Geoinformationssystem

Geoinformationssysteme (GIS), Geographische Informationssysteme oder Räumliche Informationssysteme (RIS) sind Informationssysteme zur Erfassung, Bearbeitung, Organisation, Analyse und Präsentation geografischer Daten. Geoinformationssysteme umfassen die dazu benötigte Hardware, Software, Daten und Anwendungen.

Anwendungsgebiete

Geoinformationssysteme werden in vielen Bereichen genutzt, unter anderem in der Umweltforschung, Archäologie, Marketing, Kartographie, Städteplanung, Kriminalogie, Logistik und im Resourcen Management. Mithilfe eine GIS ist es Katastrophenschutzbeauftragten beispielsweise möglich Evakuierungspläne zu erstellen. Umweltschutzbehörden können bestimmen welche Feuchtgebiete in besonders bedrohten Gebieten liegen. Marketingabteilungen können bestimmen in welchen Gebieten durch verstärkte Werbung neue Kunden gewonnen werden können.

Geschichte

Vorgeschichte

Höhlenmalerei aus Lascaux

Bereits vor etwa 15.500 Jahren zeichneten Cro-Magnon-Jäger Bilder ihrer Beutetiere an die Wände der Höhlen nahe Lascaux, Frankreich. Zusammen mit den Tierbildern, wurden Pfad- und Strichzeichnungen gefunden, die als Wanderrouten dieser Tiere interpretiert werden können. Obwohl simpel im Vergleich mit modernen Techniken, stellen diese frühen Darstellungen zwei Elemente der Struktur moderner Geoinformationssysteme (ein Bild verknüpft mit Attributinformationen) dar.

Karte von Dr. John Snow mit den Anhäufungen der Todesfälle bei der Cholera-Epidemie 1854

1854 entwarf der Arzt John Snow eine Karte der Cholerafälle in London. Dabei stellte er jeden Fall als Punkt an der entsprechenden Position dar. Diese Anwendung war damit möglicherweise die erste dieser Art. Snows Studien der Verteilung der Cholerafälle führten zur Quelle der Krankheit, einer kontaminierten Wasserpumpe im Zentrum der Cholera-Karte. Während die Grundelemente von Topologie und Thema bereit zuvor in der Kartographie bekannt waren, zeichnet sich John Snows Karte dadurch aus, dass er diese kartographischen Methoden erstmals nicht nur zur Visualisierung sondern zur Klusteranalyse von räumlichen Phänomenen nutzte.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde die Fotolithografie entwickelt. Diese Technik spaltet den Inhalt der Karte in mehrere Layer auf. Mit der raschen Entwicklung der Computerhardware in den 1960er Jahren entstanden die ersten universellen Kartenerstellungs-Applikationen.

Entwicklung moderner GIS

1962 wurde das erste moderne GIS in Ottawa durch das Department of Forestry and Rural Development entwickelt. Dr. Roger Tomlinson entwickelte dieses GIS namens „Canada Geographic Information System“ (CGIS). Es verfügte über Funktionen zur Speicherung, Analysie und Bearbeitung der Daten des Canada Land Inventory. Ziel der Entwicklung war es die Kapazitäten des Landes (Boden, Landwirtschaft, Wälder, wild lebende Tiere, Wasservögel, Landnutzung) im Maßstab 1:50.000 zu ermitteln. Diesen Daten wurden in Güteklassen kategorisiert um Analysen zu ermöglichen. CGIS war das erste echte GIS und eine Weiterentwicklung der reinen Kartierungs-Applikationen, da es zahlreiche Zusatzfunktionen wie Overlay, Messungen und Digitalisierung/Scannen umfasst. Es unterstütze ein nationales Koordinatensystem, verarbeitete Linien als Bögen mit einer echten Topologie und speicherte die Attribute von den räumlichen Informationen getrennt in seperaten Dateien. Durch diese Entwicklung wurde Tomlinson als „Vater von GIS“ bekannt. CGIS wurde bis in die 1990er Jahre genutzt und war die größte digitale Landressourcen-Datenbank Kanadas. Es wurde als Mainframe-System zur Unterstützung nationaler und regionaler Ressourcenplanung und -managements entwickelt. Eine seiner Stärken war die landesweite Analyse komplexer Daten. CGIS war nie in kommerzieller Form erhältlich.

1964 gründete Howard T. Fisher das Laboratory for Computer Graphics and Spatial Analysis an der Harvard Graduate School of Design. Dort wurden zahlreiche wichtige theoretische Konzepte für die Verarbeitung von Gedaten entwickelt. Bereits in den 1970er Jahren hatte das Team zahlreiche zukunftsweisende Programmcode-Abschnitte und Softwaresysteme wie SYMAP, GRID und ODYSSEY veröffentlicht. Diese waren Inspirationsquellen für spätere kommerzielle Entwicklungen.

In den 1980ern entstanden mit M&S Computing (später Intergraph), ESRI und CARIS wichtige kommerzielle Produzenten von Geoinformations-Software. Ihre GIS umfassten zahreiche CGIS-Funktionen. Sie kombinieren den altbekannten Ansatz räumliche von Attributdaten zu trennen mit dem neuen Ansatz die Attributdaten in Datenbankstrukturen zu speichern.

Parallel dazu begann dass U.S. Army Corp of Engineering Research Laboratory in Champaign, Illinois mit der Entwicklung eines freien GIS namens GRASS GIS.

In den späten 80er und 90er Jahren wuchs die GIS-Industry durch den starken Anstieg der GIS-Nutzung sowohl auf UNIX- als auch auf Windowsrechnern.

Ende des zwanzigsten Jahrhunderts entwickelte sich die GIS-Technologie in Richtung Internet. Dazu war es notwendig Datenformate und -transfer zu standardisieren.

Heute gibt es mehr und mehr Open-Source-GIS, die auf zahlreichen Betriebssystemen laufen und für Spezialanforderungen angepasst werden können.

GIS-Software

Im gewerblichen Bereich dominieren kommerzielle GIS. Zu den bekanntesten Herstellern zählen Autodesk, Bentley Systems, ESRI, Intergraph, Manifold System, Mapinfo und Smallworld. Diese Hersteller bieten meist eine komplette Produktpalette mit Systemen in verschiedenen Ausbaustufen. Behörden und das Militär nutzen meist spezielle eigens erstellte, angepasste, oder Open-Source Softwareprodukte. Die bekanntesten Opensource-GIS sind GRASS GIS, OpenJUMP, DIVA-GIS und Quantum GIS. Auf dem deutschsprachigen Markt dominieren die Produkte von ESRI und Mapinfo. Open-Source GIS spielen eine untergeordnete Rolle. Im privaten Bereich dominieren Online-GIS wie Google Earth.

Verteilte, dienstbasierte Architekturen ermöglichen eine vereinfachte, kostengünstige Geodatendistribution. Die meisten Desktop-GIS unterstützen den Zugriff auf Web-basierte standardisierte Karten- und Geodatendienste. Aktuelle Entwicklungen im Bereich des Web-GIS zeigen eine verstärkte Bedeutung von GIS im Internet auf.

Geoportale als spezifische Ausprägung von Web-GIS sind Webportale für eine Suche nach und einen Zugriff auf geographische Informationen und Dienste (Darstellung, Editierung, Analyse) mithilfe eines Webbrowsers.

Geodaten

→ Hauptartikel: Geodaten

Modellierung

Datenmodell

Datenmodelle beschreiben, welche Daten in einem Informationssystem gespeichert werden können und wie diese Daten strukturiert sind. Es handelt sich dabei also um Informationen über reale Objekte (Personen, Flurstücke, Flüsse). Diese Objekte werden durch ausgewählte Attribute beschrieben. Beispielsweise kann man allen Flurstücken die Attribute Gemarkungsnummer, Flurstücksnummer und Nutzungsart zuordnen. Bei den genannten Eigenschaften handelt es sich um solche, die ein Objekt des Typs Flurstück eindeutig bezeichnen (Gemarkung, Flurstücksnummer) und seiner Beschaffenheit nach beschreiben. Man spricht auch von „beschreibenden Daten“, „thematischen Daten“, „Sachdaten“ oder „Attributdaten“.

Die „klassischen“ Informationssysteme beschränken sich auf die reine Verwaltung und Verarbeitung von Sachdaten. In GIS werden den Sachdaten noch die sogenannten Geometriedaten gegenübergestellt. Sie beschreiben die geographische Lage, Form, Orientierung und Größe von Objekten (siehe auch raumbezogene Objekte). Man unterscheidet Vektordaten und Rasterdaten. Vektordaten repräsentieren die Objektgeometrie anhand grafischer Primitiva (zum Beispiel Punkte, Linien, Kreisbögen). Rasterdaten beschreiben die Objektgeometrie in Form von digitalen Bildern (Kartenbildern oder Luft- bzw. Satellitenaufnahmen).

Ausgedrückt mittels Vektordaten gibt man die Geometrie eines Flurstücks also in Form der Grenzpunktkoordinaten und der Geometrie der Grenzlinien (Strecke, Kreisbogen) an. Der Auszug eines digitalen Luftbildes (meist in Form eines Orthofotos) repräsentiert die Flurstücksgeometrie in Form von Rasterdaten.

Neben den Informationen der einzelnen Objekte speichern Informationssysteme noch Beziehungen zwischen diesen Objekten. Es kann sich um sachlogische Beziehungen oder raumbezogene Beziehungen handeln oder es können beide Beziehungskategorien abbildbar sein, so wie bei einem GIS. Eine sachlogische Beziehung kann man z. B. zwischen Flurstücken und Personen herstellen: Eine „Person“ (Objekt) ist „Eigentümer“ (sachlogische Beziehung) von dem „Flurstück“ (Objekt). Die sachlogischen Beziehungen lassen sich in einem Informationssystem auswerten; Beispiel: Abfrage aller Flurstücke einer bestimmten Person.

Raumbezogene (=topologische) Beziehungen gehen zum Beispiel Flurstücke untereinander ein: ein Flurstück (präziser: die Flurstücksfläche) „ist Nachbar“ (topologische Beziehung) eines anderen Flurstücks. Auch topologische Beziehungen lassen sich in einem GIS auswerten. Beispiele: Die Abfrage aller Nachbargrundstücke zu einem Flurstück.

GIS beherrschen die integrierte Verwaltung der Sach- und Geometriedaten sowie sachlogischer und topologischer Beziehungen. Dadurch können sich Abfragen oder Auswertungen auch auf beide Informationsarten beziehen. Beispiel: Abfrage der Eigentümerdaten (sachdatenbezogener Aspekt) zu allen Flurstücken, die zu einem ausgewählten Flurstück benachbart (topologischer Aspekt) sind und eine Fläche haben, die größer als 1000 m² (geometriebezogener Aspekt) ist.

Datenstrukturmodell

Ein Datenstrukturmodell gibt an, auf welche Weise Objekte und ihre gegenseitigen Beziehungen in einem Informationssystem, hier speziell einem GIS, abgebildet werden können. Für die Speicherung der Objekteigenschaften und -beziehungen hat sich z. B. das Relationenmodell durchgesetzt. Alle Attribute gleichartiger Objekte werden in Tabellen verwaltet; gleiches gilt für die Beziehungen zwischen den Objekten.

Vektorbasierte Datenstrukturmodelle ermöglichen es, die Objektgeometrie mit Hilfe von geometrischen Primitiva (z. B. Punkte, Kreisbögen, Linien) zu beschreiben; die Grundelemente lassen sich durch geordnete oder ungeordnete Gruppierung zu höherwertigen Geometrien zusammenfassen (z. B. Linienzügen oder Flächen). Vektordaten lassen sich relativ einfach mit Sachdaten verknüpfen.

Das rasterbasierte Datenstrukturmodell kennt nur ein einziges Datenstrukturelement, nämlich das Rasterelement, je nach Rasterart auch Pixel oder „Bildpunkt“ genannt. Den Rasterelementen können zwei Eigenschaften zugeordnet werden: die geometrische und die radiometrische Auflösung. Die geometrische Auflösung gibt an, welche Länge und Breite ein Rasterelement in der Natur besitzt; die radiometrische Auflösung bezeichnet die unterscheidbaren Grauwerte je Rasterelement.

Topologie

Die Topologie bezeichnet die räumliche Beziehung von Geoobjekten zueinander (Nachbarschaftsbeziehungen). Im Gegensatz zur Geometrie, die die absolute Form und Lage im Raum betrifft, sind topologische Beziehungen zwischen Geoobjekten unabhängig von Maßen wie der Distanz. Die wichtigsten topologischen Beziehungen zwischen zwei Geoobjekten A und B nach Egenhofer sind:

• A ist disjunkt zu B
• A liegt innerhalb B
• B liegt innerhalb A
• A überdeckt B
• B überdeckt A
• A trifft B
• A gleicht B

Dimensionen

Je nach Aufgabenstellung können Geoinformationssysteme Geodaten in ein bis vier Dimensionen verwalten und bearbeiten:

• entlang einer Linie (Straßen- oder Bahntrasse, Schacht, Grenze usw.),
• auf einer Fläche (2D, was den häufigsten Fall darstellt),
• 3D-Körper oder 2D-Zeitreihen, oder
• kombiniert in Raum und Zeit (4D)

In älteren Systemen wurden die Formprimitiven aufgrund mangelnder 3D-Daten lediglich in den zweidimensionalen Raum eingebettet.

In einer Übergangsphase wurde die Höhenangabe als Attribut an zweidimensionale Objekte angefügt. Da dadurch aber noch keine 3D Einbettung erfolgt ist, spricht man in diesem Fall lediglich von einer zweieinhalbdimensionalen Einbettung.

In modernen Anwendungen, zum Beispiel in den Geowissenschaften, sind die Objekte in den dreidimensionalen Raum eingebettet.

Qualität

Die Qualität von Daten kann nur auf Basis der Qualitätsmerkmale im Hinblick auf eine konkrete Fragestellung beurteilt werden. Als Datenqualität kann die Menge von Datenmerkmalen bezeichnet werden, die den Einsatz der Daten für eine konkrete Aufgabe ermöglichen. Diese Datenmerkmale sollten in den entsprechenden Metadaten dokumentiert sein. Die ISO hat in der ISO-Norm ISO 19113 Merkmale für die Qualität von Geodaten gelistet.

Rechtliches

→ Hauptartikel: Rechte an Geoinformationen

Die Rechte an Geoinformationen leiten sich vor allem aus dem Urheberrecht ab. Wenn Geoinformationen öffentlich-rechtlich geführt werden, können zusätzlich auch Rechte nach dem Vermessungs- und Geoinformationsrecht bestehen. Die Rechte von Jedermann erlauben die eigene Ortsbestimmungen sowie Karten von öffentlich zugänglichen Orten anzufertigen, diese Daten selbst zu nutzen sowie zu verbreiten. Projekte wie OpenStreetMap verfolgen diesen Entwicklungspfad.

Funktionen von GIS

Geoinformationssysteme erweitern die Nutzungsmöglichkeiten der klassischen Landkarte. Neben der Visualisierung gibt es zahlreiche Funktionen zur Analyse der Geodaten.

Datenerfassung

Moderne GIS nutzen digitale Informationen für deren Erfassung unterschiedliche Datenerfassungsmethoden benutzt werden. Vor allem in der Anfangszeit war die Digitalisierung von Papierkarten und Vermessungplänen die gebräuchlichste Datenerfassungsmethode. Dazu wird mithilfe eines Digitalisierungsbrettes und Georeferenzierungsmethoden (in GIS- oder CAD-Programmen) die analolge Information in eine digitale Form übertragen. Zunehmend wichtiger ist die On-Screen-Digitalisierung von Satelliten- und Luftbildern. Dabei werden die gescannten oder bereits digital vorliegenden Bilder direkt am Bildschirm als Vorlage für die Digitalisierung genutzt.

Eine weitere Methode der Datenerfassung ist die Datenaufnahme im Feld mit GPS-Geräten. Mithilfe von DGPS können auch für Vermessungszwecke brauchbare Genauigkeiten erzielt werden.

Datenbearbeitung

Konvertierung

Geodaten können in den unterschiedlichsten Dateiformaten und (Geo-)Datenbanken gespeichert werden. Praktisch jeder kommerzielle GIS-Hersteller liefert eigene Formate. Geoinformationssysteme bieten daher in der Regel Funktionen zur Konviertierung von Geodaten in unterschiedliche Dateiformate.

Da digitale Daten auf unterschiedlichste Weise gesammelt und gespeichert werden können, kommt es vor, dass zwei Datenquellen nicht kompatibel sind. Das Geoinformationssystem muss daher in der Lage sein Geodaten von einer Struktur in die andere zu konvertieren. So kann ein GIS dazu benutzt werden Satellitenbilder (Rasterstruktur) in Vektorstrukturen oder umgekehrt Vektor- in Rasterstrukturen umzuwandeln.

Vektor-Raster- und Raster-Vektorkonvertierung

Allgemeine unregelmäßige Flächen lassen sich nur schwer durch ein Raster annhähern, da auf eine Rasterzelle mehrere Ausgangsinformationen entfallen können. Besonders deutlich wird dieses Problem bei gröberen Zellstrukturen, aber auch ein feines Raster löst das prinzipielle Problem nicht. Ein häufig genutzter Ansatz ist, dass die Rasterzelle den Wert der Ausgangsfläche bekommt, die den größten Anteil an der Zelle hat. Ebenso kann es nützlich sein bestimmte Eigenschaften zu bestimmten, die vorrangig oder mit höherem Gewicht einer Zelle zugeordnet werden sollen.

Bei der Raster-Vektorkonvertierung wird zwischen zwei Arten unterschieden:

• Aus benachbarten Zellen mit gleichen Attributwerten sollen Vektorobjekte generiert werden.
• Vorhandenen Geoobjekten sollen Attribute aus Rasterdatensätzen zugewiesen werden.
  Diese Art der Raster-Vektorkonvertierung basiert in der Praxis fast ausschließlch auf der sogenannten Punktmethode. Dabei werden Geoobjekte mit den Mittelpunkten der Rasterzellen verschnitten. Falls der Mittelpunkt der Zelle innerhalb des Geoojektes liegt, wird der Wert der Zelle zur Berechnung des Wertes des Geoobjektes verwendet (beispielsweise durch Mittelwertbildung).

Koordinatentransformation

→ Hauptartikel: Koordinatentransformation

Geodaten liegen in unterschiedlichsten Koordinatensystemen vor. Eine zentrale Funktion von Geoinformationssystemen ist daher die Koordinatentransformation. Die Koordinatentransformation kann "on-the-fly", d.h. im laufendem Betrieb, oder in einem eigenen Arbeitsschritt erfolgen.

Georeferenzierung

→ Hauptartikel: Georeferenzierung

Unter Georeferenzierung, Geokodierung oder Verortung versteht man die Zuweisung raumbezogener Referenzinformationen zu einem Datensatz. Zur Herstellung des Raumbezuges werden in vielen Fällen Transformationen und Konversionen sowie Interpolationen notwendig. Dazu gehören die Eliminierung geometrischer Verzerrungen, Einpassung der Daten in ein gewähltes Koordinatensystem und/oder gegenseitige Anpassung zweier Datenlayer.

Georeferenzierung von Bildern basiert oft auf der Interpolation mithilfe von Passpunkten und anschließendem Resampling, d. h. der Neuordnung der Daten/Objekte (siehe Rektifizierung.

Personenbezogene Daten können über die Adresse verortet werden. Dazu sind je nach Aufgabenstellung umfangreiche Adressdatenbanken notwendig um beispielsweise straßenabschnittsgenau Werte zu erhalten.

Datenverwaltung

Mit wachsenden Datenmengen und der immer stärkeren Verbreitung von Geoinformationssystemen wird es immer wichtiger Geodaten effizient zu verwalten. Dazu ist es notwendig Metadaten zu erfassen und kontinuierlich zu aktualisieren. Einige GIS bieten dazu eingebaute Funktionen, andere Systeme überlassen es dem Benutzer Metadaten mithilfe anderer Softwareprodukten zu verwalten.

Geodatenbanken

→ Hauptartikel: Geodatenbanken

Für die Speicherung der Sach- und Geometriedaten (vorrangig der Vektordaten) nutzten zu Beginn der GIS-Ära nur wenige GIS-Basissysteme marktgängige Datenbanksysteme (z. B. DBase oder Oracle). Eine Vielzahl von Systemen basierten auf proprietären Datenbankmanagementsystemen. Heute hat sich die Nutzung von marktgängigen relationalen bzw. objektrelationalen Datenbanksystemen für die Geodatenverwaltung durchgesetzt.

Konventionelle Datenbanken können Geodaten nicht effizient verwalten. Daher gibt es für viele kommerzielle und Open-Source-Datenbanken Erweiterungen für die Verwaltung von Geodaten. Beispiele für Geodatenbanken sind: Oracle Spatial, PostGIS und SpatiaLite

Räumliche Analysen

Der Begriff der räumlichen oder GIS-Analyse ist nicht eindeutig definiert. Grundsätzlich sind räumliche Analysen Prozesse zur Umwandlung von Rohdaten in nützliche Informationen um effektivere Entscheidungen treffen zu können. Analysen können Umstände und Zusammenhänge aufdecken, die sonst unsichtbar geblieben wären. In der Literatur wird der Begriff für folgende Bereiche verwendet:

• Räumliche Datenmanipulation (Buffer, ...)
• Räumliche Datenanalyse – deskriptiv und untersuchend
• Räumliche statistische Analysen (z.B: Interpolation durch Kriging)
• Räumliche Modellierung für räumliche Vorhersagen

Weiters kann zwischen der qualitativen und quantitativen räumlichen Analyse unterschieden werden.

Für die räumliche Analyse ist es wichtig in welcher Form Daten gespeichert sind und wie die räumliche Phänomene repräsentiert werden. Die Qualität der Ausgangsdaten beeinflusst die Analyse entscheidend. Sowohl die Eignung der Daten als auch die Wahl geeigneter Analysegebiete sind von großer Bedeutung.

Zu den Methoden der räumlichen Analyse zählen: Abfragen, Messungen, Transformationen, deskriptive Zusammenfassung, Optimierung, Testen von Hypothesen und Modellierung.

Die Ergebnisse von räumlichen Analysen ändern sich wenn der Ort der Untersuchungsobjekte verändert wird. Um Fehlinterpretationen zu vermeiden erfordert jede räumliche Analyse eine fachgerechte Interpretation der Ergebnisse.

Abfragen und Selektionen

Abfragen dienen der Lösung von Fragestellungen zu sachlichen oder räumlichen Kriterien und zur Selektion der Ergebnisse in der Karte.

Beispiele

• sachlich: Wieviele Einwohner hat eine bestimmte Stadt?
• räumlich: Wieviele und welche Städte liegen am Ufer eines bestimmten Flusses?

Puffer

Die Puffer-Funktion (engl. Buffer) ermöglicht die Bildung von Pufferzonen um Geoobjekte beliebiger Dimension. Abhängig von der Dimension spricht man von Punkt-, Linien- oder Flächenpuffern.

Bei der Erzeugung der Pufferzonen wird um die ausgewählten Geoobjekete eine Fläche generiert. Die Pufferzonen umschließen das Geoobjekt und umliegende Gebiete innerhalb eines bestimmten Abstandes (fixer Wert oder abhängig von den Attributen der Geoobjekte) vom ursprünglichen Geoobjekt. Die ursprünglichen Geoobjekte werden bei diesem Vorhang nicht verändert.

Puffer sind nicht nur grafische Darstellungen, sondern Objekte, mit denen man Analysen wie beispielsweise Verschneidungen durchführen kann. Es ist möglich mehrere Puffer um ein Objekt zu erstellen und diese unterschiedlich zu gewichten (beispielsweise verschiedene Schutzzonenkategorien).

Verarbeitung von Grenzen

Bei der Verarbeitung von Grenzen wird nur die Geometrie eines Datenlayers verändert. Die Attribute und Attributwerte werden dabei nicht angetastet. Nur der Flächeninhalt und der Umfang der entstandenen Teilflächen wird neu berechnet. Mögliche Modifikationen sind:

• Zusammenführen von Geometrien
• Herausstanzen von Gebieten
• Aufsplitten auf mehrere kleine Gebiete
• Herausschneiden/Löschen von Teilen aus dem Inneren eines Gebietes

Verschneidung

→ Hauptartikel: Verschneidung

Unter Verschneidung versteht man die Überlagerung von Themenebenen (Layer) oder Objektklassen. Mithilfe von Boolschen Operationen werden aus den Ausgangsdatenebenen neue Objekte gebildet, die die Attribute der Ausgangsobjekte kombinieren. Es entsteht eine neue Datenebene. Die Ausgangsdatenebenen werden nicht verändert.

Zusammenlegen, Verschmelzen

Diese Funktion vereinigt Objekte mit gleichem Attribut, z. B. zur Entfernung von „Splitterpolygonen“, die durch Verschneidung entstanden sind.

Netzwerkanalysen

Datei:TSP Deutschland 3.PNG

Optimaler Reiseweg eines Handlungsreisenden durch die 15 größten Städte Deutschlands

Die Analyse von Netzwerken gehört zu den zentralen Anwendungen von Geoinformationssystemen.

Anwendungsgebiete von Netzwerken sind die Modellierung von Verkehrssystemen wie Straßen- oder Schienennetzen, aber auch Leitungsnetzen wie z.B. Rohrleitungsnetze oder Telekommunikationsleitungsnetze. Netzwerke sind Mengen von Knoten und Kanten. Sie gehören zu den Graphen, wobei in der Praxis zumeist nur unsymmetrische und gewichtete Graphen vorkommen. Die Analyse von Netzwerken basiert auf der Graphentheorie. Netzwerke weisen eine Knoten-Kanten-Knoten-Topologie auf und bauen somit auf dem Vektormodell auf.

Netzwerkkanten können Straßen, Eisenbahn- oder Schifffahrtslinien für ein Transportnetzwerk ebenso wie Leiterbahnen eines elektrischen Leitungsnetzes oder die Flüsse eines Flussnetzes darstellen. Die Knoten des Netzwerkes sind z.B. Haltestellen oder allgemeine Verknüpfungsstellen wie beispielsweise Kreuzungen. Den Netzwerkelementen können Eigenschaften zugewiesen werden, die je nach Aufgabenstellung in Analysen einbezogen werden können. Die Bewertung der Kanten erfolgt in der Regel durch die Weglänge zwischen zwei Knoten. Für die Fahrzeugnavigation kann auch die Fahrtzeit zur Bewertung herangezogen werden.

Netzwerkanalysen werden zur Lösung folgender Probleme durchgeführt:

• Ermittlung kürzester Wege zwischen zwei Punkten
• Problem des Handlungsreisenden
• Ermittlung von Einzugsbereichen

Interpolation

Thiessen-Polygone, oder auch Voronoi-Diagramm

Leistungsfähige GIS bieten Verfahren zur räumlichen Interpolation und Modellierung von Flächen im Raum. Ausgehend von wenigen, im Raum verteilten Punkten (x_i,y_i) mit Attributwerten z_i (beispielsweise Temperaturmessungen oder Höhenangaben) sollen für beliebige Punkte (x_k,y_k) Attributwerte z_k bestimmt werden. Dazu wird mithilfe von Interpolationsverfahren von den bekannten Werten z_i auf die unbekannten z_k-Werte geschlossen. Dabei wird implizit angenommen, dass diejenigen Standorte (bzw. die zugehörigen Werte) den gesuchten Wert an einem neuen Standort stärker beeinflussen, die näher zu ihm liegen. Interpolationsverfahren laufen auf die Bestimmung gewichteter Mittelwerte hinaus.

Klassische Anwendungsgebiete sind die Berechnung einer räumlichen Niederschlags- oder Termperaturverteilung, einer Gelände- oder Grundwasseroberfläche oder der räumlichen Verteilung von Stoffkonzentrationen im Boden.

Zu den räumlichen Interpolationsverfahren zählen:

• Trendflächenanalyse
• Räumliche Interpolation durch Mittelwertbildung
• Triangulation und Thiessen-Polygone (Voronoi-Diagramm bzw. Dirichlet-Zerlegung)

Präsentation

Die Möglichkeiten der Darstellung und Präsentation spielen in GIS eine entscheidende Rolle und sind deshalb sehr umfangreich. Hier einige wichtige Beispiele:

• automatische Erstellung von Legende, Maßstabsleiste, Nordpfeil und anderen Kartenrandangaben
• frei definierbare Farb- und Mustergebung, sowie symbolische Darstellungen
• Ein-/Ausblendung und Kombination verschiedener Layer (Raster- und Vektordaten)
• 3D-Darstellungen, Digitale Geländemodelle, „Drape“ (mit Raster- oder Vektordaten überlagertes 3D-Modell)
• Animationen (Flug über Gelände und ähnliches)
• Geländeschnitte/Profile
• Einbindung von Diagrammen, Bild- oder Audiodaten

Generalisierung

Ein Beispiel für Generalisierung

Zusammenfassung, Verallgemeinerung und Vereinfachung von Objekten. Generalisierung ist notwendig, wenn der Maßstab verkleinert wird.

Automatisierung

Für wiederkehrende Aufgaben ist es sinnvoll, diese zu automatisieren, indem die notwendigen Abläufe zu Makros zusammengefasst werden. Solche Aufgaben können sein:

• Plots von Karten und Plänen entsprechend einem bestimmten Blattschnitt unter gleichen Randbedingungen
• Nachattributierung importierter Daten
• spezifische periodische Auswertungen für regelmäßige Berichte
• Regelmäßige Datenweitergaben an andere Ämter oder Firmen über definierte Schnittstellen
• Prüfvorgänge zur Datenkonsistenz
• Einbeziehung extern gepflegter Sachdaten

Voraussetzungen für Automatisierbakeit sind:

• Eine Makrosprache mit Schleifen, Bedingungen und Eingabemöglichkeiten
• konsistente, redundanzfreie Daten (Ausnahme: wenn die Konsistenz erst durch das Makro geprüft wird).
• softwarelesbare, klassifizierte Datenattribute, nach welchen selektiert werden kann.

Ausprägungen von Geoinformationssystemen

Landinformationssysteme (LIS)

→ Hauptartikel: Landinformationssystem

Landinformationssysteme verwalten detailierte Geodaten, vor allem Basisdaten (primäre, direkt gemessene/erhobene Daten), die großmaßstäbig strukturiert sind. Landinformationssysteme werden meist von Vermessungsbehörden (Kataster- und Vermessungsamt) aufgebaut und geführt. Sie beziehen sich in erster Linie auf die vermessungstechnische Abbildung der Erdoberfläche in Form digitaler Karten und Grundbuch.

Kommunales Informationssystem (KIS)

Kommunale Informationssysteme sind GIS in Gemeinden. Zentraler Bestandteil eines KIS sind die Geobasisdaten des LIS (Automatisierte Liegenschaftskarte und Automatisiertes Liegenschaftsbuch in Deutschland, Digitale Katastralmappe und Grundstücksdatenbank in Österreich) und Luftbilder. Sie ermöglichen den Mitarbeitern einer Kommune den schnellen Zugriff auf Informationen zu einem Flurstück (Eigentümer, Flächengröße, Nutzung,...).

Neben dieser Grundlage enthalten KIS verschiedenste Zusatzlayer. Ein kommunales Umweltinformationssystem (KUIS) ist beispielsweise ein Instrumentarium für Aufgaben der Kommune im Bereich der Umwelt, das Daten über alle Umweltbereiche räumlich, zeitlich und sachlich bereithält, verarbeitet und aktuell hält. Die ersten Zusatzlayer, die erfasst wurden, enthielten meist den Leitungskataster für Wasser, Kanal, Gas und Strom. Heute existieren diverse Zusatzlayer wie Grünflächenkataster, Baumkataster, Friedhofskataster, Spielplatzkataster u. a.

Umweltinformationssystem (UIS)

Umweltinformationssysteme dienen zur Bereitstellung von Umweltinformationen. Sie bestehen in der Regel aus mehreren Umweltdatenbanken mit verschiedenen Datenbeständen und bietet leistungsfähige Zugriffs- und Auswertemethoden zur Ableitung von Umweltinformation. Umweltinformationssysteme dienen der Erfassung, Speicherung, Verarbeitung und Präsentation von raum-, zeit- und inhaltsbezogenen Daten zur Beschreibung des Zustandes der Umwelt hinsichtlich Belastungen und Gefährdungen und bildet die Grundlage für Maßnahmen des Umweltschutzes. Sie bestehen in der Regel aus vielen verschiedenen Fachinformationssystemen (FIS).

Ihre Aufgaben erstrecken sich von der Erfassung der Radioaktivität, der Kontrolle der Umweltmedien Luft, Wasser und Boden bis hin zu Biotopkartierungen und der Erhaltung der Artenvielfalt. Sie dienen der Notfallvorsorge, dem Verwaltungsvollzug und der Bürgerinformation im Umweltbereich.

Wegen der Vielfalt der potenziellen Nutzer eines UIS bestehen unterschiedlichste, teilweise divergierende Anforderungen an die Charakteristika eines UIS. UIS werden als Informationssysteme in der Verwaltung und in Unternehmen der freien Wirtschaft (so genannte Betriebliche Umweltinformationssysteme) eingesetzt. Frühe Nutzer waren beispielsweise Umweltbehörden wie das Umweltbundesamt (UBA) oder Landesumweltministerien und deren nachgeordnete Landesämter.

Bodeninformationssystem (BIS)

→ Hauptartikel: Bodeninformationssystem

Bodeninformationssysteme umfassen geologische Daten. Sie sind komplex und können nur in interdisziplinärer Kooperation aufgebaut werden.

Ein Bodeninformationssystem im engeren Sinn (A, CH) enthält Daten zur örtlichen Verbreitung der Bodentypen und ihrer Eigenschaften wie Bodenaufbau, Humusgehalt, pH-Wert und Bodenschwere. Die Bodenkarten können neben der Bodenart auch Bodenbelastungen oder die Erosionsgefährdung zeigen.

Ein Bodeninformationssystem im weiteren Sinn (z. B. das BIS-NRW oder das Niedersächsische Bodeninformationssystem NIBIS) umfasst auch Daten zum geologischen Aufbau der obersten Erdkruste sowie zur Hydrogeologie, Belastbarkeit, Ingenieurgeologie und Geochemie. Die Daten enthalten Bohrungs-Beschreibungen, Analysedaten und Karten verschiedener Maßstäbe und Themen.

Netzinformationssystem (NIS)

→ Hauptartikel: Netzinformationssystem

Ein Netzinformationssystem dient Ver- und Entsorgungsunternehmen zur Dokumentation ihres Leitungsbestandes. Neben der grafischen Repräsentation der Leitungsverläufe und ihres Zustands werden Datensätze über Art und technische Daten in diesem Informationssystem verwaltet. Netzinformationssystem werden von vielen Unternehmen angeboten und bei ingenieurtechnischen Planungen – etwa bei der Leitungsrecherche vor Baumaßnahmen – genutzt.

Fachinformationssystem (FIS)

Fachinformationssysteme stellen eine besondere Klasse von Geo-Informationssystemen dar. Hierunter fallen die Spezialanwendungen, die mit den bisherigen Ausprägungen nicht abgedeckt sind. Sie sind Informationssysteme, die fachbezogene Aufgaben unterstützen und zur Bewältigung konkreter Fachanforderungen notwendig sind, beispielsweise für Bauwesen, Geographie, Geologie, Hydrologie, Lawinen- und Umweltschutz, Verkehrsplanung, Touristik, Freizeit- und Routenplanung. Hauptabnehmer für Fachanwendungen sind Kommunen.

GIS in der Archäologie

→ Hauptartikel: Geoarchäologie, Archäoinformatik

Auch in der archäologischen Forschung werden Geoinformationssysteme eingesetzt. So werden z. B. archäologische Fundstellen mit den Informationen zu ihrer Umwelt wie Gewässerentfernung, Bodengüte, Klimazone verknüpft. Hierbei arbeiten vor allem Geodäten, Geographen und Archäologen in interdisziplinären Gruppen zusammen.

In der archäologischen Denkmalpflege verschiedener Länder und Staaten (Vorreiter sind in Europa u. a. die Niederlande) werden GIS vor allem zur Bestandserfassung, -visualisierung und -auswertung verwendet. So können beispielsweise für die Bauleitplanung Fundstellen und die zugehörigen Informationen schnell kartiert und mit geplanten Bauvorhaben abgeglichen werden. Neuerdings werden GIS zunehmend zur Berechnung von Lagekriterien noch unbekannter Fundstellen eingesetzt (sog. Prädiktionsmodelle; z. B. Archäoprognose Brandenburg ).

GIS in Transport und Logistik (GIS-T)

Geoinformationssysteme für Transport und Logistik (GIS-T) umfassen die Methoden und Anwendungen von GIS-Technologien für Problemestellungen im Transportbereich. Eine wichtige Anwendung ist die Erstellung und Wartung von Straßengraphen.

Standards für Geoinformationssysteme

Die wichtigsten Standards im GIS-Bereich sind die OGC-Standards des Open Geospatial Consortiums (OGC) und die ISO Serie 191xx.

OGC-Standards

OGC-Standards ermöglichen unterschiedlichen GIS zu kommunizieren.

OpenGIS Interface- und Protokoll-Spezifikationen ermöglichen die Kommunikation zwischen unterschielichen WebGis, standortbezogenen Diensten und Standard-IT-Technologien. Die Standards ermöglichen es GIS-Entwicklern komplexe Geoanwendungen zu entwickeln, und deren Funktionen einer Vielzahl an Applikationen bereitzustellen. Beispiele für OGC-Spezifikationen sind Web Map Service (WMS), Web Feature Service (WFS) und Simple Feature Access.

Das OGC definiert zwei Kategorien von GIS-Produkten, abhängig davon wie umfassend und genau die Software den OGC-Spezifikationen folgt:

• Compliant Products („Konforme Produkte“) sind Softwareprodukte, die die OpenGIS-Spezifikationen des OGC befolgen. Wenn ein Produkt getestet und die Konformität durch das OGC-Testprogramm bestätigt wurde, wird das Produkt automatisch als „compliant“ auf der OGC-Website gelistet.

• Implementing Products („Produkte in Umsetzung“) sind Softwareprodukte, die OpenGIS-Spezifikationen implementieren, aber noch keinen Konformitätstest bestanden haben.

ISO Serie 191xx

Standards dieser Serie:

• ISO 19107
• ISO 19109
• ISO 19111
• ISO 19115
• ISO 19136

Zukunft von Geoinformationssystemen

Die Zeit als vierte Dimension ist ein wichtiger Aspekt in der zukünftigen Entwicklung von Geoinformationssystemen.

Literatur

• Norbert Bartelme: Geoinformatik: Modelle, Strukturen, Funktionen. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-20254-4
• Ralf Bill: Grundlagen der Geoinformationssysteme. Heidelberg 1994, ISBN 3-87907-265-5
• Frank Dickmann, Klaus Zehner: Computerkartographie und GIS. 2. Auflage, Westermann. Braunschweig 2001, ISBN 978-3-14-160338-5
• Kerstin Droß: Zum Einsatz von Geoinformationssystemen in Geschichte und Archäologie, in: Historical Social Research / Historische Sozialforschung (HSR) 31 (2006), Nr. 3 (Volltext als PDF)
• Helmut Saurer, Franz-Josef Behr: Geographische Informationssysteme. Eine Einführung. Darmstadt 1997, ISBN 3-534-12009-4
• Wolfgang Göpfert: Raumbezogene Informationssysteme. ISBN 3-87907-165-9, Wichmann-Verlag, Karlsruhe 1987 (1.Auflage)

Weblinks

• GISWiki Wiki zum Thema Geoinformatik und Geoinformationssysteme
• Arbeitskreis Kommunale Geoinformationssysteme AKOGIS
• MapRef.org - Sammlung Europäischer Koordinaten-Referenz-Systeme (geodätische Referenzsysteme, Kartenprojektionen).
• http://www.isotc211.org Int. Normierungsverein - Technisches Komitee Nr. 211 für Geoinformation
• http://www.freegis.org Übersicht über freie Geodaten und InfoSysteme