Rasterdatenunterst tzung in relationalen datenbanksystemen
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Rasterdatenunterstützung in relationalen Datenbanksystemen. Oberseminarvortrag zur gleichnamigen Studienarbeit 16. November 2004 Marco Pagel. Themenüberblick. Geographische Daten Grundlagen Datenbanksysteme und Darstellungswerkzeuge

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Presentation Transcript
Rasterdatenunterst tzung in relationalen datenbanksystemen

Rasterdatenunterstützung in relationalen Datenbanksystemen

Oberseminarvortrag zur gleichnamigen Studienarbeit

16. November 2004

Marco Pagel


Themen berblick
Themenüberblick

  • Geographische Daten

  • Grundlagen

  • Datenbanksysteme und Darstellungswerkzeuge

  • Funktionale Anforderungen an eine Rasterdatenunterstützung

  • Entwurf


Themen berblick1
Themenüberblick

  • Geographische Daten

  • Grundlagen

  • Datenbanksysteme und Darstellungswerkzeuge

  • Funktionale Anforderungen an eine Rasterdatenunterstützung

  • Entwurf


1 geographische daten
1. Geographische Daten

  • Geographische Informationssysteme (GIS) verwenden verschiedene Datenformate um räumliche Informationen darzustellen

    • Vektordaten

    • Rasterdaten

  • Zusätzlich werden beschreibende Informationen mit abgelegt

    • Metadaten


1 geographische daten rasterdaten

y

Rasterzelle

x

1. Geographische DatenRasterdaten

  • Struktur:

    • regelmäßige Matrix gleich großer, rechteckiger Zellen

      • 2 dimensional  Pixel

    • jede Zelle besitzt ein Attribut (Eigenschaft) für die zu speichernde Information

    • deckt bestimmte Fläche auf der Erde ab

      • Auflösung (m² pro Pixel)

      • bestimmt Informationsgehalt und Datenqualität


1 geographische daten rasterdaten1
1. Geographische DatenRasterdaten

  • Zugriff auf Rasterzellen:

    • über geographische Koordinaten

    • Spalten-Zeilen-Adressen der Matrixstruktur

  • Verwendung:

    • für kontinuierlich im Raum verteilte Daten, z.B: Bevölkerungsdichte, Temperaturverläufe, …

    • Bilddaten wie Satelliten- oder Luftaufnahmen


1 geographische daten vektordaten

y

Polygone

Punkte

x

Linienzüge

1. Geographische DatenVektordaten

  • dienen der Speicherung von Punkt- und Linieninformationen sowie homogenen Flächen

  • Elemente/Datentypen:


1 geographische daten vektordaten1
1. Geographische DatenVektordaten

  • dienen der Speicherung von Punkt- und Linieninformationen sowie homogenen Flächen

  • Elemente/Datentypen:

    • Punkte besitzen Koordinaten

       Standortdarstellung (z.B. Städte)

    • Linienzüge bestehen aus verbundenen Punkten

       Darstellung von Linieninformationen (z.B. Straßen)

    • Polygone sind geschlossene Linienzüge

       Abbildung homogener Flächen

    • allen Objekten können mehrere Attribute zur Speicherung von Informationen zugeordnet werden


1 geographische daten vektordaten2
1. Geographische DatenVektordaten

  • Vorteil:

    • maßstabsunabhängige Darstellung von diskreten räumlichen Daten

  • Nachteil:

    • für veränderliche Flächendaten ungeeignet, da nur homogene Flächen darstellbar


Themen berblick2
Themenüberblick

  • Geographische Daten

  • Grundlagen

  • Datenbanksysteme und Darstellungswerkzeuge

  • Funktionale Anforderungen an eine Rasterdatenunterstützung

  • Entwurf


2 grundlagen
2. Grundlagen

  • Mosaik

    • Zerlegung eines Bildes in mehrere gleichgroße Teile, die separat gespeichert sind

  • Pyramiden

    • Speichern der Rasterdaten in verschiedenen Auflösungen zur Leistungsteigerung

  • Georeferenzieren

    • Lokalisieren der Rasterdaten auf der Erdoberfläche


Themen berblick3
Themenüberblick

  • Geographische Daten

  • Grundlagen

  • Datenbanksysteme und Darstellungswerkzeuge

  • Funktionale Anforderungen an eine Rasterdatenunterstützung

  • Entwurf


3 dbms und darstellungswerkzeuge datenbanksysteme db2
3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDatenbanksysteme (DB2)

  • DB2

    • Spatial Extender als geographische Erweiterung

    • unterstützt nur Vektordaten

    • verwendet Geometrietypen die vom OpenGIS Consortium spezifiziert wurden

      • Punkte, Linienzüge, Polygone

      • Verbundtypen für gleichartige Objekte (z.B. ST_MultiPoint)

    • Multipoint-Typ ermöglicht Umweg zur Speicherung von Rasterdaten

      • Pixel als Punkte innerhalb eines Multipoint-Objektes

      • unter bestimmten Einschränkungen (DB2 erlaubt maximal 300.000 Punkte innerhalb eines MultiPoint-Objektes)


3 dbms und darstellungswerkzeuge datenbanksysteme oracle
3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDatenbanksysteme (Oracle)

  • Oracle

    • Oracle Spatial zu Speicherung und Verarbeitung von geographischen Daten

    • unterstützt seit Version 10g Vektor- und Rasterdaten

    • objektrelationales Modell wird verwendet

      • mittels des SDO_Geometry – Typs werden die vom OGC und in der SQL/MM-Norm spezifizierten Geometrietypen implementiert

    • Oracle Spatial wurde um GeoRaster-Paket erweitert um Rasterdaten verwalten zu können


3 dbms und darstellungswerkzeuge datenbanksysteme oracle1

SQL API

Viewing Tools

Java/C/C++

Oracle 10g

Spatial

Georaster

Out

Adaptor

In

Adaptor

verschiedene

Dateiformate

verschiedene

Dateiformate

3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDatenbanksysteme (Oracle)

  • GeoRaster – Architektur

    • auf einem hohen Abstraktionsniveau stellt sich die GeoRaster-Architektur folgendermaßen dar


3 dbms und darstellungswerkzeuge datenbanksysteme oracle2
3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDatenbanksysteme (Oracle)

  • GeoRaster – Datenmodell

    • generisches Datenmodell, das komponentenbasiert, multidimensional und in logische Schichten eingeteilt ist

    • den Kern der Daten bildet eine multidimensionale Matrix

      • Dimensionen werden durch Schichten realisiert

Rasterdatentabelle

Schicht n

Schicht 1

Schicht 0


3 dbms und darstellungswerkzeuge datenbanksysteme oracle3
3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDatenbanksysteme (Oracle)

  • GeoRaster – Datenmodell

    • Daten lassen sich in eine Menge von Zelldaten und eine Menge von Metadaten unterscheiden

      • Metadaten werden in einer XML-Darstellung angegeben

      • es existieren Metadaten für die GeoRaster-Objekte, die einzelnen Schichten,…

        BEM: fliegt wahrscheinlich wieder raus


3 dbms und darstellungswerkzeuge datenbanksysteme oracle4

Indexe

Indexe

GeoRaster Tabelle*

Rasterdaten

Tabelle*

(Blobs)

GeoRaster

Datenbank

Metadaten in

seperaten

Tabellen

* = GeoRaster Systemdaten

= GeoRaster Objekt

3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDatenbanksysteme (Oracle)

  • GeoRaster – Datenbank


3 dbms und darstellungswerkzeuge datenbanksysteme oracle5
3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDatenbanksysteme (Oracle)

  • GeoRaster – Objekttypen:

    • geographische Daten werden mittels der Objekttypen SDO_GeoRaster und SDO_Raster verwaltet

    • SDO_GeoRaster(

      rasterType Number,

      spatialExtend SDO_Geometry,

      rasterDataTable Varchar(32),

      rasterID Number,

      metadata XMLType)


3 dbms und darstellungswerkzeuge datenbanksysteme oracle6
3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDatenbanksysteme (Oracle)

  • GeoRaster – Objekttypen:

    • Metadaten:

      • z.B. objectDescriptionType:

        liefert Informationen zu SDO_GeoRaster-Ojekten, wie z.B. Versionsinformationen, Defaultwerte für Farbkanäle, oder ob überhaupt Daten enthalten sind

      • zellenspezifische Metadaten:

        Art der Zelle (z.B. Quadrat), Zelltiefe, Dimensionsinformationen, …

      • weitere Metadaten:

        Informationen zu Blockbildung, Komprimierung, Pyramideneigenschaften, räumlichen Bezugssystem, …


3 dbms und darstellungswerkzeuge datenbanksysteme oracle7
3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDatenbanksysteme (Oracle)

  • GeoRaster – Objekttypen:

    • SDO_Raster(

      rasterID Number,

      pyramideLevel Number,

      bandBlockNumber Number,

      rowBlockNumber Number,

      columnBlockNumber Number,

      blockMBR SDO_Geometry,

      rasterBlock BLOB)

    • Rasterzellen werden aus Platzgründen zu Blöcken zusammengefasst und dann gespeichert


3 dbms und darstellungswerkzeuge datenbanksysteme oracle8

verschiedene nutzerdefinierte Spalten

SDO_GeoRaster Objekt

Städte Tabelle

(ein Tupel pro Stadt, z.B. Jena)

GeoRaster Type

spatialExtent

(SDO_Geometry)

rasterdataTableName

rasterID

metadata

SDO_GeoRaster Objekt

RasterID,

pyramide level,…

MBR für diesen Block

(SDO_Geometry)

Daten des Blockes

(BLOB)

Rasterdatentabelle

(SDO_Raster Objekt, ein Tupel für jeden Block)

3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDatenbanksysteme (Oracle)

  • Zugriff auf die Rasterzellen:


3 dbms und darstellungswerkzeuge datenbanksysteme ogc
3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDatenbanksysteme (OGC)

  • OpenGIS Consortium (OGC)

    • Unternehmensverbund zum Standardisieren von geographischen Objekten und Schnittstellenbeschreibungen für verschiedene verarbeitende Funktionen

    • Ziel: Zusammenarbeit von herstellerspezifischen Anwendungen zu ermöglichen bzw. zu verbessern

    • OGC Reference Model spezifiziert auch Datentyp für Rasterdaten  Coverage

    • GML (Geographic Markup Language)

      • Beschreibungssprache für geographische Daten

      • XML basiert

      • enthält auch Beschreibung für Coverages


3 dbms und darstellungswerkzeuge datenbanksysteme opensource
3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDatenbanksysteme (OpenSource)

  • PostgreSQL

    • die Verarbeitung von Vektordaten ist möglich

    • Rasterdaten werden nicht unterstützt

  • MySQL

    • ist für die Verarbeitung von Vektordaten ausgelegt

    • orientiert sich am OGC Reference Model

    • die Speicherung von Rasterdaten ist nicht möglich (nur der Umweg über den MultiPoint-Typ)


3 dbms und darstellungswerkzeuge darstellungswerkzeuge grass
3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDarstellungswerkzeuge (GRASS)

  • GRASS (Geographical Resource Analysis Support System)

    • ist vom U.S. Militär entwickelt und Ende der 80er Jahre frei gegeben wurden

    • eines der umfangreichsten OpenSource-Produkte zur Erstellung von GIS-Anwendungen auf dem Markt

    • ist für die Bearbeitung von Vektor- und Rasterdaten ausgelegt


3 dbms und darstellungswerkzeuge darstellungswerkzeuge grass1
3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDarstellungswerkzeuge (GRASS)

  • GRASS – Datenbank

    • GRASS verwendet Dateisystem zur Ablage der Daten

    • Rasterdaten können aus den meisten Datenformaten importiert und bearbeitet werden

    • Anbindung relationaler DBMS ab Version 5.0 möglich (select, create, insert, delete – Anweisungen durch verschiedene Module implementiert)

    • Bearbeitung der Daten findet aber nur auf Anwendungsebene statt


3 dbms und darstellungswerkzeuge darstellungswerkzeuge mapinfo

Application

(VB, C++)

Browser

MapInfo Pro

MapBasic Programming

MapX

SQL Query

Web Server

ODBC

SQL

Application Server

MapMarker

Geocoding Server

ODBC

MapXtreme

ODBC

MapInfo Data

Products

Informix, DB2

SQL Server

SpatialWare

Data Load

Utilities

MapMarker

SQL

3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDarstellungswerkzeuge (MapInfo)

  • MapInfo ist ein kommerzielles Unternehmen

  • bietet verschiedene Produkte zur Erstellung von GIS-Anwendungen an


3 dbms und darstellungswerkzeuge darstellungswerkzeuge mapinfo1
3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDarstellungswerkzeuge (MapInfo)

  • MapInfo Professional

    • konzentriert sich auf Vektordatenverarbeitung

    • basiert auf Schichtenmodell

      • jede Schicht besteht aus gleichartigen Objekten

      • Karten erstellen durch Übereinanderprojezieren der einzelnen Schichten

    • Rasterdaten

      • nur als Hintergrund oder Zusatzinformation

      • keine Auswertung von Inhalten der Rasterdaten möglich

      • Anbinden durch Registrierungsprozess

      • MapInfo kann Rasterdaten aus Vektordaten erzeugen


3 dbms und darstellungswerkzeuge darstellungswerkzeuge mapinfo2
3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDarstellungswerkzeuge (MapInfo)

  • MapInfo – Datenbank:

    • Anbinden relationaler DBMS möglich

      • Live Access

      • Linked Table

      • Downloaded Table

    • müssen geographische Daten verwalten können

      • Erweiterungen wie Oracle Spatial, Spatial Extender oder SpatialWare müssen vorhanden sein

    • Vorgehensweise

      • Tab-Dateien für Datenspeicherung auf Anwendungsebene werden angelegt

      • MapCatalog für Registrierung der Datenbanktabellen auf DBMS-Ebene


3 dbms und darstellungswerkzeuge darstellungswerkzeuge mapinfo3
3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDarstellungswerkzeuge (MapInfo)

  • MapInfo SpatialWare:

    • eigene DBMS-Erweiterung für Vektordaten

      • spezielle Datentypen

      • geographische Operationen zur Manipulation und Auswertung

      • Indexstrukturen für geographische Daten

    • für IBM DB2, Informix und Microsoft SQL Server

    • keine separaten Datentypen für Rasterdaten


3 dbms und darstellungswerkzeuge darstellungswerkzeuge esri

Client-Anwendungen

Stand-Alone

Desktop Anwendungen

(+ verschiedene Erweiterungen)

ArcInfo

ArcPad

ArcEditor

ArcExplorer

ArcView

ArcReader

Webbrowser

Server-Dienste

ArcIMS

Internet Map Server

ArcSDE

Datenbankgateway

DB

ArcGIS

Datenmodelle

3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDarstellungswerkzeuge (ESRI)

  • ArcGIS-Produktfamilie zur Speicherung, Verarbeitung und Darstellung von geographischen Daten


3 dbms und darstellungswerkzeuge darstellungswerkzeuge esri1
3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDarstellungswerkzeuge (ESRI)

  • ArcSDE als DBMS-Erweiterung für geographische Daten

    • für Oracle, Informix, DB2, SQL Server

    • orientiert sich an SQL/MM-Norm und OGC-Spezifikationen für Datentypen und Funktionen

    • unterstützt auch vorhandene Datentypen wie ST_Polygon vom Spatial Extender

       Datenbankgateway welches interne Repräsentation der Daten (ArcSDE-Datentypen oder DBMS-Datentypen) von der äußeren Darstellung trennt


3 dbms und darstellungswerkzeuge darstellungswerkzeuge esri2

city_photo

SDE_ras_6

SDE_aux_6

name

image

raster_id

raster_flags

description

rasterband_id

type

object

SDE_blk_6

SDE_bnd_6

rasterband_id

rrd_factor

row_nbr

col_nbr

block_data

rasterband_id

sequence_nbr

raster_id

name

band_flags

band_width

band_height

band_types

block_width

block_height

block_origin_x

block_origin_y

3. DBMS und DarstellungswerkzeugeDarstellungswerkzeuge (ESRI)

  • ArcSDE unterstützt Raster- und Vektordaten

  • Rasterdaten werden in einer speziellen Struktur in der Datenbank (Geodatabase) abgelegt

  • Daten werden zerlegt, komprimiert, indiziert und mit Auflösungspyramiden versehen

  • Speicherung in mehreren Tabellen

    • Business-Tabelle enthält Spalte mit einem Rastertyp

    • 4 zusätzliche Tabellen werden angelegt


3 dbms und darstellungswerkzeuge terraserver von microsoft
3. DBMS und DarstellungswerkzeugeTerraserver von Microsoft

  • Beispiel für existierendes GIS, welches auf Rasterdaten in einem relationalen DBMS aufsetzt

  • entstand im Zusammenhang mit dem Test und der Demonstration der Skalierbarkeit von Microsoft SQL Servern

  • Internetanwendung

    • Darstellung der Daten im Web-Browser

    • bietet verschiedene Suchmethoden

      • Längen- und Breitengrade oder Gebiete angeben

      • Sehenswürdigkeiten aus einer Liste

      • Punkt auf einer Weltkarte auswählen

    • Zusatzinformationen lassen sich anzeigen

    • Zoomen ist möglich


3 dbms und darstellungswerkzeuge terraserver von microsoft1
3. DBMS und DarstellungswerkzeugeTerraserver von Microsoft

  • Daten werde bzgl. ihrer Quelle unterschieden  theme

    • USGS DOQ, USGS DRG, SPIN-2, Encarta Shaded Relief

  • Bilder werden in internettaugliche, 10 kbyte große Teile zerlegt und gespeichert

    • TerraCutter

  • Pyramide wird erzeugt und alle berechneten Auflösungen werden zusätzlich in der DB abgelegt

    • TerraScale

  • keine nahtlose Darstellung der ganzen Welt, nur von begrenzten Bereichen

    • Szenen  UTM-Zonen bzw. SPIN-2-Aufnahmen  scene_id


3 dbms und darstellungswerkzeuge terraserver von microsoft2
3. DBMS und DarstellungswerkzeugeTerraserver von Microsoft

  • TerraCutter

    • zerlegt Ausgangsbilder in Teilbilder (entsprechend einer Zellgröße, z.B. 200 * 200 Pixel)

    • ordnet dabei jedem Teilbild x- und y-Koordinaten zu

      • für SPIN-2-Bilder bezüglich des obersten linken Pixels

      • beim Rest werden sie mittels der UTM-Koordinaten ermittelt

    • zusätzlich erhalten die Teilbilder scene_id, Auflösung, theme,…

    • für nahtlose Darstellung der Szenen müssen UTM-basierte (USGS) Datensätze noch zusammengefügt werden, da eine UTM-Zone meist aus mehreren Originalen besteht

      • wegen Überschneidungen der Originalbilder ist die Verschmelzung von Zellen notwendig


3 dbms und darstellungswerkzeuge terraserver von microsoft3
3. DBMS und DarstellungswerkzeugeTerraserver von Microsoft

  • TerraScale

    • erzeugt Bildpyramide auf der Basis der von TerraCutter gelieferten Daten

    • nur bestimmte Auflösungen werden unterstützt ( in Zweierpotenzen von 1/1024 bis 16384 Meter pro Pixel)

    • ausgehend von der höchsten Auflösung werden pro Stufe 4 Pixel vereinigt (z.B. durch Mittelwertbildung)


3 dbms und darstellungswerkzeuge terraserver von microsoft4

SourceMetadataTable

OrigMetaTag

Metadaten

(je Thema

verschiedene

Metadaten)

  • pro Thema wird eine

  • separate Tabelle angelegt

  • ein Tupel je zerlegtem Bild

ImageTable

SceneID

X

Y

Display-Status

OrigMetaTag

28 weiter Felder

(Metadaten,

BLOB für Teilbild

im JPG-Format)

  • pro Thema und Auflösung eine separate Tabelle

  • ein Tupel je 10kb Teilbild

3. DBMS und DarstellungswerkzeugeTerraserver von Microsoft

  • Datenbankschema (ohne Ortsverzeichnis und Suchtabellen)


Themen berblick4
Themenüberblick

  • Geographische Daten

  • Grundlagen

  • Datenbanksysteme und Darstellungswerkzeuge

  • Funktionale Anforderungen an eine Rasterdatenunterstützung

  • Entwurf


4 implementierungsaspekte mosaik strategie

Originalbild

Mosaikzerlegung

mit Bereichsanfrage

reduziertes

Anfrageergebnis

4. ImplementierungsaspekteMosaik - Strategie

  • Gründe

    • Beschränkungen der DBMS machen Zerlegung von Rasterdaten notwendig (maximale BLOB-Größe von 2 GB)

    • nahtlose Darstellung großer Flächen durch Zusammenfügen benachbarter Bilder mit Mosaiken einfach möglich

    • reduzierte Ergebnismenge und Datentransfer für bestimmte Bereichsanfragen


4 implementierungsaspekte mosaik strategie1
4. ImplementierungsaspekteMosaik - Strategie

  • Anforderungen an die Rasterdaten

    • ohne Verzerrungen (orthorectified)

    • müssen genaue geographische Koordinaten mitliefern

  • Verzerrungen

    • Zentralperspektive der Kamera bewirkt Verzerrungen an den Rändern von Luftaufnahmen

    • Höhenänderungen des photographierten Geländes bewirken Maßstabsänderungen

    • Wölbung der Erde führt zu Verzerrungen bei Satellitenphotos

    • Verschiebungen bei gescannten Karten oder Luftaufnahmen


4 implementierungsaspekte mosaik strategie2
4. ImplementierungsaspekteMosaik - Strategie

  • Anforderungen an die Rasterdaten

    • ohne Verzerrungen (orthorectified)

    • müssen genaue geographische Koordinaten mitliefern

  • Verzerrungen - Folgen

    • beim Zusammenfügen benachbarter Bilder treten Risse oder Verschiebungen auf

mittels Orthophotoerstellung beseitigen


4 implementierungsaspekte mosaik strategie3
4. ImplementierungsaspekteMosaik - Strategie

  • Geographische Koordinaten

    • zur Lokalisierung und Positionierung der Rasterdaten innerhalb eines Koordinatensystems und dessen Abbildung auf die Erdoberfläche

geographische Koordinaten (Längen- und Breitengrade) sind für die Darstellung im zweidimensionalen Raum (Bildschirme, Karten) ungeeignet

Abstände und Längen sind nicht konstant, d.h. eingeschlossene Flächen sind verschieden groß

 im zweidimensionalen KS beides konstant


4 implementierungsaspekte mosaik strategie4
4. ImplementierungsaspekteMosaik - Strategie

  • zur Abbildung in zweidimensionalen Raum werden Projektionen bzw. Projektionssysteme verwendet

    • Projektion = mathematische Transformation der dreidimensionalen Darstellung in ein zweidimensionales System

    • Positionen innerhalb eines Projektionssystems werden mit (x,y)-Koordinaten in Bezug auf einen Koordinatenursprung angegeben (= Punkt auf der Erde)

    • Projektionen sind mit Verzerrungen verbunden

Rasterdaten liefern projizierte Koordinaten und verwendetes Projektionssystem als Metadaten mit


4 implementierungsaspekte mosaik strategie5
4. ImplementierungsaspekteMosaik - Strategie

  • Beispiel: USGS DOQ (Digital Orthophoto Quadrangle)

    • enthalten Koordinaten und Projektionsinformationen

       UTM – Projektion mit Koordinaten in Metern

    • Auflösung von 1 und 2 Meter pro Pixel verfügbar

    • monochrom und mehrfarbig

    • komprimiert und unkomprimiert


4 implementierungsaspekte mosaik strategie6
4. ImplementierungsaspekteMosaik - Strategie

  • Mosaik erstellen

    • Zerlegung erfolgt bzgl. einer konstanten Zellgröße

      (alle Zellen des Mosaiks sind quadratisch und gleich groß)

    • Wahl eines Startpixels (oben links) und ermitteln seiner Koordinaten

    • Ausschneiden des Teilbildes entsprechend der Zellgröße

    • Teilbild bekommt Zeilen- und Spaltenadresse, Koordinaten, … zugeordnet

    • komprimieren und speichern der Zelle

       zeilen- oder spaltenweise die Zerlegung fortsetzen


4 implementierungsaspekte mosaik strategie7

Zellgröße

komplett

gefüllte Zelle

zum Teil

gefüllte Zelle

Zerlegung in quadratische Mosaikzellen

4. ImplementierungsaspekteMosaik - Strategie

  • Problem von nur zum Teil gefüllten Zellen

    Zellen werden in trotzdem gewählter Zellgröße gespeichert

    beim Hinzufügen von weiteren Originalen werden die leeren Stellen aufgefüllt


4 implementierungsaspekte mosaik strategie8

einzufügende Originale

Zellen werden

verschmolzen

bestehendes Mosaik

zusammengesetztes Mosaik

4. ImplementierungsaspekteMosaik - Strategie

  • Vereinigen von Bildern

    • Mosaike erleichtern das Verschmelzen mehrer Originalaufnahmen zur nahtlosen Darstellung größerer Gebiete

    • mehrere Bilder werden zerlegt und in einem Mosaik zusammengefasst

    • Probleme: überschneidende Originale

      Wahl der Startpixel für zusätzliche Bilder


4 implementierungsaspekte mosaik strategie9
4. ImplementierungsaspekteMosaik - Strategie

  • Zellen verschmelzen

    • Bestimmen der Leere der neuen und alten Zellen und entscheiden ob die alte Zelle ersetzt, die neue verworfen oder beide verschmolzen werden.

    • Verschmelzung:

      • leeren Stellen werden aufgefüllt

      • Pixel für die zwei Werte existieren z.B. durch Mittelwertbildung vereinigen (oder Ersetzen der alten Pixelwerte durch die neuen)

  • Startpixel bestimmen

    (x,y) = (xStartpixel + (Zellgröße * g1), yStartpixel + (Zellgröße * g2))


4 implementierungsaspekte mosaik strategie10

Schicht n

Vegetation

Schicht 2

Höhenkarte

Schicht 1

Infrarotaufnahme

Schicht 0

Satellitenphoto

(Basismosaik)

4. ImplementierungsaspekteMosaik - Strategie

  • mehrdimensionale Mosaike

  • Zellen sind nicht mehr eindeutig über Koordinaten identifizierbar  Schichtnummer/ Schicht_ID einführen


4 implementierungsaspekte mosaik strategie11

Spalte n

y

Zeile m

x

Zelle durch Zeilen- und

Spaltenadresse lokalisieren

Lokalisierung durch geographische

Koordinaten (hier: des Mittelpunktes)

4. ImplementierungsaspekteMosaik - Strategie

  • Organisation des Mosaiks

    Matrixstuktur erlaubt Vergabe von Zeile- und Spaltenadressen

    projizierte Koordinaten nutzen

    • Eckpunkte mittels Vektordatentyp speichern

    • Fläche als Polygon speichern

    • begrenzende x- und y-Werte speichern

    • Mittelpunkt als Vektordatentyp speichern


4 implementierungsaspekte mosaik strategie12
4. ImplementierungsaspekteMosaik - Strategie

  • Speicherung der Extremwerte xmax, xmin, ,ymax und ymin zur Lokalisierung der Zellen

    • als Schlüssel verwendbar

    • Vektordatenfunktionen können aber nicht genutzt werden

  • Speicherung der Koordinaten mittels Vektordatendypen

    • Vektordatenfunktionen nutzbar

    • künstlicher Schlüssel notwendig (ZellID)


4 implementierungsaspekte mosaik strategie13

je zwei begrenzende

Koordinaten im

Anfrageintervall

xi

xi+1

yi+1

yi

je ein Eckpunkt

im Anfragefenster

Mittelpunkt nicht

im Anfragefenster

4. ImplementierungsaspekteMosaik - Strategie

  • Beispielanfrage:

    Zellen für einen gesuchten Bereich zurückgeben

     Mittelpunkt-Variante erzwingt zusätzliche Verarbeitungsschritte


4 implementierungsaspekte mosaik strategie14

Zelle mit Überlappung

gemeinsamer Bereich benachbarter Zellen

Mosaikzellen ohne Überschneidung

Mosaikzellen mit Überschneidung

4. ImplementierungsaspekteMosaik - Strategie

  • überlappende vs. überschneidungsfreie Zellen

     Performancevorteile durch reduzierte Ergebnismengen

     Redundanz und zusätzliche Schritte bei Anfrageauswertung


4 implementierungsaspekte mosaik strategie15

„reguläres“ Mosaik

ohne Überschneidungen

mögliche Struktur des

Mosaiks bei dynamischer

Überschneidungen

4. ImplementierungsaspekteMosaik - Strategie

  • konstante vs. variable Überschneidung

    • fester Wert für Überschneidung  reguläre Struktur

    • variable Überschneidungen  Matrixstruktur geht verloren

       irregulär


4 implementierungsaspekte mosaik strategie16
4. ImplementierungsaspekteMosaik - Strategie

  • nötige Informationen zur Verwaltung eines Mosaiks


4 implementierungsaspekte aufl sungspyramiden

niedrigste Auflösung

Pyramidenlevel n

Mosaik mit nächst-

kleineren Auflösung

Pyramidenlevel 1

Basismosaik mit der

höchsten Auflösung

Pyramidenlevel 0

4. ImplementierungsaspekteAuflösungspyramiden

  • Speicherung der Rasterdaten in verschiedenen Auflösungen

    • Leistungssteigerung durch reduzierte Ergebnismengen

    • bedeutet erhebliche Redundanz und erhöhten Speicherplatzbedarf


4 implementierungsaspekte aufl sungspyramiden1

Pyramide mit regelmäßig

verteilten Leveln

nutzerdefinierte Pyramide mit

unregelmäßig verteilten Stufen

4. ImplementierungsaspekteAuflösungspyramiden

  • Erzeugen der Pyramide

    • auf der Basis der Originaldaten werden die niedrigeren Auflösungen Stufe für Stufe berechnet

    • mögliche Verfahren:

      • nächster Nachbar

      • Mittelwertberechnung von n Pixeln der höheren Auflösungsstufe (z.B. 4  1)

    • nutzerdefinierte Pyramiden möglich


4 implementierungsaspekte aufl sungspyramiden2
4. ImplementierungsaspekteAuflösungspyramiden

  • Realisierung

    • Konzept der Schichten eines mehrdimensionalen Mosaiks für Stufen der Pyramide nutzbar

       Unterscheidung zw. Dimension und Auflösung nicht mehr möglich

       Level_ID einführen

    • d.h. Zellen in einem mehrdimensionalen Mosaik mit Pyramiden sind durch ID, Schicht_ID, Level_ID und ZellID (bzw. Koordinaten) eindeutig identifizierbar


Themen berblick5
Themenüberblick

  • Geographische Daten

  • Grundlagen

  • Datenbanksysteme und Darstellungswerkzeuge

  • Funktionale Anforderungen an eine Rasterdatenunterstützung

  • Entwurf


5 entwurf vorbetrachtung

Schicht n

Schicht 0

Schicht n

Schicht n

Schicht 0

Schicht 0

5. EntwurfVorbetrachtung

  • hierarchische Struktur

    • Varianten: mehrdimensionales Mosaik mit Pyramide für jede Schicht oder mehrdimensionale Pyramide

  • DBMS unterstützt Vektordaten und Projektionen


5 entwurf e r modell

(1,1)

Raster

1

(1,*)

2

(1,1)

(0,*)

Schicht

Projektionssystem

(1,*)

3

(1,1)

Level

(1,*)

1 – verwendet

2 – hat

3 – besitzt

4 – besteht aus

(1,*)

4

(1,1)

Zelle

5. EntwurfE/R-Modell

  • mehrdimensionales Mosaik mit Pyramiden

     Raster

  • Projektionsinformationen sind durch Entitätstyp Projektionssystem in DB gegeben


5 entwurf e r modell raster

Beschreibung

Koordinaten

Name

Raster

Raster_ID

Zellgröße

(1,1)

1

(0,*)

Projektionssystem

ProjSysID

1 – verwendet

5. EntwurfE/R-Modell (Raster)

  • Koordinaten geben die überdeckte Fläche des Rasters an

  • ProjSysID gibt verwendetes Projektionssystem an

     SRS_ID


5 entwurf e r modell schicht level

Schicht_ID

Farbmodell

Schicht

Beschreibung

Farbtiefe

Level

Level_ID

Auflösung

5. EntwurfE/R-Modell (Schicht/Level)


5 entwurf e r modell zelle

xmin

Fläche

(Vektordatentyp)

xmax

Zelle

Zelle

Bild

Bild

ymin

Zell_ID

ymax

5. EntwurfE/R-Modell (Zelle)

  • verschiedene Möglichkeiten für Speicherung der Koordinaten


5 entwurf relationale umsetzung
5. EntwurfRelationale Umsetzung

  • liefert vier Tabellen

    kann sich ja jeder vorstellen


5 entwurf relationale umsetzung1
5. EntwurfRelationale Umsetzung

  • Problem: Zugriff auf Daten verursacht Join über 4 Tabellen

     umständlich, vorallem bei eindimensionalen Mosaiken

     Tabellenanzahl verringern: Schichten- und Level-Tabelle vereinigen

    create Table Raster (

    Raster_ID IDType,

    Name Varchar(100),

    Beschreibung Varchar(1000),

    ProjSysID Integer,

    Zellgroesse Integer,

    Flaeche ST_Polygon,

    foreign key (ProjSysID) references Projektionssystem(ProjSysID),

    primary key (Raster_ID))


5 entwurf relationale umsetzung2
5. EntwurfRelationale Umsetzung

create Table RasterDimPyr (

Raster_ID IDType,

Schicht_ID IDType,

Level_ID IDType,

Aufloesung Integer,

Farbmodell Integer,

Farbtiefe Integer,

Beschreibung Varchar(1000),

foreign key (Raster_ID) references Raster(Raster_ID),

primary key (Raster_ID, Schicht_ID, Level_ID))


5 entwurf relationale umsetzung3
5. EntwurfRelationale Umsetzung

create Table Rasterdaten (

Raster_ID IDType,

Schicht_ID IDType,

Level_ID IDType,

Zell_ID IDType,

Flaeche ST_Polygon,

Bild BLOB,

foreign key (Raster_ID, Schicht_ID, Level_ID) references

RasterDimPyr(Raster_ID, Schicht_ID, Level_ID),

primary key (Raster_ID, Schicht_ID, Level_ID, Zell_ID))


5 entwurf weitere optimierung
5. EntwurfWeitere Optimierung

  • mehrere Rasterdatentabellen

  • ???


Zusammenfassung
Zusammenfassung

  • einfaches Modell

     leicht erweiterbar

     überlappende und überschneidungsfreie Mosaike möglich

     alle vorgestellten Koordinatenvarianten leicht implementierbar

  • Umsetzen des Entwurfes und Testen der verschiedenen Varianten