form, Größe und Lage von Objekten im Raum.
Fernerkundung Interpretation der Bilder Luftbildinterpretation Satellitenbildauswertung
Photogrammetrie Ausmessung der Bilder
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Fernerkundung
Photo-grammetrie
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Luftbildphotogrammetrie
Gewinnung und Verarbeitung von Informationen über Objekte und Vorgänge mittels Bildern, schwerpunktmäßig mit der Bestimmung der Form, Größe und Lage von Objekten im Raum.
Die Bilder werden durch photogrammetrische Kameras an Bord von Luftfahrzeugen gewonnen und durch photogrammetrische Auswertung verarbeitet. Analoge Bilder => analoge bzw. analytische Photogrammetrie Digitale Bilder => digitale Photogrammetrie
Die Photogrammetrie nutzt in der Regel das Stereoprinzip, d. h. sich um bestimmte Bereiche überlappende, von unterschiedlichen Standorten aufgenommene Bilder desselben Objekts können dreidimensional ausgemessen werden.
Zentralprojektion dient als Abbildungsprinzip einer Kamera. Luftbilder:
Schwarz-Weiß-Bilder, Farbbilder, Farbinfrarotbilder (CIR-Colour Infrared), Thermalbilder Erweiterbar um weitere Sensoren: Airborne Multisensorsystem
Airborne Laserscanning Multispektral- oder Hyperspektralkamera
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Luftbildphotogrammetrie
Geräte: Kamera GNSS/INS
Datentyp: Rasterdaten
Qualität: m (Abbildungsmaßstab abhängig)
Besondere Merkmale: Große Datenmengen hoch automatisierbar standardisierte Produkte
- Orthophotos- Digitale Geländemodelle
Vielfältige Anwendungen
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RGB
Flugbahn
Überlappung 15-25%
Überlappung ca. 60%
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Luftbildphotogrammetrie
Stereoauswertung in 3D Analytische Auswertung Digitale Auswertung Genauigkeit:
- abhängig vom Bildmaßstab Eignung:
- Lokale bis regionale Ausdehnung Ergebnis:
- Objektcodierte Vektordaten Digitales Geländemodell
manuell bei analytischen Geräten automatisch bei digitalen Geräten Ergebnis:
- Oberflächenpunkte und -beschreibung
Digitale Orthophotos Automatiiert ableitbar mittels digitaler
PhotogrammetrieGI-Erfassung © 2016 UNIVERSITÄT ROSTOCK | Geodäsie und Geoinformatik | Prof. Dr.-Ing. Ralf Bill 22GI-Erfassung 22
Photogrammetrische StereoaufnahmeBild Bild
Gelände
Basis bcFlugrichtung
Stereo-auswerte-bereich
'1P ''
1P
gh
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AirborneMultisensorsystem
Geräte: Multispektrale Sensoren (Kamera) Hyperspektrale Kamera GNSS/INS
Datentyp: Rasterdaten
Qualität: m – dm (Plattformabhängig)
Besondere Merkmale: Hohe Datenmenge hoch automatisierbar standardisierte Produkte
- Orthophotos- Digitales Gelände-/Oberflächenmodell
Vielfältige Anwendungen
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GNSS
INS MultispektralerPushbroomScanner
GI-Erfassung 23
GNSS
LaserMSS
Kamera
Luftbild
INS
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Beispiel HRSC-A-Befliegung Rostock
RGB DOM
HRSC-A Aufnahme, Rostock Lütten Klein, 19.05.2000
HRSC-A (DLR)Befliegungen: 2000/2002Bodenauflösung: 16 cm
Anwendungen- Aktuelle topographische Grundlage- Gebäudekataster- Flächennutzung / Versiegelung - Grünflächenkataster- Baumkataster / Stadtforst- ...
GI-Erfassung 24© 2016 UNIVERSITÄT ROSTOCK | Geodäsie und Geoinformatik | Prof. Dr.-Ing. Ralf Bill
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Airborne Laserscanning(ALS/Lidar)
Geräte: GNSS/INS Laserscanner/Lidar
Datentyp: Vektordaten
Qualität: dm-cm
Besondere Merkmale: Große Datenmengen Punktwolken Automatisierbar First pulse/last pulse Continuous wave
Produkte: DOM/DGM
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Unmanned Airborne System (UAS)
Geräte: GNSS/INS Kamera oder andere Sensoren
Datentyp: Rasterdaten/Vektordaten
Qualität: dm-cm
Besondere Merkmale: Low-cost-ad-hoc-Flug Große Datenmengen hoch automatisierbar standardisierte Produkte
- georeferenzierte Bilder- Orthophotos- Digitales Geländemodell
Vielfältige Anwendungen ltig © 2016 UNIVERSITÄT ROSTOCK | Geodäsie und Geoinformatik | Prof. Dr.-Ing. Ralf BillGI-Erfassung 26
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Unmanned Airborne System (UAS)
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Eingangsdaten
Originalbilder Geotags und Passpunkte
Bilddatenverarbeitung
Punktverknüpfung zwischen den Bildern
Automatische Aerotriangulation
Bündelblockausgleichung(innere Orientierung,
Kamerapositionierung und äußere Orientierung)
Automatische Verknüpfungspunkte
Qualitätsbericht
Bildweise Punktextraktion
Punktwolkenverarbeitung
Gefilterte Punktwolke(ohne Farbberücksichtigung)
Dreiecksvermaschung
Gefilterte Punktwolke(mit Farbberücksichtigung)
Verdichtete Punktwolke
DOM und Orthomosaikerzeugung
Gitter DOM(ohne Farbberücksichtigung)
Orthomosaik
Gitter DOM(mit Farbberücksichtigung)
Raster DOM
Erweiterungen
3D triangulierte Punktwolke
3D-Dreiecksvermaschung
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Optische Satelliten-fernerkundung
Geräte: Multispektrale Sensoren (Kamera)
Datentyp: Rasterdaten
Qualität: 100 m – dm (Plattformabhängig)
Besondere Merkmale: Hohe Datenmenge standardisierte Produkte
- georeferenzierte Bilder- Klassifizierung
Vielfältige Anwendungen
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multi sensoral /multi-skalig /multi-temporal
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Mikrowellen-Satelliten-fernerkundung
Geräte: Radar (Mikrowellen-Sensoren)
Datentyp: Rasterdaten
Qualität: 100 m – m (Plattformabhängig)
Besondere Merkmale: Hohe Datenmenge komplizierte Interpretation georeferenzierte Bilder
Vielfältige Anwendungen
© 2016 UNIVERSITÄT ROSTOCK | Geodäsie und Geoinformatik | Prof. Dr.-Ing. Ralf BillGI-Erfassung 29
TerraSAR-X: http://www.dlr.de/eo/desktopdefault.aspx/tabid-5725/9296_read-15979/
Sydney Harbour Bridge
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Fernerkundung/Photogrammetrie
Fernerkundung und Photogrammetrie sind äußerst leistungsfähige Verfahren zur Erzeugung von Geodaten
Fernerkundung und Photogrammetrie stellen verschiedenste Ansätze bereit Multisensoral (Film, CCD ...) Multiskalig (... 1:100 – 1:1.000.000 ...) Multispektral (Farbe, IR, Thermal, Radar ...) Multitemporal (Echtzeit, on demand, periodisch)
Fernerkundung und Photogrammetrie sind hochgradig automatisierbar und digital Zukunftsperspektiven positiv
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Geosensornetzwerk
Geräte: Low-cost-Sensoren Kamera GNSS INS drahtlose Kommunikation
Datentyp: Beobachtungen
Qualität: Sensorabhängig
Besondere Merkmale: selektive Übernahme Integration in GDI mittels SWE
Vielfältige Anwendungen
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Sensornetzwerk
Gateway
Senke
Satellit
Internet
SLEWS-Knoten
Beschleunigungssensor
Neigungssensor
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Umweltmessnetze
kontinuierliche Messwerterfassung in Netzen von Messstationen dient der Erhebung von Daten im Umweltbereich
Geräte: Sammlung von Messtationen
Datentyp: Beobachtungen georeferenziert
Qualität: Sensorabhängig
Besondere Merkmale: 24/7/365 präzise automatisch
Vielfältige Anwendungenhttp://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Umwelt_Messstation_Barsb%C3%BCttel.jpg
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Umweltmessnetze
Charakteristiken Automatisch Kontinuierliche Erfassung Speicherung Qualität Aufbereitung Präsentation Probenahmestellen Aktualität
Beispiele PegelOnline - Wasserstände FluGGS - Flussgebietsmanagement Ubimet – Wetterdaten Marnet - Küstenmessnetz
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Verkehrs- und Mobilitätsdatenerfassung
Infrastrukturkomponenten: Induktivschleifen Videokameras Radardsensoren
Mobilsensoren: Floating Car Data (FCD)
- GNSS plus Fahrzeugsensorik (Tachometer, Drehzahlmesser, Taxameter ..) Extended Floating Car Data (xFCD)
- Assistenzsysteme in Fahrzeugen wie ABS, ASR, ESP, Regensensoren und das Fahrzeugdiagnosesystem
Car2X-Kommunikation (Car2X)- Kommunikation zwischen Fahrzeugen untereinander und zwischen- Fahrzeugen und der Verkehrsinfrastruktur
Traffic Message Channel (TMC) digitales System zur Meldung von Verkehrsbeeinträchtigungen
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Nutzergenerierter Content
Neogeography Volunteered Geography Information
(VGI) Humans as Sensors Crowdsourcing
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Artenfinder-App von GeoMobileFotoapparat, Kompass und GPS
Geräte: Smartphone ~ 10 low-cost-Sensoren Kamera GNSS drahtlose Kommunikation
Datentyp: Koordinaten Bilder Beobachtungen
Qualität: Sensorabhängig
Besondere Merkmale: selektive Übernahme Integration in intelligente Umgebungen
Vielfältige Anwendungen
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Nutzergenerierter Content/Crowdsourcing
Bürgerplattformen Klarschiff.HRO Leerstandsmelder
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Soziale Netzwerke: Facebook Twitter Flickr Instagram
Datentyp: Texte, Nachrichten Bilder Tlw. georeferenziert
Qualität: Sehr unterschiedlich
Vielfältige Anwendungen
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Originäre Erfassungsmethoden Photogrammetrische Stereoauswertung: Standardmethode bis regionale
Gebietsausdehnungen Laserscanning: bis regionale Gebietsausdehnung Tachymetrie/GPS: für lokale Gebietsausdehnung
Sekundäre Erfassungsmethoden Digitalisierung (oder Scannen) von Höhenlinien
Erfassung digitaler Geländemodelle
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Profile BildverarbeitungGitter Höhenlinien ProgressiveSampling
Tachymetrische/Photogrammetr.
Einzelpunkte
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Primäre Erfassungsmethodenfür Sachdaten
Sachdaten mit direkter Georeferenzierung Feldaufnahme Messen und Zählen Ortungsmethoden angepasste Spezialmethoden
- Georadar- Seismische Verfahren- Bohrungen
Sachdaten mit indirekter Georeferenzierung Interviews (Befragungen,
Telefonaktionen) Stichprobenerhebungen repräsentative Umfragen Volkszählungen Meldewesen
- Einwohnermeldeamt- Kfz-Zulassung
Konsumdaten
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Sekundärerfassungs-methoden
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Sekundärdatenerfassung
Die sekundären Erfassungsmethoden sind weitverbreitet und spielen im GIS eine bedeutende Rolle. Gemeinsam ist ihnen, dass sie von einem vorgegebenen, für einen bestimmten Zweck erstellten Produkt oder einer Quelle ausgehen, die bereits das Ergebnis maßstabs- oder themenbedingter Aufbereitung der Objektdaten waren, und damit genau der Informationsgehalt vorliegt, der bei der Primärdatenerfassung von Interesse war.
Genauigkeit schlechter als bei der Urerfassung. Aktualitätszustand stimmt mit dem Sekundärmedium, nicht aber mit der
Realität überein. Gängige Verfahren
Manuelle Digitalisierung Semi-automatische Digitalisierung Automatische Digitalisierung Existierende Datenquellen Andere
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Manuelle Digitalisierung
Geräte: Digitalisiertisch Bildschirm (heads-up-digitizing)
Datentyp: Merkmal-codierte Vektordaten
Qualität: dm-m (Maßstababhängig)
Besondere Merkmale: Weniger Datenmenge selektive Übernahme
Anwendung: vielfältig
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Digitalisierungslupe
Digitalisierungs-tablett
Bildschirm
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Scanning - (semi)-automatische Digitalisierung
Geräte Scanner
Datentyp: Rasterdaten Raster-Vektor-Konvertierung
Qualität: dm-m (Maßstababhängig)
Besondere Merkmale: Große Datenmengen teilweise automatisierbar
Anwendung: vielfältig
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Analoge Karte
Rasterdaten
Scannen Raster-VektorWandlung- oderhalbautomatischeDigitalisierung
Vektordaten
Nachbearbeitung
Importieren inGIS-oderMapping-Software
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Andere Verfahren
Alphanumerische Dateneingabe Belegleser
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Digitale Datenübernahme
Geräte: Datenspeicher (CD, disk, USB ..) Internet
Datentyp: Rasterdaten Vektordaten Sachdaten Andere
Qualität: abhängig von der Anwendung
Besondere Merkmale: Verschiedene Formate
Anwendung: vielfältig
Interfaces: Austauschschnittstellen: ASCII, CSV usw. SQL NAS SHP/DXF OGC W*S Andere
Datenträgeraustausch: Disketten CD Internet
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Eher Attribute als Geometriedaten
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Trends
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Trends in der Datenerfassung
Reflektorlose/zielverfolgende Tachymetrie = Ein-Mann-Vermessung Digitale Orthophotos ubiquitär Laserscanning in allen Variationen: Terrestrisch, Mobil und Airborne Global Navigation Satellite System (statisch und kinematisch) ubiquitär Mobile Felddatenerhebung mit Handheld-Computer oder Smartphone durch
jedermann
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Mobile Felddatenerhebung der Zukunft
Integration Feld und Büro
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Quelle: aktualisiert nach H. Ingensand, 1996GI-Erfassung 47
N X Y P212 132.45 243.01 KD213 138.97 231.33 Sch
Sensorik
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N P212 - KD213 - Sch
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Verarbeitung
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Geoinformationsgewinnung im Wandel der Zeiten
1970
1980
1990
2000
2010
Kommerzielle GeofachdatengenerierungAmtliche Geobasis- und Geofachdatengenerierung
ALK/ALB ATKIS AAAUIS
Kommerzielle Geodatengenerierung
NIS Navigationssysteme Earth Viewer
User generatedcontentOSM VGI
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Selbststudium
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Literatur-hinweis
GI-Erfassung
Bücher: Bill (2016): Kapitel 5 Ehlers/Schiewe (2012): Kapitel 3
Podcasts: GIS-Erfassung
eLearning-Plattformen: Geoinformation.net:
- z.B. Modul Fernerkundung GITTA:
- Data Capture module ferGI:
- Mehrere Module – Erfassung– Airborne Laser Scanning– Mobile Datenerfassung mit einem PDA
50© 2016 UNIVERSITÄT ROSTOCK | Geodäsie und Geoinformatik | Prof. Dr.-Ing. Ralf Bill