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Verschneidung mit Booleschen Operatoren

Bei der räumlichen Verschneidung entsteht eine neue Informationsebene mit einer Vielzahl neuer Raumeinheiten. Angewendet auf die Eignungsanalyse gilt es, danach zu entscheiden, welche der neu geschaffenen Raumeinheiten zusammengefasst und welche separat erfasst werden müssen. Dazu wird die Boolesche Algebra verwendet. Sie wurde vom englischen Mathematiker und Logiker George Boole (1815–1864) begründet.

Die termBoolesche Algebra beruht auf der Grundlage binärer logischer Operationen. Sie bildet eine mathematische Struktur, die nur auf den Werten 1 (wahr) und 0 (falsch) beruht. Dazu bietet die Boolesche Algebra eine Reihe verschiedener Verknüpfungen, die „wahr“ oder „falsch“ sein können, nie aber beides. Die in GIS für die Verknüpfung von zwei räumlichen Auswahlkriterien verwendeten Booleschen Operatoren heissen AND, OR, XOR und NOT:

AND Schnittmenge Ergibt „wahr“ für alle Gebiete, die sowohl das erste als auch das zweite Kriterium erfüllen. „Welche Gebiete sind bewaldet und steil?“
OR Vereinigung Ergibt „wahr“ für alle Gebiete, die entweder das erste oder das zweite Kriterium erfüllen, unabhängig davon, ob sich die Gebiete überlagern oder nicht. Anders ausgedrückt, muss mindestens eines der beiden Kriterien „wahr“ sein. „Welche Gebiete sind bewaldet oder steil?“
XOR exklusive Vereinigung Ergibt „wahr“ für alle Gebiete, die entweder das erste oder das zweite Kriterium erfüllen, aber nicht beide. „Welche Gebiete sind entweder bewaldet oder steil, aber nicht beides?“
NOT Negation Ergibt „wahr“ für alle Gebiete, die das erste Kriterium erfüllen, nicht aber das zweite. „Welche Gebiete sind bewaldet, aber nicht steil?“
Die vier Booleschen Operatoren

In vielen GIS-Programmen entsprechen einige Boolesche Operatoren direkt aufrufbaren Funktionen und tragen oft sogar vergleichbare Namen. So gibt es in vielen GIS-Produkten die Funktionen INTERSECT (AND), UNION (OR) und ERASE (NOT). Die letzte Funktion wird auch sehr anschaulich „cookie cutting“ genannt, weil die Form des zweiten Kriteriums wie beim Plätzchen-Backen aus dem ausgerollten Teig des ersten „ausgestochen“ wird. Für die Eignungsanalyse geht der eigentlichen Booleschen Verschneidung meist eine Auswahloperation voraus. Im Fallbeispiel mussten zuerst die Polygone mit dem Attribut „Wald“ selektiert und zu einer eigenen, mit „wahr“ /„falsch“ codierten Informationsebene übersetzt werden: „wahr“ für „Wald“ und „falsch“ für „Nicht-Wald“. Die Auswahloperation kann aber auch aufgrund räumlicher Operatoren erfolgen. Liegt etwa ein Distanzkriterium wie „mindestens 100 Meter weg von der Strasse“ vor, kommt vor der Verschneidung eine Buffer-Funktion zum Einsatz. Die resultierenden, binären Informationsebenen können anschliessend mit Boolescher Verschneidung verknüpft werden.

Am einfachsten lassen sich die Booleschen Operatoren mit Hilfe von Venn-Diagrammen erklären. Jeder Kreis im Diagramm steht für ein Kriterium (Kriterien A und B). Diejenige Mengen, für die der jeweilige Boolesche Ausdruck „wahr“ ergibt, wird blau hervorgehoben. Wählen Sie im Venn-Diagramm eine Menge aus und vergleichen Sie den entsprechenden Booleschen Ausdruck. Sie können auch umgekehrt vorgehen: Wählen Sie einen Booleschen Ausdruck und vergleichen Sie die selektierte Menge im Venn-Diagramm.

Animation des Venn-Diagrammes zur Erläuterung der Booleschen Ausdrücke
act

Die nachfolgende Animation illustriert die Boolesche Verschneidung am Fallbeispiel „Eignungsanalyse Wolfslebensraum“ in St. Gittal. Als Eingangsdaten stehen die Kriterien Landnutzung und Hangneigung zur Verfügung. Wiederum wird dem Vektormodell das Rastermodell gegenübergestellt. Bestimmen Sie zunächst, welche Landnutzungs- resp. Hangneigungskategorien Sie verschneiden wollen (Ankreuzfelder in Legendenfenster). Wählen Sie anschliessend den Booleschen Operator. Der Schalter „Berechnen“ zeigt das Resultat. Ein Beispiel: Die Operationalisierung der Kriterien ergab für potentielle Wolfslebensräume die Landnutzung „Wald“ und die Hangneigung „>30%“. Beides sind harte Kriterien und müssen erfüllt sein (Schnittmenge, AND). Wählen Sie die entsprechenden Check-Boxen und die Verknüpfung AND. Berechnen Sie nun die Boolesche Verschneidung resp. den gesuchten Eignungsraum. Benutzen Sie die beiden Animationen, um Ihr Verständnis der Booleschen Verschneidung zu vertiefen. Vergleichen Sie ausserdem jeweils die Vektor- mit der Rasterlösung.

Boolesche Verschneidung im Vektormodell (zum Vergrössern klicken)Boolesche Verschneidung im Vektormodell (zum Vergrössern klicken)
Boolesche Verschneidung im Rastermodell (zum Vergrössern klicken)Boolesche Verschneidung im Rastermodell (zum Vergrössern klicken)
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