Wie bekomme ich die Karte in die Karte

[RiccardoKlinger2]

In meinem Leben hatte ich schon viele Karten in den Händen und meine geheime Liebe ist es, Karten miteinander zu vergleichen, Unterschiede, Ungenauigkeiten und Gemeinsamkeiten festzustellen. Nach diesem wunderbaren Artikel auf Wired über die russischen topographischen Karten aus der Soviet-Zeit fragte ich mich auf ein Neues: Wie bekomme ich eigentlich diese gescannten Karten in ArcGIS Pro? Für ArcMAP hatte ich vor einigen Jahren bereits einen Workflow beschrieben:

Schauen wir aber nun in das Jahr 2018:

Gescannte Karten in ArcGIS Pro hinzufügen

Um Karten vergleichen zu können braucht man natürlich erstmal Karten. Ich habe hier eine russische topographische Karte. Die Karte weist den Maßstab 1:500.000 auf.

Die weitere Arbeit vollzieht sich nun in ArcGIS Pro (Version 2.1). Hierfür öffne ich ein neues Projekt und füge die russische Karte über die "Daten hinzufügen"-Funktion in der Ebenen-Gruppe in eine neue Karte ein (klar, drag&drop aus dem Windows-Explorer funktioniert auch):

Wie man sehen kann, hat die topographische Karte noch keinen Raumbezug: Jeder Pixel der Karte wird als eigene Koordinate gesehen. Da die Karte 3346x3644 Pixel hat, ist die untere rechte Ecke auch auf der Koordinate 3644° Süd und 3346° Ost. Der ArcGIS-Pro Karte wurde nun das Koordinatenreferenzsystem Pulkovo 1942(58) (EPSG:4179) zugewiesen. Daraufhin werden die Pixelnummern als Grad-Paare identifiziert. Das bringt uns der Sache weiter.

Dem Bild einen Raumbezug geben

Die topographische Karte muss nun georeferenziert werden. Hierbei erstellt man eine Regel, die jedem Pixel des Bildes eine Koordinate in der realen Welt entspricht. Im Wesentlichen unterscheidet man hierbei zwei Herangehensweisen:

Bild zu Karte

Bei der Bild zur Karte Referenzierung sucht man im Bild Referenzpunkte, von denen man die realen Koordinaten kennt. Diese Referenzpunkte sollten:

• zeitlich lagestabil sein
• vergleichbare Höhe
• eindeutig abgrenzbar
• korrespondierend zur Pixelgröße

Ein paar Beispiele für Referenzpunkte sind: Straßenkreuzungen Gebäudeecken oder auch einzelstehende Bäume (beachte: zeitlich begrenzt?)

Karte zu Karte

Bei einer "Karte zu Karte" Referenzierung werden Pixelpaare in der Karte gesucht zu denen auf der zu referenzierende Karte eine Koordinate bekannt ist. Dem GIS wird dann mitgeteilt: Pixel 3375,66 hat die Koordinate 52°N, 12°O.  Ein schönes Beipiel für dieses Koordinatenpaar in der hier verwendeten Karte:

Den Raumbezug verallgemeinern

Nun haben wir kurz gesehen, wie die Pixel den Koordinaten zugewiesen werden können: klar zu idenztifizierende Pixel mit Eigenschaften werden Koordianten zugewiesen.

Nun ist uns aber auch klar, dass nicht jeder Pixel 1:1 einem Koordinatenpaar zugewiesen werden kann. Es gilt also, eine Regel zu definieren, die jedem Pixel eine Koordinate zuweist:

Auch hier gibt es wieder mehrere Möglichkeiten, die sich nach der Qualität des Bildes und der Topographie unterscheiden. Die Gebräuchlichsten sind:

• affine Transformation (polynomiale Transformation 1. Grades)
• polynomiale Transformationen von Grad n
• Spline Transformation

Eine gute Übersicht bietet hier die folgende Grafik aus der Esri-Hilfe:

Die polynomialen Transformationen unterscheiden sich von der Spline im Wesentlichen dadurch, dass die polynomialen Transformationen versuchen, ein Polynom n-ten Grades zu finden, welches der Zuordnungsvorschrift (definiert durch die Pixel-Koordinatenzuweisungen der einzelnen Referenzpunkte) am besten entspricht. Die Spline Transformationen hingegen setzt sich aus mehreren lokalen Polynomen zusammen, sodass jeder Referenzpunkt exakt abgebildet wird und die Krümmung des Bildes an den Übergängen der einzelnen Polygone minimiert wird.

Für den Nicht-Mathematiker kann man sagen: umso höher der Polynomgrad umso genauer das Ergebnis und ich kann die Fehler in den Passpunkten noch berechnen (Ich weiß also, wie stark ich falsch liege mit meiner Georeferenzierung). Die Spline-Interpolation liegt an den Referenzpunkten immer richtig und ich muss mein Ergebnis mit weiteren Test-Referenzpunkten verproben.

Wie georeferenziere ich denn nun?

Manchmal ist es besser, den Vorgang am "lebenden Objekt" zu erklären, als umständlich drüber zu schreiben.

Folgen Sie am Besten dem folgenden Video, welches eine Transformation mit dem Polynomgrad 1 zeigt:

Am Ende einer Georeferenzierung sollten Sie das Ergebnis speichern und den Rasterdatensatz am besten noch in eine File Geodatabase oder ähnliches exportieren / persistieren.