= PostGIS Tutorial (Grundlagen) =

:E-Mail: [mailto:uwe.dalluege@rzcn.haw-hamburg.de  uwe.dalluege@rzcn.haw-hamburg.de ]

== Bevor die Post abgeht ==

* unterliegt der [[GNU General Public Licence]] [http://www.gnu.org/copyleft/gpl.html http://www.gnu.org/copyleft/gpl.html]  

Um die Funktionalität von PostGIS besser demonstrieren zu können, werden hier das Tool [[pgAdmin III]] und das Programm [[OpenJUMP]] verwendet. Mit pgAdmin III kann man unter anderem eine Verbindung zum Datenbankserver aufbauen, Datenbanken verwalten, Tabellen darstellen oder auch SQL-Anweisungen ausführen.  

OpenJUMP ist ein Geoinformationssystem, mit dem man unter anderem auch PostGIS-Tabellen darstellen kann. Eine Beschreibung zu OpenJUMP und PostGIS-Anbindung finden Sie in dem OpenJUMP Tutorial (Grundlagen) in Kapitel 10.

Dieses Tutorial setzt Grundkenntnisse in SQL und OpenJUMP voraus!

== Verbindung zum Datenbankserver aufbauen ==

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|Add a connection to a server]]

Im linken Fenster des pgAdmin Tools wird die Baumstruktur der Datenbankserver dargestellt. In der unteren Abbildung wurde nur die Verbindung zu einem Server aufgebaut (PostGIS-Server). Unterhalb der Serverebene befindet sich die Datenbankebene (Databases). In unserem Beispiel befinden sich sieben Datenbanken, wobei wir mit der Datenbank db_s1234567 arbeiten wollen. Unterhalb der Datenbank (hier db_s1234567) befinden sich vier Ebenen mit den Bezeichnungen Casts, Languages, Schemas und Replication. Hier wird nur die Ebene Schemas beschrieben, weil sich dort unter der Ebene public unsere Tabellen (Tables) verbergen, mit denen wir arbeiten wollen.

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|Die Tabellen befinden sich unter dem Schema public]]

Unter Tables findet man die eigenen Tabellen und zwei Systemtabellen von PostGIS mit den Namen geometry_columns und spatial_ref_sys. In der Tabelle geometry_columns werden die Tabellen verwaltet, die mit Hilfe von PostGIS-Funktionen erstellt wurden. In der Tabelle spatial_ref_sys stehen Projektionsparameter für die Transformation der Geometrien.

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|SELECT-Anfrage mit Ergebnis]]

Es sind drei verschiedene Basis-Geometrietypen definiert: POINT (Punkt), LINESTRING (Linienzug) und POLYGON (Fläche). Von diesen Basistypen sind vier weitere Geometrietypen abgeleitet: MULTIPOINT, MULTILINESTRING, MULTIPOLYGON und GEOMETRYCOLLECTION.  

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

Geometrietypen (Quelle: JUMP, Technical Report)

Ein Punkt (Point) wird im WKT Format wie folgt in einer Tabelle gespeichert: 'POINT ( 122.123 376.985 )'

Neben den Koordinaten muss auch das räumliche Bezugssystem (Spatial Referencing System, SRS) angegeben werden. In der Tabelle spatial_ref_sys sind Informationen über verschiedene räumliche Bezugssysteme gespeichert, die über einen Schlüssel angesprochen werden. Dieser Schlüssel wird Spatial Reference System Identifier (SRID) genannt. Z.B. haben wir für eine Gauß-Krüger Projektion im 3. Streifen einen SRID von 31467.

Eine Tabelle kann Sachdaten und Geometriedaten enthalten. Die Tabellenspalten für die Sachdaten werden mit einer normalen SQL CREATE-Anweisung festgelegt. Die Spalte für die Geometriedaten muss mit der PostGIS-Funktion (OpenGIS) AddGeometryColumn ( ) erzeugt werden, wobei es nur eine Geometriespalte pro Tabelle geben kann. Es sind also zwei Schritte notwendig, um eine Tabelle mit einer Geometriespalte zu erzeugen:

* CREATE TABLE ...

* SELECT AddGeometryColumn ( ... )

Die Funktion AddGeometryColumn ( ) kann mit verschiedenen Parametern aufgerufen werden:

AddGeometryColumn ( Schemaname, Tabellenname, Spaltenname, SRID, Geometrietyp, Dimension )

AddGeometryColumn ( Tabellenname, Spaltenname, SRID, Geometrietyp, Dimension )

SchemanameVARCHARDas Schema, unter der die Tabelle erstellt werden soll

TabellennameVARCHARName der Tabelle

SpaltennameVARCHARName der Geometriespalte

SRIDINTEGERSpatial Reference System Identifier, z.B. 31467 für Gauß-Krüger oder -1 wenn nicht gesetzt.

GeometrietypVARCHARz.B. 'POINT', 'LINESTRING', 'POLYGON'

DimensionINTEGERDimension der Punkte (2 oder 3)

Dann erzeugen wir die Geometriespalte mit der SELECT-Anweisung und der Funktion AddGeometryColumn ( ):

== Beispiel LINESTRING: ==

Es soll eine Tabelle mit Straßen und Straßennamen erstellt werden. Die Straßen sollen als LINESTRING gespeichert werden.

* CREATE TABLE strassen ( ps INTEGER, name VARCHAR );

Es soll eine Tabelle mit Grundstücken und Eigentümern erstellt werden. Die Grundstücke werden als POLYGON gespeichert.

* CREATE TABLE baeume ( ps INTEGER, name VARCHAR );

* SELECT AddGeometryColumn ( 'baeume', 'geom', -1, 'POINT', 2 );

oder

* CREATE TABLE strassen ( ps INTEGER, name VARCHAR );

* SELECT AddGeometryColumn ( 'strassen', 'geom', -1, 'LINESTRING', 2 );

* CREATE TABLE grundstuecke ( ps INTEGER, eigentuemer VARCHAR );

* SELECT AddGeometryColumn ( 'grundstuecke', 'geom', -1, 'POLYGON', 2 );

erstellt wurde (siehe Kapitel 2.2.1), sollen Daten in die Tabelle geschrieben werden. Die Geometriedaten sollen im WKT-Format gespeichert werden. Dazu benötigen wir die Funktion GeometryFromText ( ).

GeometryFromText ( text, SRID )

== Beispiel POINT ==

* INSERT INTO baeume VALUES ( 1234, 'Eiche', GeometryFromText ( 'POINT ( 10 20 )', -1 ) );

Hinweis:

* INSERT INTO strassenVALUES ( 4567, 'Hofweg', GeometryFromText ( 'LINESTRING ( 30 35, 45 57, 60 83 )', -1 ) );

* Die Koordinaten eines Punktes sind durch ein Leerzeichen getrennt!  

In die Tabelle grundstuecke (siehe Kapitel 2.3) sollen der Primärschlüssel, der Eigentümer und die Koordinaten des Grundstücks P1 = ( 75, 20 ); P2 = ( 80, 30 ); P3 = ( 90, 22 ) P4 = ( 85, 10 ); P5 = P1 = ( 75, 20 ) eingefügt werden.  

* Die Koordinaten eines Punktes sind durch ein Leerzeichen getrennt!  

* Die Koordinaten des Polygons stehen in zwei öffnenden und zwei schließenden Klammern.  

Durch die Funktion AddGeometryColumn ( ) wird eine Datenzeile in die Tabelle geometry_columns geschrieben, die Informationen für PostGIS über die neu angelegte Tabelle enthält. Würde man diese neu angelegte Tabelle mit der SQL-Anweisung DROP TABLE tabellenname löschen, würde die Systemtabelle geometry_columns nicht aktualisiert werden. Die entsprechende Datenzeile würde nicht gelöscht werden! Eine Tabelle mit einer Geometriespalte muss daher mit der Funktion DropGeometryTable ( ) gelöscht werden.

== DropGeometryTable ( ) ==

Die Funktion DropGeometryTable ( ) löscht eine Tabelle mit Geometriespalte und den entsprechenden Eintrag in der Systemtabelle geometry_columns.

SchemanameVARCHARSchemaname unter der sich die Tabelle befindet

TabellennameVARCHARZu löschende Tabelle

* SELECT DropGeometryTable ( 'baeume' );

Nachdem die Tabelle baeume mit folgenden Anweisungen erstellt und mit Daten gefüllt wurde (drei Bäume),

soll die Tabelle in OpenJUMP dargestellt werden. Eine ausführliche Beschreibung zur Konfiguration von OpenJUMP und PostGIS finden Sie im OpenJUMP Tutorial (Grundlagen) Kapitel 10.

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|Die Tabelle baeume aus der Datenbank db_s1234567 soll geladen werden]]

In OpenJUMP wird für jede Tabelle ein neuer Layer mit dem Namen der Tabelle erstellt, d.h. auf dem Layer baeume finden wir unsere drei Bäume wieder.

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|Attribute und Geometrien der Tabelle baeume]]

Geometrien und Sachdaten, die in OpenJUMP erfasst wurden, können in PostGIS-Tabellen gespeichert werden. Hierbei wird jeder Layer in einer eigenen Tabelle gespeichert. Eine ausführliche Beschreibung zur Konfiguration von OpenJUMP und PostGIS finden Sie im OpenJUMP Tutorial (Grundlagen) Kapitel 10.

Um einen Layer in einer PostGIS-Tabelle speichern zu können, muss jeder Geometrie ein eindeutiger Schlüssel, z.B. der Primärschlüssel, zugeordnet werden. Mit Rechtsklick auf den Layernamen und View/Edit Schema wird das Schema für die PostGIS-Tabelle erstellt (siehe OpenJUMP Tutorial, Kapitel 6). Das Schema muss mindestens aus einem eindeutigen Schlüssel bestehen. Mit View/Edit Attributes werden die entsprechenden Sachdaten erfasst (siehe OpenJUMP Tutorial, Kapitel 7).

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

Vor dem Sichern der Tabelle muss der Spatial Reference System Identifier (SRID) (siehe Kapitel 2.2.1) für den zu sichernden Layer gesetzt werden. Mit Rechtsklick Layername>Change SRID wird der Wert gesetzt.

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

Tabelle gebaeude in der Datenbank db_s1234567

== Sichten (Views) ==

In den bisherigen Beispielen wurden alle Datensätze einer Tabelle in OpenJUMP dargestellt. Es wurden z.B. alle Bäume der Tabelle baeume oder alle Gebäude der Tabelle gebaeude auf jeweils einem Layer dargestellt. Für eine sinnvolle Analyse ist das nicht ausreichend! Man möchte z.B. nur die Eichen sehen oder nur die Gebäude, die Herrn oder Frau Mayer gehören. Vielleicht möchte man auch alle Eichen sehen, die auf dem Grundstück von Frau Schulze stehen. In diesem Fall benötigt man Daten aus zwei oder mehreren Tabellen. Es soll also nur eine bedingte Sicht (View) auf die Tabellen dargestellt werden! Mit der SQL-Anweisung CREATE VIEW ... werden solche Sichten erstellt. Das Beispiel bezieht sich auf die Tabelle baeume (siehe Kapitel 3.1).

v_baeume= Name der Sicht; das Präfix v_ dient nur zur besseren Unterscheidung.

( Baumname )= Spaltenname der ersten Spalte in der Sicht. Hier können mehrere Namen durch Komma  getrennt stehen.

name= Spaltenname aus der Tabelle baeume

geom = Spaltenname der Geometriespalte der Tabelle baeume

In diesem Beispiel wird eine Sicht mit dem Namen v_baeume auf die Tabelle baeume erstellt, wo nur die Eichen von Interesse sind. Um die Tabelle in OpenJUMP darstellen zu können, darf natürlich die Geometriespalte (hier geom) hinter der SELECT-Anweisung der Sicht nicht fehlen. Die Sicht v_baeume kann man mit der SELECT-Anweisung anzeigen:

Es wird nur ein Datensatz (Tupel) angezeigt, weil die Tabelle baeume nur eine Eiche enthält!

Die Sicht v_baeume unter der Ebene Views

== Sichten in OpenJUMP darstellen ==

Sichten mit einer Geometriespalte können in OpenJUMP nur dargestellt, aber nicht erzeugt werden. Zur Darstellung muss nur in der Eingabemaske Load Dataset(s) anstelle des Tabellennamens der Name der Sicht eingegeben werden. In unserem Beispiel sehen wir dann nur eine einsame Eiche!

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

Sinnvoller wäre es, die Eigentümerdaten in einer Tabelle abzulegen und die Geometrien in einer zweiten Tabelle.

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

Eigentümertabelle ohne Geometrien (eigentuemer_nor)

Die Verknüpfung der beiden Tabellen erfolgt über Primär- (ps) und Fremdschlüssel (fs). Die Tabelle mit den Geometrien enthält als Fremdschlüssel den Primärschlüssel der Eigentümertabelle. Die Firma GlobalPlayer (ps = 30 der Eigentümertabelle) besitzt demnach 2 Grundstücke ( ps = 100 und 300 der Grundstückstabelle)!

Sollen alle Grundstücke und die dazugehörigen Eigentümer aufgelistet werden, müssen beide Tabellen verbunden werden (join):

* SELECT e.name, e.ort, g.geom

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

SELECT e.name, e.ort, e.telef, g.geom

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

SELECT e.name, e.ort, e.telef, g.geom

== Analysefunktionen ==

== Allgemeines ==

Die Geometrien für die folgenden Beispiele wurden mit Hilfe von OpenJUMP erstellt. Hierzu wurde eine DGK5 von Norderstedt als Digitalisierungsvorlage verwendet.

Diese Karte wird von einem WMS-Server mit der URL

http://gis.rzcn.haw-hamburg.de/cgi-bin/mapserv.exe?map=/mapserver/wms/htdocs/norderstedt.map

zur Verfügung gestellt.

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

Die Funktion Length ( ) berechnet die Länge eines Linienzuges (LineString).

Beispiel :

Gegeben: Tabelle strassen_nor mit vier Straßen:

Tabelle strassen_nor

Gesucht:  

* View mit Straßennamen, Längen und Geometrien (siehe auch Kapitel 4).  

Lösung 1:

* SELECT name, Length ( geom ) AS laenge FROM strassen_nor;

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

Lösung 2:

* SELECT Sum ( Length ( geom ) ) AS gesamtlaenge FROM strassen_nor;

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

Lösung 3:

* CREATE VIEW v_strassen_nor_laenge ( Name, Laenge) AS

SELECT name, Length ( geom ), geom FROM strassen_nor;

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

Distance ( geom1, geom2 ) : Double Precision

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

* SELECT s.name, h.linie, Distance ( s.geom, h.geom ) AS entfernung

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

Area ( Polygon ) : Double Precision

Beispiel:

Gegeben: Tabelle grundstuecke_nor mit vier Grundstücken:

Gesucht:

* View mit Eigentümer, Flächen und Geometrien der Familie Mayer.

Lösung 1:

  Grundstücke mit berechneten Flächen

Lösung 2:

WHERE eigentuemer = 'Mayer'

GROUP BY eigentuemer;

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

* CREATE VIEW v_mayer ( eigentuemer, flaechen ) AS

SELECT eigentuemer, Area ( geom ), geom

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

Gegeben: Tabelle baeume_nor mit Bäumen und Kronendurchmesser:

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

Lösung:

* CREATE VIEW v_buffer_baeume_nor ( name, krone ) AS  

SELECT name, krone, SetSRID ( Buffer ( geom, krone / 2. ), 31467 )

* An die Funktion Buffer ( ) wird die Geometrie der Bäume (hier POINT) und der Kronendurchmesser übergeben. Die von Buffer ( ) erzeugte Geometrie wird ein kreisförmiges Polygon mit dem Radius krone / 2. sein.

* Die Funktion Buffer ( ) wird innerhalb der Funktion SetSRID ( ) aufgerufen. Die Funktion SetSRID ( ) weist der von Buffer ( ) erzeugten Geometrie den SRID von 31467 zu (siehe auch Kapitel 2.1),

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

== Beispiel LINESTRING: ==

Gegeben: Tabelle strassen_nor

Tabelle strassen_nor

Gesucht: View mit Geometrie der Straße Kohfurth, die auf 20 m verbreitert werden soll.

Lösung:

SELECT name, SetSRID ( Buffer ( geom, 20. ), 31467 ) AS geom

FROM strassen_nor

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

== Schnittmenge Intersection ( ) ==

Die Funktion Intersection ( ) berechnet die Schnittmenge zweier Geometrien. Das Ergebnis ist entweder eine neue oder eine leere (EMPTY) Geometrie. Mit der Funktion IsEmpty ( geometry ) kann geprüft werden, ob die Geometrie leer ist.

Intersection ( geom1, geom2 ) : GEOMETRY oder EMPTY

Die Straße Berliner Allee soll verbreitert werden. Gesucht sind alle Grundstücke, die von der Verbreiterung betroffen sind.

Gegeben: Eine Tabelle mit dem Polygon der verbreiterten Straße (b_BerlinerAllee; Buffer der Straße) und eine Tabelle mit den Geometrien der Grundstücke (grundstuecke_nor).

Die Tabelle grundstuecke_nor enthält 4 Grundstücke mit den entsprechenden Geometrien. Die Tabelle b_BerlinerAllee enthält die Buffer-Geometrie. Wird eine SELECT-Anfrage über beide Tabellen ausgeführt (join), erhält man das Kreuzprodukt aus der Zeilenanzahl beider Tabellen, also 4 Ergebnisse. Zwei Geometrien müssen leer (EMPTY) sein, weil zwei Grundstücke nicht in der Schnittmenge liegen!

* SELECT Intersection ( g.geom, b.geom )

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

Die leeren (EMPTY) Geometrien müssen noch durch eine WHERE-Klausel und der IsEmpty ( ) PostGIS-Funktion entfernt werden.

* SELECT Intersection ( g.geom, b.geom )

WHERE IsEmpty ( Intersection ( g.geom, b.geom ) ) = FALSE;

Sollen noch die Eigentümer angezeigt und der SRID verändert werden, so sieht die SQL-Anweisung wie folgt aus:

* SELECT g.eigentuemer, SetSRID ( Intersection ( g.geom, b.geom ), 31467 ) AS geom

Schnittmenge mit Eigentümer

Zur Darstellung in OpenJUMP erzeugen wir eine Sicht:

WHERE IsEmpty ( Intersection ( g.geom, b.geom ) ) = FALSE;

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

ConvexHull ( geom ) : POLYGON

Soll eine konvexe Hülle um eine Menge von Punkten (POINT) gelegt werden, müssen die Punkte mit der Funktion GeomUnion ( geometry set ) zu einer Geometrie zusammengefasst werden.

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

Gegeben: Eine Tabelle (waldgebiet1_nor) mit den Geometrien der Bäume.

Gesucht: Konvexe Hülle um die Bäume.

Die Punkte der Tabelle waldgebiet1_nor müssen erst mit der Funktion GeomUnion ( geometry set ) zu einer Geometrie zusammengefasst werden. Danach kann die konvexe Hülle berechnet werden. Dies kann alles in einer SQL-Anweisung geschehen.

* CREATE VIEW v_waldconvex ( geom ) AS

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

Die Zaunlänge um das Wäldchen kann also folgendermaßen ermittelt werden:

* SELECT Length ( Boundary ( multi ( geom ) ) ) AS Zaunlaenge FROM v_waldconvex;

* Die Funktion Contains ( ) prüft, ob die erste Geometrie geom1 die zweite Geometrie geom2 enthält.

* Die Funktion Within ( ) prüft, ob die zweite Geometrie geom2 die erste Geometrie geom1 enthält.  

Als Ergebnis wird ein Wert vom Typ BOOLEAN zurückgegeben (TRUE, FALSE);

Contains ( geom1, geom2 ) : Boolean oder Within ( geom1, geom2 ) : Boolean

Beispiel : Gesucht sind alle Bäume, die auf privaten Grundstücken stehen.

Gegeben: Die Tabelle grundstuecke_nor mit den Geometrien und Eigentümern der privaten Grundstücke und die Tabelle baeume_nor mit den Geometrien und Attributen der Bäume.

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

Gesucht: Alle Bäume, die auf den Grundstücken stehen.

Lösung mit Contains ( ):

* SELECT gr.eigentuemer, b.name

[[Image:XXXXX|thumb|400px|left|bbbbb]]

Lösung mit Within ( ):

WHERE Within ( b.geom, gr.geom ) = TRUE;

Hinweis: Es muss darauf geachtet werden, ob die Prüfung sinnvoll ist. Punktgeometrien können z.B. niemals Polygone enthalten. Die WHERE-Bedingung wäre immer FALSE!

== Glossar ==

EPSG: European Petroleum Survey Group; heute OGP (Oil & Gas Producers) Surveying & Positioning Committee. [http://www.epsg.org/">www.epsg.org]

(Siehe auch OGC: „Coordinate Transformation Services“).

Die entsprechenden Dateien mit den Datensätzen (EPSG geodetic parameter dataset) können von der Seite [http://www.epsg.org/ http://www.epsg.org/] geladen werden.

Feature (Objekt):  

In OpenJUMP hat jedes Feature ein räumliches Attribut (Geometrie) und keins oder mehrere nicht-räumliche Attribute (non-spatial attributs, Fachdaten, Sachdaten) z.B. Straßenname, Eigentümer, Baumhöhe.

* Eine Gruppe von räumlichen Elementen, die zusammen eine Einheit der realen Welt repräsentieren. Oft synonym verwendet mit dem Ausdruck Objekt. Kann auch zu komplexen Features (Objekten), bestehend aus mehr als einer Gruppe von räumlichen Elementen, zusammengesetzt werden.

(Lexikon der Geoinformatik, 2001)