Zeitreisen mit QGIS: Temporale Daten visualisieren und animierte GIFs erstellen

Dieses Arbeitsblatt erklärt, wie temporale Daten wirkungsvoll mit Hilfe von QGIS visualisiert werden können. Der Begriff “temporale Daten” bezieht sich auf Raum-Informationen, die eine zeitliche Komponente enthalten. Räumlich-zeitliche Daten sind Informationen, die sowohl räumliche (Ort) als auch zeitliche (Zeit) Aspekte enthalten. Dadurch können Entwicklungen und Veränderungen an einem bestimmten Ort über einen bestimmten Zeitraum dargestellt werden. Konkret wird dies am Beispiel der städtischen Bebauung in Zürich dargestellt, wobei die historische Entwicklung der Bautätigkeit im Zeitverlauf betrachtet wird.

Die “Zeitreise” im Titel bezieht sich metaphorisch auf die Möglichkeiten von QGIS, zeitbezogene Geodaten zu visualisieren. Es geht also nicht um tatsächliche Zeitreisen, sondern darum, wie man mit GIS-Technologie historische Daten im Zeitverlauf darstellen kann, z.B. durch animierte Karten oder Grafiken.

In den folgenden Kapiteln wird die Theorie zum Umgang mit zeitbezogene Geodaten erläutert und durch praktische Übungen veranschaulicht, um einen Einblick in die Arbeit in QGIS zu geben. Der Schwerpunkt liegt dabei auf zwei Punkten:

Das Konzept der temporalen Datenhaltung kommt aus der Informationstechnik, das die zeitliche Entwicklung von Daten bei Speicherung in einer Datenbank festhält. Es ermöglicht die Rekonstruktion von Datenwerten zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit oder Zukunft. Es gibt zwei Arten der zeitlichen Betrachtung: Gültigkeitszeit und Transaktionszeit. Die Gültigkeitszeit ist der Zeitraum, in dem ein Datenelement in der realen Welt gültig ist, während die Transaktionszeit der Zeitpunkt ist, an dem ein Datenelement im Datenbestand gespeichert wurde. Temporale Datenhaltung ist erforderlich, wenn alle Änderungen an den Daten dokumentiert werden müssen.

In unserem spezifischen Anwendungsfall ist die Gültigkeitszeit von besonderer Relevanz. In Kombination mit räumlichen Geodaten ermöglicht die temporale Datenhaltung eine detaillierte Nachverfolgung von räumlichen Veränderungen über die Zeit. Dies kann zur Veranschaulichung verschiedenster Phänomene dienen, wie etwa der Entwicklung von Umweltmerkmalen, urbaner Expansion oder Veränderungen in der Landnutzung.

Wir wollen die Veränderung des Gebäudebestandes in der Stadt Zürich darstellen. Dazu wird ein Datensatz für Gebäude und Wohnungen im Kanton Zürich verwendet. Der Datensatz wurde von opendata.swiss bezogen, für die Stadt Zürich gefiltert und mit dem Datumsfeld “baujahr” ergänzt. Im bestehenden Datensatz liegt das Baujahr nur als numerischer Wert vor, für die Zeitsteuerung wird jedoch ein Feld vom Typ Datum benötigt.

Es wurden alle Werte ausserhalb einer gewissen Zeitspanne (engl. range) und solche ohne Baujahr herausgefiltert.

Zudem wurden die Punkte bereits gruppiert dargestellt, sodass die ältesten Gebäude möglichst dunkel und die neusten möglichst hell dargestellt werden.

In den Layereigenschaften gibt es einen Menüpunkt “Zeitlich” (1). Da kann für einen Layer die dynamische Zeitsteuerung aktiviert werden (2).

Ist diese aktiviert, kann zwischen verschiedenen Konfigurationen ausgesucht werden. Mehr Details dazu sind im QGIS User Manual zu finden.

Anschliessend muss das “Zeitsteuerungsfenster” geöffnet werden (1). Darin kann dann die Funktionalität auch gestartet werden (2).

In dem gestarteten “Zeitsteuerungsfenster” kann dann die Zeitspanne gesetzt (1) und die zeitliche Schrittgrösse (2) definiert werden. Über die Steuerungsknöpfe (3) kann die zeitliche Abfolge dann gesteuert werden.

Im Folgenden wird erläutert, wie die animierte Visualisierung mit Beschriftungen (Labels) und Dekorationen als zusätzliche Informationen angereichert werden kann.

Nach Übung 1: Zeitsteuerung in QGIS solltet Ihr eine schöne Übersicht der Entwicklung der Stadt Zürich haben. Damit nun aber auch ersichtlich wird, um welches Jahr es sich jeweils handelt und die ganze Darstellung übersichtlicher wird, sollten noch folgende Schritte ergänzt werden:

Als Nächstes wollen wir noch einen Titel hinzufügen

Zum Schluss möchten wir noch eine Legende hinzufügen. Dazu gibt es im Aufgaben Zip bereits ein Legende.gif.

Die Zeitsteuerung bietet noch eine Exportfunktion. Damit können die jeweiligen Kartenausschnitte entsprechend der Schrittgrösse als eine Serie von Bildern abgespeichert werden.

Aus diesen Einzelbildern kann nun ein so genanntes “animiertes” GIF (Graphics Interchange Format) erstellt werden. Ein animiertes GIF ist ein digitales Bildformat, das mehrere Bilder in einer einzigen Datei zusammenfasst, um eine kurze, sich wiederholende Animation (ohne Ton) zu erzeugen, die in einer Endlosschleife abgespielt wird. Normalerweise sind die Bilder alphabetisch nach Dateinamen sortiert. Animierte GIFs werden von allen gängigen Browsern unterstützt.

Für den Export der Bilder ist in QGIS der Symbol-Knopf für Speichern zu verwenden.

Weitere Informationen zur Exportfunktion sind im QGIS User Manual zu finden.

Zum Schluss möchten wir nun ein animiertes GIF mit der entsprechenden Übersicht erstellen.

Folgende Schritte sind dazu nötig.

Die Erfahrung im Umgang mit zeitlichen Daten zeigt, dass die Genauigkeit der Zeit-Werte entscheidend für aussagekräftige Ergebnisse ist.

Die temporale Datenhaltung in QGIS ermöglicht interessante Visualisierungen wie hier die Gebäudeentwicklung der Stadt Zürich. Die Kombination von raum-zeitlichen Daten erlaubt nicht nur die Visualisierung von Veränderungen im Zeitverlauf, sondern auch weitergehende Analysen wie das Erkennen von Mustern oder Trends.

Es gibt eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten der raum-zeitlichen Analyse, wie z.B. die Visualisierung einer Reise, wenn eine mobile GPS-Tracking-Applikation mitgeführt wird. Wieder zurück können die GPX-Trackdaten ausgewertet werden. Die zeitliche Komponente ist ein wichtiger Aspekt in der Geodatenanalyse, der in verschiedenen Bereichen wie Forschung, Stadtplanung und Umweltstudien vielfältige Anwendung findet.

Dieses Unterrichtsmaterial ist Teil von OpenSchoolMaps, insbesondere des Themas “Einführung in QGIS 3 und in Geoinformationssysteme (GIS)”. Wer mehr Informationen sucht, sollte dort zuerst nachschauen.

Weiterführende Quellen sind:

Frage 1: Was bewirkt die Checkbox "Objekte über Zeit sammeln"?

Frage 2: Was macht es in diesem Anwendungsfall etwas schwieriger?

Frage 3: Wie könnte das obige Problem gelöst werden?

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