Killet Software Ing.-GbR - kurz: KilletSoft - ist ein Softwareunternehmen, das im Jahr 1991 gegründet worden ist. Die Gesellschaft gliedert sich in die Bereiche "Geodätische Standardsoftware", "Entwicklungswerkzeuge für die Geoinformatik" und "Internationale Geodaten". Die Schwerpunktbranchen der von uns betreuten Unternehmen sind Ingenieurbüros, GIS-Entwickler, Internet-Marketing, Versorgung, Logistik, Telekommunikation, Sicherheitskräfte und der öffentliche Dienst.
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Geosoftware zum Einfügen von Gebietsgrenzen als Polygonale Gültigkeitsbereiche
in NTv2-Dateien

Mit der Geosoftware NTv2Poly von KilletSoft können die rechteckigen Wirkungsbereiche
in NTv2-Dateien durch Polygonale Gültigkeitsbereiche ersetzt werden, die als
Gebietsgrenzen in klassischen Shape-Dateien definiert sind

Kempen, 1. August 2018
Dipl.-Ing. Fred Killet - Killet Software Ing.-GbR - Escheln 28a - 47906 Kempen
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Logo Der NTv2-Dateistandard (National Transformation Version 2) wurde Mitte der Neunziger Jahre vom "Department of Natural Resources of Canada" entwickelt. Mit Hilfe von NTv2-Gitterdateien ist es möglich, Geodaten von einem Koordinatenbezugssystem in ein anderes mit sehr hoher Genauigkeit zu transformieren. Eine NTv2-Datei enthält ein oder mehrere quasi rechteckige Gitter mit Verschiebungswerten. Anstelle eines rechteckigen Bereichs soll und darf aber nur ein darin enthaltener polygonaler Bereich abgedeckt sein, z.B. ein Staatsgebiet innerhalb der Landesgrenzen. In diesem Artikel wird beschrieben, wie mit Hilfe einer neu entwickelten Software Polygonale Gültigkeitsbereiche in NTv2-Dateien realisiert werden können.
Das von KilletSoft entwickelte Programm NTv2Poly realisiert Polygonale Gültigkeitsbereiche in NTv2-Dateien. Koordinaten außerhalb des Gültigkeitsbereichs können mit den so vorbereiteten NTv2-Dateien von Berechnungen ausgeschlossen oder mit einem Warnhinweis quittiert werden. Das funktioniert bei Koordinatentransformationen mit der Geosoftware TRANSDAT und GeoDLL von KilletSoft und mit GIS-Programmen, die Polygonale Gültigkeitsbereiche unterstützten.
Einbeziehung polygonaler Umrisse aus einer Shape-Datei
Der Polygonale Gültigkeitsbereich wird mit einer Shape-Datei realisiert, in der Umrisse des Gültigkeitsbereichs als Polygone gespeichert sind. Das Dateiformat Shape ist ein von der Firma ESRI entwickeltes Format für geographische Objekte. In der Shape-Datei kann zum Beispiel der Grenzumriss eines Landes gespeichert sein, der den Polygonalen Gültigkeitsbereich für die in dem Land verwendete NTv2-Datei darstellt. Die darin enthaltenen Polygone müssen als Geographische Koordinaten in dezimaler Notation vorliegen. Das Bezugssystem der Umriss-Koordinaten soll möglichst genau dem Quellbezugssystem der NTv2-Datei entsprechen. Eine in einem abweichenden Koordinatenbezugssystem vorliegende Shape-Datei kann mit der Geosoftware TRANSDAT von KilletSoft in das benötigte System umgerechnet werden. Die Polygone der Shape-Datei und die quasi rechteckige Fläche der NTv2-Datei werden bei der Verwendung des Programms NTv2Poly in genialer Weise übereinander gelegt und bearbeitet.
Die normalerweise zu einer Shape-Datei gehörenden dBase- und Index-Dateien werden nicht benötigt. Es genügt die Objekt-Datei mit den Polygonen, die den Dateityp ".shp" im Dateinamen hat. Der Inhalt der Shape-Datei kann aus einem einzelnen Polygon oder aus mehreren Polygonen bestehen. Diese dürfen jeweils mit oder ohne Sub-Polygone in der Shape-Datei vorkommen. Das ist der Fall, wenn zum Beispiel eine Landesgrenze mit den zum Land gehörenden Inseln dargestellt werden soll. Ein weiterer Fall wären die Polygone von untergeordneten administrativen Einheiten, wie zum Beispiel Bundesländer, aus denen ein Land zusammen gesetzt ist. Maßgeblich sind nur die Außengrenzen des gesamten Objekts. Die Shape-Datei kann den Umriss des benötigten Gebiets in folgenden Polygon-Zusammenstellungen enthalten:

  1. Einzelne Shape-Figur mit einem einzelnen Polygon
  2. Einzelne Shape-Figur mit mehreren Sub-Polygonen
  3. Mehrere Shape-Figuren mit jeweils einem Polygon
  4. Mehrere Shape-Figuren mit jeweils mehreren Sub-Polygonen

Klicken Sie bitte auf die im folgenden Text gezeigten Abbildungen, damit sie zum genaueren Betrachten vergrößert dargestellt werden.

Abb. 1a: Staatsumriss

Abb. 1a
Abb. 1b: Länderumrisse

Abb. 1b

In Abb. 1a ist der Staatsumriss der Bundesrepublik Deutschland zu sehen. In Abb. 1b sind die Umrisse der sechzehn Bundesländer abgebildet, die zusammen den Umriss von Deutschland darstellen. Obwohl die Inhalte der beiden hier abgebildeten Shape-Dateien verschieden sind, führen Sie bei Verwendung im Programm NTv2Poly zum selben Ergebnis.
Umrissdateien im Shape-Format können in unterschiedlicher Qualität von einigen Internetseiten herunter geladen werden. Wenn man bezüglich der Qualität, der Auflösung und des verwendeten Bezugssystems sicher gehen will, sollte man nach einer geeigneten Umrissdatei bei den zuständigen Behörden nachfragen.

Abb. 2: Arbeitsfläche des Programms NTv2Poly

Abb. 2

Abb. 2 zeigt die Oberfläche des Programms NTv2Poly als Screenshot. Links oben wird die zu bearbeitende NTv2-Datei eingelesen, die noch keine Polygonalen Gültigkeitsbereiche enthält. Im benachbarten Textfeld werden alle Informationen zu dieser NTv2-Datei und deren Gitter angezeigt. Rechts daneben wird die zur Realisierung der Polygonalen Gültigkeitsbereiche bestimmte Shape-Datei eingelesen. Im benachbarten Textfeld sind Informationen zur Shape-Datei und aller darin enthaltenen Polygone aufgelistet. Links unten wird eine neue NTv2-Datei generiert. Nach dem Starten der Bearbeitung werden darin die NTv2-Gitter der Ursprungsdatei übertragen und mit Polygonalen Gültigkeitsbereichen versehen. Oberhalb des Start-Buttons kann zwischen zwei Arten der Bearbeitung ausgewählt werden, die weiter unten genauer beschrieben werden:

  1. Exopolygonale Einträge in die Genauigkeitswerte der Gittermaschen
  2. Exopolygonale Einträge in die Verschiebungswerte der Gittermaschen

Verwendung exopolygonaler Einträge in NTv2-Dateien
Der im Textverlauf verwendete Begriff "exopolygonaler Eintrag" steht für den Eintrag eines Kennwertes in eine Gittermasche einer NTv2-Datei zum Ausschluss dieser Gittermasche aus dem Wirkungsbereich der NTv2-Datei. Daraus folgt, dass alle Gittermaschen mit exopolygonalen Einträgen ungültig sind. Das Programm NTv2Poly kennzeichnet alle außerhalb der Polygone der verwendeten Shape-Datei liegenden Gittermaschen in der NTv2-Datei durch das Einbringen exopolygonaler Einträge als ungültig.
In der NTv2-Datei sind für alle Gittermaschen jeweils zwei Werte für die Längen- und Breitenverschiebung und zwei Werte für die Genauigkeit der Gittermaschen enthalten. Durch die Verwendung exopolygonaler Einträge in den Verschiebungswerten oder in den Genauigkeitswerten der NTv2-Datei ergeben sich zwei Methoden zur Realisierung polygonaler Gültigkeitsbereiche, die beide vom Programm unterstützt werden. Die beiden Methoden unterscheiden sich in den Auswirkungen erheblich.

Abb. 3: Exopolygonaler Eintrag in einem Genauigkeitswert

Abb. 3

Exopolygonale Einträge ersetzen die Genauigkeitswerte der Gittermaschen
Bei der Verwendung von exopolygonalen Einträgen in den Genauigkeitswerten wird eine einzelne Gittermasche an der Gitterkoordinate angesprochen. Das ist genau die Gittermasche, die durch den Gitterpunkt definiert ist und die bei der Interpolation einer darin befindlichen Koordinate angesprochen wird. Diese Gittermasche wird aus dem polygonalen Gültigkeitsbereich des NTv2-Gitters ausgeschlossen.

Abb. 4: Exopolygonaler Eintrag in einem Verschiebungswert

Abb. 4

Exopolygonale Einträge ersetzen die Verschiebungswerte der Gittermaschen
Bei der Verwendung von exopolygonalen Einträgen in den Verschiebungswerten werden insgesamt vier an der Gitterkoordinate benachbarte Gittermaschen angesprochen. Zur Berechnung einer beliebigen Koordinate innerhalb einer Gittermasche mittels der bilinearen Interpolation werden die vier benachbarten Gitterpunkte einer Koordinate verwendet. Jeder dieser Gitterpunkte kann exopolygonale Einträge enthalten. Daher werden insgesamt vier Gittermaschen angesprochen, die sich je einen Gitterabstand in nördlicher und südlicher und je einen Gitterabstand in westlicher und östlicher Richtung vom Gitterpunkt erstrecken. Das sind die vier Gittermaschen, die um den Gitterpunkt herum angeordnet sind. Genau diese vier Gittermaschen werden aus dem polygonalen Gültigkeitsbereich des NTv2-Gitters ausgeschlossen.
Hierarchische Gitterstruktur
Eine NTv2-Datei ist aus einem oder mehreren Parent- und Child-Koordinatengittern in einer hierarchischen Struktur aufgebaut. Die optional enthaltenen Child-Koordinatengitter verfeinern mit verdichteten Gittermaschen Teilbereiche des darunter liegenden Parent-Koordinatengitters. Die Child-Gitter können dabei wiederum hierarchisch als Parent-Gitter weiterer, darüber liegender Child-Gitter auftreten (siehe Abb. 5). Die meisten Gitterdateien, wie z.B. das Deutsche Beta2007, enthalten aber nur ein einzelnes Parent-Koordinatengitter.

Abb. 5: Test von Koordinaten auf Polygonale Gültigkeit

Abb. 5

Zur Realisierung polygonaler Gültigkeitsbereiche kann eine GIS-Software exopolygonale Einträge in den vier Werten für die Verschiebungen und Genauigkeiten der Gittermaschen abfragen. Während der Berechnung von Bezugssystemwechseln werden die zu transformierenden Koordinaten auf ihre Zugehörigkeit zu solchen Gittermaschen untersucht. Dabei muss unterschieden werden, ob die Gittermasche in einem Parent-Koordinatengitter oder in einem darin enthaltenen Child-Koordinatengitter liegt. Liegt sie in einem Child-Gitter, wird versucht die Berechnung im darunter liegenden Parent-Gitter fortzuführen. Wenn die zu einer Koordinate passenden Gittermaschen in allen hierarchisch übereinander liegenden Child- und Parent-Gittern mit exopolygonalen Einträgen gekennzeichnet sind, liegt die Koordinate außerhalb des Bereichs polygonaler Gültigkeit. Sie wird von der Berechnung des Bezugssystemwechsels ausgeschlossen und die ausführende Software kann einen Hinweis generieren.
In dem Beispiel in Abb. 5 sind drei Koordinatengitter übereinander angeordnet. Nur wenn eine Koordinate durch alle darin enthaltenen exopolygonalen Gittermaschen fällt, liegt sie außerhalb der polygonalen Gültigkeit und wird vom Bezugssystemwechsel ausgeschlossen.
Der in der Programmiersprache C entwickelte Quelltext zur Auswertung von NTv2-Dateien mit Polygonalen Gültigkeitsbereichen in hierarchischer Gitterstruktur kann von Herstellern von GIS und geodätischer Software zur Verwendung in eigener Software bei der Ingenieurgesellschaft KilletSoft GbR als Lizenz erworben werden.
Graphische Darstellung einer NTv2-Datei vor und nach der Bearbeitung
Die folgenden zwei Abbildungen sind Auswertungen aus dem Programm NTv2Poly. Für jede der in den Gittern der NTv2-Dateien enthaltenen 862 Tausend Gittermaschen ist eine testweise Koordinatentransformation durchgeführt worden. Gültige Ergebnisse sind in Abhängigkeit vom Gitter in verschiedenen hellblauen Farbtönen dargestellt. Die quasi-rechteckigen Gitter der NTv2-Dateien sind als rote Rahmen dargestellt.

Abb. 6: NTv2-Datei von Kanada ohne Polygonale Gültigkeitsbereiche

Abb. 6

Abb. 6 zeigt die Struktur einer NTv2-Datei von ganz Kanada so, wie sie von den kanadischen Behörden entwickelt und veröffentlicht worden ist. Diese NTv2-Datei verwendet natürlich keine Polygonalen Gültigkeitsbereiche. Sie enthält 114 NTv2-Gitter. Es sind vier nebeneinander angeordnete Grundgitter mit vielen darauf liegenden kleinen lokalen Gittern abgebildet. Die lokalen Gitter bilden die großen Städte und dicht besiedelte Regionen mit engeren Gittermaschen in höherer Genauigkeit ab. Die quasi-rechteckigen Grundgitter erfassen sehr große Flächenanteile, die außerhalb des Staatsgebiets von Kanada liegen.

Abb. 7: Polygonaler Gültigkeitsbereich am Beispiel Kanada

Abb. 7

Abb. 7 zeigt dieselbe NTv2-Datei, diesmal aber mit Polygonalen Gültigkeitsbereichen. In dieser Darstellung sind die Landesgrenzen, oder besser die Umgrenzungen der kanadischen Provinzen, aus der Shape-Datei übernommen und in dunkelblau dargestellt. Alle außerhalb der Landesgrenzen durchgeführten testweisen Koordinatentransformationen in den Gittermaschen wurden als ungültig erkannt und nicht in die Graphik eingetragen. Die Anzahl der hellblau dargestellten wirksamen Gittermaschen ist hier auf 644 Tausend reduziert. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Wirkungsbereich der quasi-rechteckigen Gitter durch die Landesgrenzen von Kanada beschränkt ist. So können die Gittermaschen außerhalb der Landesgrenzen bei Koordinatentransformationen mit einem Hinweis auf deren Ungültigkeit von Berechnungen ausgeschlossen werden.

Abb. 8: Polygonaler Gültigkeitsbereich am Beispiel Deutschland

Abb. 8

In Abb. 8 ist eine NTv2-Datei der Bundesrepublik Deutschland abgebildet. Diese Datei hat nur ein Gitter. Mit Hilfe der weiter oben beschriebenen Shape-Datei mit den Umrissen der sechzehn Bundesländer ist die NTv2-Datei mit Polygonalen Gültigkeitsbereichen ausgestattet worden. In dieser Abbildung sind auch die einzelnen Gittermaschen gut zu sehen, da hier die Maschenweite im Verhältnis zur dargestellten Fläche relativ groß ist. Bei der Erstellung der NTv2-Datei mit dem Programm NTv2Poly erfolgten die Einträge der exopoligonalen Werte in die Genauigkeitswerte der Gittermaschen. Es ist sehr gut zu erkennen, dass alle Gittermaschen innerhalb der Landesgrenze ihre Gültigkeit behalten. Außerdem sind im Randbereich alle Gittermaschen gültig, die einen Berührungspunkt mit der Landesgrenze haben.
NTv2Poly unverbindlich testen
Ausführliche Informationen über das Programm NTv2Poly erhalten Sie auf der Internetseite  http://www.killetsoft.de/p_ntpa_d.htm. Dort können Sie auch eine kostenlose Testversion herunter laden. Mit dem Testprogramm haben Sie die Möglichkeit mit einigen mitgelieferten NTv2-Dateien und Shape-Dateien testweise neue NTv2-Dateien mit Polygonalen Gültigkeitsbereichen zu erzeugen.

Logo QR-URL Autor / Verfasser
Dipl.-Ing. Fred Killet
Escheln 28a
47906 Kempen (Germany)
http://www.killetsoft.de
killet(at)killetsoft.de

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