Geoinformationssystem

Ein Geographisches Informationssystem (GIS) ist ein Informationssystem, mit dem „raumbezogene Daten digital erfasst und redigiert, gespeichert und reorganisiert, modelliert und analysiert sowie alphanumerisch und graphisch präsentiert werden.“

Es vereint eine Datenbank und die zur Bearbeitung und Darstellung dieser Daten nützlichen Methoden (Kurzdefinition nach Fédération Internationale des Géomètres).

Ausprägungen eines GIS in Deutschland

LIS: Landinformationssystem

Ein Landinformationssystem ist ein Instrument zur Entscheidungsfindung in Recht, Verwaltung und Wirtschaft sowie ein Hilfsmittel für Planung und Entwicklung. Es besteht einerseits aus einer Datensammlung, welche auf Grund und Boden bezogene Daten einer bestimmten Region enthält, andererseits aus Verfahren und Methoden für die systematische Erfassung, Aktualisierung, Verarbeitung und Umsetzung dieser Daten. Die Grundlage eines LIS bildet ein einheitliches, räumliches Bezugssystem für die gespeicherten Daten, welches auch eine Verknüpfung der im System gespeicherten Daten mit anderen raumbezogenen Daten erleichtert. LIS stellen eine besondere Ausprägung von Geo-Informationssystemen dar. Sie werden i.d.R. von Vermessungsbehörden aufgebaut und geführt, wobei sie sich in erster Linie auf die vermessungstechnische Abbildung der Erdoberfläche in der Form von digitalen Karten und Eigentumsnachweisen beziehen. In der Bundesrepublik gehören die Vorhaben ALK, ALB (zukünftig in ALKIS kombiniert) sowie ATKIS in diesen Bereich. Diese Vorhaben stellen Geobasisdaten zu Liegenschaften und zur Topografie für andere Fachanwendungen bereit.

KIS: Kommunales Informationssystem

Kommunale Informationssysteme bezeichnen die IS-Komponenten in einer Kommune. Zentraler Bestandteil eines KIS sind die Geobasisdaten (ALK und ALB in Deutschland, DKM und GDB in Österreich) und das Luftbild. Sie ermöglichen dem Mitarbeiter einer Kommune den schnellen Zugriff auf Informationen zu einem Flurstück (Eigentümer, Flächengröße, Nutzung,...). Neben dieser Grundlage eines KIS existieren eine Vielzahl verschiedener Fachschalen, die das System nach Bedarf ergänzen. Ein kommunales Umweltinformationssystem KUIS ist beispielsweise ein Instrumentarium für Aufgaben der Kommune im Bereich der Umwelt, das Informationen über alle Umweltbereiche räumlich, zeitlich und sachlich bereithält, verarbeitet und fortschreibt.

Es existieren diverse Unterkategorien kommunaler Informationssystem wie Grünflächeninformationssysteme (Grünflächenkataster), Baumkataster, Friedhofskataster, Spielplatzkataster u. a.

UIS: Umweltinformationssystem

Ein Umweltinformationssystem ist ein Informationssystem, das Umweltinformationen bereitstellt. Ein UIS besteht in der Regel aus mehreren Umweltdatenbanken mit verschiedenen Umweltdatenbeständen. Es bietet leistungsfähige Zugriffs- und Auswertemethoden zur Ableitung von Umweltinformation. Aufgrund der Vielfalt der potenziellen Nutzer eines UIS bestehen unterschiedlichste, teilweise divergierende Anforderungen an die Charakteristika eines UIS. Ein UIS ist ein erweitertes GIS, das der Erfassung, Speicherung, Verarbeitung und Präsentation von raum-, zeit- und inhaltsbezogenen Daten zur Beschreibung des Zustandes der Umwelt hinsichtlich Belastungen und Gefährdungen dient und Grundlagen für Maßnahmen des Umweltschutzes bildet.

UIS werden als Informationssysteme in der Verwaltung und in Unternehmen der freien Wirtschaft (so genannte Betriebliche Umweltinformationssysteme) eingesetzt. Sie bestehen i.d.R. aus vielen verschiedenen Fachinformationssystemen (FIS). Frühe Nutzer waren beispielsweise Umweltbehörden wie das Umweltbundesamt (UBA) oder Landesumweltministerien und deren nachgeordnete Landesämter. 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.

BIS: Bodeninformationssystem

Bodeninformationssysteme umfassen in Deutschland alle Daten zum Boden. Boden ist in diesem Zusammenhang definiert als alle Bereiche der Erdoberfläche, in die der Mensch durch seine Tätigkeit eingreift. Dies bedeutet, dass Bodeninformationssysteme sehr komplexe Gebilde darstellen und daher häufig in verschiedene Fachinformationssysteme (s.u.) gegliedert sind. Generell enthalten sie Daten zu Bodenaufbau, Verbreitung und Eigenschaften; ferner Daten zum geologischen Aufbau der Erdkruste, Daten zur Hydrogeologie, Ingenieurgeologie, Geochemie, etc.. Die Daten repräsentieren sich in Bohrungsbeschreibungen, Analysendaten und Karten verschiedener Maßstäbe und Themen, z.B. Karten der Bodentypen und Bodenarten, Karten zur Erosionsgefährdung, Grundwasserleiter oder auch Karten zu schädlichen Bodenveränderungen. Die Bodeninformationssysteme werden in Deutschland im Wesentlichen durch die Staatlichen Geowissenschaftlichen Dienste der Bundesländer aufgebaut und betrieben. Beispiele sind das BIS-NRW oder das Niedersächsische Bodeninformationssystem NIBIS.

NIS: Netzinformationssystem

Ein Netzinformationssystem ist ein Instrument zur Erfassung, Verwaltung, Analyse und Präsentation von Betriebsmitteldaten. Diese beziehen sich auf die Netzwerktopologie, die in einem einheitlichen Bezugsrahmen gegeben sein muss. Mit dieser besonderen Ausprägung eines Geo-Informationssystems arbeiten Ver- und Entsorgungsunternehmen. Hierbei steht in erster Linie die geometrische und graphische Dokumentation des Leitungsbestands im Vordergrund. Von daher fallen sie ebenso in die Kategorie der Betriebs- bzw. Betriebsmittelinformationssysteme (Facility Management System)

FIS: Fachinformationssystem

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

GIS in der Archäologie

Auch in der archäologischen Forschung werden Geoinformationssysteme eingesetzt (Archäoinformatik). So werden z. B. archäologische Fundstellen mit den Informationen zu ihrer Umwelt wie Gewässerentfernung, Bodengüte, Klimazone usw. verknüpft. In der archäologischen Denkmalpflege verschiedener Bundesländer sowie verschiedener Staaten (Vorreiter sind in Europa u. a. die Niederlande) werden GIS vor allem zur Bestandserfassung, -visualisierung und -auswertung verwendet. So können z. B. 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 ^*). In der archäologischen Forschung dienen GIS häufig dazu, prähistorische Siedlungsfundstellen und ihre Verteilung in der Landschaft zu analysieren. Grundlage sind dabei naturräumliche Faktoren wie etwa die Geländeform, der Boden oder das Klima. Außerdem untersucht man mit ihrer Hilfe menschliche Verhaltensweisen in Beziehung zu ihrer Umwelt und hofft, Aussagen zu antiken Sichtweisen auf Landschaft und Umwelt treffen zu können. Mithilfe implementierter Rechenverfahren können u. a. Sichtverbindungen von Punkten in der Landschaft (ist z. B. von einer Siedlung aus die zugehörige Grabfundstelle sichtbar gewesen) ebenso untersucht werden wie das mögliche Einzugsgebiet einer Fundstelle auf der Grundlage des sie umgebenden Naturraums. So gehörte zu einer Siedlung immer auch ein wirtschaftlich genutztes Umfeld (Äcker, Weiden, Wälder), dessen Ausdehnung u. a. vom Gelände abhing. Gut erreichbare Lagen (z. B. flaches Gelände, nicht durch breite Gewässer von der Siedlung getrennt) wurden als Äcker sicher gegenüber solchen bevorzugt, die z. B. erst nach Überwindung eines Moores zu erreichen waren. Ein GIS ist in der Lage, alle diese Faktoren (Hangneigung, Gewässerhindernisse, Bodenbeschaffenheit, ...) miteinander zu verknüpfen und daraus das Modell eines potentiell mit möglichst wenig Aufwand zu erreichenden Umfeldes zu berechnen. Grundsätzlich sind Geoinformationssysteme in der archäologischen Forschung Werkzeuge bei der Analyse; sie liefern keine direkten Aussagen über antike Zustände oder gar Wahrheiten, sondern bearbeiten, verändern bzw. transformieren Daten. Die so entstandenen Daten dienen als weitere Interpretationsgrundlage für den Archäologen.

Datenmodell

Das Datenmodell eines Geoinformationssystems wird in allen klassischen Datenmodellen erweitert mit der Datenhaltung geographischer Daten.

Grundlegendes Modell

Das grundlegende Datenmodell verwaltet raumbezogene Objekte als Vektordaten in Form von Punkten, Linien und Flächen oder als Rasterdaten in Form von Pixeln. Es unterscheidet sich nicht wesentlich von herkömmlichen Datenstrukturen (wie in einfachsten Grafik/CAD-Programmen). Die Neuerung innerhalb des GIS-Modells bestand weniger im Datenmodell sondern in der Verwaltung geographischer Daten.

Die ersten GIS-Programme nutzten Standard-Datenbankprogramme wie beispielsweise DBase für die Verwaltung von Attributdaten. Ergänzt wurde diese normale Datenbank um ein Grafik-Speicherformat, sowie Programmroutinen die das Zusammenspiel zwischen der Datenbank und den Grafikobjekten organisieren.

Zur Speicherung kommen häufig objektrelationale Datenbanksysteme zum Einsatz.

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

Dimension

DatendimensionenImGIS.png Die Dimension gibt an, wie viele Koordinatenwerte einem Objekt im GIS zugeordnet sind:

zweidimensional (2D): Jeder Punkt hat eine x- und eine y-Koordinate. Linienverbindungen oder Flächen, die auf die Punkte aufbauen, liegen also in einer Ebene (xy-Ebene) vor. Dies entspricht der normalen Kartendarstellung und der Datenhaltung im Kataster.

zwei-plus-eins-dimensional(2+1D): Jedes Objekt hat zusätzlich eine attributive Information über die Höhe (z. B. eine Gebäudehöhe am Gebäude). Diese Form findet sich in einigen Katasterdaten wieder.

zweieinhalbdimensional (2,5D): Jeder Punkt der Grundrißdarstellung hat zusätzlich zur x- und y-Koordinate eine Höhe. Damit ist die Höhe jedoch nur eine Funktion der Lage, d.h. es gibt immer nur genau einen Höhenwert zu einer Lagekoordinate (x,y). In dieser Form liegen die meisten digitalen Geländemodelle vor. Senkrechte Wände und Überhänge sind auf diese Weise nicht modellierbar.

dreidimensional (3D): Alle Punkte haben x-, y- und z-Koordinate (bzw. Höhe). Linienverbindungen sind räumliche Linien, die nicht in einer Ebene liegen. Wenn Kreisbögen als Verbindungen vorkommen, werden diese streng genommen Ellipsenabschnitte, die in einer geneigten Ebene liegen; oder sie müssen durch Linienzüge mit entsprechend kurzen Segmenten angenähert werden. Flächenobjekte sind nur dann ebene Flächen, wenn sie durch genau 3 Punkte begrenzt werden, ansonsten sind es gekrümmte Raumflächen.

vierdimensional (4D): Zusätzlich zu den 3 Koordinaten im Raum wird eine vierte Information mitgeführt, die sich aus dem zeitlichen Ablauf ergibt. Das wird z. B. durch Verwendung eines Timestamps für jedes Objekt ermöglicht. Damit kann abgefragt werden, zu welchem Zeitpunkt ein Objekt existiert hat oder nicht. Aus diesen Daten können dann Darstellungen der Vergangenheit kreiert werden (z. B.: Wie sah das Ortsbild am 15. Februar 2002 aus, bevor der Neubau errichtet wurde); auch zeitabhängige Animationen können erzeugt werden (z. B.: der Fortschritt des Kohleabbaus in einem Bergwerk).

Funktionen

Ein GIS erweitert somit die Nutzungsmöglichkeiten der klassischen Landkarte. Neben der Visualisierung spielen Geooperatoren eine wichtige Rolle zur Analyse der Geodaten. Auf Basis eines guten Datenbestandes (geometrische und Sachdaten) erlaubt ein GIS zum Beispiel:

Abfragen und Selektionen

Abfrage von Eigenschaften nach sachlichen (zum Beispiel: Wieviele Einwohner hat eine bestimmte Stadt?) oder räumlichen Kriterien (zum Beispiel: Liegt eine bestimmte Stadt in einem bestimmten Landkreis?) und Selektion der Ergebnisse in der Karte.

Abstandszonen

Bildung von Pufferzonen (Buffer, Korridor) um Geoobjekte beliebiger Dimension. Dies sind Gebiete innerhalb eines bestimmten Abstandes vom ursprünglichen Geoobjekt. Es ist möglich Puffer um Objekte zu schachteln und diese unterschiedlich zu gewichten (beispielsweise verschiedene Schutzzonenkategorien). Außerdem sind die Puffer nicht nur grafische Darstellungen, sondern Objekte, mit denen man Analysen durchführen, oder die man z. B. verschneiden kann.

Verschneidung

Überlagerung verschiedener Informationsebenen (Layer) zur Bestimmung von Flächen mit einer bestimmten Attributkombination (Kombination von Eigenschaften).

Klassisches Beispiel - Flächenfindung für geplante Deponie:

Die gewünschte Eigenschaften sind u. a. wasserundurchlässiger (toniger) Untergrund, festgelegte Entfernung von Siedlungsgebieten und Gewässern, sowie ein maximales Gefälle von 5 %. Durch Verschneidung der Layer "Geologie" (bzw. Boden), "Siedlung" (mit Pufferzonen), "Gewässer" (mit Pufferzonen) und "Hangneigung" (Klassifikation) erhält man (gegebenenfalls) verschiedene Flächen auf die besagte Eigenschaften zutreffen, aus diesen kann man an Hand weiterer Voraussetzungen eine geeignete Fläche auswählen.

Es gibt verschiedene empirische Formeln zur Abschätzung der bei einer Verschneidung resultierenden Polygonzahl, hier ein Beispiel für zwei Layer:

\mathrm{n} = \mathrm{m_1}+\mathrm{m_2}+2\cdot\sqrt{(\mathrm{m_1}\cdot\mathrm{m_2})} mit n = resultierende Flächenzahl, m = Flächenzahl eines Layers

Zusammenlegen, Verschmelzen

Vereinigung von Polygonen mit gleichem Attribut, z. B. zur Entfernung von "Splitterpolygonen", die durch Verschneidung entstanden sind.

Topologie- bzw. Netzwerkanalysen

Finden von kürzesten Wegen, Einzugsgebieten, Adressen und nächstgelegenen, angrenzenden oder überlappenden Objekten (siehe auch Topologie).

Regionalisierung

Übertragung von Punktdaten auf die Fläche mittels verschiedener Verfahren, z. B. über Thiessen- bzw. Voronoi-Polygone oder verschiedene Interpolationsverfahren (Inverse Distanzwichtung, Splines, Kriging).

Georeferenzierung

Prozess der Herstellung des Raumbezuges mittels Koordinaten (=Georeferenz). Zuordnung von Informationen zur Beschreibung von Form, Größe, Lage und Orientierung von räumlichen Objekten. Auf metrischer Seite erfordert dies die Festlegung und Zuordnung eines Koordinaten-Referenz-Systems (z.B. geodätisches Bezugssystems inklusive geodätischem Datum oder eine Kartenprojektion). 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.

Generalisierung

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

Visualisierung und 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

Weitere Funktionen

mathematische und statistische Funktionen (z. B. Strecken-, Flächen- und Volumenberechnung)
Datenbankeditierung (z. B. Tabellen-Aggregation)
Modellierung (z. B. Hochwassermodelle)
...

Geoinformationssysteme ermöglichen die Schaffung in sich widerspruchsfreier, vollständig attributierter, überlappungsfreier Daten und stellen Funktionen zur Aufspürung u. Behandlung von Geometrie- u. Attributierungsfehlern bereit.

In der Geodäsie bzw. Kartografie werden sie zur Erstellung von Karten, Atlanten, Sonder- und Leitungs-Katastern, Zeitreihen oder VR-Simulationen genutzt. Neben den kommerziell vermarkteten GIS gibt es auch freie GIS.

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.

Software für GIS

Neben einer großen Anzahl proprietärer Software (als Beispiele können ArcGIS, MapInfo, GeoMedia und Manifold genannt werden) gibt es in diesem Bereich eine große Anzahl, die als Opensource Software lizenziert sind. Aus diesem Bereich ist die bekannteste verfügbare Software GRASS GIS.

Siehe auch

Literatur

Norbert Bartelme (2005): Geoinformatik: Modelle, Strukturen, Funktionen. Berlin: Springer. ISBN 3540202544
Ralf Bill: Grundlagen der Geoinformationssysteme. Heidelberg 1994, ISBN 3-87907-265-5
Helmut Saurer/Franz-Josef Behr: Geographische Informationssysteme. Eine Einführung. Darmstadt 1997, ISBN 3-534-12009-4

Weblinks

GISWiki Wiki zum Thema Geoinformatik
http://www.gis-tutor.de Tutorial zum Thema Geoinformatik
http://www.opengis.org Konsortium zur Ausarbeitung von Normierungsvorschlägen zum Austausch zwischen GIS
http://www.isotc211.org Int. Normierungsverein - Technisches Komitee Nr. 211 für Geoinformation
http://www.freegis.org Übersicht über freie Geodaten und GIS-Software
FreeGISBook—WiKi eines gemeinschaftlich erstellten Buches zu Free GIS
UNIGIS—Weltweites Netzwerk von Universitäten, die Fernstudien zu GIS anbieten.
GeoSchool und LernCD "NeLLi" Informationen zu der Geografie und GIS Lern-CD-ROM "NeLLi - Niedersachsen mulitmedial entdecken mit Landkarten, Luftbildern und interaktiven Übungen zur Kartenkunde"
Open Source Geospatial Foundation (OSGeo Foundation)
GRASS GIS Ein modular aufgebautes Geoinformationssystem mit raster- und vektororientierten Funktionalitäten
SAGA GIS Ein freies GIS-Programm - Informationen und kostenloser Download
GIS in der Schule Unterrichtseinheit für einen Erdkunde-Leistungskurs (Autor: Knut Heyden)
LearnGIS! - GIS an der Universität Kiel - In Schule, Studium und Beruf
Der Kartenserver des Niedersächsischen Bodeninformationssystems NIBIS
^* — Forschungsprojekt, das GIS in der archäologischen Forschung einsetzt

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