Konferenz 2006/GRASS

Einführung in die GRASS Vektorarchitektur

GRASS Version 6.0

In der gute alte Zeit, in der GIS GRASS in der Version 5.0 war, mussten wir mit mehreren Beschränkungen leben:

• Man konnte nur einen Attribut zu einem Vektorobjekt zuweisen
• Die Vektordaten waren nur zweidimensionell
• Das Digitalisierungsmodule und andere Module waren nur text-orientiert, was ziemlich anspruchsvoll vor allem für die Anfänger war.
• Neben wirklichen Vektorobjekten - Linien, Punkten und Grenzen, gab es noch ein sogenanntes Sites Format -- spezielles Punktenformat

GRASS Version = 6.0

Ab Version 5.1 (Entwicklung) oder 6.0 (Stabil) besitzt GRASS eine erwachsene Vektorarchitektur [1]:

• Multi-Layer heisst, dass die Vektorobjekte mit mehreren Datenbanktabellen verknüpft werden können
• Multi-Attribut bedeutet, dass man die Attribute sowohl im internen (dbf) als auch in externen (MySQL, PostgreSQL, ...) Datenbanken speichern kann.
• GRASS ist ein topologisches GIS. Die Topologie kann bis jetzt aber nur für 2D-Objekte aufgebaut werden.
• Vektorobjekte können allerdings auch drei dimensionel dargestellt werden.

In GRASS 6.x unterscheidet man folgende Vektorobjekte: Point, Line, Boundary, Centroid, Face und Kernel. Face ist ein spezieller Fall von Boundary, der zur Darstellung 3D-Objekte dient. Kernel ist dann entsprechend ein Centroid für 3D-Objekte.

3D-Vektoren und wie man sie selbst machen kann

Das beste Modul, das zu Erzeugung von 3D-Vektorobjekten dient, ist v.in.ascii:

   v.in.ascii -z in=datei out=vector3d

oder

   cat datei | v.in.ascii -z out=vector3d

Mit v.in.ascii kann GRASS das sog. GRASS-Ascii Format einlesen. Beispiel für eine Vektorlinie, die aus 6 Knoten besteht:

   B  6 1
    5958812.48844435 3400828.8422101 10
    5958957.29887089 3400877.1123522 10
    5959021.65906046 3400930.7458436 10
    5959048.47580612 3400973.6526366 20
    5959069.92920264 3401032.6494770 20
    5958812.48844435 3400828.8422101 10
   1 1

Ein Vektorobjekt besteht aus 3 Teilen:

   B 6 1

Das zeigt uns, dass es sich um eine Grenze (Boundary) handelt, die aus sechs Knoten besteht. Die Linie wird nur eine Category haben - man kann zu diesem Objekt nur eine Attributtabelle zuweisen.

   ...
   5958812.48844435 3400828.8422101 10
   ...

Danach folgen die Zeilen mit jeweiligen Koordinaten in dem X,Y,Z Format. Die Koordinate sind durch Leerzeichen getrennt.

   1 1

Die letzte Zeile bestimmt die Objektkategorien für jeden Layer. In unserem Beispiel haben wir nur eine Kategorie pro Vektorobjekt. Mit der Zeile sagen wir also, dass die erste (und zufällig auch letzte) Objektkategorienummer eins haben soll.

Die gesamte Datei kann in GRASS eingelesen werden:

   echo B  6 1
    5958812.48844435 3400828.8422101 10
    5958957.29887089 3400877.1123522 10
    5959021.65906046 3400930.7458436 10
    5959048.47580612 3400973.6526366 20
    5959069.92920264 3401032.6494770 20
    5958812.48844435 3400828.8422101 10
   1 1 | v.in.ascii -zn out=linie3d format=standard

oder in bisschen übersichtlicher Form:

   v.in.ascii -zn out=linie3d format=standard  EOF
   B  6 1
    5958812.48844435 3400828.8422101 10
    5958957.29887089 3400877.1123522 10
    5959021.65906046 3400930.7458436 10
    5959048.47580612 3400973.6526366 20
    5959069.92920264 3401032.6494770 20
    5958812.48844435 3400828.8422101 10
   1 1
   EOF

Das Ergebnis kann man sich mit dem Modul nviz anzeigen lassen:

   # Region entsprechend einstellen
   g.region vect=linie3d 
   # Eine Basiskarte als Ebene berechnen
   r.mapcalc dgm=0
   # Visualisierung
   nviz elev=dgm vect=linie3d

Als anderes Objekt kann man sich einen Face -- 3D-Fläche herstellen:

   v.in.ascii -zn out=face3d format=standard  EOF
   F 7 1
    5958812.48844435 3400828.8422101 10
    5958957.29887089 3400877.1123522 10
    5959021.65906046 3400930.7458436 10
    5959048.47580612 3400973.6526366 20
    5959069.92920264 3401032.6494770 20
    5958812.48844435 3400828.8422101 10
    5958812.48844435 3400828.8422101 10
   1 1
   EOF

Das einzige Unterschied ist, dass der erste und letzte Punkt die selben Koordinate haben muss.

Weiteres Beispiel: Ein Haus

Es sei ein Haus-Umriss:

   v.in.ascii -n out=haus format=standard  EOF
   L  2
       13.375       17.5        
       13.375       13.5625     
   L  2
       13.375       13.5625     
       18.9375      13.5625     
   L  2
       18.9375      13.5625     
       18.9375      17.3125     
   L  2
       18.9375      17.3125     
       13.375       17.5        
   EOF
   g.region vect=haus
   d.vect haus

Man kann sich ein einfaches Skript schreiben, das die jeweiligen Wände in einer dritten Dimension extrudet:

   #!/bin/sh
   nr=1;
   for line in $( v.out.ascii in=$1 format=standard | \
       grep [0-9]*\.[0-9]* *[0-9]*\.[0-9]* * | \
       sed s/^ *\(.*\)$/\1/ | sed s/  */_/ ); do

       line=$( echo $line | sed s/_/ / )

       if [ $nr = 1 ]; then
           start=$line; nr=2;
           echo  F 5;
           echo $line  0; echo $line 10;
       else
           echo $line 10; echo $line 0;
           echo $start 0;
           nr=1;
       fi;
   done

Den Output aus dem Script kann man dann über eine Pipe in v.in.ascii umleiten und dann visualisieren:

   haus.sh haus | v.in.asii out=haus3d format=standard
   g.region vect=haus
   r.mapcalc dgm=0
   nviz elev=dgm vect=haus3d

3D-Vektormodule im GRASS

v.extrude

v.extrude ist ein Modul, welches 2D-Vektorobjekte zu 3D macht. Das Modul ist in der Entwicklungsversion von GRASS ab Januar 2006 vorhanden. Die Höhe eines Objektes kann entweder fest gesetzt werden oder aus der Attributtabelle gelesen werden.

Beispiel:

       db.columns haeuser
       CAT
       HOEHE
       v.extrude in=haeuser out=haeuser3d elev=dem hcol=HOEHE
       nviz elev=dem vect=haeuser3d

v.trees3d

Das Modul erzeugt aus Punkten 3D-Bäume. Das Modul kann entweder einen allgemeinen Wald erzeugen, mit definierten Baumartmischung und durschnittliche Baumhöhe und Kronenbreite oder kann die jeweilige Parameter für jeden Baum aus einer Attributtabelle einlesen:

   v.trees3d in=baeume out=baeume3d elev=dmt diam=6 height=20 hvar=3 vvar=4 hvar=20 spruce=50 beech=25 fir=25
   #
   v.trees3d in=wald out=wald3d elev=dmt diam=6 hcol=hoehe specol=baumart hvar=3 clength=60

Das Verfahren, wie man aus einer Bestandeskarte (Polygone), die Attribute über Baumart und Baumhöhe für jeden Bestand einliest, ist wie verfolgt:

   # Entsprechende Auflösung für Rasterkarten einstellen ( ~ Kronenbreite ):
   g.region res=6
   # Vektorkarte auf Rasterkarte umwandeln
   v.to.rast in=bestandeskarte out=wald 
   # Rasterkarte auf Punktenkarte umwandeln
   r.to.vect in=wald out=wald feature=point
   # Zu jedem Punkt Höhe und Baumartattribut aus der Bestandskarte einlesen:
   v.what.vect vector=wald qvector=bestandskarte column=hoehe qcolumn=hoehe
   v.what.vect vector=wald qvector=bestandskarte column=baumart qcolumn=baumart
   # 3D-Vektorkarte erstellen:
   v.trees3d in=wald out=wald3d elev=dmt diam=6 hcol=hoehe specol=baumart hvar=3 clength=60

Visualisierung

NVIZ

NVIZ ist ein GRASS-Modul, dass zu der Visualisierung von 3D-Daten (Vektor und Raster) geeignet ist. Es ist in GRASS ab Version 5.0 vorhanden. Man kann mit NVIZ einfache Abbildungen darstellen oder ganze Animationen erzeugen.

Paraview

Paraview ist eine Applikation, die für Visualisierung großer Datasets geeignet ist. Es ist eine Open-Source Software, die platform unabhängig (multiplatform) bei der Firma Kitware Inc. programmiert ist. Im GRASS kann man für's Export von Raster- und Vektordaten in das VTK-Format die Module v.out.vtk, r.out.vtk, r3.out.vtk benutzen.

Povray

Povray steht für The Persistence of Vision Raytracer. Es ist ein professionelles Tool, das man leider nicht ohne weiteres Studium benutzen kann. Im GRASS sind die Module v.out.pov und r.out.pov vorhanden, die die Raster- und Vektordaten in das Povray-Format exportieren können.

Danksagung

This article was published with support of IGA University of Agriculture and Forestry in Brno 49/2006.

Folien als PDF

Die Folien zu diesem Vortrag können hier heruntergeladen werden.

Referenzen

• Blazek Radim, Neteler Markus, Micarelli Roberto: The New Grass 5.1 Vector Architecture, Open Source Free Software GIS - GRASS users conference 2002 PDF
• Pretz, Hans 2002:Grundlagen der Waldwachstumsforschung, Parey Buchverlag. Berlin, Wien, ISBN: 3-8263-3223-7, s.208
• NVIZ
• v.in.ascii
• v.out.ascii
• v.extrude
• Les-ejk: GRASS Modules
• ParaView
• Povray
• Hydrogeologie und GRASS: GRASS Modules