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Landkarten scannen und georeferenzieren -
für die Verwendung in GPS-Navigationsprogrammen

Ein Leitfaden von Michael Merk
Stand: September 2017

Gedruckte Landkarten können unter bestimmten Voraussetzungen durch Scannen und Georeferenzieren so aufbereitet werden, dass man sie zum Beispiel für eine Tourenplanung am Rechner verwenden kann. Sie importieren die georeferenzierten Karten in Ihr Navigationsprogramm und definieren Ihre eigenen, individuellen GPS-Routen/Tracks.

Vorteile sind zum Beispiel:

Oft sind gedruckte Kartenwerke detaillierter und daher besser zu lesen.


Der folgende Beitrag gliedert sich in 2 Teile:

Teil I: gibt Ihnen allgemeine Informationen zu dem Thema Scannen von Landkarten.
Teil II: beschäftigt sich mit dem Georeferenzieren der gescannten Landkarten.

Teil I   Scannen von Landkarten

1. 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.

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2. Welche Geräte eignen sich zum Scannen von Landkarten?

2.1   Scannen von ganz kleinen Karten

Falls lediglich kleine Landkarten bis zum Format DIN A4-A3 einzuscannen sind, lassen sich kleinere Flachbettscanner einsetzen (siehe Abbildung 2-1), wie sie in vielen Büros und Privathaushalten verfügbar sind.

Abbildung 2-1: 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.

2.2 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 (siehe Abbildung 2-2).


Abbildung 2-2: 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.

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

3.1   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 (siehe Abbildung 3-1). 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 (siehe Abbildung 3-2).
Da man aber in der Drucktechnik ein reines Schwarz benötigt, nimmt man eine vierte Farbe, nämlich Schwarz (K) hinzu.

Abbildung 3-1: Additives Farbmodell Abbildung 3-2: Subtraktives Farbmodell

3.2 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.

3.3 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.

Die Tabelle in Abbildung 3-3 gibt Aufschluss über die gängigsten Farbtiefen.
Die Tabelle in Abbildung 3-4 zeigt den Zusammenhang zwischen Auflösung, Farbtiefe und Dateigröße.

Abbildung 3-3: Tabelle mit gängigen Farbtiefen

3.4   RGB-Farbmodus

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 bestimmten Abstufungen.

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).

3.5   CMYK-Farbmodus

In diesem Farbmodus werden pro Bildpunkt 4 Farbkanäle benötigt. Das heißt, ein Bild mit einer Farbtiefe von 8 Bit, braucht für jeden Bildpunkt eine Speicherkapazität von insgesamt 32 Bit (4 Farbkanäle * 8 Bit = 32 Bit). Mit 32 Bit wären dann theoretisch über 4 Milliarden Farbkombinationen möglich.

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 (siehe Abbildung 3-3).

3.6   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 Tabelle in Abbildung 3-4 soll verdeutlichen, wie sich die Dateigrößen in Abhängigkeit von Auflösung, Farbtiefe/Farbmodus zueinander verhalten, wenn eine Landkarte der Größe DIN A0 eingescannt wird:

Auflösung (DPI)
Farbtiefe/Farbmodus
Anzahl Farben
Dateigröße (MB)
300
1-Bit / SW 2 Farben
2
ca. 17
300
8-Bit / Graustufen, indizierte Farben
256
ca. 133
300
8-Bit / RGB (= 24-Bit)
16,7 Millionen
ca. 399
300
16-Bit / RGB (= 48-Bit)
4,6 Milliarden
ca. 798
400
8-Bit / Graustufen, indizierte Farben
256
ca. 236
400
8-Bit / RGB (=24-Bit)
16,7 Millionen
ca. 709

Abbildung 3-4: Beziehung zwischen Auflösung, Farbtiefe und Dateigröße


Kurzanleitung zur Berechnung der Dateigröße:

Vorgabe: Eine Landkarte DIN A0 (81,4 cm * 118,9 cm) soll im 24-Bit-RGB-Farbmodus und
mit einer Auflösung von 300 dpi gescannt werden.

 
Speichereinheit
Größe
 
1 Byte (B)
8 Bit
 
1 Kilobit
1024 Bit
 
1 KiloByte (KB)
1024 B
 
1 MegaByte (MB)
1024 KB
 
1 GigaByte (GB)
1024 MB

Abbildung 3-5: Speichereinheitsgrößen

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4. merkartor – Ihr Dienstleister für Großformatscans

Sie möchten Landkarten, Pläne, Luftbilder, Zeichnungen, Poster oder ähnliches scannen lassen?

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Teil II   Georeferenzieren von Landkarten

1. Einleitung

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 (siehe Abbildung 5-1). Dies geschieht durch geeignete mathematische Transformationsverfahren.



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.

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2. Was braucht man, bzw. was muss man wissen, um Karten georeferenzieren zu können?

2.1   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.

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 6-1 und 6-2).

Abbildung 6-1: kleiner Maßstab 1 : 200.000 Abbildung 6-2: großer Maßstab 1 : 25.000

Der Punkt in Karte Abbildung 6-1 (generalisiert) liegt auf der Straßenabzweigung. Derselbe Punkt in Karte Abbildung 6-2 liegt südöstlich der Abzweigung. Die Lagekoordinaten des Punktes 1 sind in beiden Karten identisch.

2.2   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 Transformationsmethode (siehe Kapitel 3) 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 6-3). Solche Blattecken oder auch die Schnittpunkte der Netzlinien können in der Regel sehr gut als Passpunkte verwendet werden.

Abbildung 6-3: 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: Straßenkreuzungen, Brücken, Eisenbahnlinien, große Gebäudekomplexe, markante topografische Formen, usw.

Wie kommt man nun zu realen Lagekoordinaten?

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

2.2.1  Anzahl der Passpunkte

Die Anzahl der erforderlichen Passpunkte hängt neben dem zu verwendeten Transformationsverfahren (siehe Kapitel 3) 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:

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.

2.2.2  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 unten stehende Abbildung 6-4 zeigt gute und schlechte Verteilungen auf.

Abbildung 6-4: Vergleich von unterschiedlicher Passpunktverteilung auf Karten

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3. 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 Abbildung 7-1 I):

Affine Transformation (Lineare Entzerrung) (siehe Abbildung 7-1 II):

Polynomiale Transformation (Nichtlineare Entzerrung) (siehe Abbildung 7-1 III):

Triangulation (Nichtlineare Entzerrung) (siehe Abbildung 7-1 III):

Abbildung 7-1: Georeferenzierungsmethoden

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

Übliche Bildformate sind:

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4. 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

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:

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:

Hinweis zu dem Georeferenzierungsmodul des Global Mappers:

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

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

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5. Service für das Georeferenzieren von Karten

Möchten Sie Ihre Karten georeferenziert weiterverwenden?
Wir unterbreiten Ihnen gern ein attraktives Angebot.

merkartor • Kartographie- und Scanstudio
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6. 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 oben verfasste Leitfaden „Landkarten scannen und georeferenzieren" dient Ihnen zur Information und hat keinen Anspruch auf Vollständigkeit bzw. Korrektheit.

Sofern Sie aber Fehler entdecken oder Anmerkungen zu den Texten haben, würde es mich freuen, wenn Sie mir diese mitteilen.

© Michael Merk • merkartor • Kartographie- und Scanstudio
Telefon: +49 7222 1681482
E-Mail: info@merkartor.de

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Inhaltsverzeichnis

Teil I  Scannen von Landkarten

1. Was läuft beim Scannen von Landkarten im Detail ab?

2. Welche Geräte eignen sich zum Scannen von Landkarten?
2.1 Scannen von ganz kleinen Karten
2.2 Scannen von Karten in gängigen Formaten (Großformat)

3. Welche Grundbegriffe werden beim Scannen und bei der Bildverarbeitung
immer wieder verwendet?
3.1 Farbmodelle
3.2 Pixel/Farbtiefe
3.3 Indizierter Farbmodus/Farbtabelle
3.4 RGB-Farbmodus
3.5 CMYK-Farbmodus
3.6 Auflösung/dpi/Dateigröße

4. merkartor – Ihr Dienstleister für Großformatscans


Teil II  Georeferenzieren von Landkarten

1. Einleitung

2. Was braucht man, bzw. was muss man wissen, um Karten georeferenzieren zu können?
2.1 Informationen über die zu georeferenzierende Karte
2.2 Bedeutung von Passpunkten allgemein
2.2.1 Anzahl der Passpunkte
2.2.2 Verteilung der Passpunkte

3. Methoden der Georeferenzierung (Transformationsverfahren)

4. Programme, mit denen man Karten georeferenzieren kann

5. Service für das Georeferenzieren von Karten

6. Fazit