Anleitung zur Rasterdatenaufbereitung

Ulrike Seiler & Katrin Ebner

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Einleitung

In diesem Bericht werden die Arbeitsschritte zur Aufbereitung der analogen Archivdaten für das Ziel3/Cíl3 Projekt „Raumbezogene historische Informationen als Grundlage für die Pflege- und Entwicklungsplanung in den Wäldern der Sächsisch-Böhmischen Schweiz“ beschrieben. Diese Vorarbeiten sind für die Erstellung des Fachinformationssystems (FIS) zur historischen Waldentwicklung erforderlich. Der Bericht gibt Auskunft über die Verfahren und verwendeten Parameter zur Rasterdatenaufbereitung. Diese Rasterdaten bildeten die Grundlage zur Erfassung der Karteninhalte in einem fachspezifischen Geographischen Informationssystem (GIS). Die dafür verwendeten Methoden und Bearbeitungsschritte werden in einem zweiten, separaten Bericht erläutert.

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Bearbeitungsschritte

Die Rasterdatenaufbereitung ist notwendig, da die historischen Karten in analoger Form auf einzelnen Kartenblättern im Hauptstaatsarchiv vorliegen. Für die Erfassung im FIS sind diese Karten zunächst in ein digitales Datenformat zu überführen, die Bilddaten anschließend in ein Koordinatensystem einzupassen und zu einer blattschnittfreien Datengrundlage zusammenzufügen. Die folgende Abbildung 1 stellt schematisch die dafür notwendigen Arbeitsschritte dar. Für das Georeferenzieren und Mosaikieren der Bilddaten wurde die Rasterbildverarbeitungssoftware ERDAS Imagine, Version 8.7 verwendet.

Abb. 1: Arbeitsschritte und Ergebnisse der Rasterdatenaufbereitung, (SEILER 2011)

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Durch Scannen sind im ersten Arbeitsschritt aus den analogen Kartenblättern digitale Rasterbilder erzeugt worden. Diese Arbeiten wurden auf Grund der großen Stückzahl und der Gewährleistung konservatorsicher Bedingungen vom Digitalisierungszentrum der Sächsischen Staats- und Universitätsbibliothek übernommen. Die großformatigen Kartenblätter (ca. A0 Format) wurden mit einem Reproscanner (HIT Vario digital XL) planar und mit einer Auflösung von 200 bis 330 dpi gescannt. Die historischen Forstbestandskarten liegen anschließend in einem Rasterbildformat (.tif) vor. Diese Bilddaten besitzen keinen räumlichen Bezug, so dass den enthaltenen Bildobjekten im weiteren Vorgehen die entsprechenden Koordinaten zugewiesen werden mussten. Dieser Arbeitsschritt wird als Georeferenzierung bezeichnet. Dabei werden die Bilddaten in ein geodätisches Referenzsystem eingepasst und innerhalb der Bilder bestehende geometrische Verzerrungen eliminiert. In der Software definierte Transformationsgleichungen übertragen die Bildpunkte des Eingangsbildes in die Matrix des georeferenzierten Ausgabebildes. Die verwendeten Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Für die Umwandlung der Bilddaten wurde ein polynominales Interpolationsverfahren 2. Ordnung verwendet. Dieses Verfahren basiert auf der räumlichen Beziehung zwischen gewählten Passpunkten. Ausgehend von einem Referenzbild mit einem räumlichen Bezug, z. B. einer topographischen Karte, werden eindeutig erkennbare, lagetreue Punkte markiert und in das zu georeferenzierende Bild übertragen. Als Passpunkte eignen sich besonders Straßen- und Wegkreuzungen, Brücken oder Gebäudeecken. Die im Rahmen der Forsteinrichtung geschaffene räumliche Gliederung der Waldflächen und die Etablierung von Wegen und Schneisen lieferten gute Anhaltspunkte für die Georeferenzierung. Auf Grund der räumlichen Beziehungen kann die Lage aller anderen Bildpunkte für das Ausgabebild anhand der Passpunkte interpoliert werden. Das polynominale Modell 2. Ordnung verschiebt dabei die neu zuzuordnenden Bildpunkte nicht nur linear, sondern räumlich (HELLER, 2002). Für die Zuweisung der Farbwerte während der Transformation wurde die Nearest Neighbor Methode gewählt. Dabei wird dem Bildpunkt der Farbwert zugewiesen, der der berechneten Koordinate am nächsten liegt. Die Originalwerte bleiben im georeferenzierten Bild erhalten. Als Grundlage für die Referenzierung standen die Topographische Karte 1:10.000 (TK 10) und die Forstgrundkarte (FGK) des Staatsbetriebs Sachsenforst zur Verfügung. Die TK 10 wurde lediglich zur räumlichen Orientierung und zum Auffinden geeigneter Passpunkte genutzt. Diese wurden in der FGK gesetzt und damit deren Lageinformationen in das zu georeferenzierende Bild übernommen, um die späteren Ergebnisse möglichst lagegenau in die forstlichen GI-Systeme übertragen zu können. Für jeden Bilddatensatz wurden mindestens 20 bis 30 Passpunkte verwendet. Für Bilddaten des Zeitschnittes 1924 mit größeren kompakten Waldflächen reichte diese Anzahl nicht aus, z. B. wurden für das Kartenblatt Revier Hohnstein (vgl. Anhang 1) 95 Passpunkte verwendet. Bei der Wahl der Ausgabegröße des georeferenzierten Bildes war neben der Dateigröße auch die Auflösung des Rasterbildes zu berücksichtigen. Eine hohe Auflösung erwies sich trotz umfangreicher Dateigröße (bis 500 MB) in der weiteren Bearbeitung als vorteilhaft, da das Erkennen von Signaturen und damit das Generieren wichtiger Karteninformationen sehr stark davon abhingen. Die nunmehr georeferenzierten Bilddaten lagen für jedes Forstrevier in einer separaten Datei in einem Rasterdatenformat (*.img) vor.

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Tab. 1: Georeferenzierung - Tools und Parameter der Software ERDAS Imagine 8.7, (SEILER, 2011)

Tools

Parameter

Einstellungen/Eigenschaften

Geometrisches Modell

Polynominal Modell

2. Ordnung

Projektion: Spheroid: Datum: Mittelmeridian:

Gauß-Krüger Bessel_1841 Potsdam Rauenberg 15°

Einstellungen für Referenzgrundlage die Referenzierung

Transformation

Forstgrundkarte und Topographische Karte 1:10.000

Anzahl der ground control points (GCP)

mind. 20 – 30 Passpunkte pro Kartenblatt

Resampling method

Nearest neighbor

Ausgabegröße und Auflösung des Bildes (Cell Size)

1 x 1 Meter bis 3 x 3 Meter

Abb. 2: Georeferenzierung – Ausgangsdaten und Ergebnis, Bearbeitung ERDAS Imagine 8.7

Die Erstellung eines Kartenmosaiks für jeden Erhebungszeitpunkt war erforderlich, um eine einheitliche Bearbeitungsgrundlage für die Vektorisierung der Karteninhalte im GIS zu erhalten. In diesem Arbeitsschritt wurden die Kartenränder der einzelnen Rasterdaten entfernt und diese in einer Datei zusammengefügt. Das Vorgehen des Mosaikierens ist in Tabelle 2 dargestellt. Für jede Bilddatei wurde zunächst ein individuelles AOI (Area of Interest) im ERDAS Imagine Viewer digitalisiert. Diese AOIs legen den zu berücksichtigenden Bildbereich der Eingangsdaten beim Zusammenfügen der Bilder fest. Das Einlesen der Bilddaten 137

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und der zugehörigen AOIs im Eingabemodus des Mosaic Tools kann über verschiedene Optionen erfolgen, die insbesondere bei größeren Bildblöcken vorteilhaft sind. Es wurde die Option individual files gewählt, da nur in diesem Fall unterschiedlich definierte AOIs eingelesen werden können. Nach Aufruf des Verschneidungsmodus wurde festgelegt, wie die verschiedenen Bilddaten zusammenzufügen sind. Als Option wurde no cutline exists verwendet. Dabei werden die vorhandenen Bildkanten als Schnittlinien genutzt. Es ist ebenfalls möglich, die Schnittlinien (cutlines) in Form von AOIs zu definieren und diese damit separat vom Bildausschnitt zu bestimmen. Beim Zusammenfügen der Bilddaten können unterschiedliche Darstellungen für die Überlappungsbereiche gewählt werden. Für die Bearbeitung wurde overlay als Verschneidungsfunktion verwendet, um bestehende Überlappungen als klare Trennlinie im Mosaik zu erhalten. Das Gesamtmosaik wurde mittels union of all inputs zusammengefügt. Als Ergebnis entstanden georeferenzierte Rasterbilddaten im Datenformat *.img, die für jeden Zeitschnitt das gesamte Untersuchungsgebiet in einer Bilddatei enthielten (vgl. Anhang 2 und 3). Tab. 2: Mosaikierung – Bearbeitungsschritte im Mosaic Tool der Software ERDAS Imagine 8.7, (SEILER, 2011)

Mosaic Tool – Bearbeitungsschritte Eingangsdaten: Viewer öffnen Georeferenzierte Rasterbilddaten (*.img), separat für jedes Forstrevier vorliegend; Festlegen der zu mosaikierenden Bildbereiche über AOIs (Area of Interest), AOIs werden gespeichert

Eingabemodus: individual files Für jeden Zeitschnitt werden Bilddaten mit zuvor individuell definierten AOIs eingelesen Verschneidungsmodus: no cutline exist Schnittlinien sind die vorhandenen Bildkanten, die mit Hilfe der AOIs definiert worden Ausgabemodus: union of all inputs Zusammenfügen der Eingangsdaten zu einem Mosaik Verschneidungsfunktion overlay

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Kartenblätter - Kartenmosaik

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Beurteilung der Datenaufbereitung

Die erstellten Kartenmosaike wurden auf ihre innere Lagegenauigkeit geprüft. Diese visuelle Überprüfung erfolgte anhand aktueller Daten, wie der TK 10 und der Forstgrundkarte. Die auftretenden Abweichungen beim Verlauf von Straßen, Wegen und Gewässern sowie die Lage von Waldgrenzen deuten weniger auf Veränderungen dieser Objekte hin, als vielmehr auf Ungenauigkeiten in der Darstellung der älteren Karten und der damaligen vermessungstechnischen Aufnahmeverfahren. Um Hinweise auf innere lokale Verzerrungen in den historischen Karten zu erhalten, wurden mittels der frei verfügbaren Software MapAnalyst (www.mapanalyst.org) für die gescannten Bilddateien so genannte Verzerrungsgitter berechnet. Diese Genauigkeitsanalysen waren für die Beurteilung der sich anschließenden Georeferenzierung wichtig. Insbesondere kleinere Waldflächen wie im Bereich des Liliensteins wiesen größere Lagefehler auf. Für die Georeferenzierung erwiesen sich diese isoliert liegenden kleinen Waldflächen als problematisch. Es war aufgrund der geringen Flächengröße nicht möglich, ausreichend viele Passpunkte, gleichmäßig über das gesamte Kartenblatt zu verteilen. Für die Waldflächen des Liliensteins sind die Abweichungen in den gescannten Bilddaten als Fehlervektoren in Abbildung 3 dargestellt. Die dargestellten Vektoren verbinden die Passpunkte in der alten Karte mit den Punkten der aktuellen Karte, die in das Blattkoordinatensystem der alten Karte transformiert worden sind. Als aktuelle und fehlerfrei angenommene Karte wurde die Forstgrundkarte für die Berechnungen der lokalen Lageabweichungen verwendet. Für das vollständige Kartenblatt Revier Hohnstein von 1924 ist das berechnete Verzerrungsgitter im Anhang 1 enthalten. Mit der Software MapAnalyst wurden systematische Fehler resultierend aus Lage und Orientierung der historischen Karten im verwendeten Koordinatensystem festgestellt. Für die Erstellung des Kartenmosaiks war neben den Lagefehlern auch der Verlauf der Reviergrenzen von Bedeutung. Diese Grenzverläufe bildeten die Schnittlinien beim Zusammenfügen von benachbarten Kartenblättern. Bereits im visuellen Vergleich zwischen aneinander angrenzenden Revieren waren nicht identische Linienverläufe erkennbar. Auf Grund dieser Darstellungsfehler entstanden beim Mosaikieren visuelle Löcher oder Überlappungsbereiche entlang der Reviergrenzen (vgl. Abbildung 4). Bei der sich anschließenden Datenerfassung im GIS waren diese inhaltlichen Ungenauigkeiten und Lageabweichungen zu berücksichtigen. Die verwendete Methode des Rückwärtigen Editierens (WALZ & NEUBERT, 2002) geht von einem aktuellen, lagerichtigen Vektordatensatz aus. Dieser wird inhaltlich und geometrisch an den nächst älteren Zeitschnitt angepasst. Dabei werden nur tatsächliche Veränderungen erfasst, so dass Lagefehler aus den alten Karten nicht übernommen werden.

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