Evaluation von kartografischen Werkzeugen in ArcGIS zur Erstellung von topografischen Karten Masterarbeit von Melanie Wildi eingereicht am Geographischen Institut der Universität Zürich Abteilung Geographische Informationssysteme Abgabe: 31.1.2013 Betreuung: Prof. Dr. Robert Weibel, Geographisches Institut der Universität Zürich Dr. Christian Häberling & Samuel Wiesmann, Institut für Kartografie und Geoinformation der ETH Zürich Evaluation von kartografischen Werkzeugen in ArcGIS zur Erstellung von topografischen Karten Masterarbeit (GEO511) von Melanie Wildi eingereicht am Geographischen Institut der Universität Zürich Abteilung Geographische Informationssysteme Abgabe: 31.1.2013 Matrikelnummer: 05712237 Betreuung und Fakultätsvertretung: Prof. Dr. Robert Weibel, Geographisches Institut der Universität Zürich Betreuung Institut für Kartografie und Geoinformation der ETH Zürich: Dr. Christian Häberling & Samuel Wiesmann Wolfgang-Pauli-Strasse 15 8093 Zürich Kontakt: Melanie Wildi Oberdorf 4 5102 Rupperswil [email protected] Zusammenfassung In der Kartografie ist ein Wandel von der rein grafischen digitalen Kartografie in die datenbange- stützte GIS-Kartografie zu beobachten. ESRI hat den Bedarf an kartografischen Funktionen in GIS- Software erkannt und vor einigen Jahren kartografische Repräsentationen in ihrem GIS- Softwarepaket ArcGIS eingeführt. Repräsentationen bieten eine datenbankgestützte, regelbasierte Symbolisierung von Geoobjekten, zusammen mit der Möglichkeit, für einzelne Objekte Ausnahmen von den Repräsentationsregeln zu generieren. Dabei kann die Originalgeometrie auch erhalten bleiben, wenn ein Objekt in seiner Position verschoben wird. ArcGIS stellt zudem weitere Werkzeuge für die kartografische Feinbearbeitung bereit. In dieser Masterarbeit soll gezeigt werden, wie gut sich der Einsatz von Repräsentationen und kartografischen Geoverarbeitungswerkzeugen im Softwarepaket ArcGIS 10.0 von ESRI eignet, um zweckmässige topografische Karten zu gestalten. Dazu wurde auf Grundlage von aus Literatur zusammengetragenen Gestaltungsgrundsätzen ein Kriterienkatalog für die Evaluation von Repräsentationen und kartografischen Werkzeugen erstellt. Diese Evaluation wurde anhand der Gestaltung von Ausschnitten einer topografischen Karte von der griechischen Insel Nisyros durchgeführt. In einer Expertenbefragung wurden zudem die kartografischen Ergebnisse beurteilt. Aus diesen Erkenntnissen wurden einerseits Rückschlüsse auf die Eignung von Repräsentationen und Werkzeugen aus der Cartography-Toolbox gezogen, andererseits Verbesserungsideen für die Fertigstellung der topografischen Karte von Nisyros erhalten. Die Ergebnisse der von der Autorin durchgeführten Evaluation und der Expertenbefragung zeigen, dass mittels Repräsentationen qualitativ hochstehende Symbolisierungen erstellt werden können. Bei den kartografischen Werkzeugen zeigt sich ein differenziertes Bild. Während kartografische Tools zur Generalisierung von Linien gute Resultate liefern, erfordert die Verwendung von Werkzeugen zur Gebäudegeneralisierung aufwändige manuelle Nachbearbeitung. Weitere Werkzeuge aus der Cartography-Toolbox bieten gut funktionierende, interaktive teilautomatisierte Bearbeitungsmöglichkeiten. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass sich der Einsatz von Repräsentationen und kartografischen Werkzeugen in ArcGIS 10.0 trotz einigen Mängeln eignet, um zweckmässige kartografische Karten zu erstellen. Es bleibt zu hoffen, dass die kartografischen Geoverarbei- tungswerkzeuge und insbesondere die Werkzeuge zur Gebäudegeneralisierung in den nächsten Jahren noch weiter verbessert werden. I Danksagung Ich möchte mich ganz herzlich bei meinen Betreuern Robert Weibel, Christian Häberling und Samuel Wiesmann für die hilfreiche Unterstützung während dieser Arbeit bedanken. Weiter bedanke ich mich bei:  Lorenz Hurni für die Ermöglichung dieser Arbeit und für ein spannendes Untersuchungs- gebiet.  Hans-Uli Feldmann, Heinz Weber, Ernst Spiess, Regula Spiess und Stefan Arn für die Teilnahme am Experteninterview.  Volker Dietrich für die inhaltlichen Tipps für die geplante Fertigstellung der topografischen Karte von Nisyros  David Burkhard für die emotionale Unterstützung während der Arbeit, für das Durchlesen der Arbeit und guten Ratschläge.  Meinen Eltern für die Ermöglichung des Studiums. II Persönliche Erklärung Ich erkläre hiermit, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig verfasst und die den verwendeten Quellen wörtlich oder inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht habe. Rupperswil, 30.01.2013 Melanie Wildi III Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung ............................................................................................................................... I Danksagung ........................................................................................................................................ II Persönliche Erklärung ........................................................................................................................ III 1 Einführung .................................................................................................................................... 1 1.1 Ausgangslage und Problemstellung .................................................................................. 1 1.2 Zielsetzung......................................................................................................................... 2 1.3 Abgrenzung des Untersuchungsrahmens ......................................................................... 2 1.4 Struktur der Arbeit .............................................................................................................. 3 2 Theoretische und arbeitstechnische Grundlagen ......................................................................... 5 2.1 Stand der Forschung (Forschungskontext) ....................................................................... 5 2.1.1 Datenbankbasierte GIS-Kartografie .................................................................................. 5 2.1.2 Realisierung eines GIS-basierten Kartenproduktionssystem bei der swisstopo ............... 6 2.1.3 Automatisierte Generalisierung ......................................................................................... 7 2.1.4 Fazit ................................................................................................................................. 10 2.2 Kartografische Repräsentationen .................................................................................... 11 2.2.1 Einführung........................................................................................................................ 11 2.2.2 Komponenten der Repräsentationssymbologie............................................................... 11 2.2.3 Erstellen und Bearbeiten von Repräsentationen ............................................................. 14 2.2.4 Overrides ......................................................................................................................... 14 2.2.5 Freie Repräsentationen ................................................................................................... 16 2.3 Kartografische Tools in ArcGIS ....................................................................................... 16 2.4 Arbeitstechnische Grundlagen......................................................................................... 22 2.4.1 Verwendete Hardware und Software ............................................................................... 22 2.4.2 Untersuchungsgebiet ....................................................................................................... 22 2.4.3 Datengrundlage ............................................................................................................... 23 3 Kartografische Gestaltungsgrundsätze für topografische Karten ............................................... 25 3.1 Allgemeines ..................................................................................................................... 25 3.2 Grafische Differenzierbarkeit und Lesbarkeit .................................................................. 25 3.3 Informationsdichte ........................................................................................................... 26 3.4 Kartografische Generalisierung ....................................................................................... 26 3.4.1 Definition Generalisierung ............................................................................................... 26 3.4.2 Generalisierungsoperationen .......................................................................................... 27 IV 3.5 Grafische Minimaldimensionen........................................................................................ 29 3.5.1 Empfohlene Minimaldimensionen für Punktsignaturen ................................................... 30 3.5.2 Empfohlene Minimaldimensionen für Liniensignaturen ................................................... 30 3.5.3 Empfohlene Minimaldimensionen für Flächensignaturen ................................................ 31 3.6 Farben .............................................................................................................................. 32 3.7 Symbolisierung ................................................................................................................ 34 3.7.1 Punktsymbole .................................................................................................................. 35 3.7.2 Linien ............................................................................................................................... 35 3.7.3 Flächen und Flächenmuster ............................................................................................ 35 3.8 Kartenbeschriftung ........................................................................................................... 36 3.8.1 Typografie ........................................................................................................................ 36 3.8.2 Schriftplatzierung ............................................................................................................. 36 3.9 Kartenrandangaben ......................................................................................................... 38 3.9.1 Legende ........................................................................................................................... 38 3.9.2 Kartenrandangaben ......................................................................................................... 38 4 Methodik ..................................................................................................................................... 40 4.1 Überblick über das gewählte Vorgehen ........................................................................... 40 4.2 Einarbeitung in die Software ............................................................................................ 41 4.3 Selektion der Anforderungen ........................................................................................... 41 4.3.1 Anforderungen an topografische Karte ............................................................................ 41 4.3.2 Auswahl der Testgebiete für die Evaluation .................................................................... 42 4.3.3 Selektion der kartografischen Werkzeuge ....................................................................... 42 4.4 Evaluation der Repräsentationen und kartografischen Geoverarbeitungswerkzeuge .... 44 4.4.1 Ausarbeitung der Evaluationskriterien ............................................................................. 44 4.4.2 Auswertung der Evaluation .............................................................................................. 44 4.5 Expertenbefragung zur Beurteilung der kartografischen Ergebnisse .............................. 45 4.5.1 Expertenbefragung als Methode zur qualitativen Datenerhebung .................................. 45 4.5.2 Durchführung der Expertenbefragung ............................................................................. 45 4.6 Weiteres Vorgehen .......................................................................................................... 46 5 Evaluationskriterien für die Qualitätsbeurteilung ........................................................................ 47 5.1 Beurteilungskriterien Repräsentationen .......................................................................... 47 5.1.1 Grundsätzliche Anforderungen ........................................................................................ 47 5.1.2 Beurteilungskriterien ........................................................................................................ 48 5.2 Beurteilungskriterien Generalisierung ............................................................................. 51 V 5.2.1 Grundsätzliche Anforderungen ........................................................................................ 51 5.2.2 Beurteilungskriterien ........................................................................................................ 52 5.3 Beurteilungskriterien Kartografische Geoverarbeitungswerkzeuge ................................ 54 5.3.1 Grundsätzliche Anforderungen ........................................................................................ 54 5.3.2 Beurteilungskriterien ........................................................................................................ 55 6 Erstellung einer topografischen Karte ........................................................................................ 57 6.1 Datenvorverarbeitung ...................................................................................................... 57 6.1.1 Digitalisierung fehlender Daten........................................................................................ 57 6.1.2 Organisation der Datenstruktur ....................................................................................... 58 6.1.3 Überprüfung und Bereinigung der Topologie .................................................................. 59 6.2 Symbolisierung der GIS-Daten mit Repräsentationen .................................................... 59 6.2.1 Landnutzung .................................................................................................................... 59 6.2.2 Zeitweise wasserführende Flüsse ................................................................................... 62 6.2.3 Strassen ........................................................................................................................... 62 6.2.4 Infrastruktur ...................................................................................................................... 64 6.2.5 Gebäude .......................................................................................................................... 66 6.2.6 Religiöse Einrichtungen ................................................................................................... 67 6.2.7 Höhenkoten...................................................................................................................... 67 6.3 Generalisierung der Strassen .......................................................................................... 68 6.3.1 Vereinfachen der Strassen .............................................................................................. 68 6.3.2 Glätten der Strassen ........................................................................................................ 69 6.4 Generalisierung der Gebäude ......................................................................................... 70 6.4.1 Gebäude zusammenfassen ............................................................................................. 70 6.4.2 Vereinfachung von Gebäuden ......................................................................................... 71 6.5 Feinbearbeitung mit kartografischen Geoverarbeitungswerkzeugen .............................. 72 6.5.1 Feinbearbeitung Gebäude ............................................................................................... 72 6.5.2 Sackgassen und Strassenverbindungen ......................................................................... 73 6.5.3 Ausrichtung der Reservoire an die Strassen ................................................................... 73 6.5.4 Höhenlinien ...................................................................................................................... 74 6.6 Beschriftung mittels Annotations ..................................................................................... 74 6.7 Schattiertes Relief ............................................................................................................ 75 7 Resultate eigene Qualitätsbeurteilung ....................................................................................... 76 7.1 Qualitätsbeurteilung der Repräsentationen und kartografischen Tools .......................... 76 7.2 Handhabung der Generalisierungstools .......................................................................... 82 VI