Geoinformationssysteme GIS und andere Informationssysteme Struktur und Funktion von GIS Entwicklung und Anwendung von GIS

Geoinformationssysteme (GIS) Geodaten und Geoinformations-Dienste (GI-Services) auf der Basis von Web-Techniken entwickelt herausragende Bedeutung für Geo- und Umweltwissenschaften und alle raumbezogenen Überwachungs-, Planungs- und Management-Aufgaben Erklärung der Bundesregierung 2000, Bundestagsdebatte am 15. 2. 2001. GIS dominierendes DV-Instrumentarium für Analyse, Modellierung und Visualisierung raumbezogener Daten bilden

GIS und andere Informationssysteme Geoinformationssysteme gehören zur umfassenden Klasse der digitalen Informationssysteme Ein (digitales) Informationssystem (IS) ermöglicht die Erfassung, Speicherung, Aktualisierung, Verarbeitung und Wiedergabe von in der Regel umfangreichen Informationen eines Fachgebietes.

Ø (alpha)numerische Information Ø Text-Information Ø Bild- Information Information kann in unterschiedlicher Form gespeichert sein bzw. abgerufen werden: Ø (alpha)numerische Information Ø Text-Information Ø Bild- Information Ø Akustische Information Alpha-num. Daten

Ein Geoinformationssystem (GIS) ist ein DV-gestütztes Informationssystem zur Erfassung E Verwaltung V Analyse, Modellierung und A Präsentation (Visualisierung) P von Geoinformationen. Die zugrundeliegenden Geodaten beschreiben die Geometrie, Topologie, Thematik und Dynamik der Geoobjekte.

Begrifflichkeit: GIS: Geoinformationssystem, Geographisches Informationssystem (engl.: geographical information system) GeoInformation Science'

GIS-Anwendungen Fachinformationssysteme (FIS): fachspezifische, thematisch beschränkte Informationen eines bestimmten Fachgebietes (z.B. Boden-Informationssystem) Umwelt-Informationssysteme (UIS): Informationen über umweltbezogene Sachverhalte räumlicher und nicht-räumlicher Art; fachübergreifende Informationssysteme Umweltmonitoring und Umweltplanung Kommunale Informationssysteme (KIS): Fachübergreifende Informationen für den Gesamtbereich der kommunalen Planungs- und Verwaltungsaufgaben

Rauminformationssysteme (RIS): Raumbezogene Informationen über zumeist grössere administrative Einheiten (z.B. Landschaftsverband, Regierungsbezirk); Anwendungsgebiete: Regional- und Landesplanung, („Raumordungskataster ROKA“). Land(schafts)informationssysteme (LIS): Informationen primär über die naturräumliche Ausstattung von Gebieten; im Unterschied zu RIS stärker auf naturräumlich abgegrenzte Raumeinheiten bezogen; Anwendungsgebiete sind insbesondere Naturschutz und Landschaftsplanung

Entwicklung von GIS begann in den 60er Jahren, drei wesentliche Wurzeln: Datenbanksysteme Grafische Datenverarbeitung und Digitale Kartographie „Quantitative Revolution“ numerisch-statistische Konzepte zur Analyse, Modellierung und Prognose räumlicher Prozesse (spatial analysis) frühe Anwendungsgebiete: Vermessung: Erfassung, Verwaltung, Präsentation von Daten Geographie: Analyse, Darstellung Umweltdiszipline: Verwaltung, Analyse, Darstellung

Geoobjekte mit explizitem Raumbezug und gekoppelten Sachdaten Geoobjekte mit explizitem Raumbezug und gekoppelten Sachdaten Modellierung allgemeiner Objekte, Raumbezug nur als ein Attribut Selektion von Geoobjekten über Raumbezug und Attribute möglich Selektion von Objekten nur über Attribute (z.B. Schlüssel) möglich Datenanalyse interaktiv-grafisch, numerisch - statistisch Datenanalyse überwiegend mit statistischen Methoden Visualisierung mit digitaler Kartographie, Tabellen und Diagrammen Visualisierung durch Tabellen und Diagramme (Business-Grafik)

GIS sind nicht mit Datenbanksystemen, digitalen Kartographiesystemen oder CAD-Systemen gleich zu setzen. Unterschiede GIS DBS Geoobjekte mit explizitem Raumbezug und gekoppelten Sachdaten Selektion von Geoobjekten über Raumbezug und Attribute Datenanalyse interaktiv-grafisch, numerisch - statistisch Visualisierung mit digitaler Kartographie, Tabellen und Diagrammen Modellierung allgemeiner Objekte, Raumbezug nur ein Attribut Selektion von Objekten über Attribute Datenanalyse überwiegend mit statistischen Methoden Visualisierung durch Tabellen und Diagramme (Business-Grafik)

Unterschiede GIS CAD Abbildung der Realität durch ein geometrisch und fachlich vereinfachtes Modell Geometrie und Thematik der Geoobjekte sind gekoppelt Geoobjekte Analysefunktionen bilden den Schwerpunkt der GIS-Funktionalität "Von der Idee zur Realität" durch interaktiv-geometrisches Modellieren und Konstruieren Meist keine Sachdaten-Verwaltung bzw. Kopplung an Geoobjekte Analysefunktionen in der Regel nur rudimentär vorhanden

Unterschiede: GIS Visualisierung mit graphischen und kartographischen Techniken nur eine von vielen Funktionen Analysefunktionen bilden den Schwerpunkt der GIS-Funktionalität Kartographiesystem Primäres Ziel ist die Konstruktion topographischer und thematischer Karten Analysefunktionen sind nur eingeschränkt vorhanden Entwicklung: Immer stärkere Konvergenz und funktionale Integration der konzeptionell unterschiedlichen Systemtypen

Struktur und Funktion von GIS

Strukturelle Komponenten eines GIS 1. Hardware: Computer, Peripheriegeräte, Kommunikationsnetz 2. Software: Programme zu EVAP von Daten 3. Daten: zur Geometrie, Topologie, Thematik und Dynamik von Geoobjekten 4. Anwender GIS-Komponenten haben unterschiedliche Lebensdauer und unterschiedlichen Marktwert: Lebensdauer/Marktwert von digital erfassten, gepflegten Datenbestände > Software > Hardware.

GIS-Funktionalitäten Geodatenerfassung: Unterstützung der wesentlichen Methoden und Techniken der Erfassung von Primärdaten (Geometrie, Topologie, Thematik und Metainformation) Vektorielles Digitalisieren von Kartenvorlagen nach diversen Modi (Einzelpunkt, konstantes Wegintervall, konstantes Zeitintervall) Rastermäßiges Scannen von Kartenvorlagen und Bildern in unterschiedlichen Auflösungen und Farbtiefen on-screen-digitizing mit entsprechenden Hilfsfunktionen (z.B. automatische Linienverfolgung, automatisches Schließen von Polygonen) Manuelle Eingabe von Attributdaten und Metadaten mit Thesaurus-Unterstützung (systematische Sammlung von Begriffen eines Fachgebietes) Unterstützung mobiler Datenerfassung, z.B. Schnittstelle zur Erfassung von GPS-Daten

Import raumbezogener Daten durch einfach bedienbare und gut dokumentierte Schnittstellen zum aus Fremdsystemen, z.B. Geometrie-Daten aus CAD- und Kartographie-Systemen oder anderen GIS Sachdaten aus unterschiedlichen Datenbanksystemen Fernerkundungsdaten aus Bildverarbeitungssystemen Häufiges Problem: Inkompatibilitäten von Datenformaten und Daten- Schnittstellen erschwert Import wie Export von Geodaten..

Datenverwaltung: GIS brauchtgleiche Grundfunktionen zur Datenverwaltung wie ein Datenbankmanagementsystem - allerdings nicht nur für Attributdaten sondern auch für Geometrie-,Topologie- und Dynamik-Daten: Dateioperationen (z.B. Einfügen, Kopieren, Löschen, Ändern von Objekten und Attributwerten) Geometrische, topologische und thematische Suchoperationen (Selektionen) in freier Verknüpfung Grundfunktionen zum Sichten von Daten (tabellarisches Auflisten) Fortführung (Aktualisierung) der Geometrie- und Sachdaten mit Versionsverwaltung Sicherheitskontrollen beim Zugriff auf die Daten und Transaktionskonzepte zur Wahrung der Datenintegrität

Beispiele für besondere Anforderungen der Geodaten-Verwaltung: Blattschnittfreie Verwaltung aller Daten mit Datenzugriff für beliebig (wenigstens rechtwinklig) definierte räumliche Fenster. Randbehandlung. Verbindung benachbarter Raumausschnitte mit automatischer oder wenigstens interaktiver Korrektur der Geometrie und Topologie an den ehemaligen Gebietsrändern Geometrische Anpassung (Entzerrung, Maßstabsanpassung) beim Zusammenfügen verschiedener Teilgebiete zu einem Gesamtgebiet zwecks Wahrung der geometrischen und topologischen Konsistenz. Suchoperationen nach geometrischen, topologischen und thematischen Selektionsbedingungen (Filter), z.B. Selektiere alle Grenzsteine von Flurstücken im gegebenen Suchfenster (geometrische Suchbedingung) Selektiere alle Flurstücke, die links an eine gegebene Straße angrenzen (topologische Suchbedingung)

Analyse & Modellierung Methoden zur Analyse und Modellierung raumbezogener Daten = wichtigste Klasse von GIS-Funktionen eigentliche Stärke von GIS und wesentlicher Unterschied zu vielen anderen Informationssystemen. Bezüglich der fachlichen Breite und methodischen Tiefe der verfügbaren Analyse-Werkzeuge und Modellierungstechniken Unterschiede der verschiedenen GIS-Programme (Fachapplikationen, Fachschalen) Besondere Bedeutung der Analyse-Werkzeuge => ausführlichere (aber nicht vollständige) Darstellung

Geometrische Analysen: Zu den geometrischen Grundfunktionen gehören z.B. die Berechnung von Länge, Umfang, Flächeninhalt, Distanzen und Schwerpunkten von Geoobjekten. Einige geometrische Eigenschaften müssen nicht explizit definiert werden. Beispiel: "Länge" eines Flächenobjektes. Länge des Einzugsgebietes eines Abflusspegels ist maximale Distanz zwischen diesem Pegelpunkt und allen Punkten der Wasserscheide. Wichtig! Die gleiche geometrische Eigenschaft für das Vektor- bzw. Raster-Modell weist unterschiedliche Kennwerte auf. (Warum?)

Topologische Analysen: Voronoi-Polygone als Umgebungen für punkthafte Geoobjekte, z.B. Versorgungsgebiet eines Sendemastes Pufferungs-Methode (Buffering) z.B. Eintrag von Nähr- und Schadstoffen eines Fließgewässers über die Uferrandstreifen, Schallemissionen einer Autobahn in Abhängigkeit von der Distanz

Selektion und Neubildung von Geoobjekten durch Verschneidung: Die Verschneidung (overlay) von Geoobjekten ist eine der wichtigsten GIS-Funktionen. Durch Verschneidungs-Operationen können Geoobjekte nach topologisch-thematischen Kriterien selektiert und/oder neue Geoobjekte gebildet werden, deren Geometrie aus der geometrischen Überlagerung von zwei oder mehreren Geoobjekten entsteht deren Attribute von den Basis-Objekten übernommen werden deren Topologie ggf. neu berechnet werden muss. Verschneidungsoperationen sind für Raster-Objekte einfach mittels logischer Operatoren zu realisieren (wenn die gleiche Raster-Geometrie zugrunde liegt)

Verschneidung von Punkten mit Polygonen:

Verschneidung von Linien mit Polygonen

Verschneidung von Polygonen mit Polygonen

Statistische Analysen: Statistische Berechnungen der Sachdaten,z.B. Schätzung von Mittelwert und Standardabweichung, Korrelations- und Regressionsanalysen. Räumliche Interpolationsverfahren (zusätzliche Verwednung der Geometrie und Topologie der Geoobjekte) Kopplung und Integration von GIS mit raumbezogenen Modellen: Die Verknüpfung numerischer Simulations- und Prognose-Modelle mit GIS (z.B. unterschiedliche Bodenarten und Landnutzungen für die Modellierung der aktuellen Verdunstung) Heutige Geoinformationssysteme bieten keine guten Voraussetzungen zur Einbindung fachspezifischer Simulations- und Prognosemodelle

3D (2,5D)-Analysen mit Digitalen Geländemodelle DGM Geländeoberfläche hat grundsätzliche Bedeutung als Bezugsfläche menschlicher Aktivitäten Möglichkeit von quasi-3D-Analysen (2,5D-GIS) mit Hilfe digitaler Geländemodelle. Alternative Begriffe zu DGM: Digitales Höhenmodell (DHM) digital terrain model (DTM) digital elevation model (DEM) Erstellung eines DGM mittels GRID TIN (siehe nächste Seiten)

Grid

TIN Triangulated Irregulare Network

Analysemöglichkeiten mit DGM Höhenschichten Hangneigung (Böschungswinkel) Exposition Tiefenliniennetz (»Gewässersystem) Oberirdische Einzugsgebiete Sichtbarkeitsbereiche von einem Standort aus

Beispiel hydrologische Analyse:: Rasterbasiertes DGM als Grundlage für die Berechnung hydromorphologischer Parameter.

Berechnung der Fließrichtung (flow direction) jeder einzelnen Rasterzelle. Die Fließrichtung wird als Richtung des maximalen Gefälles unter Berücksichtigung der 4 (8) Nachbarzellen berechnet.

Berechnung des Tiefenliniennetzes auf der Grundlage der theoretischen Ansammlung von oberflächlich abfließendem Wasser (flow accumulation) mit der Bedingung, dass mindestens 100 Rasterzellen des DGM in die fragliche Rasterzelle einspeisen müssen. Das Raster-Tiefenliniennetz wurde anschließend vektorisiert.

Visualisierung: Die Visualisierung von Primär- und Sekundärdaten sowie Resultaten im GIS sollte wahlfrei für den GIS-Nutzer nach verschiedenen Methoden erfolgen können. Alphanumerische Visualisierung in Form von Texten und Tabellen Grafische Visualisierung mit Diagrammen und Kartogrammen Kartografische Visualisierung in Form statischer, dynamischer und animierter Karten visualisierte ATKIS-Daten

Datenmodelle für GIS Verwaltung der Geometrie-, Topologie- und Sachdaten in GIS meist mittels konzeptioneller Datenschemata (logische Datenmodelle), insbesondere relationaler Modelle. Problem: Entwickelt für Verwaltung allgemeiner Objekte und ihrer Attribute, => gut geeignet für Verwaltung der Sachdaten in GIS => wenig geeignet für Verwaltung der Geometrie- und Topologie-Daten von Geoobjekten (z.B. Koordinatentupel sind nicht atomar)

Lösung des Problems: Einsatz spezieller SW-Komponenten für die Verbindung von GIS mit Standard-Datenbanken (z.B. ArcSDE) sowie raumbezogener Datenbank- Komponenten (z.B. Oracle Spatial). Sind speziell auf Verwaltung und Selektion von Geoobjekten abgestimmt. überwinden die separate Modellierung von Geometrie/Topologie- und Sachdaten in unterschiedlichen Datenbank(modell)en stellen spezielle raumbezogene Operationen zur Verfügung (z.B. Verschneiden von Geoobjekten, clipping von Objekten am Kartenrand) ermöglichen mit speziellen Datenbanksprachen (GQL) auch raumbezogene Abfragen (z.B.: "liegt innerhalb", "ist Nachbar von")

Konzeptionelles Datenmodell und -schema für die Geometrie und Topologie eines vektor-basierten 2D-GIS. Exemplarische Entwicklung in Form eines ER-Diagramms Siehe folgende Seiten

Der Knoten ist das topologische Grundelement mit der Punkt-Geometrie durch das Koordinatenpaar und mit Attributen für die Sachdaten Eine Kante ist topologisch definiert durch die Adjazenz zweier Knoten; die Geometrie ist durch beliebig viele Zwischenpunkte darstellbar; durch Festlegung von Anfangs- und Endknoten wird die Kante orientiert (z.B. bei der Digitalisierung); die Kante kann ggf. mehrere Attribute besitzen Ein Polygon als geschlossene Folge von Kanten hat ggf. mehrere Attribute als Charakteristika für Gebiets-Eigenschaften Die topologische Verknüpfung Polygone - Kanten erfolgt über Kanten-Attribute "Polygon-Rechts" und "Polygon-Links" die Nachbarschaft zweier Polygone ist implizit über (mindestens) eine gemeinsame Kante definiert.

Konzeptionelles Vektor-Modell als ER-Diagramm

Überführung des konzeptionellen Vektor-Modells in ein relationales Datenmodell als konzeptionelles Schema Vereinfachungen alle Linien-Segmente sollen geradlinig sein, so dass Zwischenpunkte zur Festlegung der Linien-Geometrie entfallen können. Exemplarisch wird jeweils nur ein Attribut benannt. Skizze zur Veranschaulichung: Auszug aus einem Liegenschafts- kataster; die roten Pfeile zeigen dabei die Laufrichtung der Linien-Segmente beim Digitalisieren an

Bildung folgender Relationen: Knoten Kn-ID X-Koordinate Y-Koordinate Knoten-Attr.1 Kn1 4,2 12,5 Grenzstein Kn2 .... .... Grenzpfahl Kanten Ka-ID Anf-Knoten End-Knoten Poly-Rechts Poly-Links Kanten-Attr.1 Ka1 Kn1 Kn2 P1 Außen Zaun Ka3 Kn3 Kn4 P1 P2 Mauer Polygon-Struktur Poly-ID Ka-ID Reihenfolge P1 Ka3 3 P2 Ka3 1 P1 Ka1 1 Polygon-Attribute Poly-ID Poly-Attribut1 P1 705 P2 820

Relationales Daten-Modell nicht optimal für geometrisch-topologische Modellierung von Geoobjekten geeignet. =>besser: Spezielle Geodaten-Modelle auf Basis des objektorientierten Paradigmas (z.B.: Beschreibung von Knoten direkt als Koordinatenpaare, Polygone als geordnete Knoten-Tupel)

Konzeptionelle Datenmodelle für 2D-Raster-GIS Standard-Datenmodell für rasterbasierte GIS = Raster-Matrizen Datenverwaltung meist über Dateisystem. Problem bei Rasterdaten: Datenmenge - Speicherplatz =>Methoden zur Komprimierung der Raster-Matrix. Einfaches Verfahren: Lauflängen-Kodierung zeilenweises Abtasten der Matrix, Abspeichern der Anzahl benachbarter Pixel mit gleichem Grauwert als Wertepaar. Beispiel: 3A, 2B, 2A, 3C, 2D, 3C, 3D, 2B, 2D, 3B beim Lesen verlustfrei rekonstruierbar.

Quadtree-Modell Prinzipielle Idee: Rasterstruktur nur in denjenigen Teilbereichen zu verfeinern, in denen eine kompliziertere Geometrie dies erfordert. In den übrigen Bereichen kann groben Rasterstruktur grob sein ermöglicht geometrische Flexibilität des Rasters Einsparung von Speicherplatz

Entwicklung und Anwendung von GIS Die Entwicklung (mehr oder minder) vollständiger Geoinformationssysteme findet heute fast ausschließlich kommerziell durch Software-Firmen statt. An den Universitäten werden entwickelt: einzelne Module mit neuen methodischen Ansätzen (GIS-Werkzeuge) zum Teil auch Gesamt-Systeme, insbesondere für den Einsatz in der Lehre Konzepte und Prototypen für komponentenbasierte, interoperable, webfähige Geoinformationsdienste (GI-services) Nutzbarkeitsstudien (usability) für allgemeine und fachspezifische Anwendungen

Kurzer Überblick über existierende GIS Weltweit mehrere hundert GIS mit unterschiedlicher Leistungsfähigkeit, für verschiedene Plattformen und zu unterschiedlichen Preisen. Informationen zu den Systemen auf den Internet-Seiten der Hersteller. IDRISI Clark-University (USA); lauffähig auf PC; gute Raster-, mäßige Vektor-Funktionalität; sehr preiswert; weltweit in Universitäten verbreitet ILWIS ITC (halb-staatliche Institution in Enschede); lauffähig auf PC; gute Funktionalität für die Bearbeitung von Fernerkundungsdaten; relativ preiswert ArcGIS (ArcInfo, ArcView) kommerzielle Entwicklung von ESRI (USA); lauffähig auf workstation und PC; gute Vektor-, Raster- und Analyse- Funktionalität; weite Verbreitung; relativ hoher Preis bei vollem Ausbau

Intergraph-GIS (MGE) kommerzielle Entwicklung von Intergraph (USA); lauffähig auf workstation und auf PC; gute Vektor- und Raster-Funktionalität; Programmierschnittstelle (C, C++); weite Verbreitung; relativ hoher Preis GeoMedia Desktop-GIS von Intergraph mit reduziertem Funktionsumfang GIAP Entwicklung von Landesvermessungsamt NRW und AED GmbH (Deutschland); lauffähig auf workstation; gute Funktionalität zum Erfassen und kartographischen Visualisieren, geringe Analyse-Funktionalität; hoher Preis; in Kommunen (Vermessungs- und Katasterämter) weit verbreitet; SICAD kommerzielle Entwicklung von SICAD Geomatics (jetzt AED, Deutschland); lauffähig auf workstation; gute Vektor- und Raster-Funktionalität; weite Verbreitung; relativ hoher Preis; Smallworld GIS: lauffähig auf workstation und auf PC; gute Vektor- und Raster-Funktionalität; Programmierschnittstelle, Verbreitung bei EVU; relativ hoher Preis