Geographic information system

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Ein Geoinformationssytem (GIS) ist ein Informationssystem, mit dem nach Bill (1994) "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

LIS: Landinformationssystem

Landinformationssysteme (LIS) sind seitens des Vermessungswesens erschaffen worden und beziehen sich hauptsächlich auf die exakte geometrische Erfassung und Fortführung des 'Grund und Bodens' sowie auf damit verknüpfte Sachdaten.

Das wohl bekannteste LIS ist das Liegenschaftskataster. Bereits 1982 definierte die Federation Internationale des Geometres (FIG):

"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 inheitliches, räumliches Bezugssystem für die gespeicherten Daten, welches auch eine Verknüpfung der im System gespeicherten Daten mit anderen bodenbezogenen Daten erleichtert."<footnote>Bill, Ralf: Grundlagen der Geo-Informationssysteme. Band 1. Heidelberg 1999. S.36</footnote>

Inzwischen hat ein Großteil der Kommunen seine Daten in ein LIS eingebracht und verarbeitet damit u.a. Pläne für Gebäude, Kanal, Wasser, Stromleitungen - oder idealerweise den gesamten digitalen Stadtplan samt Leitungskataster.

Literatur

  • "Geoinformationsbörse" / GeoLIS-2, Geowiss.Mitt. TU Wien, Band 37.

KIS: Kommunales Informationssystem

Kommunale Informationssysteme bezeichnen die IS-Komponenten in einer Kommune. Kommunale Informationssysteme (KIS) sind gekennzeichnet durch eine Integration der verschiedenen raumbezogenen Aufgaben bzw. Systeme verschiedener Ämter (Vermessungs-, Tiefbau-, Statistik-, Grünflächen-, Garten-, Friedhofs-, Umweltamt etc.). Als Schlagwort wird hierfür in jüngster Zeit der Begriff "Technisches Rathaus" geprägt.

Neben der Integration der raumbezogenen Systeme bzw. Systemmodule ist noch die Eingliederung alphanumerischer Informationssysteme und Datenbanken (z.B. Liegenschaftsbuch/ALB, Einwohnerwesen etc.) wichtig. So entsteht im optimalen Fall ein übergreifendes System mit durchgehendem Informationszugriff, bis hin zum Austausch mit externen (z.B. Stadtwerke) und übergeordneten (z.B. Landesebene) Systemen. In der Realität bestehen jedoch noch vielfach inkompatible Insellösungen an verschiedenen Stellen der Kommunalverwaltung.

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.

Literatur

  • Institut für Kommunale Geoinformationssysteme e. V. (Hrsg.) (2004): Grundwissen GIS: Lernsoftware für Geografische Informationssysteme - Grundlagen Beispiele Anwendungen. ISBN 3-9808493-1-7
  • Birgit Guhse (2005): Kommunales Flächenmonitoring und Flächenmanagement. ISBN 3-87907-428-3

UIS: Umweltinformationssystem

In Anlehnung an B. Page et Al. (1990) wird ein UIS wie folgt definiert:

"Ein Umweltinformationssystem ist ein erweitertes GIS, das der Erfassung, Speicherung, Verarbeitung und Präsentation von raum-, zeit- und inhaltsbezogenen Daten zur Beschreibung des Zustandes der Umwelt hinsichtlich Belastung und Gefährdung dient und Grundlagen für Maßnahmen des Umweltschutzes bildet." <footnote>32 Bill, Ralf: Grundlagen der Geo-Informationssysteme. Band 1. Heidelberg 1999. S.40</footnote>

Die Überwachung und der Schutz der Umwelt ist eine Querschnittsaufgabe der Verwaltung. Herkömmliche Informationssysteme ohne räumlichen Bezug versagen zumeist, da es darauf ankommt, eine Vielzahl fachspezifischer Daten über die Lage miteinander zu verknüpfen. Erst durch diese Verknüpfung entstehen neue und aussagekräftigere Informationen zum komplexen ökologischen System.


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 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.

Planerische Maßnahmen, die das Objekt Umwelt verändern, können durch Integration in ein GIS mit seinem Datenbestand sehr vielseitig unterstützt werden. Zu nennen wären hier:

  • rechtlichen Seite (Kataster)
  • gestalterische Seite (Stadt- und Landschaftsplanung)
  • umweltbeeinflussende Aspekte (Umweltverträglichkeitsprüfungen, Untersuchungen raumwirksamer Planungen, ökologische Gesamtplanungen )

Ein weiterer Anwendungsbereich eines GIS liegt im sogenannten Umweltmonitoring. Das heißt, die Überwachung der Umwelt und der sie beeinträchtigenden Faktoren wie Verkehr, Landwirtschaft und Industrie wird hier abgebildet. Modelle über Lärm- und Schadstoffausbreitungen (Strömungs- und Ausbreitungsmodelle) nutzen Informationen aus dem GIS wie z. B. die Höhe, die Bodenbedeckung und den Bodenbewuchs, die Bodenart und die Bebauung. Charakteristisch für den Umweltbereich sind die folgenden Faktoren:

  • hoher Grad der Visualisierung
  • Austausch von Daten des GIS zu Berechnungsmodulen und umgekehrt
  • Vielfalt an externen Paketen von der Datengewinnung und -Aufbereitung über die Datenmodellierung bis zur Visualisierung


Literatur

RIS: Rauminformationssystem

Rauminformationssysteme (RIS) sind seitens der Geographen, Raumplaner und Statistiker realisiert worden. Zu den breitgefächerten Aufgabenbereichen zählen die Erfassung der Bevölkerungsentwicklung, Wirtschaft und Siedlungen, amtliche Statistiken und Aufstellung von Entwicklungsprogrammen. Als Raumbezug verwenden RIS i.d.R. Informationen vom LIS. Beispiele für Rauminformationssysteme sind z.B. Raumordnungskataster oder Flächennutzungspläne. Zur Abgrenzung gegenüber LIS definiert R. Bill ein RIS wie folgt:

"Ein Rauminformationssystem ist ein Instrument zur Entscheidungsfindung sowie ein Hilfsmittel für Planung und Entwicklung. Es besteht aus einer Datensammlung zur Bevölkerungs-, Wirtschafts-, und Siedlungsentwicklung, zum Infrastrukturausbau, zur Flächennutzung und den Ressourcen, die in regionale Entwicklungsprogramme und raumbedeutsame Vorhaben einfließen. Ebenso sind die Verfahren und Methode zur Erfassung, Aktualisierung und Umsetzung dieser Daten wesentlicher Bestandteil des Informationssystems. Die Grundlage bildet der einheitliche Raumbezug, der die erschiedenartigen Daten miteinander verknüpft." <footnote>Bill, Ralf: Grundlagen der Geo-Informationssysteme. Band 1. Heidelberg 1999. S.38</footnote>

BIS: Bodeninformationssystem

Ein Bodeninformationssystem ist ein Fachinformationssystem zum Boden, welches als Bestandteil von UIS aufgebaut wird, zum Beispiel BIS-NRW.

NIS: Netzinformationssystem

Trassen-Darstellung mit Querschnitten und Blickrichtung bei Netz-Informationssystemen (Strom).

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)

Definition nach BILL/FRITSCH (1991): "Ein Netz-Informationssystem ist ein Instrument zur Erfassung, Verwaltung, Analyse und Ausgabe von Betriebsmitteldaten. Diese beziehen sich auf die Netzwerktopologie, die in einem einheitlichen Bezugsrahmen gegeben sein muß."

Netz-Informationssysteme wurden bereits in den Anfängen der GIS-Entwicklung als Speziallösungen eingesetzt. Nachdem zunächst nur die Umstellung der analogen Planwerke der Leitungskataster auf rein graphisch-digitale Führung möglich war, sind heute Systeme mit sehr komplexen Datenmodellen und Knoten-Kanten-Topologie (Thema Graphentheorie, vergl. diverse mathematische Fachlieratur) für eine realitätsnahe Netzverwaltung, besser Netz-Management, auf dem Markt verfügbar. Der wichtigste Aspekt eines Netz-Informationssystems ist daher die Datenbank-Integration und das Datenmodell. Die Systeme müssen hohen Ansprüchen genügen, denn die leitungsdokumentation hat gesetzlichen Bestimmungen zu folgen. Aber schon aus wirtschaftliche Gründen (die Kosten für Schäden durch Bauarbeiten, welche durch mangelnde Kenntnis über die Lage der verschiedenen Leitungen entstehen können, sind mitunter beträchtlich) ist auf eine korrekte, genaue und sichere Datenhaltung und Fortführung zu achten.

Gas- und Wassernetze haben die einfachste Netzstruktur. Sie bestehen im Wesentlichen aus Knoten (schaltbare und nicht schaltbare Leitungspunkte) und Kanten (Rohre bzw. mehrere zu Leitungsabschnitten zusammengefaßte Rohre). Analgen (Bauwerke) stellen eine weitere Datenkategorie dar. Bei Fernwärmenetzen kommt die Problematik der Vor- und Rücklaufrihre hinzu, welche in großen Maßstäben als zwei parallele Strieche, in kleineren Maßstäben als ein Strich dargestellt werden. Kanalnetze (Abwasser) haben prinzipiell die gleiche Struktur, allerdings sind hier zustätzliche Informationen zur Beitragveranlagung und Wertermittlung vorzusehen. Darüber hinaus sind Sonderstrukturen z.B. für Rückhaltebecken u.a. erforderlich, welche Topologisch als Knoten, Geometrisch aber als Fläche Modelliert werden müssen. Wesentlich komplexer ist die Situation bei Strom- und Telekommunikationsnetzen, wie das unten beschriebene Beispiel aufzeigt. Diese Problematiken werden detailliert in dem Buch "GIS in EVU" von U. BERNHARDT [1995] beschrieben. Darüber hinaus gibt es noch weitere Netztypen wie etwa Erdölleitungen, welche aber wesentlich seltener vorkommen. Straßennetze haben zwar ebenfalls eine Knoten-Kanten-Architektur, die Anforderungen unterschieden sich aber teilweise deutlich von den Ver- und Entsorgungsnbetzen, weshalb in diesem Zusammenhang der Begriff NIS kaum verwendet wird.

Für die Darstellung und Verwaltung von Gas-, Wasser-, Fernwärme- und Kanalnetzen gibt es relativ detailliert beschriebene Vorgaben der DIN 2425 und Empfehlungen des DVGW (Deutscher Verband für Gas- und Wasserwesen), der AGW (Arbeitsgemeinschaft Fernwärme) und der ATV (Abwassertechnische Vereinigung). Trotz dieser Standardisierungsbestrebungen bleibt aber ein hoher Anteil werkspezifischer Anforderungen, insbesondere wenn es um die Modellierung von Geschäftsprozessen und die Integration weiterer Anwendungen wie Materialwirtschaft, Netzberechnungen etc. geht, damit ein tatsächlicher (betriebs-)wirtschaftlicher Nutzen der System entstehen kann.

Ein Beispiel zur Verdeutlichung der Problematik bei Stromnetzen: Bei Stromnetzen liegen häufig einige Dutzend Kabel in einer Trasse (Freileitung oder unterirdische Kabelleitung). Ziel des Netz-Informationssystems muß es sein, alle Kabel zu verwalten, da von Ihnen die betriebliche Netz-Topologie (z.B. welches Haus wird bei einer bestimmten Schalterstellung von welcher Trafostation versorgt) abhängt. Andererseits haben auch die Trassen selbst eine Topologie, denn nicht von jeder Trasse kann ein Kabel an einem Kreuzungspunkt in jede andere eingezogen werden. Die Trassen können ja z.B. in unterschiedlichen Höhen verlaufen. Ein weiteres Problem ist die graphische Darstellung aller Kabel. In analogen Karten und graphikorientierten Systemen wird meist nicht die Trasse, sondern jedes Kabel einzeln erfaßt. Die Kabel liegen aber so dicht beieinander oder sogar übereinander, so daß sie gespreizt werden müssen. Dadurch ist aber Ihre Lage nicht mehr korrekt. In intelligenten Netz-Informationssystemen können daher Trassen durch eine automatisch generierbare Querschnittslegende näher beschrieben werden. Wichtig ist, daß diese Legende logisch mit der Trasse verknüpft ist, sich also die Angaben automatisch ändern (fortführen), wenn ein Kabel neu eingezogen oder herausgenommen wird.

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.

Datenmodell

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

Grundlegendes Modell

Das grundlegende Datenmodell verwaltet raumbezogene Objekte in Form von Punkten, Linien und Flächen. 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 (der Marktführer Esri benutzt bis heute das DBase-Format für das Programm ArcView). 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.

Innovativ war daher nicht die Entwicklung eines Datenbankmodells, sondern der programmatische Umgang damit.

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 2 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

Datendimensionen im GIS

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. Räumliche Darstellungen und Analysen sind daher nicht möglich
  • zweieinhalbdimensional (2,5D): Jeder Punkt hat zusätzlich zur x- und y-Koordinate eine attributive Information über die Höhe. Das bedeutet, dass Punkte, Linien und Flächen weiterhin in der xy-Ebene dargestellt werden, aber für jeden Knotenpunkt ist auch die Höheninformation abrufbar. Einfache räumliche Analysen sind damit möglich. Räumliche Darstellungen sind jedoch nicht möglich. Ein Großteil der heute vorhandenen GIS-Daten liegt in dieser Form vor.
  • 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. Räumliche Analysen und Darstellungen sind damit möglich.
  • 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

  • die Abfrage von Eigenschaften in einem Gebiet (zum Beispiel: Wieviele Einwohner hat diese Stadt?)

Visualisierung

Weitere Funktionen

  • die Verschneidung (Feststellung, wo vorgegebene Eigenschaften verschiedener Themen aufeinandertreffen, zum Beispiel: Welche Seen (topografisch ermittelt) befinden sich innerhalb der Verwaltungsgrenzen von Sachsen)
  • die visuelle Überlagerung geometrischer Daten verschiedener Quellen auf Basis georeferenzierter Koordinaten (beispielsweise gemeinsame Darstellung von Tagebauen und Grundwassermessstellen)
  • die grafische Visualisierung unterschiedlicher Attributierung durch Färbung, Schraffur oder Beschriftung (zum Beispiel Flussbeschriftungen oder Einfärbungen nach Flächennutzungsarten)
  • Die Bildung sogenannter Pufferflächen (Buffer) um Geoobjekte beliebiger Dimension. Dies sind Gebiete innerhalb eines bestimmten Abstandes vom ursprünglichen Geoobjekt
  • die Lösung von Abfragen unter Verwendung von Attributen wie 'schnellster Weg', aber auch mathematisch komplexer Probleme 'travelling salesman'

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. Kartographie 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 Makto geprüft wird).
  • softwarelesbare, klassifizierte Datenattribute, nach welche selektiert werden kann.



Wikipedia Verweise

Weblinks

Nicht kommerzielle Weblinks

Software

Web-GIS-Beispiele

GIS-Literatur

  • Bartelme, N. (2005): Geoinformatik: Modelle, Strukturen, Funktionen. Berlin: Springer.
  • Helmut Saurer/Franz-Josef Behr: Geographische Informationssysteme. Eine Einführung. Darmstadt 1997, ISBN 3-534-12009-4.
  • Martin Dehrendorf/Michael Heiß: Geo-Informationssysteme in der kommunalen Planungspraxis. Norden 2004, ISBN 3-9808463-3-4.

siehe auch: GIS-Literatur



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