DARWIN Digitale Dissertationen German Version Strich

FU Berlin
Digitale Dissertation

Michael Fuchs :
Methods for the objective derivation of soil maps in the subsequent scale
Support of the geometrical-conceptual generalisation of soil maps by extended tools in a Geographical Information System
Methoden zur objektiven Ableitung von Bodenkarten im Folgemaßstab

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Abstract

Summary

The presented research focuses mainly on the geometrical-conceptual generalisation of soil maps.

Soil maps often play a special role among geo-scientific thematic maps. Their eminence is due to the tightly interwoven spatial pattern of soils. Even large-scale soil maps already comprise soil associations representing mosaics of different soils.

Soil maps are nowadays created digitally and form the basis for thematic geo-referenced evaluations. The digital production and storage of soil maps requires solutions which consist of verifiable, objective methods for the geometrical-conceptual generalisation of soil map units. The process of such a generalisation may be divided into four stages which are being sequentially processed:

1) content-based aggregation,

2) spatial aggregation,

3) conceptual generalisation,

4) geometrical generalisation.

With the objective to provide transparency and user convenience for a given spatial map resolution, soil map units can also be statistically defined. Depending on the spatial scale the differences between soil units can then be systematically assessed, while the remaining internal heterogeneity should still be manageable for the user.

Multivariate statistics, information theory and landscape analysis, as well as context-based relation-ships and rules, are used to implement all four stages of the geometrical-conceptual generalisation. A map database containing a regional set of soil maps was used to apply the proposed method. The database is linked to geometrical data and also contains the descriptions of the soil units. A set of rules was developed independently of this study to enable the allocation of mapping units to certain characteristics and complexes of features, including a ranking according to the importance within the respective space.

Each step of the geometrical-conceptual generalisation is supported by specific algorithms. Solution pathways comprehensible to the user for the spatial aggregation of soil units result. Thus, the process becomes more transparent.

In order to facilitate a verifiable, transparent and user-oriented processing of the geometrical-conceptual generalisation of soil maps, the GIS/statistical program "Analytic Tools of Aggregation and Generalisation" was developed. The program runs under any ArcInfo workstation environment (geometrical-topological data management) and accesses ACCESS databases (semantic data management). The underlying formulas are presented in the manual of the program, which also contains descriptions of the program output, including the format of the resulting files.

The geometrical-conceptual generalisation of soil maps using these programs was tested using a sheet of the soil map of the federal state of Brandenburg at 1:50,000. Two scale aggregations, 1:100,000 and 1:200,000, were derived in this study. The validity of the proposed methodological approach, the individual procedures in the different steps of the geometrical-conceptual generalisation, as well as soil geographical aspects, are discussed.

The results clearly reveal that a complete automation of the geometrical-conceptual generalisation of soil maps is not possible without qualitative decisions, e.g. on the evaluation of alternative aggregation scenarios or choices between the most plausible neighbourhood relationships. These decisions are, of course, dependent on the respective processing scale. The implemented statistical and GIS tools were designed to provide valuable and verifiable support in the processing of large amounts of background information, qualitative and quantitative data, and to derive geo-referenced and easily modifiable products for the decision making in soil map analysis and bottom-up aggregation of soil maps.


Table of Contents

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Titel und Zusammenfassung

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung

1

1.1 Das Anliegen der Arbeit

1

1.2 Aufbau der Arbeit

2

2. Begriffsbestimmung und Stand der Forschung über GIS-gestützte geometrisch-begrifflicher Generalisierung

3

2.1 Begriffsbestimmung

3

2.2 Stand der Forschung

4

3. Die wesentlichen Elemente geologischer und bodenkundlicher Grundlagenkarten

7

3.1 Vergleich Bodenkarte - Geologische Karte

7

3.2 Das Wesen der Bodenkarte

10

4. Die Entwicklung der Bodenkarten in Deutschland mit Sicht auf die Zunahme von Informationsdichte und Komplexität

16

5. Die Erfassung, Beschreibung und Kennzeichnung der Bodendecke

19

5.1 Steuerungsfaktoren der Bodenbildung

19

5.2 Techniken der Bodenkartierung

20

5.3 Standardisierung der Bodenkartierung: Kartieranleitung (KA4) und Bodensystematik

23

6. Generalisierung und Aggregierung, Konzepte in der praktischen Kartographie und der Bodenkunde

27

6.1 Kartografische Generalisierung

27

6.2 Bodenkundliche Aggregierung und Regionalisierung

29

6.3 Beispiele bodenkundlicher Aggregierung

32

7. Geo-Informationssystem (GIS) und Datenbanken in der Bodenkunde, Konzepte, Arbeitsweisen und Aufgaben

34

7.1 Begriffsbestimmung GIS, FIS und BIS

34

7.2 Bodenkundliche Flächendatenbank

35

8. Der Prozess der geometrisch-begrifflichen Generalisierung von Bodenkarten mit GIS-Werkzeugen

39

9. Die Methoden zur Unterstützung des Aggregierungsprozesses in der Bodenkunde

43

9.1 Landschaftsanalyse und Entropiemodellierung

43

9.1.1 Indizes zur Kennzeichnung der Diversität / Heterogenität

43

9.1.2 Gestaltindizes

45

9.1.3 Indizes zur Kennzeichnung der räumlichen Struktur

46

9.2 Multivariate Gruppierungsverfahren

49

9.2.1 Gruppierung durch den Experten

49

9.2.2 Hierarchische Clusteranalyse

50

9.2.3 Zweidimensionale Skalierung

51

9.2.4 Bewertung von Gruppierungen, F- und t-Werte

51

9.2.5 Formale Begriffsanalyse

54

9.2.6 Konfigurationsfrequenzanalyse

55

9.3 Kontextbasierte Regeln

56

9.3.1 Darstellbarkeitsindizes

56

9.3.2 Grenzlängenindex

57

9.3.3 Abstandsmessung, Verbindungsflächenermittlung und Flächenverschmelzung

58

10. Das Programm "Analytische Werkzeuge der Aggregierung und Generalisierung von Bodenkarten"

60

10.1 Einleitende Bemerkungen

60

10.2 Systemvoraussetzungen

61

10.3 Neue Softwareversion

61

10.4 Inhaltliche Voraussetzungen

61

10.5 Installation

61

10.6 Programmstart

62

10.7 Allgemeine Bemerkungen

62

10.8 Programmkomponenten

66

10.8.1 Gliederung der Programmkomponenten

66

10.8.2 Allgemein verfügbare Komponenten (Dienstprogramme)

67

10.8.3 Komponente "Landschaftsanalyse"

69

10.8.4 Komponente "Index maximaler Reduktion"

83

10.8.5 Komponente "Nachbarschaftskennzeichnung für ein Attribut"

86

10.8.6 Komponente "Nachbarschaftskennzeichnung aller Inhalte"

88

10.8.7 Komponente "Distanzmessung zwischen Polygonen verschiedener Inhalte"

89

10.8.8 Komponente "Verbindungsflächenermittlung"

91

10.8.9 Komponente "Verschmelzung von Flächen"

95

10.8.10 Komponente "Datenbankanbindung/Tabellenauswahl für multivariate Statistik"

97

10.8.11 Die gemeinsamen Teilkomponenten der Gruppierungsverfahren

100

10.8.12 Komponente "Expertengruppierung"

102

10.8.13 Komponente "Hierarchische Gruppierung (Clustern)"

103

10.8.14 Komponente "Zweidimensionale Skalierung"

106

10.8.15 Komponente "Inventar-Entropie"

108

10.8.16 Komponente "Konfigurationsfrequenzanalyse"

110

10.8.17 Komponente "Visualisieren von Gruppenlösungen"

113

10.9 Literatur zur Herkunft der Formeln und Verfahren

114

10.10 Dokumentationen der eingesetzten Softwareprodukte

115

10.11 Glossar der wichtigsten verwendeten ArcInfo-Ausdrücke

115

10.12 Glossar der verwendeten Datenbank-Ausdrücke

116

11. Die geometrisch-begriffliche Generalisierung des Blattes Potsdam 1 : 50 000 (L3744) zur Darstellung in den Folgemaßstäben 1 : 100 000 und 1 : 200 000

118

11.1 Geologisch-morphologischer Rahmen zum Blatt L3744 Potsdam, anthropogene Einflüsse und die wichtigsten Bodeneinheiten

118

11.2 Das Kartierungskonzept zur bodengeologischen Kartierung des Landes Brandenburg im Maßstab 1 : 50 000 (BK 50)

121

11.3 Die Aggregierung des Beispielblatts mit den im GIS implementierten Werkzeugen

123

11.3.1 Analyse der thematisch-kartographischen Konzeption der Ausgangskarte und des Inventars der Legendeneinheiten

123

11.3.1.1 Bewertung der Ausgangskarte mit dem Index der maximalen Reduktion

123

11.3.1.2 Kennzeichnung der Heterogenität auf der Ebene der Ausgangskarte durch Entropiemessung

123

11.3.1.3 Aufschlüsselung des Bodenformeninventars der Legendeneinheiten nach Art der Dominanz des boden- und substratsystematischen Teilinventars

124

11.3.1.4 Typisierung des boden- und substratsystematischen Inventars in den Hauptgenesegruppen durch die Konfigurationsfrequenzanalyse (KFA)

125

11.3.1.5 Join-Count-Statistik (JCS) für die Hauptgenesegruppen

126

11.3.1.6 Kennzeichnung von Auffälligkeit mit der standardisierten Entropie

126

11.3.1.7 Darstellung von Zusammenhängen zwischen den wichtigsten landschaftsanalytischen Kenngrößen der Ausgangskarte

127

11.3.2 Der Aggregierungs- und Generalisierungsprozess

131

11.3.2.1 Die Bewertung der Darstellbarkeit in den angestrebten Folgemaßstäben 1 : 100 000 und 1 : 200 000

131

11.3.2.2 Die inhaltliche Aggregierung der Legendeneinheiten

131

11.3.2.3 Test auf Darstellbarkeit der neuen Legendeneinheiten, Erhalt des Besonderen und die weitere Zusammenfassung nach der Vergesellschaftung

142

11.3.2.4 Verbindungsflächenermittlung und Eliminierung von Kleinstflächen

144

11.3.2.5 Formenvereinfachung, Glättung des Linienverlaufs

145

11.3.2.6 Inhaltliche Beschreibung der neuen Legendeneinheiten

145

11.3.3 Bewertung der Ergebniskarten

146

11.3.4 Vergleich des BÜK 200 - Ausschnitts mit dem Entwurf BÜK 200 Berlin

149

12. Anwendbarkeit der eingesetzten Verfahren und Indizes

154

12.1 Anwendbarkeit der Verfahren in den Teilschritten geometrisch-begrifflicher Generalisierung

154

12.2 Gültigkeit der Verfahren in den Aggregierungsstufen der KA 4

155

13. Danksagung

157

14. Verzeichnisse

158

14.1 Literaturverzeichnis

158

14.2 Verzeichnis der digitalen Karten

161

14.3 Verzeichnis der Tabellen und Abbildungen

162

15. Legende der Bodengeologischen Karte 1 : 50 000, Blatt Potsdam L3744

166

15.1 Die verbale Beschreibung der Blattlegendeneinheiten der Bodengeologischen Karte 1 : 50 000, L3744, Blatt Potsdam

166

15.2 Die substratsystematische Gliederung in der Bodengeologischen Karte 1 : 50 000, L3744, Blatt Potsdam

168

15.3 Die Bodenformen der Blattlegendeneinheiten der Bodengeologischen Karte 1 : 50 000, Blatt Potsdam L3744

169

16. Tabellen zum Vergleich BÜK 200 Entwurf und Ergebnis - Rohkarte im Maßstab 1 : 200 000

176

16.1 Das Bodenformeninventar der Ergebnis - Rohkarte im Maßstab 1 : 200 000

176

16.2 Zusammenstellung der Verschneidung des Entwurfs BÜK 200 Berlin CC3942 und Ergebnis - Rohkarte im Maßstab 1 : 200 000

177

17. Lebenslauf

184

18. Selbständigkeitserklärung

186

Anlage
Programm "Analytische Werkzeuge der Aggregierung und Generalisierung von Bodenkarten"

Download tag.zip


More Information:

Online available: http://www.diss.fu-berlin.de/2002/119/indexe.html
Language of PhDThesis: german
Keywords: soil map, generalisation, aggregation, replicable methods
DNB-Sachgruppe: 31 Geowissenschaften
Date of disputation: 01-Jul-2002
PhDThesis from: Fachbereich Geowissenschaften, Freie Universität Berlin
First Referee: Prof. Dr. Franz K. List
Second Referee: Prof. Dr. Rolf Schmidt
Contact (Author): michael.fuchs@bgr.de
Date created:15-Jul-2002
Date available:23-Jul-2002

 


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