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Willkommen in 2019: Daten zum digitalen Geländemodell Sachsen als Open Data verfügbar

tags: 3d, qgis, open data
Einige Geodaten von Sachsen frei verfügbar und verwendbar. Quelle Logo: geodaten.sachsen.de
Einige Geodaten von Sachsen frei verfügbar und verwendbar. Quelle Logo: geodaten.sachsen.de
Die Mühlen der öffentlichen Hand mahlen langsam - auch in Sachsen. Die Rasterdaten zu dem digitalen Geländemodell (DGM) von Sachsen können ab sofort kostenfrei unter www.geodaten.sachsen.de heruntergeladen werden. Bisher mussten je nach Qualitätsstufe zwischen 1 und 80 EUR für den km² an Gebühren an den Staatsbetrieb Geobasisinformation und Vermessung Sachsen (GeoSN) entrichtet werden. Immer mehr Behörden in Sachsen folgen dem Trend zu OpenData und stellen ihre Datensätze unter eine Lizenz, die eine kostenfreie Nachnutzung ermöglicht.

Andere Bundesländer, wie Thüringen, stellen ihre hochaufgelösten digitalen Geländedaten bereits seit geraumer Zeit kostenfrei zur Verfügung (Überblick auf opendem.info), während etwa Bayern für Diese ebenfalls immer noch Gebühren verlangt [1]

Die für Sachsen verfügbaren Datensätze DGM1, DGM2 und DGM20 "beschreiben die Geländeoberfläche durch ein regelmäßiges Punktraster" in abnehmender Qualitätsstufe [2]. Für ein digitales Geländemodell werden für geographische Punkte (X,Y) mittels Laser-Verfahren (LIDAR) die Höheninformation (Z) gewonnen. Aus den Rohdaten (Laser-Primärdaten) erstellte das GEOSN anschließend unter anderem sogenannte ASCII-Grid-Dateien (*.xyz) oder etwa Schummerungsbilder (englisch: Hillshading). In der Schummerungsansicht wird durch eine oder mehrere künstliche Beleuchtungsquellen die Veränderung der Oberfläche "plastisch" hervorgehoben. Diese Ansicht bietet in Kombination mit topographischen Karten einen guten Eindruck der Oberflächen- bzw. der Geländetopographie. Verwendung finden diese Daten u.a. in der Landschaftsplanung und vor allem im Hochwasserschutz.

Kostenfrei waren bisher über ein Web-Map-Service (WMS) des GEOSN lediglich die Schummerungsbilder des digitalen Gelände- und Oberflächemodells verfügbar.  Diskrete Höheninformationen konnten bisher nur auf visuelle Weise mithilfe von Höhenlinien (Isohypsen) oder lediglich durch einzelne WMS-Abfragen (WMS-GetFeature an XY-Koordinaten) abgefragt werden. Die Bereitstellung der Punktdaten erfolgte bisher in der Regel gebührenpflichtig. Diese vollständigen XYZ-Daten nun endlich unter einer freien Lizenz zu veröffentlichen war ein längst überfälliger Schritt. Die Datenlizenz „Deutschland – Namensnennung – Version 2.0“ (dl-de/by-2-0) ermöglicht mit dem Quellenvermerk "GeoSN" und ggf. der URL des Datensatzes auch eine kommerzielle Nutzung.

Das hat mehrere Vorteile. Zum Einen kann nun Jeder mit Open-Source-Software sehr einfach ein optimiertes Schummerungsbild erstellen - zum Anderen bildet beispielsweise das DGM1 eine sehr gute Grundlage für 3D-Visualisierungen und Anwendungen im Bereich Tourismus, Archäologie und natürlich auch für die Geologie.

Wie kann man die XYZ-Daten in einem GIS nutzen?

Mithilfe von QGIS lässt sich die ASCII-GRID einfach einbinden. Das Einbinden mit dem geringsten Zeitaufwand mittels QGIS erfolgt über den Menüpunkt "Layer" → "Layer hinzufügen" → "Rasterlayer hinzufügen". Die bereitgestellte *.xyz Datei auswählen und dann über die Layeroption die Darstellungsart "Schummerung" auswählen. Dabei ist auf die Auswahl des Quellenkoordinatensystems zu achten. Standard für die vom GEOSN bereitgestellten Daten ist das UTM33N (EPSG-Code: 25833). Die Darstellungsqualität bei dieser Methode lässt jedoch zu Wünschen übrig. Beim Export der Darstellung kommt es dann zu einer Art Blockbildung und ein Vorteil des hoch aufgelösten XYZ-Grids geht verloren. Um das volle Potential zu Nutzen, erfolgt die Konvertierung des XYZ-Grid in ein Rasterdatenformat (z.B. GEOTIFF) mit optimierten Konvertierungsparametern.

Bei der Verwendung von QGIS und der Daten vom GEOSN beachten!

Die vom GEOSN bereitgestellen ASCI-GRID müssen derzeit für QGIS 3.8 noch in die "richtige" Reihenfolge gebracht werden. Eine *.XYZ-Datei besitzt eine Struktur, bei der zu jeder X und Y-Koordinate - die eine Zelle bilden - ein dazugehöriger Höhenwert (Z) zugeordnet wird. Die Interpretation der Werte kann zum Beispiel mit der Bibliothek GDAL erfolgen. QGIS benutzt diese Bibliothek bei der oben beschriebenen Methode.

Damit GDAL die Daten vom GEOSN richtig interpretieren kann, muss die Reihenfolge der Daten innerhalb der Y- und X-Spalten nach folgender Dokumentationsgrundlage vorliegen. Darin heißt es: "Cells with same Y coordinates must be placed on consecutive lines. For a same Y coordinate value, the lines in the dataset must be organized by increasing X values." [3] Das heißt, dass die Werte nach Y auf- oder absteigend und die dazugehörigen X-Werte AUFSTEIGEND (WICHTIG !) sortiert werden müssen. Das ist bei den vom GEOSN bereitgestellten Daten nicht der Fall. GDAL bzw. QGIS gibt bei dem Versuch die "unsortierten" bzw. für QGIS/GDAL "falsch sortierten" Datenreihen zu interpretieren folgende Fehlermeldung aus: "Ungridded dataset: At line 123, change of Y direction".

Für Linux können die teilweise sehr großen Datenmengen sehr effizient mittels dem Programm "sort" wie folgt in die richtige Reihenfolge gebracht. Alternativ dazu kann dies mit den gängigen Office Tabellenkalkulationsprogrammen (Microsoft Office Excel, LibreOffice Calc) über den Menüpunkt Daten → Sortieren → Sortierkriterium erfolgen (1. Kriterium: nach Y auf- oder absteigend, 2. Kriterium: X AUFSTEIGEND). Je nach Datenumfang dauert der Sortiervorgang über so eine grafische "Schnittstelle" sehr lange.

Anleitung für die Nutzung der DGM-Daten - Sortierung, Konvertierung und Darstellung in QGIS (Version 3.8).

Dabei haben sich folgende Parameter als optimal herausgestellt, sodass sich bei maximal erreichbarer Darstellungsqualität eine möglichst geringe Dateigröße ergibt. Bei anderen Datenanbietern sind ein oder mehrere Schritte nicht notwendig oder müssen ggf. angepasst werden.

1. Download der Daten über geodaten.sachsen.de. Folgend ein Beispiel an einem DGM1-Testdatensatz des GEOSN - dem 2x2 km Bereich UTM 33N 4085652 - einem Bereich im Plauenschen Grund.

2. Sortieren der Daten nach Y-Spalte (auf- oder absteigend) und nach X-Spalte (aufsteigend) mittels Linux-Paket "sort".Sortierung der XYZ-Daten nach Y und X

sort -nk 2 -nk 1 334085652_dgm1.xyz > 334085652_dgm1_sorted.xy

3. Konvertierung nach *.tiff mittels gdal_translate
DGM1 Sachsen in QGISgdal_translate ist unter Linux Teil des Paketes für QGIS. Im Wesentlichen unterscheiden sich die folgenden Konvertierungsparameter in der Angabe der Zielauflösung der Zellen. Für das DGM1-Datensätze beträgt diese: 0,1 (Meter) und für DGM2: 0,3 Meter und mit zunehmender Zellgröße kann die Auflösung verringert werden. Die TIFF-Komprimierung DEFLATE mit dem Komprimierungsgrad 9 ist sehr rechenintensiv, führt jedoch zu einer vergleisweise geringen Dateigröße. Alternativ können natürlich verlustbehaftete Dateiformate, wie GEO-JPEG o.ä. gewählt werden, bei denen die Dateigröße mitunter um eine Größenordnung kleiner ausfällt.

Beispielparameter für gdal_translate und dem Datensatz 334085652 (DGM1, GEOSN). Der Datensatz ist vergleichsweise umfangreich (92 MB als ASCII-GRID). Die *.tif mit einer Auflösung von 0,1x0,1 Metern ist dementsprechend sehr groß (540 MB). Entweder die Auflösung verringern, oder ein verlustbehaftetes Datenformat, wie GeoJPEG verwenden.

gdal_translate --config GDAL_CACHEMAX 1024 --config NUM_THREADS ALL_CPUS -co compress=deflate -co zlevel=9 -co tiled=yes -co blockxsize=2048 -co blockysize=2048 -co tfw=no -co interleave=pixel -co predictor=3 -co bigtiff=if_needed -co nbits=32 -ot float32 -tr 0,1 0,1 -r cubic -of GTIFF -a_srs EPSG:25833 334085652_dgm1_sorted.xyz 334085652_dgm1_sorted.tif


für die DGM2 oder „gröberen“ Datensätze z.B. wie folgt

gdal_translate --config GDAL_CACHEMAX 512 -co NUM_THREADS=ALL_CPUS -co compress=deflate -co zlevel=9 -co tiled=yes -co tfw=no -co interleave=pixel -co predictor=3 -tr 0,3 0,3 -r cubic -of GTIFF -a_srs EPSG:25833 testdaten_dgm2-sortiert.xyz testdaten_dgm2-sortiert.tif


4. Einbinden der GEOTIFF in QGIS als Rasterquelle in der Schummerungsansicht

DGM1 Sachsen in QGIS im SchummerungsmodusDie Darstellungsparameter sind Geschmackssache. Die folgenden Layereinstellungen erzeugen einen optimierten Schummerungseffekt - insbesondere in Kombination mit anderen Kartenebenen, wie topographischen oder geologischen Karten.

"Darstellungsart": Schummerung
"Höhenlage": 40 °
Haken bei "Mehrere Richtungen" setzen
"Mischmodus": Multiplizieren
Helligkeit und Kontrast auf die Werte: 15 setzen

 


3D-Visualisierung mittels DGM1 und dem 3D-Stadtmodell von Sachsen5. Nachnutzung. Die Schummerungsansicht des DGM von Sachsen kann in zwei Varianten auch ohne die oben genannten Schritte über den WM(T)S-Dienst abgerufen werden. Ein signifikanten Mehrwert bieten die Daten erst für beispielsweise eine 3D-Visualisierung oder anderweitige Anwendungen. Details und Beispiele dazu wird es in gesonderten Beiträge geben. Die Abbildung links zeigt solch eine einfache 3D-Visualisierung vom Plauenschen Grund.

Wie finde ich die richtige 2x2 km Kachel in den zip-Dateien der DGM2, wenn keine aktuellen DGM1-Daten für das Gebiet vorliegen?

Da die Kachelung in Rechtecke (4 Koordinateneckpunkte: left, right,bottom,top) von 2x2 km erfolgt, ist es etwas mühselig innerhalb der zip-Dateien (DGM2) das gewünschte Gebiet zu finden.

2x2km Hilfskachelung für das DGM2-GridDie Dateibezeichnung erfolgt nach dem Muster: die ersten 3 Ziffern der linken Koordinate (left), kombiniert mit den ersten vier Ziffern der unteren Koordinate (bottom), die das Rechteck aufspannen. Für das obige Beispiel Plauenscher Grund ist das die 2x2 km Kachel im UTM-Grid 33N mit den Eckpunkten left: 408000 top: 5654000 right: 410000 bottom: 5652000. Die Kachel-ID lautet also 33-408-5652 (dgm2_334085652.xyz) im DGM2-Datensatz dgm2_4005640.zip. Da konkret für dieses Gebiet ein DGM1-Datensatz vorliegt, erübrigt sich eine Suche im DGM2-Datensatz. Nicht jedoch für einige ländliche Gegenden von Sachsen, wenn die Befliegung vor 2015 erfolgte.

In QGIS lässt sich als Hilfsmittel ein Gitter mit der 2x2 km Kachelung erzeugen. Die Beschriftung analog „GEOSN-Struktur“ erfolgt so: left("left",3) || left("bottom",4) [QGIS-Funktion left(string,length)]. Die Hilfskachelung findet sich in folgender gepackten Shape-Datei (hilfskacheln-2x2km-sachsen.zip). Für die Beschriftung die dazugehörige QGIS-Stildatei nutzen bzw. das Feld „KachelID“ als Beschriftungsquelle verwenden.

2x2 Kachelung Landesgrenzen Sachsen gelb, blau DGM1 und DGM2Zusatz: Es gibt eine offizielle Shape-Datei der 2km-Kachelung vom GEOSN unter 2km_Kachelung_ETRS89.zip, bei der die Beschriftung mit dem Feld „NR“ erfolgen kann. Abbildung links zeigt die verfügbaren Blattschnitte (blau). Gelb zeigt die 2x2 km Kachelung für ganz Sachsen. Für Nord- und Ostsachsen sind lediglich DGM2-Daten verfügbar (größere blaue Rechtecke).

Datenquelle der Abbildungen: GEOSN, 2019 — Lizenz: dl-de/by-2-0, via geodaten.sachsen.de 

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