Geoinformationssystem

Grundidee und Nutzen

Geoinformationssysteme, Geographische Informationssysteme (GIS) oder Räumliche Informationssysteme (RIS) sind Informationssysteme zur Erfassung, Bearbeitung, Organisation, Analyse und Präsentation räumlicher Daten. Zu einem GIS gehören nicht nur die Daten selbst, sondern auch die dafür nötige Hardware, Software und die konkreten Anwendungen.

GIS erweitern die klassische Landkarte: Sie zeigen räumliche Informationen nicht nur an, sondern verknüpfen sie mit Sachdaten, also beschreibenden Informationen zu Objekten. Dadurch lassen sich Fragen beantworten, Zusammenhänge erkennen und Entscheidungen vorbereiten. Genutzt werden GIS unter anderem in Geographie, Umweltforschung, Archäologie, Marketing, Kartografie, Stadtplanung, Kriminologie, Logistik, Ressourcenmanagement und Gesundheitswesen. Beispiele sind Evakuierungspläne im Zivilschutz, Gefahrenzonen für Naturkatastrophen, bedrohte Feuchtgebiete oder die Suche nach geeigneten Standorten für neue Filialen.

Entwicklung und Software

Vorformen räumlicher Informationsdarstellung gab es schon früh: Darstellungen in der Höhle von Lascaux werden von einigen Autoren als Verbindung von Bild und Attributinformation gedeutet. 1832 stellte Charles Picquet die Choleraepidemie in 48 Pariser Distrikten kartografisch dar. 1854 nutzte John Snow eine Karte der Cholerafälle in London nicht nur zur Visualisierung, sondern zur Clusteranalyse räumlicher Häufungen; so konnte eine kontaminierte Wasserpumpe als Krankheitsquelle erkannt werden.

Mit der Entwicklung der Computerhardware entstanden in den 1960er Jahren erste universelle Kartenerstellungsprogramme. Als erstes modernes GIS gilt das Canada Geographic Information System (CGIS), das Roger Tomlinson ab den 1960er Jahren entwickelte. Es diente der Speicherung, Analyse und Bearbeitung von Daten des Canada Land Inventory im Maßstab 1:50.000 und enthielt Funktionen wie Overlay, Messungen, Digitalisierung und Scannen. Tomlinson wurde dadurch als „Vater von GIS“ bekannt. An der Harvard Graduate School of Design entstanden außerdem wichtige Konzepte und Systeme wie „SYMAP“, „GRID“ und „ODYSSEY“.

Heute gibt es kommerzielle GIS und Open-Source-GIS. Zu den kommerziellen Herstellern zählen unter anderem ESRI mit ArcGIS, Autodesk, Bentley Systems, Intergraph, Pitney Bowes und Smallworld. Bekannte Open-Source-GIS sind GRASS GIS und QGIS; weitere Werkzeuge und Bibliotheken sind unter anderem GeoTools, GDAL, OpenLayers und Leaflet. Web-GIS greifen über das Internet auf standardisierte Karten- und Geodatendienste zu. Geoportale ermöglichen die Suche nach und den Zugriff auf geographische Informationen und Dienste im Browser. Auch Navigations-Apps und Dienste wie Google Maps, OpenStreetMap oder Organic Maps bringen GIS-Funktionen in den Alltag, etwa Kartendarstellung, Tracking, Datenverwaltung oder einfache Entfernungsmessungen.

Geodaten und Modelle

Geodaten beschreiben reale Objekte mit räumlichem Bezug, zum Beispiel Flurstücke, Flüsse oder Personen. Ein Datenmodell legt fest, welche Daten gespeichert werden und wie sie strukturiert sind. Sachdaten oder Attributdaten beschreiben Eigenschaften eines Objekts, etwa Gemarkungsnummer, Flur, Flurstücksnummer oder Nutzungsart. Geometriedaten beschreiben dagegen Lage, Form, Orientierung und Größe eines Objekts.

Bei Vektordaten wird Geometrie durch grafische Elemente wie Punkte, Linien und Kreisbögen dargestellt. Ein Flurstück kann zum Beispiel durch Grenzpunktkoordinaten und Grenzlinien beschrieben werden. Rasterdaten bestehen aus Rasterelementen, Pixeln oder Bildpunkten, wie bei digitalen Luftbildern oder Orthofotos. Ein rasterbasiertes Datenstrukturmodell ordnet jedem Rasterelement unter anderem eine geometrische Auflösung, also Länge und Breite in der Natur, und eine radiometrische Auflösung, also unterscheidbare Grauwerte, zu.

Topologie bezeichnet räumliche Beziehungen zwischen Geoobjekten, etwa Nachbarschaftsbeziehungen. Anders als die Geometrie hängt sie nicht von genauen Maßen wie der Distanz ab. Wichtige topologische Beziehungen nach Egenhofer sind: A ist disjunkt zu B, A liegt innerhalb B, B liegt innerhalb A, A überdeckt B, B überdeckt A, A berührt B und A gleicht B.

GIS können Geodaten je nach Aufgabe in einer bis vier Dimensionen verwalten: entlang einer Linie, auf einer Fläche als 2D-Fall, als 3D-Körper oder 2D-Zeitreihe sowie kombiniert in Raum und Zeit als 4D. Eine zweieinhalbdimensionale Einbettung liegt vor, wenn Höhenangaben nur als Attribute an 2D-Objekte angefügt werden. Die Qualität von Geodaten bedeutet, inwiefern sie definierte Anforderungen erfüllen; Merkmale der Geodatenqualität werden unter anderem in ISO 19157 beschrieben. Rechte an Geoinformationen ergeben sich vor allem aus dem Urheberrecht und bei öffentlich-rechtlich geführten Daten zusätzlich aus Vermessungs- und Geoinformationsrecht.

Wichtige Funktionen

Zu den Grundfunktionen eines GIS gehören Datenerfassung, Datenbearbeitung, Datenverwaltung, räumliche Analyse, Präsentation und Automatisierung. Bei der Datenerfassung wurden anfangs vor allem Papierkarten und Vermessungspläne digitalisiert. Heute werden häufig Satelliten- und Luftbilder am Bildschirm als Vorlage genutzt. Daten können außerdem im Feld mit GPS-Geräten aufgenommen werden; mit DGPS sind auch für Vermessungszwecke brauchbare Genauigkeiten möglich.

Bei der Datenbearbeitung müssen Geodaten oft zwischen Dateiformaten, Datenbanken und Koordinatensystemen umgewandelt werden. Raster-Vektor-Konvertierung kann etwa aus benachbarten Rasterzellen mit gleichen Attributwerten Vektorobjekte erzeugen oder vorhandenen Geoobjekten Attribute aus Rasterdatensätzen zuweisen. Koordinatentransformation ist nötig, weil Geodaten in unterschiedlichen Koordinatensystemen vorliegen können. Georeferenzierung, Geokodierung oder Verortung bedeutet, einem Datensatz raumbezogene Referenzinformationen zuzuweisen.

Für die Datenverwaltung werden Metadaten wichtig, also Daten über Daten, etwa Herkunft, Qualität oder Struktur. Geodatenbanken speichern Sach- und Geometriedaten. Beispiele sind Oracle Spatial, PostGIS und SpatiaLite. Da konventionelle Datenbanken Geodaten meist nicht effizient verwalten können, benötigen sie spezielle Erweiterungen.

Räumliche Analysen wandeln Rohdaten in nützliche Informationen um. Dazu gehören Abfragen, Messungen, Transformationen, deskriptive Zusammenfassungen, Optimierung, Hypothesentests und Modellierung. Beispiele sind sachliche Abfragen wie „Wie viele Einwohner hat eine bestimmte Stadt?“ und räumliche Abfragen wie „Welche Städte liegen am Ufer eines bestimmten Flusses?“. Puffer erzeugen Zonen um Geoobjekte in einem bestimmten Abstand. Verschneidungen überlagern Layer oder Objektklassen und erzeugen neue Objekte mit kombinierten Attributen. Netzwerkanalysen untersuchen Knoten und Kanten, etwa in Straßen-, Schienen- oder Leitungsnetzen, und lösen Probleme wie kürzeste Wege, Einzugsbereiche oder das Problem des Handlungsreisenden. Interpolation schätzt aus bekannten Punktwerten z_i an Orten (x_i, y_i) unbekannte Werte z_k an Orten (x_k, y_k), zum Beispiel für Temperatur, Niederschlag, Gelände oder Stoffkonzentrationen.

Bei der Präsentation ermöglichen GIS Legenden, Maßstabsleisten, Nordpfeile, wählbare Maßstäbe, Kartenausschnitte, Farb- und Musterdarstellungen, Layer-Kombinationen, 3D-Darstellungen, Animationen, Profile und die Einbindung von Diagrammen, Bild- oder Audiodaten. Generalisierung fasst Objekte zusammen, vereinfacht und selektiert sie, wenn ein kleinerer Maßstab die Lesbarkeit gefährden würde. Wiederkehrende Aufgaben können durch Makros automatisiert werden, etwa Kartenausgaben, Nachattributierung, regelmäßige Auswertungen oder Konsistenzprüfungen.

Ausprägungen und Einsatzfelder

Es gibt verschiedene Ausprägungen von GIS für besondere Aufgaben. Landinformationssysteme (LIS) verwalten detaillierte großmaßstäbliche Geodaten, vor allem Basisdaten, die direkt gemessen oder erhoben werden. Sie werden häufig von Kataster- und Vermessungsämtern geführt und beziehen sich auf die vermessungstechnische Abbildung der Erdoberfläche in digitalen Karten und im Grundbuch.

Kommunale Informationssysteme (KIS) sind GIS in Gemeinden. Sie nutzen Geobasisdaten des LIS und Luftbilder und geben kommunalen Mitarbeitern schnellen Zugriff auf Informationen zu Flurstücken, etwa Eigentümer, Flächengröße und Nutzung. Zusatzlayer können Leitungskataster für Wasser, Kanal, Gas und Strom oder Grünflächen-, Baum-, Friedhofs- und Spielplatzkataster enthalten.

Umweltinformationssysteme (UIS) stellen Umweltinformationen bereit. Sie erfassen, speichern, verarbeiten und präsentieren raum-, zeit- und inhaltsbezogene Daten zum Zustand der Umwelt, zu Belastungen und Gefährdungen. Aufgaben reichen von Radioaktivitätserfassung über Kontrolle von Luft, Wasser und Boden bis zu Biotopkartierungen und Artenvielfalt. Bodeninformationssysteme (BIS) enthalten geologische und bodenkundliche Daten, etwa Bodentypen, Bodenaufbau, Humusgehalt, pH-Wert, Bodenschwere, Bodenbelastungen oder Erosionsgefährdung.

Netzinformationssysteme (NIS) dokumentieren Leitungsbestände von Ver- und Entsorgungsunternehmen. Fachinformationssysteme (FIS) unterstützen spezielle fachbezogene Aufgaben, etwa in Bauwesen, Geologie, Hydrologie, Lawinen- und Umweltschutz, Verkehrsplanung, Touristik, Freizeit- und Routenplanung. Weitere Einsatzfelder sind Archäologie, Veranstaltungsplanung und Transport und Logistik. In der Archäologie werden Fundstellen mit Umweltinformationen verknüpft oder für die Bauleitplanung kartiert. Bei Großveranstaltungen unterstützen GIS Planung, Sicherheit und Ressourceneinsatz. GIS-T umfasst Methoden und Anwendungen für Transportprobleme, besonders die Erstellung und Wartung von Straßengraphen.

Standards

Für GIS sind Standards wichtig, damit unterschiedliche Systeme Daten und Dienste gemeinsam nutzen können. Zu den wichtigsten gehören die Standards des Open Geospatial Consortiums (OGC) und die ISO Serie 191xx.

OGC-Spezifikationen ermöglichen die Kommunikation zwischen unterschiedlichen Web-GIS, standortbezogenen Diensten und Standard-IT-Technologien. Beispiele sind Web Map Service (WMS), Web Feature Service (WFS) und Simple Feature Access.

Die ISO Serie 191xx enthält unter anderem ISO 19107 für Raumbezugsschema, ISO 19109 für Anwendungsschemata, ISO 19111 für Koordinatenreferenzsysteme, ISO 19115 für Metadaten und ISO 19136 für Geography Markup Language (GML).

INSPIRE, englisch Infrastructure for Spatial Information in the European Community, ist eine Initiative der Europäischen Kommission für eine europäische Geodateninfrastruktur, besonders in der Umweltpolitik. Grundlage sind die Richtlinie 2007/2/EG und ihre Durchführungsbestimmungen. Sie regeln ein einheitliches Daten- und Metadaten-Format.