Overlay-Analyse
Eine der am häufigsten gestellten Fragen in einem GIS lautet: "Welche Elemente überlagern einander?" Beispiele:
- Welche Landnutzung liegt über welchem Bodentyp?
- Welche Flurstücke befinden sich in einem 100-Jahres-Überschwemmungsgebiet? ("In" ist hier nur ein Synonym für "über" bzw. "überlagern".)
- Welche Straßen befinden sich in welchen Landkreisen?
- Welche Quellen befinden sich in aufgegebenen militärischen Einrichtungen?
Zur Beantwortung dieser Fragen erstellten Kartografen vor der Einführung von GIS Karten auf transparenten Plastikfolien und legten diese auf einem hellen Untergrund übereinander, um auf diese Weise aus den übereinander liegenden Daten eine neue Karte zu erstellen. Da durch Überlagerungen solch wertvolle Informationen erhalten werden, bildeten diese ein Kernstück bei der Entwicklung von GIS.
Ein Überlagerungsvorgang ist viel mehr als eine einfache Zusammenführung einzelner Liniensysteme. Sämtliche Attribute der beim Überlagern berücksichtigten Features werden ebenfalls mit einbezogen, wie im folgenden Beispiel veranschaulicht. In diesem werden Flurstücke (Polygone) und Überschwemmungsflächen (Polygone) mit dem Werkzeug Union (Vereinigen) überlagert, um ein neues Polygon-Dataset zu erhalten. Die Flurstücke werden an den Stellen geteilt, an denen sie durch die Grenzen der Überschwemmungsflächen gekreuzt werden, und neue Polygone werden erstellt. Der Wert "FID_flood" gibt an, ob sich Polygone außerhalb (-1) oder innerhalb des Überschwemmungsgebiets befinden, und für alle Polygone werden die ursprünglichen Landnutzungskategoriewerte beibehalten.
Die Gesamtfläche der einzelnen Landnutzungstypen in der Überschwemmungsfläche kann berechnet werden, indem alle Polygone innerhalb der Überschwemmungsfläche ausgewählt werden (z. B. mit dem Werkzeug Layer nach Attributen auswählen) und die Fläche nach dem Landnutzungstyp zusammengefasst wird (mit dem Werkzeug Häufigkeit (Frequency)). Das folgende Diagramm veranschaulicht das Ergebnis dieser Berechnung.
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Ebenso können Sie Wassereinzugsgebiete mit einem Layer für die Vegetation überlagern, um den Anteil der einzelnen Vegetationsarten in den jeweiligen Wassereinzugsgebieten zu berechnen.
In der folgenden Abbildung sind Waldwege (Linien) und Vegetationsarten (Polygone) überlagert und bilden eine neue Feature-Class. Die Linien wurden an den Schnittstellen durch Polygone geteilt, und jedem Linien-Feature wurden die Attribute der beiden ursprünglichen Layer zugewiesen. Die Linien werden symbolisiert durch die jeweils zugeordnete Vegetationsart dargestellt.
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Mithilfe von Overlay-Analysen können Sie die Merkmale mehrerer Datasets in einem einzigen Dataset kombinieren. Anschließend können Sie bestimmte Positionen oder Flächen bestimmen, die spezielle Attributwerte aufweisen, d. h. die den von Ihnen angegebenen Kriterien entsprechen. Diese Vorgehensweise kommt häufig zur Anwendung, um Positionen zu finden, die für eine bestimmte Nutzung geeignet oder speziellen Risiken ausgesetzt sind. Sie können beispielsweise Layer mit Vegetationsarten, Neigungen, Ausrichtungen, Bodenfeuchtigkeit usw. überlagern, um brandgefährdete Flächen zu bestimmen.
Im Folgenden finden Sie ein Beispiel einer Überlagerung von steilen Hängen, Böden und Vegetation. Durch die Überschneidungen der Eingabe-Polygongrenzen werden neue Polygone erstellt. Die erhaltenen Polygone weisen alle Attribute der ursprünglichen Polygone auf.
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Die Overlay-Analyse wird häufig in Verbindung mit anderen Analysearten verwendet. Sie können beispielsweise Datasets einbinden, die aus einer Nachbarschaftsanalyse abgeleitet wurden (z. B. vom Werkzeug Puffer) oder aus einer Oberflächenanalyse (Werkzeug Neigung oder Ausrichtung). Außerdem können Sie weitere Analysen für die Ergebnisse der Überlagerungen ausführen, beispielsweise eine Extraktion zum Auswählen einer Teilmenge von Features oder eine Generalisierung (z. B. zum Zusammenführen von Polygonen). Häufig sind Überlagerungen nur ein Schritt in einem Analyseprozess oder Modell, der in verschiedenen Phasen des Prozesses ausgeführt werden kann.
Overlay-Methoden
Im Allgemeinen sind zwei Methoden für die Durchführung der Overlay-Analyse verfügbar – die Feature-Überlagerung (Überlagerung von Punkten, Linien und Polygonen) und die Raster-Überlagerung. Einige Arten der Overlay-Analyse führen selbst zu der einen oder anderen dieser Methoden. Für die Overlay-Analyse zum Ermitteln von Positionen, die bestimmten Kriterien gerecht werden, empfiehlt sich häufig die Raster-Überlagerung (diese kann jedoch auch mit Feature-Daten ausgeführt werden). Dies hängt jedoch auch davon ab, ob die Daten bereits als Features oder Raster gespeichert sind. Zum Durchführen der Analyse kann es sich als nützlich erweisen, die Daten aus einem Format in das andere zu konvertieren.
Feature-Überlagerung
Die Schlüsselelemente bei der Feature-Überlagerung sind der Eingabe-Layer, der Overlay-Layer und der Ausgabe-Layer. Die Overlay-Funktion teilt die Features im Eingabe-Layer an den Stellen, an denen sie durch Features im Overlay-Layer überlappt werden. An den Schnittstellen der Polygone werden neue Flächen erstellt. Wenn der Eingabe-Layer Linien enthält, werden sie an den Stellen geteilt, an denen sie von den Polygonen gekreuzt werden. Diese neuen Features werden im Ausgabe-Layer gespeichert. Der ursprüngliche Eingabe-Layer wird nicht geändert. Die Attribute von Features im Overlay-Layer werden den entsprechenden neuen Features im Ausgabe-Layer zugewiesen, zusammen mit den ursprünglichen Attributen aus dem Eingabe-Layer.
Im Folgenden finden Sie ein Beispiel einer Linien-auf-Polygon-Überlagerung. Die Linie wird an den Polygongrenzen geteilt, und jedes der erhaltenen Linien-Features weist die ursprünglichen Linienattribute sowie die Attribute des Polygons auf, in dem es sich befindet.
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Raster-Überlagerung
Bei einer Raster-Überlagerung verweist jede Zelle der einzelnen Layer auf dieselbe geographische Position. Dadurch ist sie hervorragend geeignet, um Merkmale viele Layer in einem einzigen Layer zu kombinieren. In der Regel sind den einzelnen Merkmalen numerische Werte zugewiesen, wodurch Sie die Layer mathematisch kombinieren und den einzelnen Zellen im Ausgabe-Layer einen neuen Wert zuweisen können.
Im Folgenden finden Sie ein Beispiel einer Raster-Überlagerung durch Addition. Zwei Eingabe-Raster werden addiert, um ein Ausgabe-Raster zu erhalten, in dem die Werte für die einzelnen Zellen summiert sind.
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Mit diesem Ansatz wird häufig eine Rangfolge von Attributwerten nach ihrer Eignung oder ihren Risiken festgelegt, anschließend werden sie addiert, sodass eine Gesamtrangstufe für jede Zelle erhalten wird. Den verschiedenen Layern kann auch eine relative Gewichtung zugewiesen werden, um eine gewichtete Rangfolge zu erstellen (die Rangstufen in den einzelnen Layern werden mit dem Gewichtungswert des Layers multipliziert, bevor sie mit den Werten der anderen Layer summiert werden).
Im Folgenden finden Sie ein Beispiel einer Raster-Überlagerung durch Addition für die Erstellung eines Eignungsmodells. Für drei Raster-Layer (steile Hänge, Böden und Vegetation) wird eine Rangfolge für die Entwicklungseignung mit einer Skala von 1 bis 7 gebildet. Beim Addieren der Layer (unten) wird jeder Zelle eine Rangstufe anhand einer Skala von 3 bis 21 zugewiesen.
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Sie können jedoch auch jeder Zelle im Ausgabe-Layer anhand eindeutiger Kombinationen von Werten aus verschiedenen Eingabe-Layern einen Wert zuweisen.
Overlay-Werkzeuge
Vektor-Overlay-Werkzeuge
Feature-Overlay-Werkzeuge befinden sich in der Toolbox Analysis im Toolset Overlay. Konzeptionell ähneln die Werkzeuge einander. Sie variieren in Bezug auf die Feature-Typen, die überlagert werden können, sowie in Bezug darauf, ob mehrere Layer gleichzeitig überlagert werden können und welche Eingabe- und Overlay-Features im Ausgabe-Layer erhalten bleiben.
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Werkzeug |
Binär oder mehrfache Überlagerung |
Eingabedatentyp |
Datentyp der Überlagerung |
Ausgabe |
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Binär |
Beliebig |
Polygon oder identisch mit Eingabe |
Eingabe-Features, geteilt nach Overlay-Features |
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Mehrfach |
Beliebig |
N/A |
Nur Features, die allen Eingabe-Layern gemeinsam sind |
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Binär |
Beliebig |
Identisch mit Eingabe |
Features, die entweder dem Eingabe-Layer oder dem Überlagerungs-Layer gemeinsam sind (jedoch nicht beiden) |
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Mehrfach |
Polygon |
N/A |
Alle Eingabe-Features |
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Binär |
Beliebig |
Polygon |
Geometrie der Eingabe-Features durch aktualisierten Layer ersetzt |
In der folgenden Tabelle werden die Ergebnisse der Überlagerung für ein Eingabe-Dataset und ein Überlagerungs-Dataset bei Verwendung der einzelnen Werkzeuge dargestellt.
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Eingabe-Features |
Overlay-Features |
Operation |
Ergebnis |
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Raster-Overlay-Werkzeuge
Raster-Überlagerungswerkzeuge befinden sich in mehreren Toolsets in der Toolbox Spatial Analyst. Spatial Analyst ist eine ArcGIS-Erweiterung mit separater Lizenzierung. Wenn für Ihren Standort eine Spatial Analyst-Lizenz erworben und die Erweiterung "Spatial Analyst" installiert wurde, verfügen Sie über Zugriff auf die Toolbox "Spatial Analyst" in ArcToolbox.
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Werkzeug |
Position |
Funktion |
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Hiermit werden Werte in einem Raster-Layer nach Zonen (Kategorien) in einem anderen Layer zusammengefasst. Beispielsweise wird die mittlere Höhe der einzelnen Vegetationskategorien berechnet. |
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Hiermit können Sie jeder Zelle im Ausgabe-Layer anhand eindeutiger Kombinationen von Werten aus verschiedenen Eingabe-Layern einen Wert zuweisen. |
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Hiermit können Sie den Raster-Überlagerungsprozess automatisieren und den einzelnen Layern vor dem Addieren Gewichtungen zuweisen (Sie können ihnen auch gleiche Einflüsse zuordnen, um eine ungewichtete Überlagerung zu erstellen). |
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Überlagert mehrere Raster, wobei jedes mit der jeweiligen Gewichtung multipliziert und anschließend die Summe gebildet wird. |