Georeferenzierung von Kartenblättern und eingescannten Karten (QGIS3)

Die meisten GIS-Projekte erfordern das Georeferenzieren von Rasterdaten. Georeferenzierung ist der Prozess der Zuweisung von Koordinaten zu jedem Pixel eines Rasterdatensatzes. Oftmals werden die Koordinaten durch Feldarbeit, d.h. durch das Ermitteln der Koordinaten mit Hilfe eines GPS-Gerätes, für einige leicht in der Karte oder dem Bild zu identifizierende Objekte bestimmt. Manchmal findet man beim Digitalisieren auf der gescannten Karte Markierungen, die die Koordinaten anzeigen. Mit Hilfe dieser Markierungspunkte oder Passpunkte (Ground Control Points - GCP) kann das Bild entzerrt und passfähig zum gewählten Koordinatensystem gemacht werden. In dieser Anleitung werden wir die Konzepte, Strategien und Hilfsmittel in QGIS behandeln, um eine hoch genaue Georeferenzierung zu erreichen.

Diese Anleitung beschriebt die Georeferenzierung mit Hilfe von Markierungen die auf der Karte oder dem Bild vorhanden sind (z.B. beschriftete Koordinatengitter). Wenn dein Bild solche Informationen nicht enthält, kannst du folgende Methode anwenden Georeferenzierung von Luftbildern (QGIS3).

Überblick über die Aufgabe

Wir werden eine gescannte Karte von Südindien aus dem Jahr 1870 nutzen und diese mit Hilfe von QGIS georeferenzieren.

Weitere Fähigkeiten, die wir erlernen

  • Wie man das geodätische Datum und das Koordinatensystem alter Karten bestimmt.

Beschaffung der Daten

Hipkiss’s Scanned Old Maps Webseite führt eine exzellente Sammlung copyright-freier gescannter Karten, die man zur Nachforschung verwenden kann.

Lade 1870 map of southern India herunter und speichere die Datei als JPG-Bild auf einem lokalen Laufwerk ab.

Der Einfachheit halber kannst du auch eine Kopie des Datensatzes unter folgendem link herunterladen:

1870_southern_india.jpg

Arbeitsablauf

1.Die Georeferenzierung in QGIS erfolgt mit Hilfe des Georeferencer GDAL plugins. Dabei handelt es sich um ein Kernplugin, d.h. es ist bereits Teil der QGIS-Installation. Du musst es nur aktivieren. Gehe zu Plugins ‣ Manage and Install Plugins und aktiviere das Georeferencer GDAL plugin im Installed Bereich. Unter Verwenden von Erweiterungen findet man weitere Details zur Arbeit mit plugins.

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  1. Das plugin wird im Raster Menü installiert. Klicke auf Raster ‣ Georeferencer, um das plugin zu öffnen.

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  1. Das plugin-Fenster ist in 2 Bereiche geteilt. Im oberen Bereich wird das Bild angezeigt und im unteren Bereich werden die Passpunkte in einer Tabelle angezeigt.

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  1. Jetzt werden wir unser JPG-Bild öffnen. Gehe zu File ‣ Open Raster. Navigiere zu dem heruntergeladenen Bild der gescannten Karte und klicke auf Open.

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  1. Im folgenden Fenster muss das Koordinatenreferenzsystem (KBS) des Rasterdatensatzes angegeben werden. Unser Ausgangsbild ist ein reines JPG-Bild ohne Informationen bezüglich des Koordinatensystems. Wir klicken daher auf Cancel.

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  1. Wir sehen jetzt das Bild, das im oberen Teil des Fensters dargestellt wird. Du kannst die zoom/pan Knöpfe aus der Toolleiste nutzen, um mehr über die Karte zu erfahren.

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  1. Als nächstes müssen wir Koordinaten für einige Punkte auf der Karte zuweisen. Beim genauen Hinsehen findet man ein beschriftetes Koordinatengitter auf der Karte. Es handelt sich dabei um Linien der Breiten- und Längengrade.

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  1. Bevor wir anfangen Passpunkte (GCP- Ground Control Points) zu setzen, müssen wir die Transformationseinstellungen festlegen. Gehe zu Settings ‣ Transformation settings.

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  1. Wähle in den Transformation settings dialog, choose the Transformation type as Polynomial 2 aus. In der QGIS Documentation findet man weitere Informationen über die verschiedenen Transformationstypen and deren Einsatz. Klicke auf den Knopf Select CRS neben Target SRS.

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  1. Wenn man eine gescannte Karte wie diese georeferenziert, kann die Information zum Koordinatensystem der Karte selbst entnommen werden. Wenn wir auf unsere Karte sehen, erkennen wir, dass die Koordinaten in Breiten- und Längengraden enthalten sind. Es ist kein geodätisches Datum auf der Karte verzeichnet, so dass wir hier eine Annahme treffen müssen. Da es sich um Indien handelt und die Karte ziemlich alt ist, wird wahrscheinlich das geodätische Datum Everest 1830 gut passen. Suche nach „everest“ und wähle das Koordinatensystem mit der ältesten Angabe des geodätischen Datums Everest (EPSG:4042). Klicke auf OK.

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Bemerkung

Topographische Karten des nationalen indischen Vermessungsamtes zwischen 1960 und 2000 nutzten den Rotationsellipsoid Everest 1956 und das geographische Datum India_nepal. Wenn man Karten des indischen Vermssungsamtes georeferenziert, kann man in QGIS ein angepasstes Koordinatensystem mit den folgenden Parametern definieren. Die Definition beinhaltet die Parameter delta_x, delta_y und delta_z zur Transformation ins System WGS84. Weitere Informationen findet man unter Indian Grid System.

+proj=longlat +a=6377301.243 +b=6356100.2284 +towgs84=295,736,257,0,0,0,0 +no_defs

Bemerkung

Die meisten Karten verwenden ein projiziertes KBS. Es kann sein, dass die Karte, die georeferenziert werden soll, ein projiziertes KBS verwendet, die Beschriftung an den Koordinatengittern aber im geographischen System (Länge/Breite) erfolgt. In einem solchem Fall kann man ein alternatives Vorgehen wählen, um Verzerrungen zu verringern. Man erstellt dazu ein Vektorgitter und transformieren es in das bekannte projizierte KBS. Man nutzt das Gitter dann als Referenz zur genauen Erfassung der Koordinaten. Weiter Einzelheiten findet man unter folgenden Seite: this page.

  1. Benenne das Ausgaberaster mit 1870_southern_india_modified.tif. Wähle LZW als Compression. Stelle sicher, dass die Load in QGIS when done Option aktiviert ist. Klicke OK.

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Bemerkung

Unkomprimierte GeoTIFF Dateien können sehr viel Platz auf dem Datenträger belegen. Daher ist es immer sinnvoll, sie zu komprimieren. Weiter Informationen über die verschiedenen Möglichkeiten der Kompression von TIFF-Dateien (LZW, PACKBITS oder DEFLATE) findet man unter this article.

  1. Jetzt können wir beginnen, Passpunkte zu erzeugen (Ground Control Points - GCP). Die Schnittpunkte der Koordinatengitterlinien werden uns in diesem Fall als Geländedaten dienen. Da die Gitterlinien beschriftet sind, können wir daraus die X und Y Koordinaten der Schnittpunkte ableiten. Klicke auf Hinzufügen Point.

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13 . In the pop-up window, enter the coordinates. Remember that X=longitude and Y=latitude. Click OK.

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  1. Du wirst bemerken, dass die Passpunkttabelle jetzt eine Zeile mit den Details des ersten Passpunktes enthält.

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  1. Füge auf diese Weise weitere Paspunkte hinzu, die im gesamten Bild verteilt sind. Je mehr Punkte du erstellst, desto genauer wird das Bild auf das Zielkoodinatensystem übertragen. Die Polynomial 2 Transformation benötigt mindestens 6 Passpunkte.

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  1. Nachdem wir die für die Transformation erforderliche Anzahl an Punkten erfasst haben, sehen wir, dass zu den Passpunkten jetzt „dX“, „dY“ und „Rest“ Fehlerwerte angezeigt werden. Wenn ein bestimmter Passpunkt besonders hohe Fehlerwerte aufweist, ist das in der Regel ein Hinweis auf Eingabefehler der Koordinatenwerte. In diesem Fall kann man diesen Passpunkt löschen und ihn anschließend neu erfassen. Alternativ kann man die Koordinatenwerte auch in der GCP Table durch Klicken auf das Wertefeld in den Spalten Dest. X oder Dest. Y. Wenn du mit der Erfassung der Passpunkte zufrieden bist, gehe zu File ‣ Start georeferencing. Das Bild wird nun mit Hilfe der Passpunkte entzerrt.

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  1. Nachdem der Prozess abschlossen ist, wird der georeferenzierte Layer in QGIS geladen. Die Georeferenzierung ist damit abgeschlossen.

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Bemerkung

Die Passpunkte werden auch im QGIS Hauptarbeitsbereich angezeigt. Wenn du sie entfernen möchstest, gehe zum Fenster Georeferencer und wähle File ‣ Reset Georeferencer.

  1. Es ist sinnvoll, das Ergebnis zu überprüfen. Wie können wir beurteilen, ob die Georeferenzierung genau war? In diesem Fall können wie die Landesgrenze als shape-Datei von einer vertrauenswürdigen Quelle wie z.B. Natural Earth dataset herunterladen und sie als Vergleich heranziehen. Du wirst bemerken, dass die Grenze gut passt. Es gibt einige Abweichungen, die weiter verringert werden können indem man mehr Passpunkte erzeugt, die Transforamtionsparameter ändert oder ein anderes geodätisches Datum verwendet.

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