ÜbungNIS: Beispiel Baumkataster

 

Für diese Übung benötigen Sie die Software ArcGIS 10. Studiengangsteilnehmer erhalten diese im Rahmen des UNIGIS-Studiums kostenlos zur Verfügung gestellt.
Für Studiengangsteilnehmer dient diese Übung als Vorbereitung für eine gleichnamige Aufgabe.

Diese Übung begleitet Sie bei den (vielleicht) ersten Analysen von offenen Behördendaten und dient zugleich als Vorbereitung für die gleichnamige Aufgabe. Sie arbeiten mit Daten eines städtischen Baumkatasters und mit landschaftsräumlichen Einheiten eines österreichischen Bundeslandes.

Ziel dieser Übung ist die Berechnung und Visualisierung von Bestandsdichten ausgehend von einem städtischen Baumkataster (enthalten sind nur Bäume auf öffentlichem Grund). Damit lassen sich Aussagen über den Durchgrünungsgrad städtischer Quartiere ableiten. Des weiteren dient die Übung der Datenaufbereitung für die Aufgabe Baumkataster.

Die Übungsanleitung orientiert sich an der Software ArcGIS. Für die Übung sind grundlegende Software-Kenntnisse erforderlich.
Sollten Sie den einführenden Virtual Campus Kurs von ESRI, "Learning ArcGIS Desktop" , noch nicht absolviert haben, tun Sie dies vor dem Durcharbeiten dieser Übung. Den notwendigen Zugangscode haben Sie bereits vom Lehrgangsbüro erhalten.

Daten
Baumkataster der Stadt Linz und die Landschaftsräume des Landes Oberösterreich.

Zum Bezug der Daten gehen Sie auf das österreichische OGD Portal .
Suchen Sie dort nach dem Schlagwort Baumkataster Linz und wählen Sie den aktuellsten Datensatz (CSV Datei) aus. Die Aktualisierung des Datensatzes erfolgt alle 6 Monate. Speichern Sie die CSV Datei in einem lokalen Verzeichnis.
Der zweite Datensatz ist unter dem Stichwort NALA Oberösterreich zu finden. Speichern Sie das angebotene Shapefile (NALA Raumeinheiten; nicht die Untereinheiten) in ein lokales Verzeichnis.

Bevor wir erste Analysen auf Basis der Daten durchführen, bedarf es noch einiger weniger Schritte zur Datenaufbereitung.
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Datenaufbereitung

Aus der CSV Datei mit den Baumbeständen der Stadt Linz soll eine Punkt Feature Class erzeugt werden, die gemeinsam mit den Raumeinheiten in einer Datenbank gespeichert werden soll. Beide Datensätze müssen in der gleichen Projektion vorliegen.

1. Anlegen Datenbank
Erstellen Sie in einem lokalen Ordner eine File Geodatabase mit dem Namen baumkataster.gdb.

2. Erstellen der Punkt Feature Class
Öffnen Sie ArcMap und laden Sie sich die zuvor entzippte CSV Datei mit den Baumstandorten in Ihre Layerübersicht.
Wenn Sie die CSV Tabelle öffnen, sehen Sie neben allen attributiven Details, die geographischen Koordinaten in den letzten beiden Spalten hinterlegt. Aus dieser Information wird nun eine Punkt Feature Class (räumlich verortete Geometrie + Attributdaten) erzeugt. Dazu klicken Sie mit der rechten Maustaste im Table of Content auf die CSV Datei und wählen die Option "Display XY Data".
Als X-Wert definieren Sie die Spalte lat, als Y-Wert die Spalte lon. Als räumliches Bezugssystem wählen Sie das geographische Koordinatensystem WGS84 (ArcGIS Name GCS_WGS_1984) aus.

Hier sehen Sie, dass auch Daten von Behörden mitunter fehlerhaft sein können. Eigentlich entspricht der X-Wert der geographischen Länge und der Y-Wert der geographischen Breite. Im konkreten Fall wurden die Spalten in der CSV Datei vom Datenanbieter falsch benannt bzw. die Werte vertauscht.

Wenn Sie Ihre Eingaben mit OK bestätigen (die Meldung hinsichtlich ObjectID können Sie übergehen), werden Sie in der Datenansicht die Baumstandorte als Punkte sehen.
Im nächsten Schritt weisen wir dem Layer die definitive Projektion zu und speichern ihn in der zuvor angelegten Datenbank. Führen Sie dazu das Geoprocessing Tool "Project" aus, das Sie in der ArcToolbox unter "Data Management Tools > Projections and Transformations > Feature" finden. Als Zielspeicherort wählen Sie die Datenbank aus. Geben Sie der Feature Class einen sprechenden Namen, z.B. baumstandorte. Als Zielprojektion wählen Sie MGI_Austria_GK_M31 und die Transformationsroutine 3 (die dahinterstehenden Konzepte lernen Sie in einer späteren Lektion - in weiterer Folge behandelt dieses Modul alle Details zu räumlichen Bezugssystemen). Alle Parameter können Sie auch hier sehen.

3. Projektion Raumeinheiten
In einem letzten Schritt der Datenaufbereitung weisen wir dem Shapefile mit den landschaftsräumlichen Einheiten die gleiche Projektion wie zuvor den Baumstandorten zu und speichern es als Feature Class in derselben Datenbank.
Laden Sie sich das entzippte Shapefile in Ihr ArcMap Projekt. Führen Sie das Geoprocessing Tool "Project" aus. Wählen Sie die Datenbank wie zuvor und vergeben Sie einen sprechenden Namen, z.B. raumeinheiten. Als Zielprojektion wählen Sie wiederum MGI_Austria_GK_M31; die Auswahl einer Transformationsroutine ist in diesem Fall nicht notwendig.

Nach Abschluss der Datenaufbereitung sollten Sie eine Punkt- und eine Polygon-Feature Class mit der jeweils gleichen Projektion in Ihrer Datenbank liegen haben. Wenn Sie die Raumeinheiten ihrem Namen nach farblich codieren und eine Hintergrundkarte zu Ihrer Ansicht hinzufügen, sollten Sie die gleiche Datenansicht wie oben erhalten.

   

Raster
Bezugsraster mit unterschiedlichen Größen

 

Berechnung Bestandsdichte

Für unsere Analyse des städtischen Baumbestands interessieren uns weniger die Einzelbaumstandorte und die jeweiligen Baumarten, als vielmehr die Bestandsdichte. Diese kann unter anderem als Indikator für die städtische Durchgrünung herangezogen werden.
Zur Berechnung von Bestandsdichten, werden räumlichen Bezugseinheiten benötigt. Um zu zeigen, wie sehr Analyseergebnisse von der Wahl der Bezugseinheiten abhängen, werden wir zwei verschiedene Bezugsraster generieren; mit 100 bzw. 500 Metern Rastergröße.

4. Erstellen des Bezugsrasters 500m
Bezugsraster können in ArcGIS mit dem Tool "Create Fishnet" relativ einfach als Vektorraster erstellt werden. Führen Sie dazu das Tool "Create Fishnet" aus, das in der ArcToolbox unter "Data Management Tools > Feature Class" zu finden ist.
Geben Sie der Feature Class einen sprechenden Namen, z.B. fishnet500, und definieren Sie die zuvor erstellte Datenbank als Speicherort. Wählen Sie den Layer mit den Baumstandorten als "Template Extent" aus und ändern Sie die Koordinaten des umschreibenden Rechtecks wie im Bild unten angegeben (dadurch vergrößert sich das abgedeckte Gebiet). Als Zellbreite und -höhe geben Sie jeweils 500 an. Das Fishnet soll als Polygon erstellt werden.

Fishnet

5. Erstellen des Bezugsrasters 100m
Erstellen Sie analog zum 500m Fishnet einen Vektorraster mit 100m Rastergröße. Dazu führen Sie das gleich Tool wie zuvor aus. Geben Sie der Feature Class einen sprechenden Namen, z.B. fishnet100, und definieren Sie die zuvor erstellte Datenbank als Speicherort. Als "Template Extent" wählen Sie das zuvor erstellte 500m Fishnet aus; Koordinatenwerte müssen nicht manipuliert werden. Als Zellbreite und -höhe geben Sie jeweils 100 an.

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6. Dichteberechnung
Zur Darstellung der Bestandsdichte ist es nun notwendig die Anzahl der Bäume je Rasterzelle zu eruieren. Dazu bedienen wir uns einer Grundfunktionalität von GIS, der Verschneidung. Der hier beschriebene Analyseablauf ist für die beiden Bezugsraster der gleiche.

In der ArcToolbox finden Sie unter "Analysis Tools > Overlay" das Tool "Spatial Join". Führen Sie dieses aus und parametrisieren Sie das Tool wie hier dargestellt (verwenden Sie jeweils das kleinere und größere Raster als "Target Feature"); vergeben Sie jeweils sprechende Namen, z.B. fishnet500_join:

Spatialjoin

Über so genannte "Merge Rules" (in der Liste der einzelnen Attributfelder via Rechtsklick parametrisierbar) könnte für jeden Attributwert festgelegt werden, wie die Daten aggregiert werden. So wäre es beispielsweise möglich den durchschnittlichen Stammdurchmesser oder die am häufigsten vorkommende Baumart zu eruieren.
Je nach Ihrem Zeitbudget können Sie hier gerne verschiedene Parametrisierungen vornehmen. Für das eigentliche Ziel der Übung genügt es wenn die Standardeinstellungen übernommen werden. Allerdings stehen die Attribute dann nicht mehr (sinnvoll) zur Verfügung.

Nachdem Sie das Tool ausgeführt haben, öffnen Sie die Attributtabelle des resultierenden Layers. Darin finden Sie das Feld Join_Count, das wiedergibt wie viele Fälle, d.h. Baumstandorte, innerhalb der jeweiligen Rasterzelle liegen. zum Seitenanfang

   

 

 

Darstellung Bestandsdichte

Wenn wir nun die Bestandsdichten visualisieren, werden Sie sofort erkennen, welchen Einfluss die Größe des Bezugsrasters und damit das Niveau der Datenaggregation auf das Ergebnis hat.

7. Visualisierung
Wählen Sie zur Visualisierung der Bestandsdichten je Bezugsraster in den Layer Eigenschaften jeweils passende Signaturen ("Symbology"). Die Option der abgestuften Farbwerte ("Graduated Colors") bietet sich an. Um dabei die Zellen auszuschließen, die keinen Baum enthalten, müssen Sie im Menü "Classify" und "Exclusion" eine Ausnahme definieren:

SELECT * FROM fishnet500_join_diss WHERE:
"Join_Count" = 0
Um eine quasi unklassifizierte Darstellung zu erhalten, müssen Sie die Anzahl der Klassen möglichst hoch setzen.
Ein mögliches Endergebnis kann so aussehen:

Ergebnis

8. Interpretation
Durch die Visualisierung der Bestandsdichten entstehen räumliche Muster, die zur Interpretation einladen. Überlegen Sie sich folgende Fragen und teilen Sie Ihre Antworten Ihren Kollegen im Diskussionsforum (Stichwort "Baumkataster") mit:
Studiengangsteilnehmer haben Zugang zu einer virtuellen Lernplattform, inklusive Diskussionforum.

  • Wie kann die räumliche Verteilung der Baumstandorte verbal beschrieben werden?
  • Inwieweit ergeben sich durch die verschiedenen räumlichen Bezugseinheiten Unterschiede in den auftretenden Mustern?
  • Für welche weiterführenden Analysen spielt das Aggregationsniveau der Daten eine entscheidende Rolle? Nehmen Sie ruhig Bezug auf praktische Anwendungsfälle!
   
   

Studiengangsteilnehmer setzen an dieser Stelle mit der korrespondierenden Aufgabe fort.

   
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