GRID tools Extension

Inhalt:

Beschreibung

GRID tools ist eine Erweiterung für das SpatialAnalyst Modul von ArcView und macht wichtige Analysefunktionen, die bisher nur durch das Schreiben geeigneter Avenue Skripte verfügbar waren, auch dem weniger geübten Anwender zugänglich. Insgesamt erhöht sich durch das Einbinden dieser Extension der über das Menü vorhandene Funktionsumfang um über 34 neue Funktionen, die in folgende Sparten aufgeteilt werden können:

Hydrologische Funktionen:
- Fließrichtungsberechnung
- Berechnung abfußloser Senken
- Berechnung von lokalen Schüttungspunkten (=Zuflußmaxima)
- Korrektur eines DEM zu einem hydrologisch korrekten Höhenmodell
- Berechnung der Wasserakkumulation (wahlweise mit optionalem Gewichtungsraster)
- Berechnung der Fließlänge hangauf- oder abwärts (wahlweise mit optionalem Gewichtungsraster)
- Berechnung des Flusses von Nachbarzellen in die zentrale Zelle
- Berechnung der Wasserscheiden von Einzugsgebieten
- Individuelle Berechnung von Einzugsgebieten und Wasserscheiden
- Reklassifizierung von Flußnetzen

Funktionen zur Oberflächenanalyse:
- Krümmungsberechnung
- Reliefschattierung mit optionalem Überhöhungsfaktor

Kostendistanzfunktionen:
- Berechnung der gewichteten Entfernung
- Berechnung des günstigsten Weges

Räumliche Manipulation bestehender Grids:
- Spiegelung in X- oder Y-Richtung
- Drehung eines Grids
- einfache Gridverschiebung in XY-Richtung
- Vergrößern/Verkleinern der gegenwärtigen Rastergröße
- Entzerren und Verschieben von Grids durch Polynome verschiedener Ordnung (nachträgliche Georeferenzierung)
- Zusammenfügen von neben- oder übereinanderliegenden Grids
- Ausschneiden eines Teilgrids durch eine überlagernde Graphik

Korrektur von fehlerhaft klassifizierten Grids:
- Ersetzen einzelner Zellen durch Umgebungswerte
- Ersetzen ganzer Gebiete durch Maskengrid
- Glätten von Regionsgrenzen
- Vergrößerung oder Verkleinerung von Regionen
- Ausdünnung zu breiter Rasterlinien

Erstellung neuer Grids:
- Erstellung neuer Grids durch 3 verschiedene Methoden

Extrahierung von Eigenschaften:
- Aggregierung von Rasterzellen durch verschiedene Methoden
- Extrahierung von Koordinaten und Eigenschaften mehrerer Grids in eine Tabelle auf Zellenbasis
- Extrahieren von bestimmten Attributen, die im neuen Grid erhalten bleiben
- Geometrische Attributsberechnung klassifizierter Zonen
- Überlagerung verschiedener Grids
- Identifikation unverbundener Gebiete einer Typusregion
- Nachbarschaftsanalyse auf Blockbasis

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Im folgenden werden diese neuen, im Menü integrierten Funktionen kurz beschrieben. Erweiterte (englischsprachige) Informationen finden sich in einer kontextsensitiven Online Hilfe zu jeder einzelnen Funktion, die durch einen Mausklick auf die Menüfunktion bei gleichzeitigem Drücken der Shift-Taste aufgerufen werden kann. Dort ist zusätzlich noch ein Stichwort aufgeführt, unter dem in der Arc/View Online Hilfe erschöpfende Informationen zu der jeweiligen Funktion enthalten sind.

Eingefügte Funktionen im bestehenden Menü Analysis

1. Find CostDistance:
Berechnet die gewichtete Entfernung von den aktiven Zonen (markierte Regionen) in einem Integergrid oder einem Shapefile. Im Gegensatz zur obigen Find Distance Funktion, wird hier die Entfernungsberechnung durch ein zusätzlich benötigtes und abgefragtes Gewichtungsgrid modifiziert. Zusätzlich zur Entfernung können noch zwei andere Grids berechnet werden, ein sogenanntes Allocationgrid (Zuweisungsgrid), das einer gewichteten Assign Proximity Funktion entspricht und damit die nächstgelegenen Einflußzonen markiert, sowie ein sogenanntes Backlinkgrid (Richtungsgrid), das die Richtungen angibt, in welchen die Entfernung berechnet wurde.
2. Find CostPath:
Berechnet den günstigsten oder kürzesten Weg zwischen verschiedenen Regionen in einem Integergrid oder einem Shapefile. Es werden 3 Grids benötigt, ein Kostendistanzgrid und ein Backlinkgrid, die mit der obigen Funktion erstellt wurden und Ausgangspunksregion, Entfernungskosten und –richtung angeben. Das in der Ansicht markierte Integergrid oder Shapefile mit seinen Regionen kennzeichnet die Zielorte, zu denen ein oder mehrere Wege (beide Optionen können ausgewählt werden) führen sollen.
3. Derive Curvature:
Berechnet die Krümmung eines Grids. Es stehen 4 Optionen zur Auswahl: Totalkrümmung, Vertikale Krümmung, Horizontale Krümmung, Alle genannten drei Krümmungsarten. Positive Werte kennzeichnen konvexe Krümmungen, negative konkave. Die Krümmungsstärke wird in Prozent der Z-Werteänderung (Höhenwerte) angegeben.
4. Extended Hillshade:
Erweitert die Hillshade Funktion um einen optionalen Überhöhungsfaktor und schafft eine optisch ansprechende Legende, die jedoch aus Platzgründen im Ansichtsfenster standartmäßig nicht angezeigt wird.
5. Neighborhood Statistics (Block):
Entspricht der Neigborhood Statistics Funktion mit dem Unterschied, daß die Berechnung nicht für jede einzelne Zelle gesondert berechnet wird, sondern für den ganzen Analyseblock als Ganzes. Somit bilden das Ergebnis größere Zellblöcke, die jeweils die gleichen Werte besitzen.

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Funktionen im neuen Menü GRIDTools

1. New Grid:
Erstellt ein neues Grid mit der in Analysis Properties festgelegten Ausdehnung und Größe. 3 Optionen stehen zur Verfügung: ein Grid mit einem einheitlichen Wert, der gewählt werden kann, ein Grid, bei dem die Werte normal- oder zufallsverteilt sind.
2. Flip/Mirror:
Spiegelt das Grid in X-(Mirror) oder Y-(Flip)Richtung. Die Lage des Grids bleibt jedoch gleich.
3. Rotate:
Dreht das Grid um einen bestimmten Winkel um den Ausgangspunkt (linke untere Ecke). Positive Winkel drehen im Uhrzeigersinn, negative dagegen.
4. Shift Grid:
Verschiebt ein Grid an einen neuen Ort.
5. Resample:
Vergrößert oder verkleinert die Rastergröße eines Grids auf die eingegebene Rastergröße. Das Auswahlfenster zeigt dabei die gegenwärtige Rastergröße an.
6. Aggregate:
Vergrößert die Zellengröße eines Grids; im Gegensatz zur Resample Funktion allerdings mit verschiedenen wählbaren statistischen Berechnungen (Mittelwert, Standartabweichung, o.ä.).
7. Warp:
Verzieht ein Grid und/oder schiebt es an einen neuen Ort, indem mit der zuvor durch die Warp (MakeTable) Funktion eine Tabelle erstellt wurde, in der die Koordinaten der Start- und Endpunkte vom Nutzer eingetragen wurden, welche die Art der Verschiebung/Verzerrung bestimmen. Die nachfolgende Warp Funktion liest die erstellte Tabelle und schafft ein neues Grid mit der in der Tabelle festgelegten Koordinatentransformation. Wichtig für die Georeferenzierung eines Grids. Werden mehrere Warp Tabellen erstellt, dann bekommt die jeweils neueste den Titel "Warp Table", die vorher vorhandenen werden automatisch in "Warp Table (old)" umbenannt, weil die Warp Funktion nur eine Tabelle gleichzeitig benützen kann. Nur auf die Tabelle mit dem Namen "Warp Table" kann die Warp Funktion zugreifen.
8. Merge Grids:
Fügt nebeneinanderliegende separate Grids zu einem neuen zusammen. Es können beliebig viele ausgewählt werden. Wichtig ist dabei, daß zuerst ausgewählte Grids eine höhere Priorität besitzen als die nachfolgenden und damit bei eventuellen Überschneidungen, die letzteren im Überschneidungsbereich ersetzen. Wichtig zur Montage auseinanderliegender Raster, die auf zwei verschiedene Arten erfolgen kann, die ausgewählt werden können: Merge = Montage ohne Übergang bei sich überlappenden Grids, Mosaic = Montage mit gleitenden Übergängen bei sich überlappenden Grids.
9. Combine:
Überlagert mehrere Grids zu einem neuen. Im Gegensatz zu Merge Grids bleiben aber Überschneidungen völlig erhalten. Wenn man Merge Grids mit der Überlagerung oder Aneinanderlegung mehrerer undurchsichtiger Papierfotos veranschaulichen kann, dann entspricht Combine der Überlagerung mehrerer Dias, d.h. es enstehen neue homogene Flächen mit jeweils ganz charakteristischen Eigenschaftskombinationen, die in einer neuen Gridwertetabelle ebenfalls enthalten sind.
10. Sample Grids:
Überlagert ebenso wie Combine mehrere Grids in der Art von Dias. Das Ergebnis ist allerdings kein neues Grid, sondern lediglich eine Tabelle, in dem alle Werte enthalten sind. Der entscheidende Unterschied ist, daß in dieser Tabelle jedes einzelne Pixel mit seiner Wertekombination und zusätzlich mit seinen Koordinaten (!) aufgeführt ist. Für eine nachfolgende Weiterbearbeitung in einem Statistikprogramm kann somit über eine durch Sample Grid erstellte Tabelle zusätzlich zu einem sachlichen Zusammenhang zwischen einzelnen Attributen (wie bei Combine) auch noch ein eventuell bestehender räumlicher Zusammenhang herausanalysiert werden.
11. Extract By Graphic:
Schneidet aus einem Grid denjenigen Bereich heraus, der von einer darüberligenden Graphik markiert wird und macht daraus ein neues Grid.
12. Extract By Attributes:
Extrahiert Regionen aus einem Grid, die bestimmte Bedingungen erfüllen (=, <, >, o.ä). Im Unterschied zum Map Query Tool oder zum Map Calculator, bleiben jedoch die Werte derjenigen Attribute, welche die Bedingungen erfüllen, erhalten und werden nicht wie dort auf 1 gesetzt. Ausgangsgrids dürfen nur Integergrids sein.
13. Majority:
Ersetzt einzelne isolierte Zellen durch den Wert ihrer nächstgelegenen homogenen Umgebnungsnachbarn. Ausgangsgrids dürfen nur Integergrids sein.
14. RegionGroup:
Weist allen Regionen mit dem gleichen Wert, die aber räumlich getrennt sind, jeweils eine eigene ID Nummer zu. Ausgangs-grids dürfen nur Integergrids sein.
15. Nibble:
Ersetzt Pixel in einem Grid, die in einem zusätzlichen Maskengrid als NoData markiert sind, mit den Werten ihrer nächsten Nachbarn. Funktioniert im Prinzip wie Majority, nur daß auch größere Regionen korrigiert werden können und selbst bestimmt wird, welche Bereiche korrigiert werden und welche nicht.
16. BoundaryClean:
Glättet die Grenzen zwischen verschiedenen angrenzenden Regionen in einem Integergrid.
17. Expand/Shrink:
Erweitert oder reduziert ausgewählte Gebiete in einem Integergrid. Anhand eines eingegebenen Faktors wird das Ausmaß der Gebietsveränderung bestimmt. Die Vergrößerung/Verkleinerung selbst vollzieht sich auf "Kosten" des Nachbargebiets, wobei von der Zonengrenze gleichmäßig nach außen oder innen erweitert wird.
18. Thin:
Dünnt zu dicke Rasterlinien in einem Integergrid aus.
19. ZonalGeometry:
Berechnet zusätzliche geometrische Zonenattribute (Gebietsgröße, Umfang, o.ä.) in einem Integergrid.

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Funktionen im neuen Menü Hydro

1. FlowDirection:
Berechnet die Fließrichtung aus einem Höhenmodell mittels eines 3x3 Gitters. Die Zelle mit der größten Höhendifferenz zur Zentralzelle bestimmt die Fließrichtung.
2. Derive Sinks:
Berechnet abflußlose Senken aus einem Fließrichtungsgrid, das zuvor aus einem Höhenmodell erstellt wurde.
3. SnapPourPoints:
Extrahiert diejenigen Punkte, die in einem bestimmten Suchbereich die absolut höchsten Wasserakkumulationswerte der Umgebung aufweisen. Ausgangsgrid ist ein Integergrid mit einem oder mehreren Pixelpunkten.
4. Fill a DEM:
Füllt abflußlose Senken auf und schafft so ein hydrologisch korrektes Höhenmodell, das für nachfolgende Analysen verwendbar ist. Wichtig: wird diese Funktion bei einem entsprechenden Höhenmodell nicht ausgeführt, dann können die nachfolgenden hydrologischen Berechnungen unter Umständen nutzlos sein. Generell soll diese Funktion bei jedem Höhenmodell mit normaler Entwässerung vorgenommen werden, Ausnahmen sind natürlich Karstgebiete.
5. FlowAccumulation:
Berechnet die akkumulierte Wassermenge. Ausgangsgrid ist ein Fließrichtungsgrid. Optional kann entschieden werden, ob zusätzlich noch ein Gewichtungsgrid in die Berechnung eingeht (beispielsweise ein Grid mit den Niederschlagswerten).
6. FlowLenght:
Berechnet die Fließlänge des Wassers, entweder von der Flußlinie oder den Wasserscheiden aus. Auch hier kann zusätzlich noch ein Gewichtungsgrid mit in die Berechnung einbezogen werden, wichtig vor allem, wenn sich die Fragestellung auf zeitliche Aspekte oder Fließwiderstandsberechnungen ausdehnt. Das Ausgangsgrid ist ein Fließrichutngsgrid.
7. FocalFlow:
Berechnet, von welchen Umgebungszellen ein Fluß in die Zentralzelle stattfindet. Die Werte bewegen sich von 1 bis 255, je nachdem welche Kombination von Umgebungszellen am Fluß beteiligt ist. Zusätzlich zu dieser Konvergenzberechnung kann auch der Fluß aus der Zentralzelle in die Nachbarzellen berechnet werden, indem einfach das Relief zuvor invertiert wird. Das Ausgangsgrid kann entweder ein Höhenmodell oder jedes beliebige Grid sein, je nach Fragestellung.
8. Watershed:
Berechnet die Wasserscheiden von Gebieten mit einer als Minimum angegebenen Einzugsgröße. Das Ausgangsgrid ist ein Akkumulationsgrid, zusätzlich wird jedoch noch ein Fließrichtungsgrid benötigt, das von der Funktion abgefragt wird.
9. Contributing Area:
Berechnet die zugehörigen Wasserscheidenbereiche, ähnlich wie bei der Funktion Watershed. Allerdings ist hier das Ausgangsgrid kein Akkumulationsgrid, sondern ein individuell ausgewähltes Integergrid. Hierbei wird von jedem Pixel oder Gebiet mit einer eigenen ID-Nummer das dazugehörige Einzugsgebiet berechnet. Somit kann hiermit nicht nur ein komlettes Einzugsgebiet eines ganzen Flußsystems berechnet werden, sondern darüberhinaus auch das spezifische Hangzuzugsgebiet eines einzelnen Pixels, je nachdem wie das Ausgangsgrid beschaffen ist. Interessant ist diese Funktion vor allem zur Identifikation von Hangbereichen, wie sie beispielsweise von der USLE- oder RUSLE-Erosionsformel gefordert wird.
10. StreamLink:
Gibt jedem Teilfluß in einem Flußsystem eine eigene ID-Nummer. Somit bekommt jeder Zufluß und jeder nachfolgende Flußabschnitt ab einer Verzweigung oder Mündung eine eigene ID-Nummer.
11. StreamOrder:
Klassifiziert Flußsysteme nach der Shreve oder Strahler-Methode.

PS.:
Obwohl diese Funktionen hier als hydrologische Funktionen deklariert sind, können selbstverständlich auch andere Fragestellungen mit ihnen beantwortet werden. Beispielsweise kann die Fließlängenfunktion auch für Kostendistanzanalysen benutzt werden, die an eine bestimmte Richtung gebunden sind, usw.

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Hinweise zur Installation

1. Die GRID tools Extension mit den Dateinamen "gridtools.avx" wird in das Arc/View Extensionsverzeichnis kopiert, das auf Windows95 oder WindowsNT Rechnern den Namen "...\ARCVIEW\EXT32" trägt.
2. Nachdem Arc/View gestartet wurde, wird im Menü File/Extensions die Extension mit dem Namen "GRID tools" markiert und dann durch Drücken der OK Taste das Fenster wieder verlassen.
3. Das war‘s. In jeder neuen Ansicht erscheinen nun die zuvor beschriebenen Menüs. Da jede Funktion mit einem sogenannten Update Script versehen wurde, kann sie nur aufgerufen werden, wenn auch das markierte Grid den richtigen Typus besitzt. Beispielsweise sind Funktionen, die nur mit Integergrids lauffähig sind, bei Markierung von Floatgrids oder keinem aktiven Grid inaktiv, usw.

Hinweise zur Extension

Diese Extension wurde von Holger Schäuble (Universität Tübingen, Geographisches Institut) im Rahmen einer GIS Diplomarbeit 1998 geschrieben und ist frei kopier- und veränderbar, je nach Lust und Laune. Nahezu alle verwendeten Scripte dieser Extension sind Eigengewächse, lediglich die hinter den Funktionen Extract By Graphic (ESRI), Watershed (ESRI), Fill a DEM (ESRI) und Extended Hillshade (ESRI User Scripts) stehenden Skripten wurden leicht modifiziert übernommen. Obwohl ausführlich getestet, kann natürlich für absolute Fehlerfreiheit nicht garantiert werden, insbesondere deshalb, weil mir eventuelle Ungereimtheiten in der Bedienung nicht in dem Maße auffallen konnten, wie etwa einem unvoreingenommenen Benutzer. Für Hinweise oder Korrekturvorschläge bin ich daher sehr dankbar.

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