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Landesamt für Landwirtschaft,Umwelt und ländliche Räume
Schleswig-HolsteinNutzung von Digitalen Geländemodellen unter ArcGIS
Volker Leonhardt, LLUR SH, 20.09.2010 1
AG GIS-Küste und ESRI Anwendergruppe Küste20./21. September 2010
Nutzung von Digitalen Geländemodellenunter ArcGIS
Volker LeonhardtPraktikant im GIS-Dezernat 42 des LLUR (07.12.09 – 09.04.10)
Praktikumsbetreuer: Guido Baltes
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Überblick
� Kurze Einführung in die Erstellung und die Aufbereitung der DGM2-Daten
� Analysetechniken für DGM-Daten über die Erweiterung Spatial Analyst unddie ArcToolbox von ArcGIS
� Optimierte Darstellungsmöglichkeiten für DGM-Daten in ArcGIS
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Nutzung von DGM-Daten
�Digitale Geländemodelle unterschiedlicher Auflösung(z.B. DGM2 mit Gitterweite 1 m für den Maßstabsbereich 1:2.000)
�Beispiele für Anwendungsbereiche :
Hochwasserrisikoanalysen,Qualitätssicherung von Wassereinzugsgebieten,Visualisierung von Geländestrukturen,Ableitung von Höhenlinien,Planung von Funknetzen,Planung von Verkehrstrassen,Volumenberechnungen…
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Projekt Laserscanbefliegung
� Landesweit flächendeckende Laserscanbefliegung mit besonders hoherAuflösung und Genauigkeit
� Gemeinsames Projekt zwischen dem Ministerium für Landwirtschaft,Umwelt und ländliche Räume (MLUR) und dem Innenministerium (IM)
� Projektdurchführung durch das Landesvermessungsamt (LVermA) unddas Landesamt für Natur und Umwelt (LANU, heute LLUR)
� Auftragnehmer: Firma TopScan Gesellschaft zur Erfassungtopographischer Information mbH in Rheine
� Umsetzungszeitraum: 2005 bis 2007 (Auftragserteilung bis Datenübergabe an LVermA)
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Anforderungen
Lagegenauigkeit: ≤ 30 cmHöhengenauigkeit: flaches Gelände (bis 10%) ≤ 15 cm
geneigtes Gelände (10 % - 25%) ≤ 25 cmsteiles Gelände (ab 25%) ≤ 35 cm(einzuhalten jeweils mit 95% Sicherheitswahrscheinlichkeit)
Wasserstand: keine Überschwemmungsflächen,im Wattenbereich nur 2 Std. vor undnach Tideniedrigwasser.
Witterungsverhältnisse: Schnee- und Eisfreiheit
Vegetationszustand: ohne Belaubung
Messpunktdichte: mind. 3 bis 4 Punkte je m²
mit Befliegung jeweils erst nach Flugfreigabe durch das LANUund Kontrolle der Einhaltung der Anforderungen durch das LVermA
=> Diese sehr hohen Anforderungen an die Laserscanbefl iegung sind z.B. fürhydrologische Auswertungen insbesondere in flachem Gelände erforderlich.
Projekt Laserscanbefliegungzusammengestellt unter Nutzung von Präsentationen des Landesvermessungsamtes und der Befliegungsfirma TopScan
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DGM2-Kacheln
18.339 Kacheln
à 1 km² Fläche
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Gelieferte Datenformate zum DGM2
� 5.9: Ascii-xyz (ca. 31 MB/ Kachel) 5.10: Ascii-Grid (ca. 5 MB/ Kachel)(in Projektionen Gauß-Krüger und UTM) (nur für Projektion Gauß-Krüger)
Ausschnitte
Dateianfang
jeweils gekachelt in 1 km²-Kacheln mit 1.000 x 1.000 m² = 1 Million Höhenpunkten
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DGM2-Ascii-Daten
� Datenvolumen:18.339 Kacheln = 18.339 x 1 Million Höhenpunkte= über 18 Milliarden Höhenpunkte insgesamt
Landesweites Datenvolumen (in Projektion GK3, zzgl. GK4 und UTM) :Ascii-xyz ca. 545 GB bzw. Ascii-Grid ca. 94 GB
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DGM-Produkte des Landesvermessungsamtes SH
�DGM2 mit Gitterweite 1 m („Basis-DGM“) (ca. M 1:2.000 – 1:10.000)wird zukünftig wahrscheinlich als DGM1 bezeichnet
aus dem DGM2 abgeleitete Produkte mit geringerer Auflösung fürgroßräumigere Analysen:
�DGM5 mit Gitterweite 5 m (ca. M 1:10.000 – 1:20.000)
�DGM5 mit Gitterweite 10 m (ca. M 1:20.000 – 1:50.000)wird zukünftig wahrscheinlich als DGM10 bezeichnet
�DGM25 mit Gitterweite 25 m (ca. M 1:50.000 – 1:100.000)(ersetzt das bisherige, qualitativ schlechtere DGM25)
�DGM50 mit Gitterweite 50 m (ca. M 1:100.000 und kleiner)(ersetzt das bisherige, qualitativ schlechtere DGM50)
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Vergleich der Auflösung
im Maßstab 1:5.000
DGM21 m Gitter
DGM55 m Gitter
DGM5050 m Gitter
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Import und Mosaikierung
von Ascii-Grids
(Beispiel mit 4 DGM2-Kacheln)
1. Einzelkachel-Raster
erstellen (4x)
(Conversion Tools)
2. Gesamt-Raster
mosaikieren
(Data Management Tools)
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Import und Mosaikierung
von Ascii-xyz-Daten
(Beispiel mit 4 DGM2-Kacheln)
1. Gesamt-Multipoint-
Shapefile erstellen
(3D Analyst Tools)
2. Shapefile in Gesamt-
Raster konvertieren
(Conversion Tools)
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Dateibasierte Rasterformate von ESRI in ArcGIS� Grid
Altes Rasterformat von ArcInfo-Workstation,Verzeichnis mit zugehörigem Info-Verzeichnis,Namen max. 13 Zeichen, nicht mit Zahl beginnend,Datenvolumen i.d.R. auf 2 GB begrenzt,Dateioperationen nur über ArcCatalog, nicht über Explorer!wird von ArcGIS ab Version 10 nicht mehr als internes Zwischen-format genutztFormat wird erstellt, wenn innerhalb eines Verzeichnisses keine Endungangegeben wird
� FileGDB-Raster („Raster Dataset“)Neues Rasterformat ab ArcGIS 9.2,FileGDB-Verzeichnis *.gdb mit 1 oder mehreren Rastern (und ggf.anderen Feature Classes)Datenvolumen unbegrenzt,Verschieben und Kopieren des FGDB-Verzeichnisses ist auch imExplorer möglich,FileGDB muss vor Nutzung angelegt werden,
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Weitere dateibasierte Rasterformate in ArcGIS
� ERDAS IMAGINERasterformat der Fernerkundungs-Software ERDAS IMAGINE,img-Datei,Format wird erstellt, wenn innerhalb eines Verzeichnissesdie Endung .img angegeben wird
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Aufbereitung als landesweite Mosaike für 4 Datenebene n
� DGM2-Höhendaten mit Visualisierung als klassifizierte Höhenschichten
� Ableitung einer Reliefschummerung (Hillshade) aus den DGM2-Daten
� Ableitung von Hangneigungen (Slope) aus den DGM2-Daten
� Ableitung der Exposition (Aspect) aus den DGM2-Daten
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Aufbereitung und Visualisierung der Höhendaten
� Python-Skript über alle Kacheln unter Einbindung von Tools der ArcToolbox:Ascii-Daten => ESRI-Raster (Grid oder FileGDB-Raster)ESRI-Raster => GDB-Rastermosaik
� Layerfiles zur Symbolisierung als klassifizierte Höhenschichten in ArcMap
� Software-Voraussetzungen: ArcGIS (ArcView) + ggf. Extension 3D-Analyst
Gesamt Detail
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�Die Erweiterung Spatial Analyst
�Allgemeine Voreinstellungen
Bei Berechnungen von Rasterdatensätzen ist es von Vorteil, im Vorfeld einen Rahmen mit einheitlicher Ausdehnung und einheitlichen Pixelkantenlängen festzulegen.
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�Voreinstellungen der ArcToolbox
zwei Möglichkeiten:
�Rechtsklick auf ArcToolbox – Umgebung…
�Werkzeuge – Optionen…
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�General Settings
Unter „Extent“ kann der zu bearbeitende Ausschnitt angegeben werden.
�Standard: Berechnungen werden für gesamtes Raster durchgeführt
�Wie unten angegeben: Berechnungs-ausdehnung wird durch Angabe von Koordinaten begrenzt
�Gleich wie Anzeige: Berechnung wird für den aktuell angezeigten Ausschnitt durchgeführt.
Bei „Snap Raster“ wird das Raster angegeben, an dem die Berechnung ausgerichtet werden soll
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�Einstellungen für einzelne Berechnungen
Die Einstellungen können auch individuell für jedes Werkzeug der ArcToolbox vorgenommen werden und gelten dann nur für die jeweilige Analyse.
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�Voreinstellungen des Spatial Analyst
1. Angabe des Arbeitsverzeichnisses zum Speichern temporärer Ergebnisse.
2. Angabe einer Maske zur Bestimmung der Ausdehnung einer Analyse (Berechnung findet nur innerhalb der angegebenen Maske statt)
3. Angabe des Koordinatensystems, in dem das Ergebnis gespeichert werden soll.
1.
2.
3.
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1. Angabe der absoluten Ausdehnung der Berechnung.
2. Angabe des Rasters, an dem alle Ergebnisse
ausgerichtet werden.
3. Eingabe der Auflösung des Zielrasters. Der
Wert sollte im Regelfall der des Eingaberasters
entsprechen
1.
2.
3.
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�Morphologische Berechnungen
�Schummerung (Hillshade)
Stellt einen Schattenwurf zu einer vorgegebenen Sonnenposition dar. Dadurch wird ein sehr plastischer Eindruck einer Rasteroberfläche vermittelt.
�ArcToolbox:
Spatial Analyst Tools – Surface – Hillshade
�Spatial Analyst Werkzeugleiste:
Spatial Analyst – Oberflächenanalyse – Schummerung…
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1. Eingaberaster angeben
2. Horizontalen Winkel eingeben
(Himmelsrichtung).
3. Vertikalen Winkel angeben
(Sonnenstand).
4. Angeben, ob harte Schatten modelliert werden sollen (insbesondere in flachem
Gelände zu aktivieren, dadurch wird der Geländeeffekt plastischer vermittelt).
5. Multiplikator für Z-Werte.
6. Angabe der Auflösung des Ausgaberasters.
7. Mit der Standardeinstellung wird die Schummerungsberechnung temporär
abgespeichert.
7.
6.5.
4.3.
2.
1.
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Ableitung einer Reliefschummerung (Hillshade)
�Python-Skript über alle Kacheln unter Einbindung von Tools der ArcToolboxEinzelkachel-Raster => Hillshade-Raster (20-fach überhöht)Hillshade-Raster => Hillshade-Rastermosaik in GDB
� Layerfiles zur Symbolisierung in ArcMap (halbtransparent + Höhenschichten-überlagernd)
�Software-Voraussetzungen: ArcGIS (ArcView) + Extension Spatial Analyst
DetailGesamt
Mülldeponie an der A7 westl. NMS
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Überlagerung von Höhendaten und Reliefschummerung
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DGM2-Daten
+ Topograpie
(hier: TK50)
+ Vektordaten(Gewässernetz,Einzugsgebiete)
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�Hangneigungsberechnung (Slope)
Ermittelt für jedes Pixel die steilste Hangneigung zu den Nachbarpixeln. Ausgabe in Prozent oder in Grad.
�ArcToolbox:
Spatial Analyst Tools – Surface – Slope
�Spatial Analyst Werkzeugleiste:
Spatial Analyst – Oberflächenanalyse – Neigung…
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1. Eingaberaster angeben
2. Ausgabemaßeinheit auswählen
3. Multiplikator für Z-Werte
4. Angabe der Auflösung des Ausgaberasters.
5. Möglichkeit der Angabe für Speicherort und –name.
5.
4.3.
2.
1.
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Ableitung von Hangneigungen
�Python-Skript über alle Kacheln unter Einbindung von Tools der ArcToolbox Einzelkachel-Raster => Hangneigungs-RasterHangneigungs-Raster => Hangneigungs-Rastermosaik in GDB
� Layerfiles zur Symbolisierung von Hangneigungsklassen in ArcMap
�Software-Voraussetzungen: ArcGIS (ArcView) + Extension Spatial Analyst
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�Ausrichtungsberechnung (Aspect)
Gibt für jedes Pixel eines Rasterdatensatzes die Ausrichtung an
�ArcToolbox:
Spatial Analyst Tools – Surface – Aspect
�Spatial Analyst Werkzeugleiste:
Spatial Analyst – Oberflächenanalyse – Ausrichtung…
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1. Eingaberaster angeben
2. Angabe der Auflösung des Ausgaberasters.
3. Möglichkeit der Angabe für Speicherort und –name.
3.
2.1.
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Ableitung der Exposition (= Ausrichtung der Hangneigung)
�Python-Skript über alle Kacheln unter Einbindung von Tools der ArcToolbox Einzelkachel-Raster => Expositions-RasterExpositions-Raster => Expositions-Rastermosaik in GDB
� Layerfiles zur Symbolisierung von Expositionsbereichen in ArcMap
�Software-Voraussetzungen: ArcGIS (ArcView) + Extension Spatial Analyst
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�Raster Calculator
Eine Art wissenschaftlicher Taschenrechner, mit dem sich Rasterbilder
�verrechnen lassen
�abfragen lassen
�Spatial Analyst Werkzeugleiste:
Spatial Analyst - Raster berechnen…
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1. Layerauswahl
2. Standartoperatoren
3. Konstanten/Dezimalzeichen
4. Klammern/relationale Operatoren
5. Boolsche Operatoren
6. Feld, in dem der Textausdruck der Berechnung/Abfrage zu sehen ist
1.
2. 3. 4. 5.
6.
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�Flächen berechnen im Raster Calculator
Beispiel: Berechne die Fläche zwischen -20m und -10m
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�Flächen berechnen im Raster Calculator
Das Ergebnis wird in der Attributtabelle der Berechnung angegeben oder kann über das „Identify-Tool“ abgefragt werden.
Wert 0: Fläche außerhalb der Berechnung
Wert 1: Fläche innerhalb der Berechnung (zwischen -20m und -10m) in [m²]
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�Abspeichern temporärer Dateien
�Die Berechnungen des Raster Calculators werden zunächst in einen temporären Ordner abgelegt. Um diese als permanente Dateien abzuspeichern muß auf die entsprechende Datei mit der rechten Maustaste angeklickt werden.
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�Abtrags-/Auftragsberechnung (Cut/Fill)
Dient zur Berechnung von Volumina zwischen zwei Rasterbildern. Dabei wird für die einzelnen Bereiche differenziert aufgeführt, ob ein lokaler An- oder Abtrag stattgefunden hat und wie hoch jeweils der Betrag ist.
�ArcToolbox:
Spatial Analyst Tools – Surface – Cut/Fill
�Spatial Analyst Werkzeugleiste:
Spatial Analyst – Oberflächenanalyse – Abtrag/Auftrag…
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1. Ausgangsraster angeben
2. Raster angeben, zu welchem hin die Volumenänderung berechnet werden soll.
3. Multiplikator für Z-Werte angeben
4. Angabe der Auflösung des Ausgaberasters.
5. Möglichkeit der Angabe für Speicherort und –name des Ausgaberasters.
1.
2.
3.4.
5.
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�Sichtfeldberechnung (Viewshed)
Hiermit lässt sich der sichtbare Bereich von einem oder mehreren Standorten im Gelände berechnen.
�ArcToolbox:
Spatial Analyst Tools – Surface – Viewshed
�Spatial Analyst Werkzeugleiste:
Spatial Analyst – Oberflächenanalyse – Sichtbarkeit…
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1. Eingaberaster
2. Punkt- oder Polylinien-File angeben,
von dem aus die Beobachtung ausgeht
3. Speicherort und –name für Ausgabe-File
4. Multiplikator für Z-Werte
5. Angeben, ob die Erdkrümmung mit angegeben werden soll (Sinnvoll nur für sehr
großräumige Analysen)
6. Angeben, wie stark die Lichtbrechung sein soll (um schlechte Sichtverhältnisse zu
simulieren kann der Standardwert von 0,13 verändert werden)
1.
2.
3.
4.5.
6.
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�Optionale Einstellungen der Viewshed-Analyse
Beobachter und zu beobachtendes Objekt können durch Attribute im Beobachter-File (einzugeben in 2.) sehr genau definiert werden. Lässt man diese aus wird das denkbare Maximum eingesetzt.
�OFFSETA (1) – Höhe des Beobachters
�OFFSETB (0) – Größe des zu beobachtenden Objektes
�SPOT – Höhe des Beobachters über dem Meer (NICHT kombinierbar mit OFFSETA)
�VERT1 (90) und VERT2 (-90) – vertikal einsehbarer Bereich desBeobachters. VERT1 zu VERT2 in Grad (Horizontale = 0)
�AZIMUTH1 (0) und AZIMUTH2 (360) – horizontaler Sichtbarkeitsbereich.AZIMUTH1 zu AZIMUTH2 in Grad (0°= Nord)
�RADIUS1 (1) und RADIUS2 (Infinity) – minimale Sichtdistanz(RADIUS1) hin zu maximaler Sichtdistanz (RADIUS2)
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�Sichtbarkeitsberechnung (Observer Point)
Hiermit lässt sich berechnen, von welchen Pixeln aus ein oder mehrere angegebene Objekte zu sehen sind.
�ArcToolbox:
Spatial Analyst Tools – Surface – Viewshed
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1. Eingaberaster angeben
2. File angeben, in dem die zu beobachtenden Punkte gespeichert sind
3. Speicherort und –name angeben
4. Multiplikator für Z-Werte
5. Angeben, ob die Erdkrümmung berücksichtigt werden soll
6. Angeben, wie stark die Lichtbrechung sein soll
�Die Attributierung erfolgt wie bei der Sichtbarkeitsanalyse, mit dem Unterschied, dass für OFFSETA die Höhe des zu beobachtenden Objektes und OFFSETB die Höhe
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Anwendung von Farbverläufen an einem Beispielausschnitt aus Eiderstedt
landesweit optimierter Farbverlauf für den Gebietsausschnitt optimierter Farbverlauf
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Symbolisierung von DGM-Rastern in ArcGIS
Darstellung Gestreckt bzw. Stretched� Automatisch abgestufter Farbverlauf
über 256 Stufen� Farbverlauf bezieht sich auf die Statis-
tik (u.a. Minima und Maxima) desjeweiligen Rasters
� „relative Darstellung“: exakter Höhen-wert ist aus der Legende nichtableitbar
� Darstellung steht unmittelbar zur Verfügung� Anwendung für Hillshade als Grauwerte, auch für DGM-Höhen sinnvoll
Darstellung Klassifiziert bzw. Classified� Darstellung von in Klassen zusam-
mengefassten Zellwerten� Beliebige Klassenunterteilung durch
den Nutzer unabhängig von der Sta-tistik des jeweiligen Rasters
� „absolute Darstellung“: jeder Farbe istin der Legende ein exakter Höhen-bereich zugeordnet
� Darstellung erfordert vorherige Klassen-definition durch den Nutzer
� Anwendung für DGM-Höhen, Hangneigung und Exposition sinnvoll
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Beispiel: Manuelle Klassifikation in 3 Klassen – Tei l 1
Klassenober-grenzen eingeben
1. 2.
3. 4.
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Beispiel: Manuelle Klassifikation in 3 Klassen – Tei l 2
5. 6.
7.
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Farbverläufe bzw. Color Ramps in ArcGIS
� Die verschiedenen Darstellungsmöglichkeiten („Renderer“) in ArcGIS (z.B. Gestreckt oder Klassifiziert) werden auf vordefinierte Farbverläufe bzw. Color Ramps angewendet.
� Color Ramps können einfach (z.B. grün nach braun) oder komplex (Multipart-Farbverlauf, z.B. dunkelgrün nach hellgrün nach gelb nach braun) sein.
� Die Color Ramps werden in sog. Styles abgelegt, welche über den Style Manager verwaltet werden.� Im ESRI-Style stehen vordefinierte Color Ramps zur Verfügung. Für DGM-Daten sind z.B. die Color
Ramps Black to White (einfach, für Hillshade-Darstellungen) oder Temperature (komplex, u.a. für Höhendarstellungen geeignet) zur Verfügung.
� Die Nutzer können weitere eigene Color Ramps erstellen und in ihrem Nutzer-Style ablegen.
ESRI.styleim Style-Manager
<Nutzer>.styleim Style-Manager
Der Style-Manager wird über Werkzeuge/Styles/ Style-Manager … geöffnet.
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Erstellung einer neuen Multipart-Color Ramp im Nutz er-Style – Teil 1
1. Style-Manger, Nutzer-Style, Color Ramps:in rechtem Fenster Kontextmenü New/ Multi-part Color Ramp …
2. Add-Button,Algorithmic Color Ramp
3. Algorithmic Color Ramp markieren,Properties …
4. Color 1 und 2 definieren, Algo-rithm wählen (z.B. CIE Lab), OK
5. Schritte 2 bis 4 wiederholen,Color 1 entspricht vorheriger Color 2
6. Nach Abschluss mit OKbestätigen
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Erstellung einer neuen Multipart-Color Ramp im Nutz er-Style – Teil 2
7. Im Style-Manger Namen fürneue Color Ramp vergeben
8. Nach dem Schließen des Style-Managers steht die neueColor Ramp in der Symbologie zur Verfügung
9. Unter Color Ramp mit der rechten Maustaste der Graphic View aktiviert (Farbdarstellung) und deaktiviert (Angabe der Namen in alphabetischerReihenfolge zum Suchen einer best. Color Ramp) werden
10. Anwendung der neuen Color Ramp aufDGM-Raster
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