Vom Pixel zur Karte -

TIFs, World Files und andere Formate


Immer wieder erreichen uns Anfragen zu digitalen Karten und manchmal auch Hilferufe, wenn sich digitale Karten so gar nicht verhalten, wie es der Besitzer erwartet: Da hat man z.B. wunderschöne TIF-Dateien, natürlich gepaart mit einer TFW-Datei, aber OZI-Explorer, Fugawi und deren Verwandten sträuben sich, die Karte zu importieren. Sie zeigen bestenfalls das Kartenbild, aber die Koordinaten haben so rein gar nichts mit der kartografierten Gegend zu tun. Da baut sich so mancher Frust auf. Wer hat Schuld? Die Karte? Die Software? Der Benutzer? Alle zusammen ..?/p>

Grund genug, uns einmal etwas näher mit dem Thema zu beschäftigen.

Das Problem ist so alt wie die Versuche, Karten zu digitalisieren: Papierkarten werden gescannt und in eine Bilddatei gespeichert als so genannte Rastergrafik, die aus unzähligen Bildpunkten (Pixel) besteht. Daher stammt auch der Name DRG-Karten (Digital Raster Graphic).

Gescannte Karte ...
Gescannte Karte

Man kann die einzelnen Bildpunkte sehen ...
Ausschnitt stark vergrößert: Man kann die einzelnen Bildpunkte sehen

Für die Bilddatei hat man schon eine Menge von Formaten zur Auswahl: Angefangen vom Platz fressenden BMP (Bitmap), über das GIF (Graphic Interchange Format) bis hin zum JPG (Bitmap komprimiert nach Standard der Joint Photographic Experts Group) haben die Digitalisierer viele Möglichkeiten, die Rastergrafik in eine Datei zu zwängen. Im Wesentlichen besteht aber die Bilddatei aus einer Beschreibung der Bildpunkte mit Position (Zeile, Spalte) und Farbe. In unserem oberen Bildausschnitt hat z.B. das Pixel in der Zeile 3, Spalte 2 die Farbe hellgrün.

Bei den gescannten Karten ist es erforderlich zu wissen, welche Auflösung beim Scannen verwendet wurde: Die Auflösung gibt nämlich an, wie viele Bildpunkte pro Inch (DPI = Dots per Inch) vorhanden sind.

Hat man eine Karte zum Beispiel mit 600 DPI gescannt, so braucht man für die Abbildung eines Zentimeters auf der Karte viel weniger Bildpunkte als bei einer Karte, die mit 1200 DPI gescannt wurde. Die Umrechnung einer Entfernung zwischen zwei Wegpunkten auf der Karte errechnet sich im Prinzip somit aus der Anzahl der Bildpunkte, dem Maßstab und der Auflösung.

Mit 600 DPI gescannt
Mit 600 DPI gescannt

Mit 1200 DPI gescannt
Mit 1200 DPI gescannt

Doch ist es mit dem Bild allein nicht getan, denn jede Karte benötigt eine Menge an Zusatzinformationen, damit man sie verwenden kann: Maßstab, Projektion, Map-Datum und Grid sind ebenso nötig wie die Angabe von Koordinaten als Bezugspunkten, damit man die Karte auch richtig einordnen kann. Erst mit der Zusatzinformation wird aus einem einfachen gescannten Bild eine georeferenzierte Karte.

Und viele Kartenanbieter haben sich da so ihre eigenen Systeme ausgedacht: Manche legen die Zusatzinformationen zu dem Bild in eine Datei, andere haben ganze Bündel von Zusatzdateien erfunden. Auch die Art, wie die Informationen geschrieben werden, variiert: So kann man z.B. das Bezugssystem "WGS84" auf unendlich viele Möglichkeiten verschlüsseln und in eine Datei schreiben. Klar, dass man dann für solche Karten auch immer die passende Software kaufen muss, was uns Benutzer in der Regel extrem verärgert ...

Für die universellen Navigationsprogramme wie z.B. OZIExplorer bedeutet es, dass sie möglichst viele dieser Formate interpretieren können müssen, was Programmierer auch nicht wirklich glücklich macht.

Aber es haben sich zwischenzeitlich "Standards" etabliert.

Eine Basis ist das TIF-Format (Tagged Image File), das von Adobe entwickelt wurde. Damit ist es möglich, in einer Datei das Bild durch Zusatzinformationen, so genannte Tags, zu ergänzen. Solche Tags können vielfältige Informationen enthalten. Die Tags haben einen Namen (häufig aus Ziffern bestehend) und einen oder mehrere Werte. Somit bieten sich die Tags an, die Daten für die Georeferenzierung zu speichern.

Bei Institutionen wie USGS, Intergraph, ESRI, ERDAS und vielen anderen wurden solche Tags ersonnen. Allgemeingültige Tags z.B. für die Festlegung der Projektion sind zusammengetragen worden und im GeoTIFF-Format beschrieben. Leider ist dieser Standard nur ein Vorschlag und für Kartenanbieter nicht bindend. Die Dateien enden dann zwar alle auf .TIF, aber welche Tags mit welchen Informationen nun tatsächlich darin enthalten sind, kann man von außen nicht sehen. Oft findet man undokumentierte Tags.

Wer Probleme mit Karten im TIF-Format hat, kann sich mit dem kostenlosen ASTiffTagViewer die Tags anzeigen lassen und die vorhandenen Tags gegen das GeoTIFF-Format prüfen. Und so klärt sich oft relativ schnell, woran es fehlt.

Tags für die Georeferenzierung enthalten ...
Vorbildlich: In der kostenlosen Hawaii-Karte sind Tags für die Georeferenzierung enthalten

Fehlend: Tags der Georeferenzierung ...
Nicht verwendbar: In einer kostenfreien Karte des Britischen Ordnance Survey fehlen die Tags der Georeferenzierung

Nur wenn die Kartenanbieter die TIF-Dateien gemäß GeoTIF-Format erstellen und alle erforderlichen Angaben bereitstellen, können die universellen Navigationsprogramme diese Karten problemlos laden und verwenden.

Eine Datei im GeoTIF-Format kann alle Informationen für die Georeferenzierung enthalten. Das muss aber nicht so sein, manchmal gehört zu einer TIF-Datei noch ein so genanntes "World File" dazu, das von ESRI entwickelt wurde.

Zum Beispiel werden die Luxemburger topografischen Karten ausgeliefert als LUX01.TIF mit LUX01.TFW.

Warum man bei GeoTIF auch noch World Files dazu packt, anstatt die Möglichkeiten von GeoTIF richtig zu nutzen, wird sich uns Anwendern nie erschließen. Das wissen nur die Kartenanbieter selbst und wir stellen uns ernsthaft die Frage, ob die darüber immer ausreichend nachgedacht haben ...

World-Files enthalten immer 6 Zeilen:

  • Zeile 1: Breite eines Pixels (x), wird errechnet aus (Maßstab / Auflösung beim Scannen) * 0,0254
  • Zeile 2: Ist immer 0 und für Rotationsangaben reserviert
  • Zeile 3: Ist immer 0 und für Rotationsangaben reserviert
  • Zeile 4: Höhe eines Pixels (y), wird errechnet aus Minus (Maßstab / Auflösung beim Scannen) * 0,0254
  • Zeile 5: Obere Ecke der Karte (Easting)
  • Zeile 6: Obere Ecke der Karte (Northing).

Da in diesen Dateien keine Angaben zu Projektion oder Bezugssystem enthalten sind, reichen sie für die Georeferenzierung nicht aus. Auch Northing und Easting brauchen einen Bezug, wie z.B. die UTM-Zone.

Diese World Files können zu jeder Art von Bilddatei erstellt werden. Sie müssen stets so heißen wie die Bilddatei: Üblicherweise wird die Endung des World Files aus dem 1. und 3. Buchstaben der Endung der Bilddatei gebildet und ein "W" drangehängt.

Beispiele:

  • zu HAWAII.BMP gehört HAWAII.BPW
  • zu FUERTE.GIF gehört FUERTE.GFW
  • zu BERLIN.JPG gehört BERLIN. JGW.

Aber es finden sich mittlerweile auch Pärchen wie "HAWAII.BMP" und "HAWAII.BMPW".

Liegt die Bilddatei nicht als TIF-Format vor, sondern als Bitmap, GIF oder ähnliches, muss dann zusätzlich zum World File die Georeferenzierung in einer weiteren Datei mitgeliefert werden, deren Format nicht standardisiert ist. Zum Beispiel können Dateien mit Endungen wie .HDR je nach Kartenanbieter vollkommen unterschiedliche Daten enthalten. Auch hier gilt: Man muss reinschauen, was drin ist und manchmal staunt man!

Besonders anschaulich wird das Problem mit TIFs und World Files bei den bereits oben erwähnten Luxemburger topografischen Karten: Man bekommt die einzelnen Kartensegmente als TIF geliefert, dazu ein TFW als World File und eine Datei mit Endung HDR. Schaut man sich die TIF-Datei genauer an, so fehlen die Georeferenzierungsangaben. Das World File hilft auch nicht weiter, es ist zwar korrekt, aber aus den oben beschriebenen Gründen unzureichend. Auch in der HDR-Datei ist nichts Hilfreiches zu finden. Nur mit dem mitgelieferten Viewer sind die Karten verwendbar (er weiß offensichtlich mehr!). Will man die Karten im OZIExplorer oder in Fugawi oder ... nutzen, muss man die Karten selbst kalibrieren, obwohl man pro Kartenabschnitt immerhin 3 Dateien bekommt ...

Auch Dateien mit Endung .AUX (Auxiliary File, ArcInfo) können zu den Bilddateien mitgeliefert werden. Sie können Georeferenzierungsdaten enthalten aber auch anderes, wie z.B. Statistikdaten zur Rastergrafik. Man findet sie auch von Navigationsprogrammen erzeugt, als Ergebnis der Kalibrierung.

Eine weitere Möglichkeit, gescannte Bilder als digitale Karten zu nutzen, bietet das HDF (Hierarchical Data Format). Dort können ähnlich wie bei TIF Bildinformationen mit Georeferenzierung zusammen in einer Datei gespeichert werden. Z.B. nutzt die NASA das Format HDF. Auch bei HDF gibt es Standards und Empfehlungen, aber genauso wie TIF ist HDF so offen, dass man auch wieder seine eigenen Datenstrukturen in das Schema integrieren kann.

Übersicht SID-Karte Karten aus Satellitenbildern findet man u.a. im MrSID-Format (Multi-resolution Seamless Image Database) vor, das von der Lizardtech entwickelt wurde. Hier werden Bildinformationen in einer SID-Datei und die Georeferenzierung in einer AUX-Datei gespeichert. Zusätzlich haben MrSID-Dateien noch ein World File (SDW) im Schlepp. Die Stärke des MrSID-Formats liegt darin, dass die Bilddaten sehr gut komprimiert werden, was die Dateigröße erheblich reduziert. Navigationsprogramme wie z.B. der OZIExplorer können auch solche Karten importieren, wenn man die entsprechende Erweiterung installiert hat.

Ebenso proprietär wie das MrSID-Format ist das recht verbreitete BSB-Format von Maptech. Auch hier liegt die Stärke in der Kompression. Dateien im BSB-Format enthalten die Georeferenzierung komplett, also ist kein World File nötig. BSB-Karten können von den wichtigsten Navigationsprogrammen problemlos importiert werden.

Proprietäre Formate haben gegenüber den frei verfügbaren Formaten den Nachteil, dass man die Nutzung als Hersteller eines Navigationsprogramms oder als Kartenanbieter lizenzieren muss. Das kann schon den einen oder anderen Euro bzw. Dollar kosten und erklärt auch, warum so manche Free- oder Shareware das eine oder andere Format nicht unterstützt. Der Grund liegt nicht immer am Fleiß des Programmierers.

Damit verlassen wir die Welt der digitalen Karten, denn es gibt noch unzählige Formate (und genau so viele Probleme). Aber mit diesem kleinen Exkurs ist für Interessierte ein Einstieg möglich in die unendliche Welt der Pixel, die sich auf wundersame Weise in digitale Karten verwandeln können ...


© 2005 S. Zerlauth