ID 8966
Meisinger, Margit: ArcObjects-Programmierung zur Realisierung einer zeitbezogenen
Erforschung der Hagelabwehr in Rosenheim mit ArcView und der Extension Tracking
Analyst
Hamburg: Diplomica GmbH, 2005
Zugl.: Fachhochschule München, Diplomarbeit, 2004
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Diplomica GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2005
Printed in Germany
A u t o r e n p r o f i l
Margit Meisinger
Holzhausen 9
83556 Griesstätt
Tel.: 0179 9175486
E-Mail: margit_meisinger@yahoo.de
Geburtsdatum, -ort:
28.Juli 1978, Rosenheim
Staatsangehörigkeit: deutsch
Ausbildung und beruflicher Werdegang:
Sep. 1994 Juli 1996
Schulausbildung
Staatliche Fachoberschule Rosenheim, Fachrichtung
Technik
Abschluss Abitur: Note 2,2
Sep. 1996 Juli 1999
Berufsausbildung
Ausbildung zur Vermessungstechnikerin
Stadtwerke Rosenheim
Abschluss Vermessungstechnikerin: Note 2
Juli 1999 März 2000
Angestellte Vermessungstechnikerin
Stadtwerke Rosenheim, Abteilung Leitungsdokumentation
Vermessung, Auswertung von Messergebnissen,
Plausibilitätskontrolle, Qualitätssicherung
April 2000 April 2004
Studium
Fachhochschule München, Studiengang Vermessung
Diplom: Note 1,3
Diplomarbeit: ArcObjects-Programmierung zur Realisierung
einer zeitbezogenen Erforschung der Hagelabwehr in
Rosenheim mit ArcView und der Extension Tracking
Analyst. Note 1
Seit Juni 2004
Angestellte Vermessungsingenieurin
VIRES Simulationstechnologie GmbH, Rosenheim
Konzeption, Erstellung und Management von visuellen
Datenbasen für den Einsatz im Simulator
Tätigkeit als Werkstudentin und Praktikantin
Stadtwerke Rosenheim
Vermessung und Auswertung von Messergebnissen im
Bereich der Leitungsdokumentation
Roplan GbR, Rosenheim
Vermessung und Auswertung von Messergebnissen im Berei
Straßen- und Kanalbau.
Baumann GIS-Dienstleistungs-
Zentrum, Bruckmühl
Aufbereitung und Integration von Fachdaten in
Geographische Informationssysteme
VIRES Simulationstechnologie
GmbH, Rosenheim
Erstellung von visuellen Datenbasen, Mitarbeit am
Forschungsprojekt 3D-Enhanced-Display (Unterstützung
von Piloten bei schlechter Sicht)
Kenntnisse und Fähigkeiten:
EDV-Kenntnisse
Office
alle gängigen Anwendungen
CAD-Systeme
CADdy Vermessung, AutoCad 2000,
3D Software / Animation
MultiGen Creator, Terra Vista 4.0
GIS
ArcView GIS 3.2, ArcGis 8.0
Betriebssysteme
Microsoft Windows, Linux, Unix
Programmiersprachen Visual
Basic, Linux Shellprogrammierung,
Grundlagenwissen in C, C++
Sprachen
Englisch
Vorwort
Unser tägliches Umfeld ist, ebenso wie auch wir selbst, von Bewegungen und zeitlichen
Veränderungen geprägt. Viele Vorgänge und Sachverhalte eröffnen uns ihre inhaltliche
Aussage erst durch die Betrachtung ihrer Veränderungen entlang einer Zeitreihe. Nur so lassen
sich Tendenzen und Entwicklungen abschätzen, oder Rückschlüsse ziehen. Reflektion über
bereits Geschehenes wird möglich. Die Abbildung und Integration dieses Vorganges in ein
Geographisches Informationssystem bietet einen verbesserten Zugang zu zeitbasierenden
Themenbereichen. Profitabel ist die Nutzung der tendenziellen Analyse innerhalb eines GIS
zum Beispiel im Bereich der Klima- und Wetterforschung, der Analyse sozialgeographischer
Themen wie Verkehrs- oder Bevölkerungsentwicklung, sowie auf dem Gebiet der Tier- und
Pflanzenforschung. Die Erweiterung der Dimensionen eines GIS um den Faktor Zeit stellt einen
interessanten und zukunftsträchtigen Themenbereich dar.
Neben den Bemühungen der Autorin haben folgende Personen und Institutionen am Gelingen dieser
Arbeit beigetragen, denen mein aufrichtiger Dank gilt:
·
Herrn Prof. Dr. Wimmer, für seine effiziente und anspruchsvolle Betreuung.
·
Der ESRI Geoinformatik GmbH, für ihren Support im Bereich der GIS-Software.
·
Dem Bayrischen Landesvermessungsamt, das mir im Rahmen dieser Diplomarbeit die Daten der
Topografischen Karte 1:100000 zur Verfügung gestellt hat.
·
Herrn Georg Vogl, dem Geschäftsführer der Hagelabwehr Rosenheim, für die zuverlässige
Unterstützung im Themenbereich der Hagelforschung.
·
Herrn Alfred Meisinger, für die technische Betreuung im Gebiet der elektronischen
Datenverarbeitung und Netzwerkadministration.
·
Meinen Eltern und nahestehenden Personen, die mir im Gespräch wertvolle Anregungen gaben.
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
1.
Einleitung ... 1
2.
Das Anwendungsgebiet... 2
2.1.
Hagel und sein Ursprung ... 2
2.2.
Die Hagelabwehr Rosenheim ... 3
2.3.
Technik der Wolkenimpfung... 5
3.
Vorhandene Datenaufzeichnungen ... 6
3.1.
Dokumentation des Flugweges... 6
3.2.
Berichte der Piloten ... 7
3.3.
Radarbilder des DWD... 8
4.
Das Geographische Informationssystem ... 11
4.1.
ArcView 8.3 ... 12
4.2.
Der Tracking Analyst... 12
5.
Datenstrukturen in ArcMap ... 15
5.1.
Allgemeine Datentypen... 15
5.1.1.
Vektordaten... 15
5.1.2.
Rasterdaten ... 15
5.1.3.
Sachdaten... 16
5.2.
ArcMap Layerstruktur... 16
5.2.1.
Einbindung von Vektordaten ... 18
5.2.2.
Einbindung von thematischen Bilddateien als Rasterlayer ... 19
5.2.2.1.
Georeferenzierung von Bilddateien mit ArcMap-Georeferencing 20
5.2.3.
Bildung von GroupLayern... 21
5.3.
ArcMap Tabellenstruktur... 22
6.
Anpassungen der ArcMap Oberfläche... 24
6.1.
Dokumentenvorlagen in ArcMap ... 24
6.2.
Anpassung der ArcMap Fenster ... 25
6.2.1.
Anpassung im DataView ... 25
6.3.
Werkzeugleisten und Menüoptionen anpassen... 28
6.3.1.
permanente Anpassung ... 28
6.3.2.
Verwendung von UIControls zur permanenten Anpassung mit VBA ... 30
6.3.3.
Programmierte Anpassung... 30
7.
ArcMap Programmierung mit VBA... 32
7.1.
ArcObjects und COM... 33
7.2.
Klassenmodule unter VBA ... 34
Inhaltsverzeichnis
8.
Das HagelAnalyst Template als Datenbasis und Dokumentvorlage... 35
8.1.
Erstellen des Templateprojektes... 35
8.2.
Bildung der Datenbasis... 35
8.2.1.
Abgrenzung der Darstellungsregionen ... 36
8.2.2.
Zoombereich Wetterbeobachtung MapWindow... 36
8.2.3.
Zoombereich Einsatzgebiet MapInsert-Window... 39
8.3.
Anpassung der Menü- und Werkzeugoptionen ... 45
8.4.
Verknüpfung der UIControlls mit VBA-Programmteilen ... 46
9.
Übernahme der Hagelabwehrdaten... 48
9.1.
Darstellung des GPS-Flugweges ... 48
9.1.1.
Import des Flugweges mit VBA ... 49
9.2.
Einbindung der Piloten-Berichte... 55
9.2.1.
Importieren der Meldungen als Standalone-Tabellen ... 56
9.2.2.
Importieren der Informationen zum Flugverlaufes als Layer ... 58
9.2.3.
Nachteil der Programmgestützten Tabellenteilung ... 63
9.3.
Einfügen der Radarbilder ... 64
9.3.1.
Georeferenzierung der Composit-Radarbilder... 65
9.3.2.
Einpassung der lokalen Radarbilder... 66
9.3.3.
Klassifizierung mit VBA ... 67
10.
Auswertungsmöglichkeiten ... 72
10.1.
Darstellung als Karte... 72
10.2.
Erzeugen von Diagrammen ... 74
10.2.1.
Erforschung der Effektivität der Wolkenimpfungen... 76
10.3.
Darstellung der Zeitserie... 78
10.3.1.
Darstellung der Radarbilder als Bildfolge ... 79
10.4.
Verwendung des Tracking Analyst... 81
10.4.1.
Definition temporaler Layer am Beispiel der Hagelabwehr Rosenheim ... 86
10.4.1.1.
Der Flugweg als temporaler Layer 86
10.4.1.2.
Temporale Umsetzung der Informationen zum Flugverlauf 89
10.4.1.3.
Einbindung der Radarbilder als temporale Layer 91
10.4.2.
Darstellung des Zeitablaufes... 93
10.4.3.
Exportieren des Zeitablaufes als Videodatei... 96
10.5.
Abfragen und Selektion... 97
10.5.1.
Visualisierung der Abfragen ... 98
11.
Schlussbetrachtung und Ausblick ... 100
Glossar ... 102
Inhaltsverzeichnis
Anlagen... 104
Anlage 1: Objektmodelle des Hagel Analyst ... 104
Anlage 2: Übersichtskarte vom 21.Juli 2003... 105
Literaturverzeichnis ... 106
Einleitung
1
1.
Einleitung
Die Forderung nach digitaler Datenhaltung und den damit verbundenen
Auswertungsmöglichkeiten führte in den letzten 30 Jahren zur Entwicklung digitaler
Informationssysteme. Betrachtet man heutige digitale Datenbestände so fällt auf, dass sich für
einen großen Teil der Daten nicht nur Raumbezug herstellen lässt, sondern auch eine zeitliche
Einordnung möglich ist. Während sich raumbezogene Daten aufgrund ihrer Geometrieattribute
an einer bestimmten Position innerhalb eines festgelegten Bezugssystems einordnen lassen,
können räumlich-zeitliche Daten zusätzlich einem bestimmten Punkt auf der Zeitachse
zugeordnet werden. Grundsätzlich lassen sich alle digitalen Daten wenigstens entsprechend
der Systemzeit, ähnlich der Ordnung in einer chronologisch geführten Bibliothek einsortieren
und damit im Zeitbezug darstellen.
Da dieser Zusammenhang jedoch nicht für jeden GIS-Anwendungsbereich zwingend
erforderlich ist, um dessen Daten erfolgreich auszuwerten, stellt die Erweiterung der GIS-
Funktionen durch eine Zusatzapplikation einen realisierbaren Ansatz dar. Neben den
klassischen Charakteristika erhält das GIS dadurch bei Bedarf zusätzliche Funktionen in den
Bereichen Eingabe, Darstellung, Analyse und Auswertung.
Wichtige Schlüsselbegriffe aus dem Bereich der Softwarehandhabung und Programmierung
sind in englischer Sprache definiert und werden in dieser Diplomarbeit nicht übersetzt, um eine
eindeutige Benennungsstruktur beizubehalten. Fehlende deutschsprachige Begriffserklärungen
sind, am Schluss der Arbeit im Glossar aufgeführt.
Das Anwendungsgebiet
2
2.
Das Anwendungsgebiet
Um die Fragestellungen die sich im Themenbereich der Hagelabwehr ergeben optimal
innerhalb einer GIS-Anwendung lösen zu können, ist es notwendig sich zunächst mit den
Grundlagen der Hagelforschung in Rosenheim zu befassen.
2.1.
Hagel und sein Ursprung
Niederschlag in Form von Hagel entsteht im Zusammenspiel von Auf- und Abwinden, wie sie
häufig in sommerlichen Gewitterwolken vorkommen. Reichen die als Cumulimben bezeichneten
Wolken in Höhen von 5 bis 12 km, bilden sich bei Temperaturen von 10 bis 50° C unter Null
Eiskristalle. Der Abwind befördert diese bis in die warme Zone unterhalb der Wolke wo sie
tauen und sich zu Wassertropfen ausbilden. In Gewitterwolken mit starken Aufwinden werden
die Niederschlagspartikel zum Teil mehrmals gegen die Schwerkraft, noch vor einem
vollständigen Auftauen und Abregnen nach oben und damit in die Frostzone, transportiert.
Dabei fangen sie immer wieder unterkühltes Wasser ein, gefrieren und schmelzen beim Fallen
wieder teilweise. Je nach Stärke des Aufwindes und
Wassergehaltes in der Umgebung wiederholt sich dieser
Vorgang und es bilden sich mehrere Schalen. Bis zum
Auftreffen auf der Erdoberfläche reicht der
Temperaturunterschied auch im Hochsommer oft nicht aus
um in der Weise gebildete Eispartikel vollständig zu
schmelzen. Hagelkörner erreichen meistens eine Größe
von 0,5 bis 2 Zentimetern, können aber in Einzelfällen auch
eine Größe von mehr als 10 cm und ein Gewicht von über
einem Kilogramm aufweisen, was leider zu entsprechenden Schäden führt.
Gebiete mit erhöhter Hagelgefahr sind dort zu suchen, wo konvektive Niederschläge durch
orografische Einflüsse verstärkt werden. Hügellandschaften und Abhänge von Gebirgen wie sie
sich entlang des Alpenrandes vom Allgäu bis zum Chiemgau erstrecken begünstigen die
Bildung hochragender Gewitterwolken mit starken Turbolenzen. Dieser etwa 40 km breiter
Streifen hat sich im jährlichen Mittel als besonders gefährdet herausgestellt. Das Resultat eines
Hagelunwetters zeichnet sich an landwirtschaftlichen Nutzflächen durch die Vernichtung der
Ernten, an Gebäuden durch zerstörte Fenster und Fassaden ab. Da diese Wetterereignisse
meist überraschend auftreten sind auch Verletzungen von Mensch und Tier nicht
auszuschließen. Im süddeutschen Raum verursachte die ,,Münchner Hagelkatastrophe" vom
Abbildung 1 Querschnitt Hagelkorn
Quelle:
www.sturmwetter.de
Das Anwendungsgebiet
3
12.Juli 1984 Kosten in Milliardenhöhe. Aufgrund dieser Tatsachen liegt der Wunsch nach einer
sinnvollen und zugleich umweltfreundlichen Bekämpfung des Hagels nahe.
2.2.
Die Hagelabwehr Rosenheim
In den Landkreisen Rosenheim und Miesbach wurden bereits in den dreißiger Jahren
Hagelabwehrversuche mittels Raketen unternommen. Eine entscheidende Rolle spielte dabei
die Entdeckung, dass Silberjodid (AgJ) eine dem Eis ähnliche kristalline Struktur besitzt und
damit eine Veränderung der Größe der Niederschlagspartikel, durch die Vermehrung der
Kondensationskeime in den Gewitterwolken, zu erreichen ist. Der Anstoß für den Beginn der
Rosenheim Hagelforschung war damit gegeben.
Aus der Chronik der Hagelabwehr Rosenheim:
1958
Start eines 10-jährigen Versuches
der Impfung mit Hagelraketen
Ausrüstung: 72 Abschussrampen
und 30 Bodengeneratoren
Leitung: Hermann Seibold
Initiative: Landrat Georg Knott
Ergebnis: Rückgang der
Hagelschadenstage pro Gemeinde
im Landkreis Rosenheim um 27 %.
Abbildung 2 Raketeneinsatz
19681973 Fortführung der Impfung.
Ende 1972 Einstellung Aufgrund geänderter Sprengstoffgesetze.
1974
Schäden in Höhe von rund 23 Millionen DM durch Hagelschlag.
Das Anwendungsgebiet
4
ab 1975
Einsatz von Flugzeugen zur Impfung
der Wolken mit Silberjodid.
Pilot und Konstruktion:
Herrmann Selbertinger
Flugzeug: Piaggio 149
Abbildung 3 Piaggio 149
1987
Anschaffung zweimotoriger Hagel-
Flugzeuge vom Typ Partenavia
durch Initiative von Ladrat Dr. Max
Gimple und Dr. Alexander Euler.
Piloten: Georg Vogl, Timo Nickl,
Ludwig Schierghofer, Bernhard
Heller.
Abbildung 4 Silberjodidkanone
1994
Gründung des Forschungsvereins
,,Verein zur Erforschung der
Wirksamkeit der Hagelbekämpfung
im Raum Rosenheim".
Er ist im Vereinsregister eingetragen
und als gemeinnützig anerkannt.
Zweck des Vereins ist die
empirische Erforschung der
Hagelbekämpfung. Bei
hagelträchtigen Wetterlagen werden
vorhandene Gewitterwolken
systematisch erfasst und geimpft.
Abbildung 5 Hagelabwehr Rosenheim
Das Anwendungsgebiet
5
2.3.
Technik der Wolkenimpfung
An den Flügelenden befindet sich je ein Behälter, der mit einer gesättigten Silberjodid-Aceton-
Lösung gefüllt ist. Dieses Gemisch wird in eine Brennkammer gespritzt und per Knopfdruck vom
Cockpit aus im Aufwindbereich der neu heranwachsenden Gewitterzellen gezündet. Pro Stunde
und Generator können rund 5 Liter verbrannt werden. Die Impfung erfolgt an der Wolkenbasis,
von wo aus das Silberjodid durch den Sog des Aufwindes an den Bereich der Wolke befördert
wird in dem die Hagelbildung stattfindet.
In der Wolke wir dadurch der Anteil an Kondensationskernen erhöht und es entstehen
Milliarden winzigster Eiskeime. An diesen
Eiskeimen lagert sich das unterkühlte Wasser
der Gewitterwolken an und es bilden sich
anstelle weniger großer Hagelkörner eine
Vielzahl kleinster Körnchen. Die ausfallenden
Hagelkörner bleiben klein und fallen als Regen
oder weiche und matschige Hagelkörner aus.
Sie können keinen nachhaltigen Schaden mehr
anrichten.
Besteht aufgrund der Wetterlage die Gefahr eines Hagelniederschlags, so werden die Piloten
von METEOS informiert. Dies ist ein meteorologisches Büro in dem Diplommeteorologen die
Daten des Deutschen Wetterdienstes sowie Satelliten und Radarbilder analysieren. Des
weiteren arbeitet die Hagelabwehr mit der Ludwig-Maximilian-Universität in München im
Bereich der
Sferics
forschung zusammen. Aktuelle
Sferics
meldungen werden per SMS-Nachricht
an die Einsatzpiloten übertragen. Unabhängig davon ist das wachsame und prüfende Auge
jedes Hagelpiloten gefragt.
Da die Hagelbildung sehr rasch erfolgt, entscheiden oft Minuten über den zeitgerechten Start
der Piloten. Ein zu frühzeitiges Beimpfen der Wolken ist ebenso sinnlos wie ein zu spätes.
Sobald die Hagelkörner gebildet sind, können sie durch das Silberjodid nicht mehr aufgelöst
werden. Unberechenbare Winde an der Wolkenbasis wirken sich stark auf das Verhalten und
die Stabilität des Flugzeuges aus. Die Piloten der Hagelabwehr Rosenheim verfügen über das
nötige Können und haben sehr gute Erfahrung im Umgang mit Gewitterwolken und der
Hagelbekämpfung.
Abbildung 6 Impfung
Datenaufzeichnungen
6
3.
Vorhandene Datenaufzeichnungen
Zur Beobachtung des Wettergeschehens und nachträglichen Rekonstruktion der Einsatzflüge
werden im Zusammenhang mit der Hagelforschung Informationen zu den Einsatzflügen
gesammelt und gesichert. Diese spielen vor allem bei der Beurteilung der Effektivität der
Impfeinsätze eine wichtige Rolle. Zugleich sind die Daten ein wichtiges Dokumentationsmittel
um beispielsweise die Öffentlichkeit über die Arbeit der Hagelabwehr zu informieren.
3.1.
Dokumentation des Flugweges
Während des Einsatzfluges der beiden Hagelabwehrflugzeuge wird der Flugweg beider Piloten
von GPS-Geräten aufgezeichnet. Für diese Diplomarbeit liegen die Daten des Gerätes vom Typ
TRIMBLE 200 Approach Plus GPS Navigator in Textformat vor. Die Daten werden mit der GPS-
Software Jeppesen FlightStar aus dem Gerät ausgelesen und fortlaufend im Textformat
gespeichert.
Abbildung 7 Flugweg als Textfile
Date
... Datum
Time
... Uhrzeit, Zeitpunkt der Positionsregistrierung,
Gerätezeit in UTC
Position
... Position des Flugzeuges,
Geographische Koordinaten
in Länge und Breite,
Bezugssystem WGS84
Course
... Kurs des Flugzeuges in Grad
GS
... Groundspeed,
Geschwindigkeit über Grund in Knoten
Alt
...
Höhe über dem Ellipsoid,
·
Aufzeichnung
optional
Datenaufzeichnungen
7
3.2.
Berichte der Piloten
Details und Besonderheiten zum Flugverlauf, sowie Informationen zu den Impfungen während
eines Einsatzfluges werden von den Piloten in Form einer Excell-Tabelle dokumentiert.
Diese ist als Formblatt angelegt, dass dazu entworfen wurde die enthaltenen Informationen
übersichtlich am Bildschirm oder als Ausdruck wiederzugeben. Das Tabellenblatt enthält keine
Feldwertberechnungen.
Im Wesentlichen lässt sich der Inhalt in 3 Hauptgruppen einteilen:
·
Allgemeine Informationen: Pilot, Beobachter, Datum und Dauer ...
·
Wetterbeobachtungen des MMC (heute METEOS GmbH)
bzw. eines Beobachters der
Hagelabwehr Rosenheim, jeweils mit Angabe der Uhrzeit in UTC
·
Informationen zum Flugverlauf und Beobachtungen des Piloten: Uhrzeit, Ort, Flughöhe,
Impfstatus, Temperatur, Vertikalgeschwindigkeit, Turbulenzen, Wolkenzustand,
Blitzhäufigkeit, ...
Abbildung 8 Piloten Bericht
Datenaufzeichnungen
8
3.3.
Radarbilder des DWD
,,Mit dem Aufbau eines Radarverbundnetzes von insgesamt 16 Radaranlagen in Deutschland ist
der Deutsche Wetterdienst (DWD) in der Lage, eine umfassende Überwachung des aktuellen
Niederschlagsgeschehens und eine flächendeckende Erfassung des
Niederschlags zu gewährleisten."
1
Über die vom DWD zur
Verfügung gestellte Software pc_met werden die aktuellen
Wetterinformationen über Internetverbindung vom Datenserver des
Deutschen Wetterdienstes heruntergeladen. Über diese Software
können eine Vielzahl an Informationen wie beispielsweise
Satellitenaufnahmen, Blitzaufzeichnungen, oder qualitative
Niederschlagsbilder bezogen werden. Von der Hagelabwehr
Rosenheim wurden bisher hauptsächlich Radarbilder zur
Interpretation des Wettergeschehens genutzt. Im Rahmen dieser
Diplomarbeit stehen Radarbilder aus dem Datenbestand der
Hagelabwehr Rosenheim zur Verfügung. Durch die Auswertung der
Radarbilder als Bildfolge, werden die Entwicklungen von
Gewitterwolken erkennbar und der weitere Wetterverlauf ist
abschätzbar. Folgende Radarprodukte werden vom DWD mit einer zeitlichen Auflösung von
15 Minuten angeboten:
·
Radar Europa
·
Radar Deutschland
·
Lokales Radarbild der Station Fürholzen München
Die Bilder des Europa- und Deutschlandradar
werden aus Einzelbildern deutscher und
europäischer Radarstationen zu einem
Compositbild zusammengesetzt. Dargestellt
werden die niedrigsten gemessenen
Niederschlagsechos, abgestuft in
unterschiedlichen Intensitäten. Diese werden
in sieben Radarreflektivitätsklassen
abgebildet. Die Bildauflösung beträgt für die
Compositbilder 4km x 4km pro Pixel und für
Lokale Radarbilder 2km x 2km pro Pixel.
Abbildung 9 pc_met Menü
Abbildung 10 Deutschland Radar
Datenaufzeichnungen
9
Diese Genauigkeit lässt keine exakte Abgrenzung der Niederschlagsumrisse zu. Der
Hauptnutzen der Bilder besteht in der Abschätzung von Verlagerungstendenzen und
Entwicklungen. Zur Lage der Bilder im Raum liegen keine Informationen vor, so dass bei einer
Übernahme in ein Geographisches
Informationssystem vorab eine
Georeferenzierung der Bilder
durchgeführt werden muss.
Die Einpassung muss im Fall der
Compositradarbilder durch die
Zuordnung markanter Strukturen
erfolgen. Bei diesem Vorgang ist mit
Genauigkeitseinbusen zu rechnen, da
der Kartenhintergrund der
Radaraufnahme entsprechend des
Abbildungsmaßstabes generalisiert
abgebildet ist.
Als zusätzliche Wetterinformation
enthalten die lokalen Radarbilder der
Station Fürholzen bei München neben
der Darstellung eines
Horizontalschnittes auch Vertikalschnitte
in Nord-Süd- und Ost-West-
Orientierung. Die Georeferenzierung dieser Bilder wird hier durch das abgedruckte Grandnetz
erleichtert.
Zur Interpretation der Radarbilder:
·
Keine Quantitativen Aussagen möglich.
Farblich dargestellt wird die gemessene Reflektivität des Niederschlags. Diese erhöht
sich mit der Größe der Niederschlagspartikel. Da die Größe nicht direkt messbar ist,
kann keine Aussage über die Menge der Partikel, beispielsweise Tropfen oder
Hagelkörner, gegeben werden.
Abbildung 11 Radarbild Fürholzen
Datenaufzeichnungen
10
·
Verfälschung durch Schnee oder Sprühregen möglich.
Bei diesen flächigen Niederschlagformen können bis zu zwei Stufen stärkere
Intensitäten auftreten.
·
Radarbilder enthalten keine Höhenangaben.
Es kann nicht festgestellt werden, ob die dargestellten Niederschlagsintensitäten bereits
auf der Erdoberfläche auftreffen.
·
Verfälschung durch Superrefraktion.
Durch die Spiegelung des Radarstrahls können Bodenechos entstehen, mit der Folge
dass nicht vorhandene Niederschläge aufgezeichnet und dargestellt werden. Diese
treten nur kurzfristig auf und verlagern sich nicht. Sie können dadurch in der
Folgebildbetrachtung erkannt werden.
·
Fehlerhafte Darstellung der Niederschlagsbegrenzung in lokalen Radarbildern.
Dies ist möglich wenn starke Echos auftreten. Diese Lücke kann durch die Betrachtung
des Compositbildes geschlossen werden.
·
Bildfolge wichtig zum Erkennen von Konvektiven Niederschlägen.
Konvektive Niederschläge wie Hagel oder Schauer sind aufgrund der wechselhaften
Wolkenbildungen erst durch die Aneinanderreihung von Folgebildern zu erkennen.
Das Geographische Informationssystem
11
4.
Das Geographische Informationssystem
Geografische Informationssysteme werden mittlerweile in vielen Branchen erfolgreich
eingesetzt. Die Nutzung eines GIS erlaubt eine schnelle Veranschaulichung und Analyse
komplexer Zusammenhänge. Im ersten Schritt zur Einführung eines GIS für die Hagelabwehr
Rosenheim wird der Nutzen im Bezug auf die Verwaltung, Auswertung und Präsentation der
Daten untersucht. Eine wichtige Rolle spielt dabei, wie bereits erwähnt die zeitbezogene
Datenverarbeitung.
Die Einführung eines Geographischen Informationssystems ist sorgfältig zu planen und gut
vorzubereiten. Bei der Programmwahl müssen die von der Software erfüllten Funktionen mit
den gestellten Anforderungen verglichen werden. Eine Betrachtung der bisherigen Form der
Datenhaltung und der Möglichkeiten, die sich zur Datenübernahme bieten, ist ebenso
erforderlich wie die Formulierung zukünftiger Arbeitsprozesse. Die anfallenden Kosten bei der
Anschaffung und zur Systempflege sollten in Relation zu den Vorteilen stehen, die sich durch
eine zukünftige Arbeit mit einem GIS ergeben.
Bisher werden die Einsatzdaten der Hagelabwehr mit separaten Softwareanwendungen
verwaltet und ausgewertet. Zu den eingesetzten Programmen zählen Bildbetrachter,
Programme zur Darstellung und Aufzeichnung des Fluges sowie Tabellenkalkulation und
Textverarbeitung. Datenübergreifende Auswertungen sind möglich aber mit erheblichem
Aufwand verbunden. Eine wissenschaftliche Auswertung der Einsatzflüge ist die Grundlage für
eine weitere Optimierung der Hagelabwehreinsätze.
Wesentliche Anforderungen an die Software und Erwartungen durch den GIS-Einsatz von
Seiten der Hagelabwehr Rosenheim:
·
Einbindung aller Daten
·
Übernahme aller alten Datenbestände
·
Zeitliche Einordnung der Daten
·
Eigene Datenpflege, Verwaltung und Fortführung
·
Analyse und Abfragemöglichkeit im Bereich der Hagelforschung
·
Darstellung und Ausgabe in Form von Karten, Tabellen und Graphen
·
Präsentation des Zeitablaufes
·
Multimediale Ausgabe
·
Anpassung des Programms an sich ändernde Datenformate
Das Geographische Informationssystem
12
·
Kostenersparnis
·
Zeitersparnis
4.1.
ArcView 8.3
Als Softwarepaket für diese Form der Anwendung wird das Geographische Informationssystem
ArcView 8.3 aus der Produktfamilie ArcGis der Firma ESRI mit der Extension Tracking Analyst
eingesetzt. Es gehört zur Sparte der Desktop-GIS-Anwendungen. Die ESRI GIS-Programme
sind je nach der Komplexität der Aufgabenstellung in einzelne Programme mit
unterschiedlichem Leistungsumfang aufgeteilt. ArcView 8.3 setzt sich aus den drei
Hauptkomponenten ArcMap zur Analyse und Präsentation von raumbezogenen Daten,
ArcToolbox zur Datenbearbeitung und -konvertierung sowie ArcCatalog, zur Verwaltung und
Betrachtung zusammen.
ArcView stellt eine Verbindung zwischen unterschiedlichen Analysewerkzeugen wie
Tabellenkalkulation oder statistischen Grafiken und thematischer Kartografie her.
Die GIS Umgebung unterstützt die Erzeugung von Macros, benutzerdefinierten Werkzeugen
und Kontrollmöglichkeiten sowie den Zugriff auf die Objektbibliotheken der jeweiligen
Erweiterungen und ist somit individuell anpassbar.
4.2.
Der Tracking Analyst
GIS-Animation kommt dann zum Einsatz, wenn die Darstellung räumlicher Gegebenheiten eine
Zeitdimension erfordert. Mit dem Tracking Analyst wurde von ESRI eine Erweiterung
geschaffen, die eine layerübergreifende Einbindung der Zeitkomponente ermöglicht.
Ist in der Attributtabelle eines Layers ein Datumswert als Attribut gespeichert, so können
Vektordaten in Punkt-, Linien- oder Flächenform zeitabhängig visualisiert werden. Verschiedene
Zusatzmodule helfen bei der Bewertung, oder der sinnvollen Aufbereitung und Darstellung der
Daten. Zusätzlich zur Verarbeitung gespeicherter Beobachtungen ist auch das Lesen von
Echtzeitinformationen, wie z.B. die aktuellen Daten eines GPS-Empfängers, Daten eines
Tracking Message Server (TMS) oder Internet Message
Servers (IMS) möglich. Mit dieser Extension werden die
Datenerfassungs- und Analysefähigkeiten von ArcView GIS in
Bezug auf die Verarbeitung zeitbezogener Daten erweitert.
Abbildung 12 Werkzeugleiste
Tracking Analyst
Das Geographische Informationssystem
13
Zeitbezogene Daten beinhalten Informationen über ein Zeitereignis, welches eine oder mehrere
Zeitbeobachtung eines Objektes oder einer Objektgruppe beschreibt. Deshalb enthält ein
Ereignis sowohl Informationen über die Beobachtung selbst, wie beispielsweise wann oder wo
die Beobachtung passierte, als auch die Identifikation des Objektes selbst. Der Tracking Analyst
organisiert diese Informationen in einfachen oder komplexen Zeitereignissen.
Ein einfaches Ereignis enthält alle notwendigen Informationen in einer Mitteilung oder einem
Datensatz, auch Temporal-Observation-Komponente bezeichnet. Diese Information besteht
mindestens aus der Datums- und oder Zeitangabe. Ein komplexes Ereignis enthält zusätzlich
eine zweite Komponente, das temporale Objekt in Form einer zusätzlichen Datenbanktabelle. In
dieser sind über die TrackID, zur eindeutigen Identifizierung jedes zeitbezogenen Datensatzes,
Zusatzinformationen zu einem temporalen Layerobjekt zugeordnet. Der Informationsgehalt
hängt davon ab, ob sich das darzustellende Objekt bewegt, statisch verändert oder einem
zeitlichen Ereignis zugeordnet ist. Beispielswiese sind zur Darstellung der Veränderung des
Bewuchses einer Landschaft im Layer-Objekt flächenhaft die räumlichen Geometrien und
Koordinatenwerte, die TrackID sowie möglicherweise andere Attribute gespeichert. In einer
externen Zusatztabelle sind die zeitlichen Veränderungen im Zusammenhang mit der TrackID
enthalten. Dadurch lässt sich die Symbolisierung des Layer entlang der Zeitreihe verändern.
Echtzeit-Daten von einem Server, entweder von einem Tracking Message Server oder Tracking
Internet Server, sind automatisch mit ihren Komponenten kombiniert.
Folgende Anwendungen sind mit dem Tracking Analyst möglich:
·
zeitbezogene Darstellung von Punkt- Linien- und Polygondaten in Echtzeit sowie als
statische oder dynamisch Wiederholsequenz.
·
Symboldefinition und Regelung des Symbolverhaltens über das Zeitattribut.
·
Interaktive Steuerung des Zeitablaufes.
·
Steuerung von Aktionen ( z.B. Blinken).
·
Anpassung der Anwendung durch den Zugriff auf Objektklassen innerhalb eines
benutzerdefinierten Zusatzprogramms.
·
Anzeige der Zeitachse.
·
Gleichzeitige Verarbeitung mehrerer temporaler Layer.
·
Exportieren des Zeitablaufes als Animationsdatei.
·
Definition und Erzeugung einer Daten-Uhrdastellung.
·
Zeitbezogene Layouterstellung.
·
Das Geographische Informationssystem
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Zur Steuerung des Ablaufes wird eine spezielle Werkzeugleiste verwendet, die ähnlich einem
Mediaplayer zu bedienen ist. Sie enthält unter anderem Funktionen für Start, Stop,
Positionierung auf der Zeitachse und der Regelung der Ablaufgeschwindigkeit. Der
Hauptnutzen dieser ArcView-Erweiterung besteht darin, dass zur Steuerung des Zeitablaufes
innerhalb eines GIS bereits vordefinierte Funktionen enthalten sind. Auf diesen kann durch die
Entwicklung einer an das Projekt angepassten Programmerweiterung aufgebaut werden, da die
erzeugten Objektklassen über die ArcObjects-Bibliothek zur Verfügung stehen.
Datenformate in ArcMap
15
5.
Datenstrukturen in ArcMap
ArcMap ist die zentrale Anwendung innerhalb ArcGIS um Geodaten in Vektor- oder Rasterform
darzustellen, zu Analysieren oder eine kartographische Ausgabe vorzubereiten.
Sachdateninformationen werden in Form von Attributtabellen den Geodaten zugeordnet oder
als eigenständiges Tabelleobjekt verwaltet.
Der sinnvolle Aufbau und Einsatz eines GIS ist davon abhängig, dass der Benutzer das
Verhalten der einzelnen Datentypen hinsichtlich der Einbindung, Verarbeitung und Ausgabe
kennt. In folgendem Abschnitte wird ein Überblick über alle in ArcView verwendeten
Geodatenformate gegeben. Hervorgehoben werden dabei die zur Implementierung aller
Quelldaten der Hagelabwehr Rosenheim notwendigen Datenformen und Dateistrukturen.
5.1.
Allgemeine Datentypen
5.1.1.
Vektordaten
,,Die Objektgeometrie von Vektordaten liegt als Folge von Stützpunkten vor, deren Verbindung
den geschlossenen Linienzug rekonstruiert."
2
Ein wesentliches Merkmal ist das Vorhandensein
einer geometriebildenden Abhängigkeitsbeziehung zwischen den unregelmäßig verteilten
Stützpunkten. Die durch diese Beziehung gebildeten Objekte können direkt angesprochen und
in Berechnungen einbezogen werden. Zu den Geometriegrundformen zählt man Punkt, Linie
und Fläche.
Vektorobjekten lassen sich spezielle Darstellungseigenschaften wie zum Beispiel die
Linienstärke oder Farbe zuordnen. Alle grafischen Attribute passen sich auf bedarf dynamisch
den Zoomverhältnissen am Display an. Die Vektorform eignet sich zur scharfen Abgrenzung
von diskreten Objekten. Aufgrund der geometriebezogenen Datenhaltung ist es möglich auch
größere Gebiete bei geringem Speicheraufwand abzudecken.
5.1.2.
Rasterdaten
Die Rasterform wird vor allem durch Bilddateien repräsentiert, deren Farbinformationen in einer
regelmäßigen Anzahl von Zeilen und Spalten angeordnet sind. Durch diese Anordnung wird
eine Gittestruktur gebildet, deren Gitterzellen jeweils ein Wert zugeordnet ist. Ist anstatt der
Farbinformation die Speicherung eines Wertes für die Höhe vorgesehen, so lässt sich die Datei
als regelmäßig vermaschtes dreidimensionales Geländemodell auswerten.
Datenformate in ArcMap
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Grundsätzlich werden Rasterdaten entweder zur Repräsentation von speziellen thematischen
Informationen, wie physikalischen Größen und Höhenangaben, oder zur Darstellung von
spektralen Informationen, wie sie in Luftbildern und Satellitenbildern enthalten sind, verwendet.
Die Einbindung als Hintergrundbild stellt die einfachste Verwendungsmöglichkeit von
Bilddateien innerhalb eines GIS dar.
Rasterdaten sind keine Nachbarschaftsbeziehungen zugeordnet. Jede Rasterzelle entspricht
einem Bildpixel und ist somit einzig durch seine eigene Lage im Bildkoordinatensystem
definiert. Um ihre tatsächliche räumliche Lage in einem übergeordneten Bezugsystem
darzustellen, müssen Rasterdaten georeferenziert werden. Nach der Einpassung sind die
Parameter zur Ausdehnung und Projektion der Zellen des Bildes bekannt.
Ein Nachteil von Rasterdaten ist im notwendigen Speicherbedarf und einem entsprechend
hohen Aufwand bei der Rechenzeit zu sehen, der mit einer Erhöhung der Auflösung
exponentiell steigt. Dieser Nachteil hat aber in den vergangenen Jahren durch stetig steigende
CPU-Leistungen und die größeren Plattenkapazitäten an Bedeutung verloren.
5.1.3.
Sachdaten
Sachdaten geben den thematischen Inhalt eines raumbezogenen Objekts wieder und stellen
somit die Klasse der nichtgeometrischen Daten dar. Innerhalb eines GIS kann jedem
geometrischen Objekt eine Anzahl von Attributen zugeordnet werden. Durch die Speicherung in
relationalen Datenbanken oder Tabellen können Beziehungen zu andern Objekten hergestellt
werden und thematische Abfragen formuliert werden.
5.2.
ArcMap Layerstruktur
Die verschiedenen in ArcMap darstellbaren Datenebenen werden als MapLayer bezeichnet.
Layer ist ein abstrakter Begriff, hinter dem sich Vektordaten wie beispielsweise in einer
Shapedatei verbergen können. Jedem Geometrieobjekt können beliebig viele
Sachdateninformationen zugeordnet sein. Diese erscheinen jeweils in der zugehörigen
Attributtabelle.
Die Aufbereitung der in einem MapLayer enthaltenen Informationen zur verständlichen und
überschaubaren Präsentation, braucht auch bei vorhandener kartografischer Erfahrung eine
gewisse Bearbeitungszeit. In ArcMap erstellte Layer werden als ein Teil des aktuellen
Kartendokumentes gespeichert, beim Laden dieses Dokumentes werden alle vorgenommenen
Datenformate in ArcMap
17
RasterCatalogLayer
Organisation von
Bilddateien in Tabellen
FeatureLayer
Coverage
Shapefile
Geodatabase
L a y e r
CoverageAnotation
Layer
... Beschriftung eines
Coverage
RasterLayer
Bilddateien
Geländedaten
IMSMapLayer
Internetbasierend
CADFeatureLayer
DXF, DWG, DGN
GroupLayer
Container für Layer
TINLayer
Geländedaten
GraphicsLayer
Grafik ohne Attribute
Vektordaten
Rasterdaten
Vektor / Raster
Abbildung 13 Layerstruktur
Einstellungen wiederhergestellt. Jeder Layer kann zusätzlich explizit als ESRI-Layerdatei (*.lyr)
exportiert werden um die grafischen Anpassungen auch in anderen Projekten verwenden zu
können. Darüber hinaus enthält eine Layerdatei Informationen über das räumliche
Bezugsystem. Eine Layerdatei speichert nicht die geografischen Daten direkt, sondern
beschreibt das Datenformat und die Lage der Datenquelle im Dateisystem oder in der
Datenbank. Der Verweis auf die Datenquelle kann entweder die absolute oder relative
Pfadangabe beinhalten. Wird ein relativer Verweis erzeugt, so kann dieser auch nach dem
Verschieben der Dateien wieder hergestellt werden.
Sämtliche in einem MapDokument enthaltenen MapLayer erscheinen im Inhaltsfenster, der
sogenannten table of contents. Dort sind sie einem Datenrahmen zugeordnet und werden
entsprechend dessen erweiterten Eigenschaften am Display dargestellt.
Abhängig von ihrer Datenquelle werden folgende Layerarten unterschieden:
·
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Ende der Leseprobe aus 117 Seiten
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Details
- Arbeit zitieren
- , 2004, ArcObjects-Programmierung zur Realisierung einer zeitbezogenen Erforschung der Hagelabwehr in Rosenheim mit ArcView und der Extension Tracking Analyst, Hamburg, Bedey Media GmbH, https://www.diplom.de/document/224127
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