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17.3. Georeferenzierung

Die Georeferenzierung ist ein Werkzeug zur Erzeugung von Weltdateien für Layer. Damit können Sie Raster oder Vektoren auf geografische oder projizierte Koordinatensysteme referenzieren, indem Sie ein neues GeoTiff erstellen oder eine Weltdatei zu einem bestehenden Bild hinzufügen. Der grundlegende Ansatz für die Georeferenzierung eines Layers besteht darin, Punkte auf dem Layer zu finden, für die Sie genaue Koordinaten bestimmen können. Diese Punkte werden Passpunkte oder auch GCP (von eng.: „Ground Control Points“) genannt.

Funktionen

Icon	Funktion	Icon	Funktion
	Raster öffnen		Vektor öffnen
	Georeferenzierung starten
	GDAL-Skript erzeugen		Passpunkte laden
	Passpunkte speichern		Transformationseinstellungen
	Passpunkt hinzufügen		Passpunkt löschen
	Passpunkt verschieben		Verschieben
	Hinein zoomen		Heraus zoomen
	Auf den Layer zoomen		Zoom zurück
	Zoom vor		Georeferenzierung mit QGIS verbinden
	QGIS mit Georeferenzierung verbinden		Volle Histogrammstreckung
	Lokale Histogrammstreckung

Table Georeferenzierung 1: Georeferenzierfunktionen

17.3.1. Wie benutzt man den Georeferenzierer 

Als X- und Y-Koordinaten (Grad, Minuten, Sekunden (dd mm ss.ss), Dezimalgrad (dd.dd) oder projizierte Koordinaten (mmmm.mm)), die dem ausgewählten Punkt auf dem Bild entsprechen, können zwei alternative Verfahren verwendet werden:

Das Raster selbst liefert manchmal Kreuze mit Koordinaten, die auf das Bild „geschrieben“ sind. In diesem Fall können Sie die Koordinaten manuell eingeben.
Verwendung von bereits georeferenzierten Layern. Dies können entweder Vektor- oder Rasterdaten sein, die dieselben Objekte/Features enthalten, die Sie auf dem Bild haben, das Sie georeferenzieren möchten, und mit der Projektion, die Sie für Ihr Bild wünschen. In diesem Fall können Sie die Koordinaten eingeben, indem Sie auf den in der QGIS Kartenansicht geladenen Referenzdatensatz klicken.

Das übliche Verfahren zur Georeferenzierung eines Bildes umfasst die Auswahl mehrerer Punkte auf dem Raster, die Angabe ihrer Koordinaten und die Auswahl eines entsprechenden Transformationstyps. Auf der Grundlage der eingegebenen Parameter und Daten berechnet der Georeferencer die Parameter der Weltdatei. Je mehr Koordinaten Sie angeben, desto besser wird das Ergebnis sein.

Wählen Sie aus der Menüleiste Layer ► Georeferenzierung. Der Georeferenzierung-Dialog erscheint wie in Abb. 17.24 gezeigt.

Für dieses Beispiel verwenden wir ein Rasterkarte von South Dakota von SDGS. Es kann später zusammen mit den Daten aus der GRASS spearfish60 Location visualisiert werden. Sie können das Topo-Blatt hier herunterladen: https://grass.osgeo.org/sampledata/spearfish_toposheet.tar.gz.

../../../_images/georef.png — Abb. 17.24 Georeferenzierung Dialog

17.3.1.1. Eingabe von Passpunkten (GCPs)

Um mit der Georeferenzierung eines nicht referenzierten Rasters zu beginnen, müssen wir es über die Schaltfläche ^{Raster öffnen…} laden. Das Raster wird im Hauptarbeitsbereich des Dialogs angezeigt. Sobald das Raster geladen ist, können wir mit der Eingabe von Referenzpunkten beginnen.
Mit der Schaltfläche ^{Punkt hinzufügen} fügen Sie Punkte zum Hauptarbeitsbereich hinzu und geben deren Koordinaten ein (siehe Abbildung Abb. 17.25). Für diese Prozedur haben Sie die folgenden Möglichkeiten:
- Klicken Sie auf einen Punkt im Rasterbild und geben Sie die X- und Y-Koordinaten zusammen mit dem KBS des Punktes manuell ein.
- Klicken Sie auf einen Punkt im Rasterbild und wählen Sie die Schaltfläche ^{Aus Kartenansicht}, um die X- und Y-Koordinaten mithilfe einer bereits in die QGIS Kartenansicht geladenen georeferenzierten Karte hinzuzufügen. Das KBS wird automatisch gesetzt.
- Bei der Eingabe von GCPs aus der Kartenansicht haben Sie die Möglichkeit, das Georeferenzierungsfenster auszublenden, während Sie Punkte aus der Kartenansicht auswählen. Wenn das Kontrollkästchen Georeferenzierungsfensters automatisch verbergen aktiviert ist, wird nach dem Klicken auf Aus Kartenansicht das Hauptfenster des Georeferenzierers ausgeblendet, bis ein Punkt auf der Kartenansicht hinzugefügt wird. Der Dialog Kartenkoordinaten eingeben bleibt geöffnet. Ist das Kontrollkästchen nicht markiert, bleiben beide Fenster geöffnet, während ein Punkt auf der Kartenansicht ausgewählt wird. Diese Option ist nur wirksam, wenn das Georeferenzierungsfenster nicht an der Hauptschnittstelle angedockt ist.
Fahren Sie mit der Eingabe der Punkte fort. Sie sollten mindestens vier Punkte haben, und je mehr Koordinaten Sie angeben können, desto besser wird das Ergebnis sein. Es gibt zusätzliche Werkzeuge zum Zoomen und Schwenken des Arbeitsbereichs, um einen relevanten Satz von GCP-Punkten zu finden.
Mit dem Werkzeug ^{Passpunkt verschieben} können Sie die GCPs sowohl in der Kartenansicht als auch im Georeferenzierungsfenster verschieben, wenn Sie sie korrigieren müssen.

../../../_images/choose_points.png — Abb. 17.25 Punkte zum Rasterbild hinzufügen

Die zur Karte hinzugefügten Punkte werden in einer separaten Textdatei ([Dateiname].points) gespeichert, normalerweise zusammen mit dem Rasterbild. Dies ermöglicht es uns, den Georeferencer zu einem späteren Zeitpunkt erneut zu öffnen und neue Punkte hinzuzufügen oder bestehende zu löschen, um das Ergebnis zu optimieren. Die Punktedatei enthält Werte in der Form: mapX, mapY, pixelX, pixelY. Sie können die Schaltflächen ^{GCP-Punkte laden} und ^{GCP-Punkte speichern als} verwenden, um die Dateien zu verwalten.

17.3.1.2. Definieren der Transformationseinstellungen 

Nachdem Sie Ihre Passpunkte zum Rasterbild hinzugefügt haben, müssen Sie die Transformationseinstellungen für den Georeferenzierungsprozess festlegen.

../../../_images/transformation_settings.png — Abb. 17.26 Festlegen der Einstellungen für die Transformation der Georeferenzierung

Verfügbare Transformations-Algorithmen 

Es stehen mehrere Transformationsalgorithmen zur Verfügung, die von der Art und Qualität der Eingabedaten, der Art und dem Ausmaß der geometrischen Verzerrung, die Sie für das Endergebnis in Kauf nehmen, und der Anzahl der Passpunkte (GCPs) abhängen.

Derzeit sind die folgenden Transformationstypen verfügbar:

Der Lineare Algorithmus wird zur Erstellung einer Weltdatei verwendet und unterscheidet sich von den anderen Algorithmen, da er die Rasterpixel nicht wirklich transformiert. Er ermöglicht die Positionierung (Verschiebung) des Bildes und eine einheitliche Skalierung, aber keine Drehung oder andere Transformationen. Dieser Algorithmus ist am besten geeignet, wenn Ihr Bild eine qualitativ gute Rasterkarte in einem bekannten KBS ist, aber nur die Georeferenzierungsinformationen fehlen. Es werden mindestens 2 GCPs benötigt.
Die Helmert-Transformation ermöglicht auch eine Drehung. Sie ist besonders nützlich, wenn es sich bei Ihrem Raster um eine qualitativ gute lokale Karte oder ein orthorektifiziertes Luftbild handelt, das jedoch nicht mit dem Raster in Ihrem KBS ausgerichtet ist. Es werden mindestens 2 GCPs benötigt.
Der Polynomial 1-Algorithmus ermöglicht eine allgemeinere affine Transformation, insbesondere auch eine gleichmäßige Scherung. Gerade Linien bleiben gerade (d. h. kollineare Punkte bleiben kollinear) und parallele Linien bleiben parallel. Dies ist besonders nützlich für die Georeferenzierung von Datenkartogrammen, die möglicherweise mit unterschiedlichen Bodenpixelgrößen in verschiedenen Richtungen aufgezeichnet (oder erfasst) wurden. Es sind mindestens 3 GCPs erforderlich.
Die Polynomial-Algorithmen 2-3 verwenden allgemeinere Polynome 2. oder 3. Grades statt nur affiner Transformationen. Dadurch können sie Krümmungen oder andere systematische Verzerrungen des Bildes berücksichtigen, z. B. fotografierte Karten mit gekrümmten Kanten. Es werden mindestens 6 (bzw. 10) GCPs benötigt. Winkel und lokaler Maßstab werden nicht beibehalten oder gleichmäßig über das Bild behandelt. Insbesondere können gerade Linien gekrümmt werden, und es kann zu erheblichen Verzerrungen an den Rändern oder weit entfernt von den GCPs kommen, wenn die an die Daten angepassten Polynome zu weit extrapoliert werden.
Der Projektiv Algorithmus verallgemeinert das Polynom 1 auf eine andere Art und Weise und erlaubt Transformationen, die eine zentrale Projektion zwischen zwei nicht parallelen Ebenen, dem Bild und der Kartenansicht, darstellen. Gerade Linien bleiben gerade, aber die Parallelität wird nicht beibehalten und der Maßstab des Bildes ändert sich entsprechend der Änderung der Perspektive. Diese Transformationsart eignet sich am besten für die Georeferenzierung von schrägen Fotos (und nicht von flachen Scans) von Karten guter Qualität oder von schrägen Luftbildern. Ein Minimum von 4 GCPs ist erforderlich.
Der Algorithmus Thin Plate Spline (TPS) schließlich „ verformt“ das Raster unter Verwendung mehrerer lokaler Polynome, um es an die angegebenen GCPs anzupassen, wobei die Oberflächenkrümmung insgesamt minimiert wird. Bereiche, die von den GCPs entfernt sind, werden in der Ausgabe verschoben, um die GCP-Anpassung zu ermöglichen, werden aber ansonsten nur minimal lokal deformiert. TPS ist am nützlichsten für die Georeferenzierung beschädigter, deformierter oder anderweitig leicht ungenauer Karten oder schlecht orthorektifizierter Luftbilder. Es ist auch nützlich für die ungefähre Georeferenzierung und implizite Reprojektion von Karten mit unbekanntem Projektionstyp oder unbekannten Parametern, bei denen jedoch ein regelmäßiges Raster oder ein dichter Satz von Ad-hoc-GCPs mit einer Referenzkarten-Layer abgeglichen werden kann. Technisch gesehen sind mindestens 10 GCPs erforderlich, in der Regel jedoch mehr, um erfolgreich zu sein.

Wenn bei allen Algorithmen mit Ausnahme von TPS mehr als die minimalen GCPs angegeben sind, werden die Parameter so angepasst, dass der Gesamtrestfehler minimiert wird. Dies ist hilfreich, um die Auswirkungen von Registrierungsfehlern, d. h. leichten Ungenauigkeiten bei Zeigerklicks oder getippten Koordinaten, oder anderen kleinen lokalen Bildverformungen zu minimieren. Ohne weitere GCPs zum Ausgleich könnten solche Fehler oder Verformungen zu erheblichen Verzerrungen führen, insbesondere in der Nähe der Ränder des georeferenzierten Bildes.␣ Wenn jedoch mehr als die minimalen GCPs angegeben werden, stimmen sie in der Ausgabe nur ungefähr überein. Im Gegensatz dazu passt TPS alle angegebenen GCPs genau an, kann aber zu erheblichen Verformungen zwischen nahegelegenen GCPs mit Registrierungsfehlern führen.

Definieren der Resampling-Methode 

Welche Art der Neuabtastung Sie wählen, hängt wahrscheinlich von Ihren Eingabedaten und dem letztendlichen Ziel der Arbeit ab. Wenn Sie die statistischen Daten des Rasters nicht verändern wollen (abgesehen von der ungleichmäßigen geometrischen Skalierung bei Verwendung anderer Transformationen als Linear, Helmert oder Polynom 1), sollten Sie die Option „Nächster Nachbar“ wählen. Im Gegensatz dazu führt z. B. das „kubische Resampling“ in der Regel zu einem visuell glatteren Ergebnis.

Es ist möglich, zwischen fünf verschiedenen Resampling-Methoden zu wählen:

Nächster Nachbar
Bilinear (2x2 Kern)
Kubisch (4x4 Kern)
Kubisch B-Spline (4x4 Kern)
Lanczos (6x6 Kern)

Definieren der Transformationseinstellungen 

Für das georeferenzierte Ausgaberaster müssen mehrere Optionen festgelegt werden.

Das Kontrollkästchen Nur World-Datei erzeugen ist nur verfügbar, wenn Sie sich für die lineare Transformation entscheiden, da dies bedeutet, dass das Rasterbild tatsächlich nicht transformiert wird. In diesem Fall ist das Feld Ausgabedatei nicht aktiviert, da nur eine neue Weltdatei erstellt wird.
Für alle anderen Transformationsarten müssen Sie eine Ausgabedatei definieren. Standardmäßig wird eine neue Datei ([Dateiname]_modifiziert) im selben Ordner zusammen mit dem ursprünglichen Rasterbild erstellt.
In einem nächsten Schritt müssen Sie das Ziel-KBS (Koordinatenreferenzsystem) für das georeferenzierte Raster definieren (siehe Arbeiten mit Projektionen).
Bei Bedarf können Sie PDF-Karte erzeugen und auch PDF-Bericht erzeugen aktivieren. Der Bericht enthält Informationen über die verwendeten Transformationsparameter, ein Bild der Residuen und eine Liste mit allen GCPs und ihren RMS-Fehlern.
Außerdem können Sie das Kontrollkästchen Zielauflösung setzen aktivieren und die Pixelauflösung des Ausgaberasters festlegen. Die Standardeinstellung für die horizontale und vertikale Auflösung ist 1.
Die Falls nötig 0 für Transparenz verwenden-Option kann aktiviert werden, wenn Pixel mit dem Wert 0 transparent dargestellt werden sollen. In unserem Beispiel-Toposheet würden alle weißen Flächen transparent sein.
Die Passpunkte speichern speichert die GCP Punkte in einer Datei neben dem Ausgaberaster.
Schließlich lädt Nach Fertigstellung ins Projekt laden das Ausgaberaster automatisch in die QGIS Kartenansicht, wenn die Transformation abgeschlossen ist.

17.3.1.3. Rastereigenschaften anzeigen und anpassen 

Ein Klick auf die Option Quelleigenschaften im Menü Einstellungen öffnet den Dialog Layereigenschaften der Rasterdatei, die Sie georeferenzieren wollen.

17.3.1.4. Konfiguration des Georeferenzierers 

Sie können das Verhalten der Georeferenzierung unter Einstellungen ► Georeferenzierung konfigurieren anpassen (oder das Tastaturkürzel Strg+P verwenden).

Unter Punktspitze können Sie die Anzeige von GCP-IDs und X/Y-Koordinaten sowohl im Georeferenzierungsfenster als auch in der Kartenansicht umschalten.
Resteinheiten steuert, ob Resteinheiten in Pixeln oder Karteneinheiten angegeben werden
PDF-Bericht ermöglicht es Ihnen, die Randgröße in mm für den Berichtsexport festzulegen
PDF-Karte ermöglicht die Auswahl eines Papierformats für den Export der Karte
Schließlich können Sie das Kontrollkästchen Georeferenzierungsfenster docken aktivieren. Dadurch wird das Georeferenzierungsfenster an das Hauptfenster von QGIS angedockt, anstatt es als separates Fenster anzuzeigen, das minimiert werden kann.

17.3.1.5. Durchführung der Transformation 

Nachdem alle GCPs gesammelt und alle Transformationseinstellungen definiert wurden, drücken Sie einfach die Schaltfläche :sup:` Georeferenzierung starten`, um das neue georeferenzierte Raster zu erstellen.