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.

Information kann in unterschiedlicher Form gespeichert sein bzw. abgerufen werden:

(alpha)numerische Information

Text-Information

Bild- Information

Akustische InformationAlpha-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 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 - statistischDatenanalyse 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)

• 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 CAD

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. Versorgungsgebieteines 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

visualisierteATKIS-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 Polygoneist 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