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Geoinformationssystem (GIS)

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 praesentiert werden.“ (Lit.: Bill, 1994)

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

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 enthaelt, andererseits aus Verfahren und Methoden für die systematische Erfassung, Aktualisierung, Verarbeitung und Umsetzung dieser Daten. Die Grundlage eines LIS bildet ein einheitliches, raeumliches Bezugssystem für die gespeicherten Daten, welches auch eine Verknuepfung der im System gespeicherten Daten mit anderen raumbezogenen Daten erleichtert. LIS stellen eine besondere Auspraegung von Geo-Informationssystemen dar. Sie werden i.d.R. von Vermessungsbehoerden aufgebaut und gefuehrt, wobei sie sich in erster Linie auf die vermessungstechnische Abbildung der Erdoberfäche in der Form von digitalen Karten und Eigentumsnachweisen beziehen. In der Bundesrepublik gehoeren die Vorhaben ALK, ALB (zukuenftig 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 oesterreich) und das Luftbild. Sie ermoeglichen dem Mitarbeiter einer Kommune den schnellen Zugriff auf Informationen zu einem Flurstueck (Eigentuemer, Flaechengroeße, Nutzung,...). Neben dieser Grundlage eines KIS existieren eine Vielzahl verschiedener Fachschalen, die das System nach Bedarf ergaenzen. Ein kommunales Umweltinformationssystem KUIS ist beispielsweise ein Instrumentarium für Aufgaben der Kommune im Bereich der Umwelt, das Informationen über alle Umweltbereiche raeumlich, zeitlich und sachlich bereithaelt, verarbeitet und fortschreibt.

Es existieren diverse Unterkategorien kommunaler Informationssystem wie Gruenflaechen-informationssysteme (Gruenflaechenkataster), 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 Umweltdatenbestaenden. Es bietet leistungsfaehige 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 Praesentation von raum-, zeit- und inhaltsbezogenen Daten zur Beschreibung des Zustandes der Umwelt hinsichtlich Belastungen und Gefaehrdungen 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). Fruehe Nutzer waren beispielsweise Umweltbehoerden wie das Umweltbundesamt (UBA) oder Landesumweltministerien und deren nachgeordnete Landesaemter. Ihre Aufgaben erstrecken sich von der Erfassung der Radioaktivitaet, 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 Buergerinformation im Umweltbereich.

BIS: Bodeninformationssystem

Bodeninformationssysteme umfassen in Deutschland alle Daten zum Boden. Boden ist in diesem Zusammenhang definiert als alle Bereiche der Erdoberfäche, in die der Mensch durch seine Taetigkeit eingreift. Dies bedeutet, dass Bodeninformationssysteme sehr komplexe Gebilde darstellen und daher haeufig 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 repraesentieren sich in Bohrungsbeschreibungen, Analysendaten und Karten verschiedener Maßstaebe und Themen, z.B. Karten der Bodentypen und Bodenarten, Karten zur Erosionsgefaehrdung, Grundwasserleiter oder auch Karten zu schaedlichen Bodenveraenderungen. Die Bodeninformationssysteme werden in Deutschland im Wesentlichen durch die Staatlichen Geowissenschaftlichen Dienste der Bundeslaender aufgebaut und betrieben. Beispiele sind das BIS-NRW oder das Niedersaechsische Bodeninformationssystem NIBIS.

NIS: Netzinformationssystem

Ein Netzinformationssystem ist ein Instrument zur Erfassung, Verwaltung, Analyse und Praesentation von Betriebsmitteldaten. Diese beziehen sich auf die Netzwerktopologie, die in einem einheitlichen Bezugsrahmen gegeben sein muss. Mit dieser besonderen Auspraegung 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 Auspraegungen nicht abgedeckt sind. Sie sind Informationssysteme, die fachbezogene Aufgaben unterstuetzen und zur Bewaeltigung 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 Archaeologie

Auch in der archaeologischen Forschung werden Geoinformationssysteme eingesetzt (Archaeoinformatik). So werden z. B. archaeologische Fundstellen mit den Informationen zu ihrer Umwelt wie Gewaesserentfernung, Bodenguete, Klimazone usw. verknuepft. In der archaeologischen Denkmalpflege verschiedener Bundeslaender 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 zugehoerigen Informationen schnell kartiert und mit geplanten Bauvorhaben abgeglichen werden. Neuerdings werden GIS zunehmend zur Berechnung von Lagekriterien noch unbekannter Fundstellen eingesetzt (sog. Praediktionsmodelle; z. B. Archaeoprognose Brandenburg [1]). In der archaeologischen Forschung dienen GIS haeufig dazu, praehistorische Siedlungsfundstellen und ihre Verteilung in der Landschaft zu analysieren. Grundlage sind dabei naturraeumliche Faktoren wie etwa die Gelaendeform, 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 zugehoerige Grabfundstelle sichtbar gewesen) ebenso untersucht werden wie das moegliche Einzugsgebiet einer Fundstelle auf der Grundlage des sie umgebenden Naturraums. So gehoerte zu einer Siedlung immer auch ein wirtschaftlich genutztes Umfeld (aecker, Weiden, Waelder), dessen Ausdehnung u. a. vom Gelaende abhing. Gut erreichbare Lagen (z. B. flaches Gelaende, nicht durch breite Gewaesser von der Siedlung getrennt) wurden als aecker sicher gegenueber solchen bevorzugt, die z. B. erst nach ueberwindung eines Moores zu erreichen waren. Ein GIS ist in der Lage, alle diese Faktoren (Hangneigung, Gewaesserhindernisse, Bodenbeschaffenheit, ...) miteinander zu verknuepfen und daraus das Modell eines potentiell mit moeglichst wenig Aufwand zu erreichenden Umfeldes zu berechnen. Grundsaetzlich sind Geoinformationssysteme in der archaeologischen Forschung Werkzeuge bei der Analyse; sie liefern keine direkten Aussagen über antike Zustaende oder gar Wahrheiten, sondern bearbeiten, veraendern bzw. transformieren Daten. Die so entstandenen Daten dienen als weitere Interpretationsgrundlage für den Archaeologen.

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 Flaechen oder als Rasterdaten in Form von Pixeln. Es unterscheidet sich nicht wesentlich von herkoemmlichen 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. Ergaenzt wurde diese normale Datenbank um ein Grafik-Speicherformat, sowie Programmroutinen die das Zusammenspiel zwischen der Datenbank und den Grafikobjekten organisieren.

Zur Speicherung kommen haeufig objektrelationale Datenbanksysteme zum Einsatz.

Topologie

bezeichnet die raeumliche Beziehung von Geoobjekten zueinander (Nachbarschaftsbeziehungen). Im Gegensatz zur Geometrie, die die absolute Form und Lage im Raum betrifft, sind topologische Beziehungen zwischen Geoobjekten unabhaengig 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 ueberdeckt B
* B ueberdeckt A
* A trifft B
* A gleicht B

Dimension

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 Flaechen, 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 zusaetzlich eine attributive Information über die Hoehe (z. B. eine Gebaeudehoehe am Gebaeude). Diese Form findet sich in einigen Katasterdaten wieder.

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

* dreidimensional (3D): Alle Punkte haben x-, y- und z-Koordinate (bzw. Hoehe). Linienverbindungen sind raeumliche Linien, die nicht in einer Ebene liegen. Wenn Kreisboegen als Verbindungen vorkommen, werden diese streng genommen Ellipsenabschnitte, die in einer geneigten Ebene liegen; oder sie müssen durch Linienzuege mit entsprechend kurzen Segmenten angenaehert werden. Flaechenobjekte sind nur dann ebene Flaechen, wenn sie durch genau 3 Punkte begrenzt werden, ansonsten sind es gekruemmte Raumflaechen.

* vierdimensional (4D): Zusaetzlich 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 zeitabhaengige Animationen können erzeugt werden (z. B.: der Fortschritt des Kohleabbaus in einem Bergwerk).

Funktionen

Ein GIS erweitert somit die Nutzungsmoeglichkeiten 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 raeumlichen 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 urspruenglichen 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 durchfuehren, oder die man z. B. verschneiden kann.

Verschneidung

ueberlagerung verschiedener Informationsebenen (Layer) zur Bestimmung von Flaechen mit einer bestimmten Attributkombination (Kombination von Eigenschaften).

Klassisches Beispiel - Flaechenfindung für geplante Deponie:

Die gewuenschte Eigenschaften sind u. a. wasserundurchlässiger (toniger) Untergrund, festgelegte Entfernung von Siedlungsgebieten und Gewaessern, sowie ein maximales Gefaelle von 5 %. Durch Verschneidung der Layer "Geologie" (bzw. Boden), "Siedlung" (mit Pufferzonen), "Gewaesser" (mit Pufferzonen) und "Hangneigung" (Klassifikation) erhaelt man (gegebenenfalls) verschiedene Flaechen auf die besagte Eigenschaften zutreffen, aus diesen kann man an Hand weiterer Voraussetzungen eine geeignete Flaeche auswaehlen.

Es gibt verschiedene empirische Formeln zur Abschaetzung 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 Flaechenzahl, m = Flaechenzahl 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 kuerzesten Wegen, Einzugsgebieten, Adressen und naechstgelegenen, angrenzenden oder ueberlappenden Objekten (siehe auch Topologie).

Regionalisierung

uebertragung von Punktdaten auf die Flaeche 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, Groeße, Lage und Orientierung von raeumlichen Objekten. Auf metrischer Seite erfordert dies die Festlegung und Zuordnung eines Koordinaten-Referenz-Systems (z.B. geodaetisches Bezugssystems inklusive geodaetischem Datum oder eine Kartenprojektion). Zur Herstellung des Raumbezuges werden in vielen Faellen Transformationen und Konversionen sowie Interpolationen notwendig: Dazu gehoeren die Eliminierung geometrischer Verzerrungen, Einpassung der Daten in ein gewaehltes 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 Praesentation

Die Möglichkeiten der Darstellung und Praesentation 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 Gelaendemodelle, "Drape" (mit Raster- oder vektordaten ueberlagertes 3D-Modell)
Animationen (Flug über Gelaende und aehnliches)
Gelaendeschnitte/Profile
Einbindung von Diagrammen, Bild- oder Audiodaten

Weitere Funktionen

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

Geoinformationssysteme ermoeglichen die Schaffung in sich widerspruchsfreier, vollstaendig attributierter, ueberlappungsfreier Daten und stellen Funktionen zur Aufspuerung u. Behandlung von Geometrie- u. Attributierungsfehlern bereit.

In der Geodaesie 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

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

Plots von Karten und Plaenen entsprechend einem bestimmten Blattschnitt unter gleichen Randbedingungen
Nachattributierung importierter Daten
spezifische periodische Auswertungen für regelmaeßige Berichte
Regelmaeßige Datenweitergaben an andere aemter oder Firmen über definierte Schnittstellen
Pruefvorgaenge zur Datenkonsistenz
Einbeziehung extern gepflegter Sachdaten

Voraussetzungen für Automatisierbakeit sind:

Eine Makrosprache mit Schleifen, Bedingungen und Eingabemoeglichkeiten
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 proprietaerer 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 verfuegbare Software GRASS GIS oder auch Deegree.