Mit anderen Worten: Oft sind gedruckte Kartenwerke detaillierter und daher besser zu lesen.

Im ersten Teil "Scannen von Landkarten" geben wir Ihnen allgemeine Informationen zu:

• Was läuft beim Scannen von Landkarten im Detail ab?
  
• Welche Geräte eignen sich zum Scannen von Landkarten?
  
• Welche Grundbegriffe werden beim Scannen und bei der Bildverarbeitung
  immer wieder verwendet?
  
• Farbmodelle
  
• Pixel / Farbtiefe
  
• Indizierter Farbmodus / Farbtabelle
  
• Auflösung / dpi / Dateigröße

Der zweite Teil des Beitrags beschäftigt sich mit dem Georeferenzieren der gescannten Landkarten. Folgende Themen werden bahandelt:

• Was braucht man, bzw. was muss man wissen, um Karten georeferenzieren zu können?
  
• Bedeutung von Passpunkten allgemein
  
• Anzahl der Passpunkte
  
• Verteilung der Passpunkte
  
• Methoden der Georeferenzierung (Transformationsverfahren)
  
• Programme, mit denen man Karten georeferenzieren kann
  

Was läuft beim Scannen von Landkarten im Detail ab?
Scannen (Digitalisieren) bedeutet: Analoge Druckvorlagen (z. B. eine Landkarte) werden durch ein Datenerfassungsgerät (Scanner) mit Hilfe von lichtempfindlichen Sensoren (Kameras, LEDs) regelmäßig und systematisch optisch abgetastet. Die Messergebnisse werden in computerlesbare Daten umgewandelt.

Welche Geräte eignen sich zum Scannen von Landkarten?

Scannen von ganz kleinen Karten
Falls lediglich kleine Landkarten bis zum Format DIN A4-A3 einzuscannen sind, lassen sich kleinere Flachbettscanner einsetzen, wie sie in vielen Büros und Privathaushalten verfügbar sind.

DIN A3 Flachbettscanner

Funktionsprinzip: Die Vorlage wird auf die Glasplatte aufgelegt und ein beweglicher Schlitten mit lichtempfindlichen Sensoren tastet von unten die Vorlage ab. Gute Ergebnisse erzielt man, wenn die Landkarten, Atlanten, etc. möglichst flach auf der Glasplatte aufliegen und ein Qualitäts-Flachbettscanner verwendet wird.

Scannen von Karten in gängigen Formaten (Großformat)

Im Folgenden werden alle Vorlagen, die größer als DIN A3 sind, als Großformat definiert. Beim professionellen Digitalisieren von Landkarten kommen hochwertige Großformatscanner zum Einsatz.


DIN A0plus Großformat-Einzugsscanner

Eine wichtige Bauart des Großformatscanners ist der Einzugsscanner. Der Einzugsscanner zieht die Vorlage über eine schmale Glasplatte, unter der die Abtasteinheit fest installiert ist. Die Abtasteinheit besteht aus hochwertigen und empfindlichen optischen Sensorsystemen, entweder Kameras oder LEDs.
Ein komplexes Transportsystem garantiert, dass die Karten möglichst flach und kontinuierlich über die schmale Glasscheibe gezogen werden.

Welche Grundbegriffe werden beim Scannen und bei der Bildverarbeitung
immer wieder verwendet?

Farbmodelle
Das Farbmodell bei Geräten wie Monitoren, Kameras oder Scanner, die mit Licht bzw. mit leuchtenden Anzeigen arbeiten, basiert auf dem additiven Farbmodell, auch RBG-Farbraum genannt. Additiv deshalb, da rotes, grünes und blaues Licht zusammen weiß ergeben. RGB steht für die Grundfarben Rot, Grün, Blau.

Im Druckbereich hingegen werden die Druckfarben (Körperfarben) Cyan, Magenta, Gelb und zusätzlich Schwarz verwendet, abgekürzt C, M, Y, K (K = Key). Dieses Modell ist das subtraktive Farbmodell, man nennt es auch CMYK-Farbraum. Subtraktiv bedeutet: Mischt man die 3 Druck-Grundfarben CMY, so geht die Lichtreflexion gegen 0 und es erscheint ein schwarzähnlicher Ton. Da man aber in der Drucktechnik ein reines Schwarz benötigt, nimmt man eine vierte Farbe, nämlich Schwarz (K) hinzu.

Additives Farbmodell		Subtraktives Farbmodell

Pixel / Farbtiefe
Ein Scan (digitales Bild) besteht aus vielen einzelnen Bildpunkten, die jeweils eine Farbe haben können.
Pixel = Bildpunkt mit Farbwert. Bei einem Schwarz-Weiß-Bild hat ein Pixel entweder den Farbwert weiß (=0) oder den Farbwert schwarz (=1). Diese 2 Zustände können mit einem einzelnen Bit (= kleinste Informationseinheit) gespeichert werden. Man sagt auch: Das SW-Bild hat die Farbtiefe = 1

Formel:          Anzahl Farbtöne = 2 ^Farbtiefe

Beispiel: Die Farbtiefe von 8 bedeutet, ein Bildpunkt besitzt 2⁸ = 256 Farb-Kombinationsmöglichkeiten. Der Bildpunkt benötigt einen Speicherplatz von 8 Bit bzw. 1 Byte

Indizierter Farbmodus / Farbtabelle

Bilder / Scans, die im indizierten Farbmodus erzeugt werden, haben eine Farbtiefe von 8 Bit, können also aus bis zu 256 Farben bestehen. Beim Scannen geschieht folgendes: In einem Vorab-Scan werden alle Farbinformationen der Vorlage gemessen (RGB, 8-Bit). Aus diesen werden insgesamt bis zu 256 Farben ausgewählt. Sofern mehr als 256 Farbtöne gemessen wurden, werden Farben, die sich ähneln, zusammengefasst. Die Reduzierung wird in einer Farbtabelle gespeichert und mit dieser wird dann der Hauptscan durchgeführt.

Man kann auch eigene Farbtabellen definieren. Das macht man z. B., wenn mehrere Karten, die ein gleiches farbliches Erscheinungsbild haben, auch nach dem Scannen gleich ausschauen sollen.

Karten scannen im indizierten Modus ist eine gängige Methode. Obwohl die Farbtabelle eingeschränkt ist, hat man immer noch eine gute optische Qualität bei einer akzeptablen Dateigröße, die eine Weiterverarbeitung (z. B. die Georeferenzierung) problemlos zulässt.



Tabelle mit gängigen Farbtiefen

Eine gescannte Karte im RGB-Farbmodus bedeutet: Ein Bildpunkt in diesem Modus benötigt 3 Farbkanäle, um eine Farbe darzustellen. Jeder einzelne Farbkanal definiert einen Prozentanteil der Grundfarbe in definierten Abstufungen, zum Beispiel: Ein Bild im RGB-Modus mit 8 Bit Farbtiefe hat insgesamt 16,7 Mio. Farben (3 Farbkanäle * 8 Bit = 24 Bit). Jeder Farbkanal hat dabei 256 Farbabstufungen (siehe Abbildung 3-3).

Ein Bild/Scan im CMYK-Modus bedeutet: Ein Bildpunkt benötigt 4 Farbkanäle. Das bedeutet, dass ein Bild mit einer Farbtiefe von 8 insgesamt 32 Bits benötigt, um einen Bildpunkt zu speichern. Theoretisch wären dann ca. 4 Milliarden Farbtöne möglich (siehe Abbildung 3-3). Tatsächlich aber kommen im CMYK-Modus wesentlich weniger Farbtöne vor. Zum einen fallen durch die Hinzunahme von Schwarz viele doppelte Farbkombinationen weg und zum anderen ist der RGB-Farbraum größer als der CMYK-Farbraum. Das heißt, viele Farben kommen im CMYK-Farbraum gar nicht vor.

Auflösung / dpi / Dateigröße

Die Auflösung ist ein Kriterium für die Qualität, z. B. eines Scanners. Je höher die optische Auflösung, desto mehr Sensoren tasten die Vorlage ab, desto mehr Details sind dann auch auf der gescannten Karte zu erkennen. Die Einheit der Auflösung wird beim Scannen in dpi = dots per inch (Bildpunkte pro Zoll) angegeben. 1 Zoll = 2,54 cm. Ein Scan mit einer Auflösung von 300 dpi bedeutet:
300 Bildpunkte pro Zoll oder 118 (= 300/2,54) Bildpunkte pro cm.

Die unten stehende Tabelle soll verdeutlichen, wie sich die Dateigrößen in Abhängigkeit von Auflösung, Farbtiefe/Farbmodus zueinander verhalten, wenn eine Landkarte der Größe DIN A0 eingescannt wird:

Kurzanleitung zur Berechnung der Dateigröße:

1. Scangröße in Inch (Zoll) berechnen
2. Anzahl der Bildpunkte des Scans in Abhängigkeit von der Auflösung bestimmen
3. den benötigten Speicherplatz in Abhängigkeit der Farbtiefe berechnen. Dabei sind die Speichereinheitsgrößen zu beachten.

Definition:
Durch den Vorgang der Georeferenzierung wird eine Positions- oder Ortsinformation auf der Erde („Geo-“) mit einem Objekt der Erdabbildung (Karte, Rasterdatei, Information) in Verbindung gebracht. Dies erfolgt meist mit Hilfe von Koordinaten in einem Bezugs- oder Koordinatensystem. Dabei besteht das Problem, ein 3D-Objekt (Kugel oder Ellipsoid) auf ein 2D-Objekt (Kartenblatt) zu projizieren. Dies kann prinzipbedingt nicht verlustfrei erfolgen.
(Quelle: http://www.en.giswiki.org/wiki/Georeferenzierung)

Um eine gescannte Landkarte in einem Navigationsprogramm verwenden zu können, müssen der Rasterdatei Geoinformationen lagetreu und maßstabsrichtig zugeordnet werden. Das heißt, den Pixeln einer Rasterkarte werden Ortsinformationen der Erde (Lagekoordinaten) zugewiesen. Dies geschieht durch geeignete mathematische Transformationsverfahren.



Abbildung: Den Pixelkoordinaten des Punktes 1 (links) werden die realen Lagekoordinaten (Landeskoordinaten) zugeordnet (rechts).

Wie man sich vorstellen kann, ist so eine Transformation nicht ohne weiteres zu bewerkstelligen.

Was braucht man, bzw. was muss man wissen, um Karten georeferenzieren zu können?Nachfolgend ein paar Hinweise dazu.

Informationen über die zu georeferenzierende Karte
Allgemein gilt: Je mehr Informationen man über die Karte hat, umso mehr Faktoren können bei der Georeferenzierung berücksichtigt werden.

• Besitzt die Karte ein aufgedrucktes geografisches / geodätisches Koordinatennetz? Sind die dazugehörigen Parameter bekannt, die das Netz definieren?
• Sind evtl. sogar die Blatteckkoordinaten bekannt?
• Stehen auf der Karte Hinweise zu der verwendeten Projektion? Sind die dazugehörigen Projektionsparameter bekannt?
• Hat die Karte Angaben zu Maßstab, Herstellungsjahr, Herausgeber, …?
• Wie ist der optische (physikalische) Zustand der Karte? Ist sie neu, alt, gefaltet, laminiert, verschlissen, geknittert, eingerissen, …
• Kann man erkennen, wie genau die Karte ist? Ein Vergleich mit anderen Karten kann darüber Aufschluss geben.

Wichtig zu wissen ist auch:
Je kleiner der Maßstab wird, umso stärker wirken sich Generalisierung und Verdrängung auf die Zeichenelemente der Karte aus und umso schwieriger ist es, diese auch lagerichtig darzustellen (siehe Abbildungen).

Kleiner Maßstab 1 : 200.000		Großer Maßstab 1 : 25.000

Bedeutung von Passpunkten allgemein

Für eine Georeferenzierung benötigt man Passpunkte, die zum einen im Rasterbild eindeutig zu identifizieren sind, zum anderen braucht man ihre entsprechenden Lagekoordinaten in der realen Welt. Die Passpunkte stellen in Verbindung mit einer entsprechenden mathematischen Transformations-methode (siehe Kapitel Methoden der Georeferenzierung) eine geometrische „Karte-Wirklichkeit“- Beziehung her. Oft haben Karten ein aufgedrucktes Kartennetz (viele topografische Karten) und/oder die Koordinaten der Blattecken sind bekannt (siehe Abbildung). Solche Blattecken oder auch die Schnittpunkte der Netzlinien können in der Regel sehr gut als Passpunkte verwendet werden.

Topografische Karte mit geografischen Blatteckwerten und ein
rechtwinklig aufgedrucktes Netz mit Gauß-Krüger-Koordinaten.

Ist kein Kartennetz vorhanden, muss man sich lageoptimierte und gut zu lokalisierende Punkte suchen und sich die dazugehörigen Weltkoordinaten beschaffen. Solche Punkte können sein: Straßen-kreuzungen, Brücken, Eisenbahnlinien, große Gebäudekomplexe, markante topografische Formen, usw.

Wie kommt man nun zu realen Lagekoordinaten?

• Am einfachsten ist es, man hat schon eine georeferenzierte Karte als Referenz, auf der die Passpunkte zu lokalisieren und die Lagekoordinaten abzugreifen sind.
• In Google Earth kann man sich die Lagekoordinaten anzeigen lassen.
• Ebenso in Navigationsprogrammen. Oft bieten solche Programme auch die Möglichkeit, unterschiedliche Gitter und Kartenbezugssysteme einzustellen.
• Es sind GPS-Daten der Passpunkte verfügbar.

Von großer Bedeutung sind auch die Anzahl der Passpunkte und deren Verteilung auf der Karte.

Anzahl der Passpunkte

Die Anzahl der erforderlichen Passpunkte hängt neben dem zu verwendeten Transformationsverfahren (siehe Kapitel Methoden der Georeferenzierung) auch davon ab, wie „genau“ oder wie „verzerrt“ die Kartenvorlage ist. Je stärker die Karte verzerrt ist, je weniger man über den Herstellungsprozess der Karte weiß, umso mehr Passpunkte können für eine Georeferenzierung nötig werden.
Ursachen für Ungenauigkeiten können unter anderem sein:

• Papierverzug
• Verzug durch Plotten, Kopieren
  
• Falten und Knitter
  
• Zeichenungenauigkeiten
  
• die Karte hat keinen Lagebezug
  
• die Kartenprojektion ist nicht bekannt.

Erfahrungswerte:
Für die Transformation von großmaßstäbigen Karten (Maßstäbe von 1:10000 bis 1:50000, mit Informationen über Projektionen und Gitternetze) können 4-9 Passpunkte ausreichend sein.
Bei Karten in kleineren Maßstäben (ab 1:50000), mit evtl. weniger Informationen, werden in der Regel mehr Passpunkte benötigt. Diese Karten müssen individuell betrachtet werden.

Verteilung der Passpunkte

Passpunkte sollten, wenn möglich, unbedingt gleichmäßig über die ganze Karte verteilt werden. Dadurch erreicht man die besten „Einpass“-Ergebnisse. Vermeiden sollte man, dass Passpunkte dicht beieinander liegen und nur einen kleinen Teil der zu georeferenzierten Fläche abdecken.

Die nachflgende Abbildung zeigt gute und schlechte Verteilungen auf.


Vergleich von unterschiedlicher Passpunktverteilung auf Karten

Methoden der Georeferenzierung (Transformationsverfahren)

Um Pixelkoordinaten in Projektionskoordinaten (Landeskoordinaten) umzuwandeln, benötigt man mathematische Formeln. Die Parameter für diese Formeln gewinnt man aus den Passpunkten. Für bestimmte Arten von Transformationen benötigt man unterschiedlich viele Passpunkte (siehe unten).
Hinweis: Es wird empfohlen, immer mehr Passpunkte zu verwenden, als es die Mindestanzahl vorschreibt.

Wichtige Transformationsmethoden sind:

Helmert-Transformation (Lineare Entzerrung) (siehe in Abbildung Punkt I):

• 2 Passpunkte werden benötigt.
• Die Entzerrung kann aus Translation (Parallelverschiebung) und einer einheitlichen Skalierung bestehen.

Affine Transformation (Lineare Entzerrung) (siehe in Abbildung Punkt II):

• Mindestens 3 Passpunkte sind nötig.
• Diese Entzerrung kann aus Translation, Rotation, Skalierung und Scherung bestehen. Die Skalierungen in x- und y-Richtungen können unterschiedlich sein.
• Gut geeignet für großmaßstäbige Karten oder Karten, die kaum Verzerrungen aufweisen.

Polynomiale Transformation (Nichtlineare Entzerrung) (siehe in Abbildung Punkt III):

• Mindestens 4 Passpunkte sind notwendig.
• Diese Entzerrung wird durch komplexe Polynom-Gleichungen beschrieben.
• Man kann sich das etwa so vorstellen: Auf einem elastischen Tuch versucht man die Passpunkte mit Hilfe von Stecknadeln an ihre richtige Position zu ziehen. Unter Umständen kann das zu ungleichmäßigen Verzerrungen führen, sofern die Passpunktauswahl ungünstig ausfällt.
• Das Ergebnis der Entzerrung wird gemittelt und auf die einzelnen Passpunkten verteilt.

Triangulation (Nichtlineare Entzerrung) (siehe in Abbildung Punkt III):

• Mindestens 5 Passpunkte werden benötigt.
• Hier kommen auch komplexe Gleichungen zur Anwendung.
• Der Unterschied zur polynomiale Entzerrung ist der, dass einzelne Punkte auf ihre exakte Position korrigiert werden können.
  
• Ein Nachteil ist, dass in Bereichen, wo wenige oder keine Referenzpunkte sind, nicht nachvollziehbare Verzerrungen und Verkrümmungen auftreten können. An Randbereichen von Karten kann man das gut feststellen.

Georeferenzierungsmethoden

Nach der Transformation muss die Rasterkarte noch neu berechnet werden. Man nennt diesen Vorgang Resampling. Dabei wird jeder Pixel der Karte neu berechnet. Das Ergebnis ist eine georeferenzierte Datei, die in einem Navigationsprogramm weiter verwendet werden kann.

Übliche Bildformate sind:

• GeoTiff in Form von zwei Dateien. Die Datei Name.tif steht in Verbindung mit einer externen ASCII-Datei Name.tfw. In der tfw-Datei (World-Datei) stehen Informationen über Lage und Größe der Pixel.
• GeoTiff in Form von nur einer Datei Name.tif. Hier stehen alle Pixelinformationen in einem internen Header. Zusätzlich sind da auch noch Transformationsinformationen enthalten.
• Das Format PNG besteht auch aus zwei Dateien. Name.png und die dazugehörige Worlddatei Name.pgw.
• Ebenso das Format JPG. Besteht aus den Dateien Name.jpg und Name.jgw.
  
  

Programme, mit denen man Karten georeferenzieren kann

GIS-Programme (GIS = Geografisches Informationssystem) sind in der Regel sehr gut geeignet, Georeferenzierungen durchzuführen. Ebenso gut geeignet sind Programme, die in der Fernerkundung oder Photogrammetrie Anwendung finden. Namhafte Vertreter dieser Branchen sind die Firmen

• ESRI (GIS-Technik) und
• ERDAS (Fernerkundung und Photogrammetrie)

Sofern man „nur“ Karten scannen und für die Anwendung in Navigationsprogramme georeferenzieren möchte, sind die oben genannten Systeme eigentlich zu umfangreich und auch zu teuer.

Im Bereich der Freien GIS Software (FreeGIS) gibt es zunehmend immer mehr kostenfreie Geoinformationssysteme, die sich auch mit dem Thema  „Georeferenzierung“ beschäftigen.
Die Systeme GRASS und gvSIG sollten hier erwähnt werden. Sie sind sehr umfangreich und werden ständig weiterentwickelt.

Spezialprogramme, die sich hauptsächlich mit der Georeferenzierung und der Transformationen beschäftigen, gibt es auch, zum Beispiel:

• WGEO (GIS-Tool) von DHI-Wasy GmbH und
• Geographic Transformer von Blue Marble Geographics

Ein weiteres „GIS-Tool“ ist der Global Mapper von der gleichnamigen Firma aus den USA. Das Programm ist weit umfassend und preiswert.
Eine kleine Zusammenstellung, was das Programm alles kann:

• Karten georeferenzieren und transformieren.
• Fungiert als Viewer für Raster-, Vektor-, Höhendaten und Satellitenbilder.
• Es können Geländemodelle / 3D-Modelle erstellt werden.
• Verarbeitet enorm viele Datenformate aus den Bereichen GIS, Fernerkundung, Kartografie, etc.
• Man hat Bild- / Rasterbearbeitungsmöglichkeiten.
• Verfügt über eine ganze Reihe von GIS-Funktionalitäten.

Hinweis zu dem Georeferenzierungsmodul des Global Mappers:

• Man kann auf eine große Anzahl von vordefinierten Projektionseinstellungen zurückgreifen.
• Sie haben die Wahl von unterschiedlichen Georeferenzierungsmethoden (siehe auch Kapitel 6).
• Sie haben umfangreiche Möglichkeiten, die georeferenzierten Karten zu exportieren.

Zum Schluss noch ein paar Anmerkungen zu den eigentlichen Navigationsprogrammen. Die sollen ja letztendlich die digitalen Rasterdaten beinhalten.
Die bekanntesten Navigationsprogramme / GPS-Planungsprogramme sind:

• Touratech QV oder auch TTQV (deutsches Programm)
• Fugawi (Canada)
• Ozi Explorer (Australien)
• CompeGPS (Spanien)

Das weitverbreitete Programm von Touratech (TTQV) ist sehr leistungsstark und bietet umfangreiche Möglichkeiten, nicht nur in der Navigationsplanung.

• Viele Kartenformate werden unterstützt.
• Dem Programm ist eine umfangreiche, professionelle Datenbank integriert.
• Der Viewer kann Raster-, Vektor-, Höhendaten und Satellitenbilder anzeigen.
• Digitales Kartenmaterial von vielen Fremdanbietern können eingebunden werden.
• Einbinden können Sie auch Ihre eigenen georeferenzierten Karten.

Fazit

Die hier behandelten Themen sind recht komplex, deshalb sind bei der praktischen Umsetzung auch viel Erfahrung und Know How notwendig. Schon beim Scannen von Karten müssen einige Faktoren (Auflösung, Dateigröße, Qualität, usw.) berücksichtigt werden, die sich auf die Weiterverarbeitung auswirken. Gedruckte Karten weisen häufig Verzerrungen auf, zum einen durch herstellungsbedingter Fehler und Papierverzug, zum anderen durch die Projektionsverzerrungen. Hat man genügend Karteninformationen über Projektion und Kartennetz, so können mit der Georeferenzierung Verzerrungen gut reduziert werden. Leider kommt es nur selten vor, dass alle notwendigen Kartendaten vorhanden sind. Karteninformationen werden aus den verschiedensten Gründen oftmals nicht oder nur teilweise vom den Kartenhersteller preisgegeben. Gelegentlich kommt es auch vor, dass die aufgedruckten Karteninformationen fehlerhaft sind. Das Ergebnis der Georeferenzierung ist dann leider auch fehlerhaft.

Der von mir verfasste Beitrag „Landkarten scannen und georeferenzieren“ dient Ihnen nur zur Information und hat keinen Anspruch auf Vollständigkeit bzw. Korrektheit. Sofern Sie Fehler entdecken oder Anmerkungen zu den Texten haben, würde es mich freuen, wenn Sie mir diese mitteilen.

Michael Merk • merkartor Kartographie- und Scanstudio • Meilinger Weg 8 • 82229 Seefeld

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1. Privatanwender sind, also die Scan- und die Georeferenzierungsdaten ausschließlich für Ihre private Zwecken nutzen.
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*    Versandkosten bis 2,20 € (CD mit Kartendaten und Rücksendung
      der gefalteten Karten) sind im Preis enthalten.

**  Eine Karte, die aus Vorder- und Rückseite besteht, verursacht
      zwei Scanvorgänge und zählt daher wie 2 Karten.

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