TransDEM

Bitmap-Karten, Pläne und Orthofotos

Eine weit verbreitete Darstellungsform digitaler Karten sind sogenannte Raster-Karten. Bei einer Raster-Karte  wird die Karte als gewöhnliche Bitmap wiedergegeben. Sind zu einer solchen Bitmap zusätzlich Koordinaten der Kartenprojektion bekannt, z.B. durch eine Koordinatengitter oder durch bekannte Eckpunkte, dann kann TransDEM solche Karten georeferenzieren, d.h. zu anderen Karten - auch unterschiedlichen Maßstabs - , zu DEMs oder zu Vektordaten (Trassen) in Bezug setzen, und sie mit diesen gemeinsam darstellen. Großmaßstäbige Karten nennt man Pläne. Orthofotos sind Luft- und Satellitenbilder mit Vertikalperspektive und Referenzkoordinaten. Pläne und Orthofotos werden wie Rasterkarten behandelt.

Vorbemerkung: Intern arbeitet TransDEM mit recht viel Mathematik und Geodäsie (Vermessungskunde). Geodätische Verfahren und mathematische Algorithmen bleiben für den Anwender jedoch verborgen. Die Bedienung von TransDEM ist so konzipiert, dass nur minimale Kenntnisse über Koordinatensysteme und ihre Anwendung erforderlich sind. Diese Kenntnisse können an Hand der mitgelieferten Dokumentation und der Tutorien-Beispiele erworben werden.

Koordinatensysteme in TransDEM

Voraussetzung ist, dass TransDEM das Koordinatensystem der Karte kennt und beherrscht. Das Standard-Koordinatensystem von TransDEM ist UTM. Zusätzlich werden verschiedene nationale Koordinatensysteme unterstützt, derzeit insgesamt 27.

Einige der TransDEM Koordinatensysteme:

Mit Version 1.2 sind neu dazugekommen:

Auch ein historisches Koordinatensystem gehört ab Version 2.2 mit zum Umfang: preußische Katasterkoordinaten in Soldner-Projektion.

Georeferenzierung

Für die Georeferenzierung müssen die Koordinaten für drei Punkte auf der Bitmap-Karte bekannt sein. Für möglichst kleine Fehler sollten die Koordinaten möglichst in den Ecken der Bitmap liegen. Das verwendete Koordinatensystem muss von TransDEM unterstützt werden.

Trägt die Bitmap-Karte ein Koordinatengitter, bieten sich Gitterschnittpunkte als Referenzkoordinaten an.

Im hier vorgestellten Beispiel handelt es sich um eine schweizerische topographische Karte 1:25000, mit Swiss-Grid-Koordinaten und aufgedrucktem Koordinatengitter. Die für die Georeferenzierung verwendeten Gitterschnittpunkte sind mit einem Kreis markiert.

Die Georeferenzierung erfolgt in TransDEM mit Unterstützung durch die Maus. Die gewählten Referenzpunkte werden angeklickt und die Koordinaten dazu eingegeben. TransDEM führt durch diesen Prozess.

Ist die Bitmap-Karte bereits vor der Georeferenzierung an der Nord- und Ostachse ausgerichtet, und sind die Koordinaten der Eckpunkte bekannt, so kann ein vereinfachtes Verfahren in TransDEM genutzt werden.

Nach Eingabe der Referenzpunkte zeigt TransDEM das Ergebnis der Georeferenzierung durch ein Koordinatengitter an.

TransDEM verwendet für die Georeferenzierung eine sogenannte affine Transformation. Mit den drei Referenzpunkten werden bestimmt:

  • Translation, Verschiebung gegenüber dem Nullpunkt.

  • Rotation, Drehung der Karte

  • Skalierung, Maßstabsbestimmung. Kann für beide Achsen unterschiedlich sein

  • Scherung, Parallelogrammverzerrung



Bei erfolgreicher Eingabe der Referenzpunkte (und grundsätzlicher Eignung der Karte) wird das TransDEM-Koordinatengitter dem der Bitmap in Lage und Beschriftung entsprechen.

Im nächsten Schritt erfolgt eine Transformation nach UTM. UTM ist das Bezugskoordinatensystem von TransDEM. Alle weiter zu verarbeitenden Daten müssen als UTM-Koordinaten vorliegen.

Die UTM-Transformation wandelt jeden einzelnen Bildpunkt um. Sie besteht aus folgenden Schritten:

  • Affine Rückprojektion: Transformation der Bitmap in kartesische Koordinaten des gewählten Koordinatensystems, mit den über die eingegebenen Referenzpunkte bestimmten Parametern. Diese Transformation ist eine Näherung.

  • Rückprojektion: Konvertierung der kartesischen Koordinaten des nationalen Koordinatensystem in geographische Koordinaten (Länge und Breite), bezogen auf das geodätische Datum des nationalen Koordinatensystems (Referenzellipsoid). Diese Transformation ist exakt.

  • Transformation in geozentrische Koordinaten, mit dem Mittelpunkt des Referenzellipsoiden (geod. Datum als Ursprung), exakte Transformation.

  • Datums-Transformation: Konvertierung der geodätischen Datums auf den Referenzellipsoiden WGS84. TransDEM benutzt dazu die Helmert-Transformation mit 7 Parametern, bestehend aus Translation, Rotation und (einheitlicher) Skalierung. Diese Transformation ist eine Näherung.

  • Rücktransformation der neuen geozentrischen WGS84-Koordinaten in geographische Koordinaten, exakte Transformation

  • Projektion der geographischen Koordinaten auf kartesische UTM-Koordinaten, exakte Transformation



In vielen Fällen bewirkt die Transformation in UTM Koordinaten eine sichtbare Drehung (Rotation) der Bitmap. Die Transformation kann aber auch zu Dehnung/Stauchung und Entzerrung führen, abhängig von den Eigenschaften der originalen Bitmap und den Referenzkoordinaten.

Das Koordinatengitter bleibt zunächst dasjenige, das für die Eingabe der Referenzpunkte verwendet wurde. Im Beispiel hier dreht sich dieses Gitter mit.

TransDEM erlaubt nun das Umschalten des Koordinatengitters auf UTM. Das neue Gitter ist nun nicht mehr deckungsgleich zu dem der Georeferenzierung (Ausnahme: Es wurde bereites mit UTM georeferenziert). Selbst die geographischen Koordinaten (Länge und Breite) für denselben Punkt sind jetzt andere. Letzteres liegt daran, das unterschiedliche Koordinatensysteme ein unterschiedliches geodätisches Datum verwenden, vereinfacht ausgedrückt, sich auf einen unterschiedlichen Erdmittelpunkt beziehen.



Andere Methoden zur Georeferenzierung

TransDEM bietet zudem weitere Methoden der Georeferenzierung, manuelle und automatische: ,

GeoPDF-Beispiel:

Original in polykonischer Projektion, einem lokalen Koordinatensystem, Kartenbereich begrenzt durch Randlinie „Neat-Line“ (gelber, semitransparenter Bereich), in PDF als Metadaten enthalten.

WMS – Web-Kartendienste

TransDEM bietet mit Version 1.2 einen WMS-Client, mit dem von OGC-kompatiblen Web-Servern Kartenausschnitte mit fertiger Georeferenzierung automatisch abgerufen werden können, sowohl als Einzelbild, als auch entlang eines Pfades, z.B. einer Bahntrasse. Der TransDEM WMS-Client bietet umfangreiche Einstellmöglichkeiten und ist ausführlich dokumentiert.

Hier ein Abbild der Insel Usedom, mit Kartenausschnitten 1:50000 entlang der als "Usedomer Bäderbahn" bekannten Strecke. Die Karten stammen vom WMS-Server des Amts für Geoinformation Mecklenburg-Vorpommern.

Web-Kachelkartendienste

Mit TransDEM Version 1.3 kam ein Client für die de-facto-Norm von Kachelkarten hinzu, ein Modell mit Standard-Mercator-Projektion und einer Quadtree-Struktur für die verschiedenen Maßstabsebenen. Daten erhältlich von verschiedenen Anbietern.

Das folgende Bild wieder die Insel Usedom, diesmal Open Street Map, Darstellung der Verkehrswege, Zoomstufe 13, etwa 1:120 000.

Google EarthTM Orthofotos

TransDEM ermöglicht die semi-automatische Georeferenzierung von Google Earth-Orthofotos. Hilfsmittel dazu ist die Ortsmarke (Placemark) in Google Earth, die pro Bild vergeben wird und die notwendigen Koordinaten enthält. TransDEM liest diese Ortsmarke und entnimmt ihr alle zur Georeferenzierung notwendigen Daten.

Im folgenden Bild ist ein Google Earth-Orthofoto des Bahnhofs Heringsdorf (Insel Usedom) der topografischen Karte 1:25000 überlagert. Die Darstellung in TransDEM ist beliebig zoombar.

Beispiele

Im folgenden werden einige Beispiele für mit TransDEM georeferenzierte Karten mit verschiedenen Koordinatensystemen gezeigt.

Deutschland, Gauß-Krüger

Gezeigt wird die Querung der Wupper mit den Müngstener Brücke zwischen Remscheid und Solingen. Das Beispiel enthält eine topographische Karte 1:50000, überblendet mit einer Grundkarte 1:5000. Der graue Fleck in der rechten Bildhälfte ist die großmaßstäbige Grundkarte.

Bei weiterer Vergrößerung kann man den Übergang zwischen beiden Maßstäben gut erkennen.

 

Australien (New South Wales), UTM

Westlich von Sydney liegen die Blue Mountains, ein Gebirge, das die Eisenbahnbauer zunächst vor große Schwierigkeiten stellte. Im Bild zu sehen ist die Westrampe zwischen Lithgow und Mount Victoria.

Die Rasterkarten stammen von einem Geoserver. Sie wurden einzeln georeferenziert, und mit einem ASTER-DEM überblendet

Kartenbasis sind Vektordaten. Dies wird bei der Vergrößerung deutlich. Zu sehen ist hier alter und neuer Trassenverlauf östlich von Lithgow. Die alte Trasse mit Spitzkehre, noch in Kapspur, dient heute als Museumsbahn "Zig-Zag-Railway".

 

Großbritannien, OSGB36

Bei diesem Beispiel handelt es sich nicht um eine Eisenbahn, sondern um eine historische Wasserstraße aus verschiedenen Kanälen, seit der Wiedereröffnung vor wenigen Jahren als "South Pennine Ring" bekannt. Das DEM stammt aus SRTM-Daten.

 

Ungarn, EOV

Das Beispiel zeigt eine topographische Karte 1:10000, überlagert mit SRTM-Höhendaten.

 

Schweiz, Swiss-Grid

Im Bild zu sehen ist die Gotthard-Nordrampe bei Wassen, topographische Karte 1:25000, Höhendaten aus SRTM. Zusätzlich eingetragen der Verlauf der Bahntrasse.

 

Eritrea (Ostafrika), S42 Pulkovo/Krassovski

Topographische Karte 1:500000 sowjetischer Produktion, überblendet mit einem ASTER-DEM. Zu erkennen ist die Bahntrasse der 950mm-Strecke von Asmara nach Keren, derzeit (2005) im Wiederaufbau. (Die topographischen Karten der sowjetischen Militärgeographen existieren für weite Teile des früheren sowjetischen Einflussbereichs. Die Karten sind für ihre hohe Qualität bekannt.)   


© 2003 - 2014 Roland Ziegler