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Skalierbarkeit des Terrain-Datasets

Bei großen Projekten ist die Möglichkeit zur Skalierung besonders wichtig. Terrain-Datasets wurden genau dafür entwickelt. Sie können Projekte mit Hunderten von Millionen, ja sogar Milliarden Punkten verarbeiten. Terrain-Werkzeuge erleichtern die Verarbeitung großer Punktsammlungen, wie z. B. Lidar, die sonst häufig zu Problemen mit Datenbanken führen können. Die Skalierbarkeit wird in erster Linie durch zwei Mittel erreicht: Terrain-Pyramiden und den Shape-Typ "Multipoint".

Terrain-Pyramiden dienen der Performance-Verbesserung. Hierfür werden maßstabsabhängige Mittel zur Datenverringerung bereitgestellt. Pyramiden referenzieren nur die Daten, die zur Erstellung einer Oberfläche mit annähernder Genauigkeit benötigt werden. Die Erstellung, Anzeige und Analyse von Oberflächen "on-the-fly" bringt Performance-Vorteile bei Anwendungen mit kleineren Maßstäben, da nur eine ausgedünnte Teilmenge der Daten benötigt wird. Die ursprünglichen Daten werden nicht verschoben oder in Mittelwerte umgerechnet. Die exakten Positionsdaten der Messwerte werden beibehalten. Für die Erstellung eines Terrain-Datasets können zwei Pyramidentypen verwendet werden: "Z-Toleranz" und "Kachelung".

Beim Pyramidentyp "Z-Toleranz" erfolgt die Erstellung der Pyramide über die Anwendung eines auf der Z-Toleranz basierenden Filters, der zum Ausdünnen der Punkte verwendet wird. Sie entfernen unwichtige Punkte, um abgeleitete Oberflächen zu erzeugen, die innerhalb einer annähernden vertikalen Genauigkeit relativ zu den Daten mit voller Auflösung liegen.

Beim Pyramidentyp "Kachelung" erfolgt die Erstellung der Pyramide über die Festlegung eines Kachelungsfilters. Dabei werden Punkte für jede Pyramidenebene ausgedünnt, indem die Daten in gleiche Flächen (Fenster) aufgeteilt werden. Dann werden repräsentativ nur ein oder zwei Punkte aus jeder Fläche ausgewählt. Mit diesem Pyramidentyp wird im Grunde die horizontale Referenzpunktdichte mit einer kontrollierbaren Tendenz in Richtung hoher Punkte, niedriger Punkte oder durchschnittlicher Punkte gesteuert.

Darüber hinaus wird die Implementierung von Linien und Polygonen auf einer Pyramidenebenenbasis gesteuert. Beispielsweise kann die Implementierung von Bruchkanten auf die ein oder zwei Pyramidenebenen mit der höchsten Auflösung beschränkt werden. Für manche Features, z. B. die Grenzen von Untersuchungsgebieten und die Uferzonen von Seen, ist möglicherweise eine Darstellung in allen Maßstäben, jedoch nicht mit demselben Detailgrad erforderlich. Generalisierte Darstellungen können bei gröberen Maßstäben verwendet werden, während vollständige Details nur bei hohen Maßstäben zur Anwendung kommen.

Jeder Pyramidenebene sind eine vertikale Toleranz oder eine Kachelung sowie ein Maßstabsschwellenwert zugewiesen. Damit wird der Maßstabsbereich, der mit jeder Ebene verknüpft ist, bei der Anzeige des Terrain-Datasets auf einer Karte gesteuert. Die Anzahl der Pyramidenebenen, die zugehörigen Toleranzen und die entsprechenden Schwellenwerte können alle vom Benutzer definiert werden.

Terrain-Pyramiden sind kumulativ. Jede Ebene innerhalb einer Pyramide enthält keinen separaten und unabhängigen Satz aller erforderlichen Messwerte. Stattdessen müssen Sie, um von einer gröberen Ebene der Pyramide zu einer verfeinerten Ebene zu gelangen, zusätzliche Messwerte zu den Werten für die grobe Ebene hinzufügen. Die Ebene mit voller Auflösung ist in Wahrheit die Summe aller Messwerte der niedrigeren Ebenen plus einiger zusätzlicher Werte. So können Sie die Performance bei der Verwendung eines Terrains verbessern und den Speicheraufwand verringern.

Terrain-Pyramiden werden mit dem Geoverarbeitungswerkzeug Terrain erstellen definiert. Weitere Informationen zum Erstellen eines Terrain-Datasets finden Sie unter Erstellen eines Terrain-Datasets in ArcGIS Pro.

Pyramidentyp "Z-Toleranz"

Mit dem Pyramidentyp "Z-Toleranz" wird die vertikale Genauigkeit jeder Pyramidenebene im Verhältnis zu den Daten mit voller Auflösung gesteuert. Die vertikale Genauigkeit einer Pyramidenebene ist immer relativ zur Genauigkeit der Quelldaten in voller Auflösung. Wenn die Quelldaten z. B. eine bekannte vertikale Genauigkeit von 10 cm haben und die Z-Toleranz der ersten Pyramide 20 cm beträgt, dann ergibt sich als absolute Genauigkeit der ersten Pyramide 30 cm.

Sie müssen ermitteln, wie viele Pyramidenebenen Sie benötigen, und die Z-Toleranz für jede dieser Ebenen feststellen. Diese Entscheidungen werden durch die Hauptfaktoren Maßstabsbereich zur Verwendung des Terrain-Datasets, Z-Bereich und Variabilität der Höhe im Terrain beeinflusst. Eine Methode, mit der Sie Ihre Pyramidenebenen definieren können, folgt dem Modell für Konturlinienkarten.

Definieren von Pyramidenebenen mit "Z-Toleranz"

Zum Definieren von Pyramidenebenen mit dem Modell für Konturlinienkarten gehen Sie wie folgt vor:

  1. Betrachten Sie einen Standardsatz aus Kartenmaßstäben, den Sie für die Konstruktion von Konturlinienkarten aus dem Terrain verwenden würden.
  2. Ordnen Sie die Maßstäbe vom größten zum kleinsten an. Beachten Sie, dass das Konturlinienintervall für jeden Maßstab geeignet ist. Sorgen Sie dafür, dass Ihre Terrain-Dataset-Pyramide diese Sammlung nachahmt.
  3. Definieren Sie eine Pyramidenebene für jeden Kartenmaßstab. Setzen Sie dabei den Maßstabsschwellenwert für jede Ebene auf den entsprechenden Kartenmaßstab. Die Z-Toleranz muss auf die Hälfte des Konturlinienintervalls festgelegt werden, das bei diesem Maßstab verwendet würde.

Bei der nachstehenden Pyramidendefinition würden die Daten in voller Auflösung bei Anzeigemaßstäben größer als 1:5.000 verwendet. Die auf einer Z-Toleranz von 0,5 Einheiten basierende Pyramidenebene würde bei Maßstäben zwischen 1:5.000 und 1:12.000, die Z-Toleranz-Ebene mit 1,0 Einheiten zwischen 1:12.000 und 1:24.000, die Z-Toleranz-Ebene mit 2,5 Einheiten zwischen 1:24.000 und 1:100.000 und die Z-Toleranz-Ebene mit 5,0 Einheiten bei Maßstäben kleiner als 1:100.000 verwendet.

Beispiel für eine Konturlinienkartenserie als Grundlage für Z-Toleranz-Pyramidenebenen

KartenmaßstabKonturlinienintervalle (Meter)

1:5.000

1

1:12.000

2

1:24.000

5

1:100.000

10

Beispiel für eine Konturlinienkarte

Schwellenwerte für die Skalierung von Terrain-Datasets und entsprechende Pyramidenebenen mit "Z-Toleranz" von Terrain-Datasets

MaßstabsschwellenwertZ-Toleranz (Meter)

5.000

0,5

12.000

1

24.000

2,5

100.000

5

Pyramidenebenen mit "Z-Toleranz"

Pyramidentyp "Kachelung"

Die Auflösung der Pyramidenebene wird durch die Kachelung definiert. Beim Pyramidentyp "Kachelung" werden Punkte für jede Pyramidenebene ausgedünnt, indem die Daten in gleiche Flächen (Fenster) aufgeteilt werden. Dann werden repräsentativ nur ein oder zwei Punkte aus jeder Fläche ausgewählt.

Die Auswahl der Punkte für jedes Fenster basiert auf einem der folgenden Kriterien:

  • Der Punkt mit dem minimalen Z-Wert
  • Der Punkt mit dem maximalen Z-Wert
  • Zwei Punkte, um das Z-Minimum und das Z-Maximum zu erfassen
  • Der Punkt, der dem durchschnittlichen Z-Wert am nächsten liegt

Die Auflösung der Pyramidenebene wird durch die Kachelung definiert. Dabei handelt es sich um die Länge der Seite jedes quadratischen Bereichs zur Definition des Unterabschnitts. Pyramidenebenen mit gröberer Auflösung werden mit großer Kachelung definiert. Eine große Kachelung führt zu relativ wenig Flächen, aus denen Punkte ausgewählt werden können. Da für jede Fläche nur ein oder zwei Punkte ausgewählt werden, wird viel Ausdünnung und Generalisierung durchgeführt. Pyramidenebenen mit feinerer Auflösung werden mit kleinerer Kachelung definiert. Kleinere Fenster bedeuten mehr Flächen und somit mehr Punkte, weniger Ausdünnung und mehr Details.

Wie bei Pyramiden auf der Basis der Z-Toleranz sind auch Pyramiden mit Kachelung kumulativ. Punkte, die für eine Pyramidenebene verwendet werden, stellen die Summe aller Punkte dar, die für gröbere Ebenen ausgewählt wurden, plus einem zusätzlichen Satz eindeutiger Punkte für die gegebene Ebene. Kumulative Pyramiden sind in der Speicherung effizient, da nicht für jede Pyramidenebene eine separate und vollständige Kopie der Daten benötigt wird.

Empfehlungen zur Auswahlmethode für Punkte

Die höchste Auflösungspyramidenebene sollte eine Kachelung verwenden, die größer oder gleich dem durchschnittlichen Punktabstand ist. Wenn Sie wissen, dass es viele Punkte gibt, die näher liegen als der Durchschnitt, eignet sich der Z-Mittelwert, da damit einige Punkte effektiv ausgedünnt werden. Verwenden Sie anderenfalls einen Wert, der dem doppelten Wert des durchschnittlichen Punktabstands entspricht.

Eine Ausnahme gilt, wenn Sie die Auswahlmethode für Punkte mit Z-Minimum/Z-Maximum verwenden, bei der Sie das Vierfache des durchschnittlichen Abstands verwenden müssen. Die gröbste Pyramidenebene muss eine Kachelung aufweisen, die auf der X- oder Y-Ausdehnung des Terrains basiert. Ein Wert zwischen 1/500 bis 1/1000 der größeren Ausdehnung von X- und Y-Ausdehnung ist vernünftig. Die effizientesten Pyramiden weisen Kachelungen mit einer Potenz von zwei zueinander auf. Legen Sie zuerst die kleinste Kachelung fest und fahren dann von dort fort.

Mit den Selektionskriterien können Sie festlegen, welche Punkte als Repräsentationen für die entsprechenden Flächen der verschiedenen Pyramidenebenen ausgewählt werden. Jedes Kriterium weist Vorteile für einen bestimmten Datentyp oder eine bestimmte Anwendung auf. Beachten Sie, dass diese Vorteile keine Klassifizierung darstellen und keine Auswirkung auf die Pyramidenebene in voller Auflösung haben.

MethodeZieleVorgeschlagene Anwendungen

Z-Minimum

Vorteile bei lokalen Senken, Flüssen, Tälern

  • Wasser-Features für Wasserressourcen
  • Bodenpunkte für Lidar mit hoher Auflösung

Z-Maximum

Vorteile bei lokalen Höhen, Bergkämmen und Bergspitzen

  • Bodenferne Punkte von einem Lidar mit vielen zurückgegebenen Werten
  • Hohe Punkte bei der Luftbildnavigation
  • Flache Punkte bei der Wassernavigation

Z-Minimum/Z-Maximum

Erfasst Extremwerte; weniger Ausdünnung als bei anderen Optionen

  • Hohe und niedrige Punkte für die topografische Kartenerstellung

Z-Mittelwert

Vermeidet Extremwerte

  • Allgemeine Darstellung für die topografische Kartenerstellung
Kriterien für die Punktauswahl

Schwellenwert für Ausdünnung

Wenn Sie Pyramiden mit Kachelung verwenden, gibt es eine Option, um den Schwellenwert für Ausdünnung einzubeziehen. Dadurch können Sie die Anzahl an Punkten für eine über und unter der Ausdünnung liegende Pyramidenebene durch das Filtern der Fenster verringern. Dieser Vorgang funktioniert ausgehend von der Pyramidenebene mit der gröbsten Kachelung, indem Sie die Daten für jedes Fenster untersuchen. Wenn der Z-Wertebereich für Punkte im Fenster innerhalb eines benutzerdefinierten Schwellenwerts liegt, wird die Fläche als eben betrachtet. Wie bei der normalen Kachelungsverarbeitung werden für jede Fläche ein oder zwei Punkte ausgewählt. Alle restlichen Punkte werden jedoch der Pyramidenebene in voller Auflösung zugewiesen und nicht von den restlichen Ebenen erneut gefiltert. Da die Fläche eben ist, müssen keine zusätzlichen Punkte mit kleinerer Kachelung ausgewählt werden.

Empfehlungen für die Methode für sekundäre Ausdünnung

Wenn diese Methode aktiviert ist, verringert der Schwellenwert für Ausdünnung die Anzahl der Punkte, die über ebenen Flächen verwendet werden. Eine Fläche wird als Ebene betrachtet, wenn die Höhe von Punkten innerhalb der Fläche im Rahmen eines benutzerdefinierten Schwellenwerts für die sekundäre Ausdünnung liegt. Der daraus resultierende Effekt ist auf Pyramidenebenen mit höherer Auflösung deutlicher erkennbar, da kleinere Flächen mit höherer Wahrscheinlichkeit eben sind als größere Flächen.

Der Schwellenwert für sekundäre Ausdünnung muss mindestens so groß festgelegt werden wie die vertikale Genauigkeit der Daten, um den zugehörigen Rauschteppich zu überwinden. Wenn Sie größere Werte angeben, werden mehr Punkte ausgedünnt, und es wird eine geringfügige Performance-Verbesserung erreicht. Oberflächen-Features lassen sich dann jedoch weniger gut auflösen bzw. unterscheiden.

  • Schwache Ausdünnung: Eignet sich am besten, um lineare Unterbrechungen beizubehalten (z. B. Gebäudeseiten und Waldgrenzen). Diese wird für Lidar-Daten empfohlen, die sowohl Boden- als auch andere Punkte umfassen. Bei der schwachen Ausdünnung werden die wenigsten Punkte ausgedünnt.
  • Mittlere Ausdünnung: Bietet einen guten Kompromiss zwischen Performance und Genauigkeit. Dabei werden nicht so viele Details wie bei der schwachen Ausdünnung beibehalten. Das Ergebnis ist jedoch beinahe vergleichbar, wobei insgesamt mehr Punkte eliminiert werden. Die mittlere Ausdünnung stellt eine gute Ausdünnungsmethode für alle Datentypen dar.
  • Starke Ausdünnung: Entfernt die meisten Punkte, wobei jedoch scharf voneinander abgegrenzte Features eher nicht beibehalten werden. Diese Option sollte auf Oberflächen beschränkt werden, deren Gefälle sich nur allmählich ändert. Die starke Ausdünnung wäre beispielsweise für Lidar-Daten der nackten Erdoberfläche oder bathymetrische Daten geeignet.

Beispiel für das Erstellen einer Pyramidenebene mit Kachelung

Erstellen Sie die Pyramidenebenen auf der Basis folgender Informationen:

  • Der durchschnittliche Punktabstand der Punktdaten beträgt 1 Meter.
  • Es gibt keine große Varianz im Punktabstand, deshalb liegen die meisten Punkte etwa 1 Meter auseinander.
  • Die Datenausdehnung beträgt 20 Kilometer von Ost nach West und 10 Kilometer von Nord nach Süd.
  1. Beginnen Sie mit einer Kachelung von 2 (Metern), und erhöhen Sie die Potenzen immer um zwei: 2, 4, 8, 16, 32. Stoppen Sie bei 32, da diese Kachelung zwischen 1/500 und 1/1000 der Ausdehnung von 20 Kilometern fällt.
  2. Verwenden Sie für jede Kachelung einen Maßstabsschwellenwert mit der doppelten Größe des Schwellenwerts des vorherigen Maßstabs. Sie sollten eine Pyramidendefinition wie nachstehend gezeigt erhalten.

Beispiel für eine Pyramidendefinition mit Punktabstandsdaten von 1 Meter

KachelungSkalieren

2

3.000

4

6.000

8

12.000

16

24.000

32

48.000

Beispiel für Kachelung

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