QGIS georeferenzieren: Karte oder Bild, 3 Methoden

Um eine Karte oder ein Bild in QGIS zu georeferenzieren, öffnen Sie Layer > Georeferenzierung…, laden den Scan mit Datei > Raster öffnen, setzen mindestens vier Passpunkte, die Sie eindeutig erkennen können, und geben deren echte Koordinaten ein. Wählen Sie dann unter Einstellungen > Transformationseinstellungen die Transformation Polynomial 1 und ein projiziertes Ziel-Koordinatenbezugssystem (KBS) und starten Sie mit Georeferenzierung starten. QGIS schreibt einen GeoTIFF und fügt ihn Ihrem Projekt hinzu. Englische Oberfläche: Layer > Georeferencer, File > Open Raster, Settings > Transformation Settings, Start Georeferencing.

Das Setzen der Punkte ist der einfache Teil. Der Teil, den die meisten Tutorials auslassen, ist die Bewertung des Ergebnisses, denn die Zahl, die Ihnen QGIS anzeigt, kann null sein, während die Karte hunderte Meter danebenliegt. Ich habe eine USGS-Karte von San Francisco aus dem Jahr 1947 georeferenziert und jedes Ergebnis gegen Punkte gemessen, die die Anpassung nie gesehen hat. Die Zahlen unten stammen aus diesem Test.

Die kurze Antwort

Bevor Sie beginnen

Sie benötigen QGIS 3.26 oder neuer, wo die Georeferenzierung im Menü Layer sitzt. Ich habe QGIS 3.44.7 verwendet. Ältere Tutorials schicken Sie zu Raster > Georeferenzierung, wo sie früher als GDAL-Georeferencer-Plugin lebte.

Bevor Sie irgendetwas anklicken, lesen Sie den Kartenrand ab. Er verrät Ihnen drei Dinge, die Sie später eintippen werden: das Koordinatensystem der gedruckten Werte, das Datum und den Maßstab. Mein Beispiel ist das Kartenblatt San Francisco North, CA des USGS von 1947 im Maßstab 1:24.000, das jeder von topoView herunterladen kann. An seinem Kartenrand steht „Polyconic projection. 1927 North American datum“, und an den Ecken stehen Breiten- und Längengrade alle 7'30". Historische USGS-Karten sind gemeinfrei.

Um den Test ehrlich zu halten, nahm ich den eigenen GeoTIFF des USGS von diesem Kartenblatt und entfernte seine Georeferenzierung, sodass das, was ich in QGIS lud, ein schlichtes JPEG mit 9,2 MB und 6.888 × 8.933 Pixeln war. Das sind etwa 300 dpi oder 2,03 m Boden pro Pixel. Die Georeferenzierung des USGS blieb als Musterlösung an der Seite stehen.

Wo das Internet hier falschliegt

„Je niedriger der RMSE, desto besser das Ergebnis.“ Nicht bei einem Thin-Plate-Spline. Diese Transformation verformt das Bild, bis es exakt durch jeden Punkt verläuft, sodass ihre Residuen immer null sind. Ich habe absichtlich einen Breitengrad falsch eingetippt, 37°47' statt 37°47'30", und beide Transformationen mit denselben acht Punkten ausgeführt. Polynomial 1 zeigte einen RMSE von 297 m und schob 762 m davon auf den falschen Punkt. Der Thin-Plate-Spline zeigte 0,00 m, und die Karte lag an Punkten, die er nicht erhalten hatte, bis zu 594 m daneben.

„Geben Sie die Koordinaten in WGS 84 ein.“ Die gedruckten Werte auf älteren US-Karten sind oft NAD27, und genau das sagt der Kartenrand. In San Francisco liegen dieselben Breiten- und Längengrade in NAD27 und in WGS 84 93 m auseinander, davon 92 m von Ost nach West. Geben Sie sie als EPSG:4326 ein, landet das ganze Kartenblatt einen Block daneben, mit Residuen, die perfekt aussehen, weil sich alle Punkte gemeinsam bewegt haben. Setzen Sie im Dialog „Kartenkoordinaten eingeben“ das KBS der Punkte auf das, was der Kartenrand sagt: EPSG:4267 für NAD27.

„Lassen Sie das Ziel-KBS in Grad.“ Sie können das, aber eine flache affine Anpassung in Breiten- und Längengraden passt nicht dazu, wie eine projizierte Karte gezeichnet wurde. Mit denselben acht Punkten ergab Polynomial 1 einen RMSE von 2,98 m mit EPSG:4267 als Ziel und 0,72 m mit NAD27 / UTM-Zone 10N (EPSG:26710). Wählen Sie ein projiziertes KBS auf dem Datum der Karte, dann wird die Anpassung ebenfalls in Metern angezeigt.

Methode 1: Die Georeferenzierung in QGIS

Das ist das integrierte Werkzeug und das, das man zuerst lernen sollte. Es funktioniert für Scans mit gedruckten Koordinaten und für Scans ohne.

Jeder Punkt, den Sie hinzufügen, landet in einer .points-Datei neben dem Bild. Behalten Sie sie: Die Georeferenzierung lädt sie von selbst, wenn Sie denselben Scan das nächste Mal öffnen, und Sie können einen Punkt korrigieren, statt von vorn zu beginnen.

Die Transformation wählen

Einstellungen > Transformationseinstellungen enthält die Entscheidung, die am meisten zählt. Das QGIS-3.44-Handbuch listet sieben Transformationen mit diesen Mindestpunktzahlen auf:

Meine Faustregel: Beginnen Sie mit Polynomial 1. Wechseln Sie zu etwas Flexiblerem nur dann, wenn die Residuen ein Muster zeigen, etwa dass alle Punkte auf einer Seite in dieselbe Richtung ziehen, und niemals, weil eine höhere Zahl schlechter aussah.

Zwei Einstellungen in diesem Dialog ersparen später Ärger. Abtastmethode ändert, wie die entzerrten Pixel aussehen: Nächster Nachbar behält die Originalfarben, Kubisch liest sich auf einem Scan besser. Und die Ausgabe ist standardmäßig unkomprimiert: Aus meinem 9,2 MB großen JPEG wurde ein 187 MB großer GeoTIFF. Öffnen Sie Rastererzeugungsoptionen und wählen Sie ein Komprimierungsprofil, wenn die Datei weitergegeben werden soll.

Die Residuen ablesen

Sobald Sie mehr Punkte haben, als die Transformation braucht, zeigt QGIS das Residuum jedes Punkts in der GCP-Tabelle und einen mittleren Fehler in der Statusleiste an, beide in Pixeln bei einem Scan ohne Koordinaten.

Um eine Pixelangabe zu beurteilen, rechnen Sie sie in Meter um und vergleichen Sie sie mit dem, was die Karte selbst leisten kann.

1. Meter pro Pixel. Multiplizieren Sie den Maßstabsnenner mit der Größe eines gescannten Pixels. Bei 300 dpi ist ein Pixel 0,0847 mm groß, also deckt es auf einer Karte im Maßstab 1:24.000 2,03 m ab. Meine 0,447 Pixel sind 0,9 m.
2. Was die Karte versprechen kann. Die US National Map Accuracy Standards verlangen, dass 90 Prozent der klar definierten Punkte auf einem Kartenblatt im Maßstab 1:24.000 innerhalb von 1/50 Zoll liegen, was das USGS mit 12,2 m angibt. Eine strengere Faustregel ist die Breite einer gezeichneten Linie, 0,2 mm auf dem Kartenblatt, was bei 1:24.000 4,8 m sind.
3. Punkte, die die Anpassung nie gesehen hat. Ein Residuum sagt nur, dass die Punkte untereinander übereinstimmen. Ich habe die acht Gradnetz-Striche an den Rändern aus der Anpassung herausgehalten und gemessen, wohin das Ergebnis sie setzte: im Mittel 1,0 m daneben, im schlimmsten Fall 1,6 m.

Die Georeferenzierung hat also etwa einen Meter Fehler zu einer Karte hinzugefügt, die nur 12 m verspricht. Bei einem alten Kartenblatt ist fast immer die Karte die Grenze, nicht Ihre Klicks.

Danach schrieb Georeferenzierung starten den GeoTIFF in 34 Sekunden und fügte ihn dem Projekt hinzu. Auf OpenStreetMap landen die Straßen von 1947 auf den heutigen:

OpenStreetMapKarte von 1947

Zum Vergleichen ziehen

Verwenden Sie es, wenn: Sie ein Ergebnis wollen, das Sie verteidigen können, mit Residuen, einer .points-Datei und einem GeoTIFF, den jede GIS-Software liest.

Überspringen Sie es, wenn: Sie nur für ein paar Minuten eine grobe Hintergrundkulisse brauchen. Methode 3 ist dafür schneller.

Methode 2: Passpunkte mit AI Agent prüfen

Wir entwickeln AI Agent, ein kostenloses QGIS-Plugin mit einem Chat-Bedienfeld, das die Schritte in Ihrem geöffneten Projekt ausführt. Dieser Abschnitt handelt von unserem eigenen Werkzeug. Es enthält ein Georeferenzierungs-Werkzeug, das Passpunkte als Pixel- und Koordinatenpaare entgegennimmt, eine der Transformationen der Georeferenzierung über GDAL anpasst und das Residuum jedes Punkts in Metern zurückgibt, bewertet anhand des Kartenmaßstabs.

Es kann auch einen Scan ganz ohne Punkte verorten, indem es seine Ortsnamen liest und ihn mit Referenzkarten abgleicht: Eine alte Karte von Edinburgh in der Anleitung zu AI Agent landete mit einem Median-Fehler von 5,9 m. Dafür braucht es lesbare Namen, und sehr alte Kartenblätter scheitern oft. Bei einer Karte mit aufgedrucktem Gradnetz sind die Punkte der sicherere Weg, und das Ablesen geht schnell: Ein Bild ohne Koordinaten liegt in QGIS mit der Pixelspalte als x und minus der Zeile als y, sodass die Statusleiste das Pixel unter Ihrem Cursor anzeigt. Ich lud den Scan, behielt den Tippfehler aus dem Test oben in Punkt 8 bei und schickte eine Nachricht:

Georeferenziere den Layer sf-north-1947-scan. Es ist das Kartenblatt San Francisco North des USGS von 1947, Maßstab 1:24.000, Koordinaten in NAD27. Ich habe diese Passpunkte auf dem Scan abgelesen (Pixelspalte, Zeile → Breitengrad, Längengrad): 1. 1022, 792 → 37°52'30"N, 122°30'W (NW-Ecke) [...] 8. 4632, 5344 → 37°47'N, 122°25'W. Ist das Ergebnis für eine Karte im Maßstab 1:24.000 genau genug?

Die Ausführung dauerte 99 Sekunden, im Bedienfeld als 14 Aktionen angezeigt. Der Agent las den Layer, passte die acht Punkte in Python an, um sie zu prüfen, stellte fest, dass Punkt 8 925 m von der Position entfernt war, an die seine Zeile ihn setzte, ließ ihn aus und schrieb den GeoTIFF aus den anderen sieben in NAD27 / UTM-Zone 10N.

Es fragte einmal nach, bevor es seine eigene Python-Prüfung ausführte. Seine Antwort ergab einen RMSE von 0,73 m mit einem Maximum von 0,95 m gegenüber einer Toleranz von 4,8 m und ergänzte, dass dies die Übereinstimmung zwischen den Punkten misst, nicht die absolute Genauigkeit der Karte.

Ich habe seinen GeoTIFF auf dieselbe Weise geprüft wie meinen, an den acht Randstrichen, die er nie gesehen hat: im Mittel 1,0 m daneben, im schlimmsten Fall 1,6 m, genau wie bei der Georeferenzierung in QGIS. Der Unterschied ist der Tippfehler. Dort hätte ich ihn selbst in der Residuen-Spalte entdecken müssen, und bei einem Thin-Plate-Spline hätte ich ihn überhaupt nicht entdeckt.

Es hinterließ die Punkte zudem als .points-Datei neben der Ausgabe, sodass sich dieselbe Anpassung in der Georeferenzierung öffnet, wenn Sie einen Punkt von Hand verschieben möchten. Jede Nachricht hinterlässt einen Wiederherstellungspunkt im Bedienfeld, und ein Klick macht die gesamte Ausführung rückgängig. Der Free-Tarif umfasst 5 Nachrichten pro Monat, ohne API-Schlüssel und ohne Karte.

Verwenden Sie es, wenn: Sie die Punkte haben und die Anpassung, die Ausreißer-Prüfung und das Urteil in einem Schritt wollen, oder wenn Sie Kartenblätter einer Serie georeferenzieren.

Überspringen Sie es, wenn: die Karte weder lesbare Ortsnamen noch Punkte hat, die Sie ablesen können, etwa bei einer handgezeichneten Skizze. Das manuelle Setzen der Punkte in Methode 1 ist dann der einzige Weg.

Methode 3: Eine freihändige Überlagerung mit einem Plugin

Das Plugin Freehand raster georeferencer, Version 0.8.3, als ich seine Dokumentation gelesen habe, lässt Sie ein Bild auf die Karte legen und es von Hand verschieben, drehen und skalieren, bis es ausgerichtet ist, so wie Sie es in Google Earth tun würden. Das Ergebnis erscheint sofort über Ihren anderen Layern, und das Plugin exportiert das Bild mit einer World-Datei, wenn Sie fertig sind.

Die README nennt die Grenzen eindeutig: nur affine Transformationen, kein Rubber-Sheeting, keine Residuen und nur BMP-, JPEG-, PNG- und TIFF-Dateien. Sie erhalten keine Zahl, die angibt, wie weit Sie danebenliegen.

Verwenden Sie es, wenn: Sie einen gescannten Plan grob an Ort und Stelle brauchen, um ein paar Objekte nachzuzeichnen oder einem Kunden zu zeigen, wo sich etwas befand.

Überspringen Sie es, wenn: jemand auf dem Ergebnis messen wird. Verwenden Sie Methode 1.

Was Sie sich merken sollten

• In QGIS 3.26 und neuer ist das Werkzeug unter Layer > Georeferenzierung…. Beginnen Sie mit vier gut verteilten Punkten, Polynomial 1 und einem projizierten Ziel-KBS auf dem eigenen Datum der Karte.
• Ein RMSE von null beweist nichts: Ein Thin-Plate-Spline erreicht ihn immer, und in meinem Test tat er das bei einer Karte, die 594 m danebenlag.
• Rechnen Sie Residuen in Meter um (Pixel x Bodengröße eines Pixels) und vergleichen Sie sie mit dem, was die Karte verspricht, 12,2 m für ein USGS-Kartenblatt im Maßstab 1:24.000.
• Prüfen Sie das Ergebnis an Punkten, die Sie aus der Anpassung ausgeschlossen haben. Meine lagen beim Kartenblatt von San Francisco 1947 im Mittel 1,0 m daneben.
• Geben Sie die Punkte in dem Datum ein, das der Kartenrand nennt. NAD27 liegt in San Francisco 93 m von WGS 84 entfernt, also benötigt ein USGS-Kartenblatt von 1947 EPSG:4267.
• Sobald der Scan an seinem Platz liegt, zeichnen Sie seine Objekte in Vektorlayer nach: Unsere Anleitung zum Digitalisieren in QGIS behandelt Snapping, Nachzeichnen und die Formwerkzeuge.

Häufige Fragen

Wo finde ich die Georeferenzierung in QGIS?

In QGIS 3.26 und neuer befindet sie sich unter Layer > Georeferenzierung…. In älteren Versionen war es Raster > Georeferenzierung, bereitgestellt vom GDAL-Georeferencer-Plugin, das in der Erweiterungsverwaltung aktiviert werden musste. Wenn sie in keinem der beiden Menüs zu sehen ist, haben womöglich ein Plugin oder ein Anpassungsprofil Ihre Menüs verändert.

Wie viele Passpunkte brauche ich?

Das Minimum ist 2 für Linear und Helmert, 3 für Polynomial 1, 4 für Projektiv, 6 für Polynomial 2 und 10 für Polynomial 3, und das QGIS-Handbuch verlangt 10 oder mehr für einen Thin-Plate-Spline. In der Praxis verwenden Sie etwa das Doppelte des Minimums, verteilt auf die Ecken, und halten Sie einige weitere als Kontrollpunkte zurück. Ich habe 8 für Polynomial 1 verwendet und 8 weitere zur Prüfung.

Polynomial, Helmert oder Thin Plate Spline: welche?

Helmert für einen sauberen, flachen Scan, der nur gedreht und skaliert werden muss. Polynomial 1 für fast jede gedruckte Karte, da es auch eine kleine Scherung durch den Scanner aufnimmt. Thin Plate Spline nur für eine beschädigte oder handgezeichnete Karte mit vielen guten Punkten, und dann prüfen Sie es an Punkten, die Sie nicht verwendet haben, denn seine Residuen sind immer null.

Was ist ein guter RMSE?

Einer, der klein ist im Vergleich zu dem, was die Karte leisten kann. Rechnen Sie ihn in Meter um und vergleichen Sie ihn mit 0,2 mm mal Maßstabsnenner (4,8 m bei 1:24.000) oder mit dem offiziellen Standard der Karte (12,2 m für USGS-Kartenblätter im Maßstab 1:24.000). Unter einem Pixel bei einem sauberen Scan ist normal. Ein einzelner Punkt mit einem Residuum weit über den anderen ist meist ein Tippfehler oder ein falscher Klick, keine schlechte Karte.

Wie georeferenziere ich ein PDF?

Prüfen Sie zuerst, ob es das bereits ist. USGS-Topografiekarten und viele Behördenpläne sind GeoPDFs, und QGIS öffnet sie direkt an Ort und Stelle: Das San-Francisco-PDF von 1947 wurde mit seinen Koordinaten und ohne Passpunkte geladen, von GDAL mit 150 dpi gerendert, sofern Sie GDAL_PDF_DPI nicht höher setzen. Ein reines PDF hat keine Koordinaten: Exportieren Sie die Seite mit 300 dpi als PNG oder TIFF und verwenden Sie dann Methode 1.

Wie georeferenziere ich eine Karte ohne Koordinaten?

Verwenden Sie Objekte, die sich seit dem Zeichnen der Karte nicht bewegt haben, etwa Straßenkreuzungen, Brücken, Kirchen und Küstenlinien-Ecken, und übernehmen Sie ihre Koordinaten mit Aus Kartenansicht auf einer Basiskarte oder auf Ihrem nationalen Orthofoto. Verteilen Sie 10 oder mehr davon über das Kartenblatt. Erwarten Sie größere Residuen als bei einem aufgedruckten Gitternetz, denn die alte Karte und die heutige Welt stimmen nicht mehr überall überein.

Der QGIS-KI-Hub sammelt, was KI in QGIS kann und nicht kann, und die Anleitung zu AI Agent behandelt den Rest des Plugins. Sobald die alte Karte an Ort und Stelle liegt, können Sie OpenStreetMap-Daten herunterladen, um sie mit den heutigen Straßen zu vergleichen, ein Sentinel-2-Bild derselben Gegend holen oder den Scan in Vektoren umwandeln.