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Uebungen/04_Spatial_Data_Analytics/Uebung_QGIS_Autobahn.adoc

+= Übung Wo. 4: Raumanalyse mit Vektordaten und QGIS: Modul Data Analytics (M_DatAna), Bachelor Informatik
+Prof. Stefan Keller; Raphael Das Gupta
+FS 2019
+:lang: de
+:figure-caption: Abbildung
+
+Folgen-Abschätzung Autobahn-Bau
+
+.Inhalte
+* Wirkungen eines Autobahnabschnitts auf Lebensraumtypen
+* Einstieg in die Geodatenverarbeitung
+* Arbeiten mit Puffer und Schnittmengen
+
+.Quellenangabe:
+Diese Aufgabenstellung basiert v.a. auf
+Aufgabe 6 des Kurses "Einführung in GIS und digitale Kartographie"
+von Claas Leiner, Uni Kassel, 2010.
+
+
+== Vorbereitung
+
+=== Ziele
+
+:ffh-wp-article: Richtlinie_92/43/EWG_(Fauna-Flora-Habitat-Richtlinie)
+
+Ziel dieser Übung ist es, die Beeinträchtigung von Lebensraumtypen
+Fauna-Flora-Habitat (kurz FFH, eine Europäische Gesetzesrichtlinie,
+siehe https://de.wikipedia.org/wiki/{ffh-wp-article}[Wikipedia])
+und gesetzlich geschützten Biotoptypen durch einen Autobahnbau zu bilanzieren.
+
+Die Einschätzungen von Beeinträchtigungen rechtlich geschützter Biotoptypen
+durch Verkehrsbauwerke sind eine typische Aufgabe der Landschaftsplanung.
+Die Aufgabe orientiert sich am Bau der A44 durch die deutsche Lichtenauer Hochfläche,
+ohne die Originaldaten zu nutzen.
+
+Als Arbeitsdaten stehen
+eine Polygon-Vektordatei (Geopackage umgebung.gpkg)
+mit den Ergebnissen einer Biotoptypen- und Nutzungskartierung,
+eine Linien-Vektordaten (Geopackage autobahn.gpkg)
+mit der Zentrallinie einer fiktiven Autobahntrasse
+sowie
+die Topographische Karte 1:25‘000 (Tk25) (Datei heli.tif) als Hintergrund
+zur Verfügung.
+Weiterhin können Sie im Ordner auf verschiedene Flächensignaturen (Texturen) zurückgreifen.
+
+In der Sachdatentabelle von umgebung.gpkg sind Nutzungstücke (Schläge),
+die einem Lebensraumtyp (sog. ffh_typ_nr) zuzuordnen sind,
+gekennzeichnet (ffh_typ_text).
+Ebenso sind
+besonders geschützte Biotoptypen nach Bundesgesetz (abgekürzt BNatSchG)
+(Feld „geschuetzt_biotop“)
+und
+sonstige Typen des artenreichen Grünlands
+(„bedeutend_gruenland_typ“)
+gekennzeichnet.
+
+Sie sollen ermitteln,
+wie gross die aus Sicht des Arten- und Biotopschutz wertvolle Fläche ist,
+die durch den Autobahnbau vollständig zerstört bzw. beeinträchtigt wird.
+Um diese Frage zu beantworten,
+sind mit Hilfe des „Pufferwerkzeugs“ Beeinträchtigungszonen
+in unterschiedlicher Entfernung von der Zentrallinie zu ermitteln,
+die in weiteren Schritten mit der Biotoptypenkartierung verschnitten werden,
+um beeinträchtigte und nicht beeinträchtige Flächen zu ermitteln.
+
+Die Ergebnisse könnten zum Schluss in eine Tabelle als Flächenbilanz eingetragen werden
+(optional).
+
+
+=== Hilfsmittel
+
+* QGIS (getestet mit QGIS 3.4)
+* Daten:
+** autobahn_inputs.gpkg
+* heli.tif
+
+== Aufgaben:
+
+=== Vorbereitung: Anlegen der Projekt-Datei & Laden der Input-Daten
+
+1. Öffnen Sie QGIS und stellen Sie sicher, dass kein bestehendes Projekt geöffnet ist.
+(Also nur entweder ein neues, noch leeres und ungespeichertes Projekt
+oder noch gar keines.)
+
+2. Laden Sie autobahn_inputs.gpkg mit beiden enthaltenen Vektor-Layern.
+
+3. Falls noch kein Projekt offen war,
+ist nun automatisch ein (noch ungespeichertes) angelegt worden.
+Stellen Sie sicher, dass in den Projekteinstellungen
+das Koordinatenbezugssystem (KBS) auf das deutsche DHDN Gauss-Krüger Zone 3 (EPSG:31467)
+eingestellt ist.
+(Das sollte nach dem Laden der Layer automatisch der Fall sein.)
+
+4. Öffnen Sie über Menü „Projekt“ > „Eigenschaften…“ die Projekteinstellungen,
+geben Sie dem Projekt unter Reiter „Allgemein“ den Titel „Autobahn und Lebensraumtypen“
+und speichern Sie es unter dem Namen „Autobahn_Lebensraumtypen.qgz“
+oder „Autobahn_Lebensraumtypen.qgs“.
+
+
+=== Aufgabe 1: Darstellen der Landnutzung
+
+1. Klassifizieren Sie Layer „umgebung “ mit Hilfe des Attributs bfn_biotop_text,
+um sich einen Überblick über die Biotoptypen zu verschaffen.
+Eine gröbere Darstellung der Landnutzung erreichen Sie
+mit einer Klassifikation nach Feld „nutzung“.
+Erarbeiten Sie sich eine sinnvolle Darstellung
+unter Verwendung von Farben und Texturen.
+Stellen Sie Ihre Klassifizierung als Karte dar.
+
+2. Erstellen Sie ein Kartenlayout und exportieren Sie es als biotoptypen.pdf.
+Wenn Sie Texturen verwenden,
+sollten Sie vor dem Export in der Druckzusammenstellung
+beim Reiter „Allgemein > Druckqualität“
+das Kontrollkästchen bei „als Raster drucken“ ankreuzen.
+
+
+=== Aufgabe 2: Darstellen der Autobahn-Zentrallinie und Erstellen der Pufferzonen
+
+Wenden wir uns nun der Autobahnzentrallinie in Layer autobahn_zentrallinie zu.
+
+1. Stellen Sie die Linie gut sichtbar dar.
+
+2. Der Autobahnkörper misst insgesamt 40m.
+Für eine flächenhafte Darstellung müssen Sie ein Pufferpolygon
+mit einem beidseitigen Abstand von 20 m von der Zentrallinie erstellen.
++
+Dies erreichen Sie über Menü „Vektor“ > „Geoverarbeitungswerkzeuge“ > „Puffer“.
+Der „Eingabelayer“ ist „autobahn_zentrallinie“,
+als „Abstand“ müssen Sie 20 Meter eintragen.
+
+3. Das Resultat dieses Vorgangs wollen wir in einer Datei festhalten.
+Um es als Layer in einer neuen Datei abzulegen,
+klicken Sie auf den Knopf "…" neben dem Feld für den Layername
+und wählen sie "Speichern als Geopackage…".
+Nennen sie die neue Datei autobahn_analyse.gpkg und den neuen Layer trasse_20.
+
+4. Führen Sie die Verarbeitung mit dem Knopf "Starte" durch.
++
+Nun sehen Sie den Autobahnkörper in Ihrem Untersuchungsgebiet.
+
+5. Auch wenn der Layer in der neuen Datei nun trasse_20.gpkg heisst,
+wurde er in QGIS evtl. mit "Gepuffert" beschriftet.
+Benennen Sie ihn gegebenenfalls in "trasse_20" um.
+Das ist über die Layer-Eigenschaften möglich,
+auf die Sie z.B. über das Kontext-Menü des Layer-Eintrags im Layer-Panel gelangen.
+
+6. Die Beeinträchtigungen der Autobahn reichen über die Autobahn-Trasse hinaus.
+Deshalb müssen Sie noch weitere Pufferzonen erzeugen.
++
+--
+Erstellen Sie, ausgehend von der eben erstellten Trasse, zwei weitere „Puffer“:
+
+** Einen mit dem Abstand 100 m als *Temporärlayer* trasse_20_puffer_100
+** Einen mit Abstand 300 m als *Temporärlayer* trasse_20_puffer_300.
+
+trasse_20_puffer_100 kennzeichnet die unmittelbar an die Autobahn angrenzenden Bereiche,
+in denen von grossen Beeinträchtigungen durch Abgase, Lärm und Abwasser auszugehen ist.
+Die Fläche trasse_20_puffer_300 umfasst den weiteren Eingriffsbereich
+bis zu einer Entfernung von 300 m von der Autobahn.
+--
+
+7. Auch hier kann es sein, dass
+die im Hintergrund für die Layer erstellten Temporär-Dateien zwar wie verlangt heissen,
+die Layer in QGIS aber als "Gepuffert" aufgeführt sind.
+Benennen Sie sie entsprechend um.
+
+.QGIS-Dialog zu Puffer.
+image::img/QGIS-Puffer-Dialog.png[]
+
+=== Aufgabe 3: Aus den Pufferzonen sich ausschliessende Ringzonen erstellen
+
+Alle erstellten Pufferpolygone umfassen die gesamte Fläche zwischen Ihren Aussengrenzen.
+Die grossen Pufferflächen überdecken die kleinen Zonen.
+Wir benötigen aber Polygone in Form von einander anschliessenden Zonen,
+die sich nicht überschneiden.
+Um dieses Ziel zu erreichen, verwenden wir versuchshalber das Werkzeug „Differenz“.
+Nach den nun folgenden Verschneidungsprozessen verfügen Sie über
+den Autobahnkörper
+sowie über
+zwei sich ausschliessende und aneinander anschliessende Schalen um die Autobahn.
+
+[start=8]
+.Erstellen der äusseren Beeinträchtigungszone (von 100 m bis 300 m Entfernung von der Autobahn):
+8. Die Fläche des Puffers trasse_20_puffer_100
+ist aus dem Puffer trasse_20_puffer_300 herauszuschneiden,
+um die äussere Beeinträchtigungszone abzugrenzen.
++
+Dies ist mit
+der Menü-Option „Vektor > Geoverarbeitungswerkezeuge > Differenz“
+zu erreichen.
+
+** „Eingabelayer“ = trasse_20_puffer_300 
+** „Layer überlagern“ = trasse_20_puffer_100
+
+9. Speichern sie das Ergebnis
+in der nun schon bestehenden Datei autobahn_analyse.gpkg
+als neuen Layer zone_100_300.
+
+10. Auch hier kann es sein, dass
+QGIS den Layer zwar unter den richtigen Namen speichert,
+aber ins Projekt selbst als "Differenz" einbindet.
+Benennen Sie ihn gegebenenfalls in zone_100_300 um.
+
+.Dialog „Symmetrische Differenz“.
+image::img/QGIS-symetrische-Differenz-Dialog.png[]
+
+[start=11]
+.Erstellen der inneren Beeinträchtigungszone (von der Trasse bis 100 m Entfernung von der Autobahn).
+11. Die Fläche des Puffers trasse_20
+ist aus dem Puffer trasse_20_puffer_100 herauszuschneiden,
+um die innere Beeinträchtigungszone abzugrenzen.
+Speichern Sie sie als Layer zone_100 ebenfalls in analyse.gpkg
+und benennen Sie den Layer in QGIS gegebenenfalls entsprechend um.
+
+** „Eingabelayer“ = trasse_20_puffer_100 
+** „Layer überlagern“ = trasse_20
+
+Folgende Layer sind jetzt wichtig:
+
+* Die beiden Layer mit den Input-Daten
+* Die eigentliche 40 Meter breite Trasse: trasse_20
+* Die Zone von der Trasse bis zu einer Entfernung von 100 m: zone_100
+* Die Zone im Abstand von 100 m bis zu 300 m von der Trasse: zone_100_300
+
+Falls alles geklappt hat,
+können Sie die beiden Temporär-Layer zur besseren Ubersicht ausblenden oder löschen:
+
+* trasse_20_puffer_100
+* trasse_20_puffer_300
+
+=== Aufgabe 4: Zusammenfügen der drei Zonen in einem Layer
+	
+Mit dem Werkzeug zusammenfügen (Merge) lassen sich beliebig viele Geometrien
+mit einem Schritt in einem Layer zusammenfügen.
+
+1. Wählen Sie im Menü Vektor > Datenmanagement-Werkzeuge
+den Eintrag "Vektorlayer Zusammenführen…"
+
+2. Als Eingabelayer wählen Sie:
+** trasse_20
+** zone_100
+** zone_100_300
+
+3. Speichern Sie das Ergebnis in autobahn_analyse.gpkg als Layer "zonen".
+
+4. Auch hier kann es sein, das
+QGIS den neuen Layer unter einem generischen Namen (hier: "Zusammengeführt") einbindet.
+Benennen Sie ihn gegebenenfalls in "zonen" um.
+
+=== Aufgabe 5: Bearbeiten der Attributtabelle der Vektordatei alle_zonen.shp
+
+Der neue Layer verfügt noch über keine
+sinnvollen Attributtwerte für die einzelnen Beeinträchtigungszonen.
+Damit Sie die Fläche unterschiedlich bewerteter Biotoptypen
+in den Beeinträchtigungszonen ermitteln können,
+müssen Sie den Zonen einen Attributwert zuweisen.
+Bearbeiten Sie die Attributtabelle in den Layer-Eigenschaften
+
+1. Öffnen Sie das Kontext-Menü des Laysers "zonen" und wählen Sie "Eigenschaften…".
+
+2. Wählen Sie im Layereigenschaften-Fenster den Reiter "Quellfelder" an.
+
+3. Schalten Sie den Bearbeitungs-Modus an (Knopf mit dem Stift)
+
+4. Löschen Sie alle Felder ausser „layer“ und "fid".
+
+5. Benennen Sie das Feld „layer“ in „zone“ um.
+
+6. Schliessen Sie das Layereigenschaften-Fenster mit «OK».
+
+7. Öffnen Sie das Kontext-Menü des Laysers "zonen"
+und wählen Sie "Attributtabelle öffnen".
+
+8. Andern Sie die Werte in Spalte "zone" wie folgt:
+** trasse_20 -> Trasse
+** zone_100 -> Innen
+** zone_100_300 -> Aussen
+
+9. Sie können anschliessend die überstehenden End-Rundungen der Puffer
+mit dem Zeichenwerkzeug „Bearbeiten > Objekte zerteilen“ abschneiden
+(der Schnitt-Linienzug kann mit Rechtsklick abgeschlossen werden),
+diese Restflächen über „Bearbeiten > Auswahl > ...“ auswählen
+und
+die Restflächen dann mit der Funktion „Bearbeiten > Ausgewähltes Löschen“ löschen.
+
+10. Speichern Sie den Layer (Menü „Layer > Bearbeitungsstatus umschalten“)
+und klassifizieren Sie die Zonen.
+Nutzen Sie Schraffuren oder Punktdichteraster,
+um die darunter liegenden Ebenen nicht vollständig zu verdecken.
+
+=== Aufgabe 6: Abfragen aller naturschutzfachlich hervorragenden Flächen
+	
+Nun sollen alle naturschutzfachlich bedeutenden Flächen
+aus dem Layer Umgebung abgefragt werden.
+Dabei handelt es sich
+um Lebensraumtypen des Anhangs 1 der FFH-Richtlinie (ffh_typ_nr),
+um besonders geschützte Biotoptypen gemäss BNatSchG (geschuetzt_biotop)
+und
+um sonstige Biotoptypen des artenreichen Grünlands (bedeutend_gruenland_typ).
+
+Gehen sie wie folgt vor:
+
+1. Wählen Sie den Layer „umgebung“ im Layer-Panel aus.
+
+2. Öffnen Sie die Attributtabelle („Layer > Attributtabelle öffnen“),
+um sich einen Überblick zu verschaffen.
+(Danach können Sie die Attributtabelle wieder schliessen.)
+
+3. Öffnen Sie über die Menü-Option „Layer > Filter…“ den Abfrageeditor.
+
+4. Stellen Sie mit Hilfe der Schaltflächen im Abfrageeditor eine Abfrage zusammen,
+mit der Sie alle Flächen auswählen, die entweder
+FFH-Lebensräume sind (ffh_typ_nr = 1),
+geschützte Biotope beinhalten (OR geschuetzt_biotop = 1)
+oder
+bei denen es sich um einen sonstigen bedeutenden Grünlandtypen handelt
+(OR bedeutend_gruenland_typ = 1).
++
+Anmerkung:
+In den betreffenden Spalten der Attributtabelle bedeutet der Wert 1 jeweils „trifft zu“.
++
+Ihr SQL-Befehl muss folgendermassen aussehen:
++
+ffh_typ_nr = 1 OR geschuetzt_biotop = 1 OR bedeutend_gruenland_typ = 1
+
+5. Testen Sie die Abfrage.
++
+Die Auswahl sollte 43 Polygone enthalten.
+
+6. Bestätigen Sie mit OK.
+Dadurch wird der Filter auf den Layer angewandt
+und das Abfrageerstellungsfenster geschlossen.
+Sie sehen jetzt alle Flächen,
+die aus Sicht des Biotop- und Artenschutzes wertvoll sind.
+
+7. Speichern Sie die den gefilterten Layer über „Layer > Speichern als…“
+im Geopackage autobahn_analyse.gpkg als Layer "wertvoll" ab.
+Danach können Sie den Filter auf Layer «umgebung» wieder löschen.
+
+
+.Dialog.
+image::img/QGIS-Filter-Dialog_mit_Abfrageergebnis-Meldung_43_Zeilen.png[]
+
+=== Aufgabe 7: Schnittmenge zwischen wertvollen Flächen und Beeinträchtigungszonen
+	
+Als nächstes sind jene naturschutzfachlich wertvollen Flächen zu ermitteln,
+die in den drei Beeinträchtigungsszonen liegen.
+Sie benutzen das Werkzeug „Verschneidung“ (Intersect),
+um die Layer wertvoll und zonen miteinander zu verschneiden.
+Der resultierende Layer enthält ausschliesslich Flächen,
+die naturschutzfachlich wertvoll sind und die gleichzeitig
+durch den Autobahnbau zerstört oder beeinträchtigt werden.
+
+1. Mit der Menü-Option
+„Vektor > Geoverarbeitungswerkzeuge > Verschneidung…“
+verschneiden Sie beide Layer.
+** „Eingabelayer“: zonen
+** „Layer überlagern“: wertvoll 
+** Ziel-Layer: *unbenannter Temporärlayer*
+
+2. Ein Klick auf "Starte" führt zu folgender Fehlermeldung:
++
+____
+Objekt (24) hat ungültige Geometrie.
+Bitte diese Fehler korrigieren
+oder die Verarbeitungseinstellung auf "Ungültige Eingabeobjekte ignorieren".
+
+Ausführung nach 0.01 Sekunden gescheitert
+____
++
+Öffnen Sie die QGIS-Optionen über Menü "Einstellungen" > "Optionen…" und
+ändern Sie unter Reiter "Verarbeitung" > Abschnitt "Allgemein"
+die entsprechende Einstellung "Filterung ungültiger Objekte"
+von "Algorithmenausführung bei ungültiger Geiometrie anhalten"
+auf "Objekte mit ungültiger Geometrie ignorieren."
+
+3. Wiederholen Sie nun die Verschneide-Operation.
+Nun sollte sie gelingen.
+Die Fehlermeldung kommt zwar trotzdem, aber mit «abgeschlossen» anstatt «gescheitert».
+
+4. Der resultierende Layer  ist in QGIS vermutlich
+unter dem Namen "Verschneidung" eingebunden worden.
+Benennen Sie ihn in "intersect_wertvoll" um.
+
+5. Öffnen Sie die Attribut-Tabelle des neuen Layers.
+Die Werte der «fid»-Spalte des 2. Input-Layers («wertvoll»)
+finden sich in der Spalte «fid_2» des neuen Layers wieder.
+Die «fid»-Spalte des 1. Input-Layers (zonen)
+wird im Resultat jedoch als «fid»
+wird in "intersect_wertvoll" jedoch als «fid» wiedergegeben,
+was problematisch ist,
+da QGIS diesen Spaltennamen defaultmässig als PK z.B. von GeoPackage-Layern nimmt,
+die Werte durch die Verschneidung nun aber alles andere als UNIQUE sind.
+
+6. Benennen Sie die «fid»-Spalte von «intersect_wertvoll» in «fid_zone» um
+und beenden Sie den Bearbeitungs-Modus.
+
+7. Über sein Kontext-Menü können Sie Layer «intersect_wertvoll» nun permanent machen.
+Speichern Sie ihn als «intersect_wertvoll» in autobahn_analyse.gpkg.
+Stellen Sie sicher, dass
+der im Feld «FID» angegebene Name keiner schon bestehenden Spalte entspricht.
+
+8. Nun können Sie in der Attributtabelle des Layers „intersect_wertvoll“
+(Menü „Layer > Attributtabelle öffnen“)
+oben rechts den „Feldrechner“ betätigen.
+Dieser erlaubt es Ihnen, ein neues Feld anhand einer „Expression“ anzulegen.
+Verwenden Sie folgenden Ausdruck,
+um mit QGIS die Fläche unseres Polygons zu berechnen,
+welche dann durch 100 geteilt wird,
+um die Quadratmeter in Aren umzurechnen.
+Das Resultat wird letztlich auf 1 signifikante Stelle nach dem Komma gerundet.
+Ausdruck:
+round($area / 100, 1)
+
+9. Setzen Sie „area“ als „Ausgabefeldnamen“
+und wählen Sie den „Ausgabefeldtypen“ „Dezimalzahl (real)“.
+Bestätigen Sie mit OK und überprüfen Sie, ob
+eine Spalte mit Namen „area“ angelegt wurde.
+
+10. Nun finden sich in der Spalte „area“
+die exakten Flächen der jeweiligen Polygone in Aren auf.
+
+11. Speichern Sie die neue Spalte, in dem
+Sie den Bearbeitungsmodus für den Layer intersect_wertvoll ausschalten.
+
+
+=== Aufgabe 8: Vektordateien klassifizieren und Karten erstellen
+	
+Anschliessend sollen Sie
+Ihre neu erstellten Geometrien als aussagekräftige Karten darstellen.
+Sie sollen die wertvollen Biotoptypen in den Beeinträchtigungszonen
+oder die Konfliktzonen als Karte darstellen.
+
+1. Klassifizieren Sie Layer intersect_wertvoll nach Attribut ffh_typ_text.
+
+2. Löschen Sie den leeren Wert.
+
+3. Der Layer stellt jetzt alle Flächen innerhalb der Beeinträchtigungszonen dar,
+auf denen sich FFH-relevante Biotoptypen befinden.
+
+4. Filtern Sie Layer intersect_wertvoll
+mit Hilfe des Abfrageeditors mit der Abfrage ffh_typ_nr = 0.
+
+5. Speichern Sie die Auswahl über „Layer > Speichern unter…“
+unter dem Layer-Namen "intersect_wertvoll_ ohne_ffh" in autobahn_analyse.gpkg
+
+6. Laden Sie den neuen Layer und klassifizieren Ihn nach bfn_biotop_text
+
+7. Löschen sie den leeren Wert
+und sie erhalten drei Klassen der wertvollen Nicht-FFH-Biotope.
+
+8. Laden Sie die beiliegende Rasterdatei heli.tif
+und verschieben diese anschliessend im Inhaltsverzeichnis nach ganz unten.
+Anschliessend justieren Sie die globale Transparenz
+in den Layereigenschaften von heli.tif soweit,
+dass der Raster-Layer als schwach sichtbarer Hintergrund dienen kann.
+
+9. Nun können Sie eine Karte erstellen,
+welche die durch den Autobahnbau beeinträchtigten wertvollen Biotoptypen darstellt
+und dabei zusätzlich die ffh_typ_nr besonders hervorhebt.
+
+10. Erstellen Sie ein Kartenlayout und exportieren Sie es als PDF.
+(Aktivieren Sie vorher unter Allgemein: „als Raster drucken“)
+
+11. Ein Beispiel für eine mögliche Kartendarstellung sehen Sie auf der folgenden Seite.
+Sie müssen jedoch kein Layout mit zwei Karten erstellen.
+Es reicht, wenn Sie sich für eine inhaltliche Aussage entscheiden
+und diese in einem sinnvollen Kartenlayout visualisieren.
+
+
+=== Abschluss
+
+Folgende Dateien müssen nun vorhanden sein:
+
+* Die einfache Biotoptypenkarte.
+* Ein fertiges Kartenlayout im PDF-Format, welches entweder
+die wertvollen Biotoptypen im Beeinträchtigungsbereich
+oder
+die Konfliktzonen aus Sicht des Biotop- und Artenschutzes
+darstellt.
+
+.Beispiel-Layout.
+image::img/Karte_mit_Legende.png[]
+
+[]