GL-GIS_1_Teil_1

Grundlagen der Geoinformationssysteme

Prof. Dr.-Ing. W. Busch

Institut fr Geotechnik und Markscheidewesen Abteilung Markscheidewesen und Geoinformation

TU Clausthal

homepage: http://www.igmc.tu-clausthal.de

Prof. Dr.-Ing. W. Busch Institut fr Geotechnik und Markscheidewesen 2 Grundlagen der Geoinformationssysteme

Ansprechpartner

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Busch Tel.: 05323 / 72-2076 e-mail: [email protected]

Dr. rer. nat. Steffen Knospe Tel.: 05323 / 72-2794 e-mail: [email protected]


Organisatorisches

Vorlesung Montag, 14:15 15:45 bungsvorbesprechung, Einfhrung ArcGIS fr alle: 10.11. um 14:15 15:45 Uhr (Markscheider-Hrsaal) bung 2 Gruppen a maximal 20 Teilnehmer; an ausgewhlten Terminen, 14-tgig im Wechsel Ort: GIS-Labor, Dachgeschoss des IGMC Gruppe 1: Beginn am 10.11., 16:00 19:00 Uhr Gruppe 2: Beginn am 17.11., 16:00 19:00 Uhr Klausur 23. Mrz 2015 (geplant) 12:00 14:00 Uhr Groer Bergmnnischer Hrsaal Umdruck Kopien und im stud.ip Anmeldung stud.ip


Was wollen wir? Aufgabe: Konzeptuelle und physikalische (= computergesttzte)

Modellierung raumbezogener natrlicher und anthropogener (durch den Menschen verursachte) Phnomene und Prozesse

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Reale Welt

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besteht aus Objekten unterschiedlicher thematischer Art (Huser, Verkehrswege, Baum, Laterne, etc.) und Beziehungen zwischen diesen. Viele Objekte haben einen Standort (= Raumbezug) und damit (rumliche) Nachbarn. Viele Objekte sind thematisch verwandt.


Reale Welt

Abstraktion

Simulation Prsentation

Karten, Plne

Digitales Modell

Moderne Vorgehensweise GIS


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Geodaten sind Daten mit einem Raumbezug ber den ein Lagebezug zu ihrer Umwelt hergestellt werden kann. Sie beschreiben Objekte der Realitt durch geometrische und thematische Angaben (Geometriedaten und Sachdaten). Geodaten lassen sich mit Hilfe von raumbezogenen Informationssystemen erfassen, speichern und weiterverarbeiten.

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Grundlegend sind die Geodaten!

Rasterdaten Vektordaten

Geometriedaten Sachdaten

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Die Verarbeitung von Geodaten zu Geoinformationen erfolgt in unterschiedlichen Wissenschaften, z. B. in der Kartographie ber Methoden und Verfahren zur Erfassung und Abbildung der Information in Form spezieller (topographischer oder thematischer) Karten oder in anderen Geowissenschaften in Form spezieller Datensammlungen (Informationssysteme).

Geodaten Geoinformationen Einheitlicher Raumbezug

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Der einheitliche Raumbezug ist zwingend notwendig und wird z. B. ber zwei- oder dreidimensionale Koordinaten ausgedrckt.

Geodaten werden auch charakterisiert durch ihre Datenqualitt: ein Kriterium ist z. B. die Lagetreue (Genauigkeit der Koordinaten), ein anderes die Qualitt und Genauigkeit der Attributwerte.

Geodaten sind grundstzlich mastabsfrei, dennoch werden Datenbestnde manchmal mit einer Mastabszahl charakterisiert (z. B. TK25 = Topographische Karte im Mastab 1:25.000). Man spricht entsprechend der Detaillierung oder Generalisierung von einem unterschiedlichen Strukturierungsgrad.


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In den letzten Jahren hat sich ein groer internationaler Markt fr Geodaten entwickelt, fr den durch Standardisierungen, Vorgaben und private wie ffentliche Angebote, wie z. B. in Deutschland ALKIS oder international z.B. Google Map oder Google Earth eine Grundlage geschaffen wird. Zur Verbesserung des Austauschs von Geoinformation dienen nationale und internationale Standards, wie z.B. ISO-Normen des Normungskomitees ISO/TC211. Die Bedeutung der Geodaten wird auch deutlich durch das Gesetz ber den Zugang zu digitalen Geodaten (Geodatenzugangsgesetz GeoZG).

Geodaten


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3 Allgemeine Begriffe (1) Geodaten sind alle Daten mit direktem oder indirektem Bezug zu einem bestimmten Standort oder geografischen Gebiet. (2) Metadaten sind Informationen, die Geodaten oder Geodatendienste beschreiben und es ermglichen, Geodaten und Geodatendienste zu ermitteln, in Verzeichnisse aufzunehmen und zu nutzen. (3) Geodatendienste sind vernetzbare Anwendungen, welche Geodaten und Metadaten in strukturierter Form zugnglich machen. Dies sind im Einzelnen:

1. Suchdienste, die es ermglichen, auf der Grundlage des Inhalts entsprechender Metadaten nach Geodaten und Geodatendiensten zu suchen und den Inhalt der Metadaten anzuzeigen, 2. Darstellungsdienste, die es zumindest ermglichen, darstellbare Geodaten anzuzeigen, in ihnen zu navigieren, sie zu vergrern oder zu verkleinern, zu verschieben, Daten zu berlagern sowie Informationen aus Legenden und sonstige relevante Inhalte von Metadaten anzuzeigen, 3. Dienste, die das Herunterladen und, wenn durchfhrbar, den direkten Zugriff auf Kopien von Geodaten ermglichen (Downloaddienste), 4. Transformationsdienste zur geodtischen Umwandlung von Geodaten.

Auszug aus: Gesetz ber den Zugang zu digitalen Geodaten (Geodatenzugangsgesetz GeoZG) vom 30.07.2008

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3 Allgemeine Begriffe (4) Interoperabilitt ist die Kombinierbarkeit von Daten beziehungsweise die Kombinierbarkeit und Interaktionsfhigkeit verschiedener Systeme und Techniken unter Einhaltung gemeinsamer Standards. (5) Geodateninfrastruktur ist eine Infrastruktur bestehend aus Geodaten, Metadaten und Geodatendiensten, Netzdiensten und -technologien, Vereinbarungen ber gemeinsame Nutzung, ber Zugang und Verwendung sowie Koordinierungs- und berwachungsmechanismen, -prozesse und verfahren mit dem Ziel, Geodaten verschiedener Herkunft interoperabel verfgbar zu machen. (6) Geoportal ist eine Kommunikations-, Transaktions- und Interaktionsplattform, die ber Geodatendienste und weitere Netzdienste den Zugang zu den Geodaten ermglicht. (7) Netzdienste sind netzbasierte Anwendungen zur Kommunikation, Transaktion und Interaktion.

Auszug aus: Gesetz ber den Zugang zu digitalen Geodaten (Geodatenzugangsgesetz GeoZG)

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Weitere Begriffsbestimmungen

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Information: 1. a) Nachricht, Mitteilung, Hinweis; Auskunft; Belehrung, Aufklrung; b) Informationsstand. 2. (Informatik) a) Gehalt einer Nachricht, die aus Zeichen eines Kodes (1) zusammengesetzt ist; b) als rumliche oder zeitliche Folge physikalischer Signale, die mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten od. Hufigkeiten auftreten, sich zusammensetzende Mitteilung, die beim Empfnger ein bestimmtes (Denk-)verhalten bewirkt [Duden 5]. Information ist nach unserem Verstndnis und Gebrauch eine spezielle geistige Verarbeitungseinheit (von festen Werten und einer Struktur) z. B. wenn eine Antwort auf eine spezifische Frage zu einem (natrlichen) Sachverhalt, die das Verstndnisniveau des Fragenden erhht und ihn befhigt, einem bestimmten Ziel nher zu kommen [Bartelme 2000]. Informationen beinhalten Daten, die vom Menschen interpretiert wurden oder die interpretierbar sind. Die menschliche Wahrnehmung arbeitet mit Informationen und die mentale Wissensverarbeitung fhrt zu Verstndnis und neuem Wissen. Information wird nach folgenden Aspekten differenziert: syntaktische (strukturelle) Aspekte semantische (inhaltliche) Aspekte pragmatische (anwendungsorientierte) Aspekte 1

.1.1

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Informationssystem Beschrnkt sich die Funktion eines Systems auf die Aufnahme, Speicherung,

Verarbeitung und Wiedergabe von Informationen, so ist es ein Informationssystem. Es besteht somit aus der Gesamtheit der Daten und Verarbeitungsanweisungen. Der Benutzer soll imstande sein, daraus ableitbare Informationen in einer verstndlichen Form zu erhalten. [Bill 1999]

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Was sind Geoinformationssysteme?

Thematische Karten und Geodaten werden hufig als die zentralen Begriffe der Geoinformationstechnik genannt. Aber GIS ist mehr!

GIS hat sich (als eigenstndiges Werkzeug) entwickelt aus der Sammlung und (statistischen)

Analyse raumbezogener Informationen (Kataster, Bevlkerungsstatistik, etc.) und der Thematischen Kartographie.

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Geo-Informationssystem (GIS) - bersicht

Reale Umwelt



GIS

Daten- und Prozessmodell Beschreiben

GIS Analyse und Prsentation

Benutzer Interpretation

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Geo-Informationssystem

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Ein Geoinformationssystem ist ein rechnergesttztes System, das aus Hardware, Software, Daten und den Anwendungen besteht. Mit ihm knnen raumbezogene Daten digital erfasst und redigiert, gespeichert und reorganisiert, modelliert und analysiert sowie alphanumerisch und graphisch prsentiert werden [Bill 1999].

Nach Bill [1999] ist ein GIS in vier Komponenten aufgeteilt:

- Software - Daten - Anwender - Hardware

Man sollte als fnften Punkt, wegen der Bedeutung, noch explizit die

- Methoden oder Anwendungen hinzufgen, obwohl sie durch Programme (Software) dem Benutzer

verfgbar gemacht werden oder vom Anwender selbst erstellt werden.


Komponenten der Geoinformationssysteme

Software

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Hardware

Daten

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Hardware

Digitizer

Groformatiger Scanner

Maus/ Trackball

Datenspeicherung

Plotter

Drucker

Netzwerk/ Internet

Datenerfassung

Workstation/PC

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Software

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Nutzer

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Nutzer machen ein GIS aktiv und funktionsfhig. Es knnen Nutzergruppen unterschieden werden:

Betrachter-Nutzer: Die grte Gruppe von Nutzern arbeitet mit einem GIS als Geo-Datenbank und Kartenserver, sie geben Daten ein und stellen Abfragen an das System; sie visualisieren Geo-Daten entsprechend ihrer Aufgabenstellung.

Hauptnutzer (Analysten): Sie nutzen die Analysefunktionen eines GIS zur Ableitung von Sekundr- informationen. Ein GIS ist das auf ihre Bedrfnisse zugeschnittene Hilfsmittel (ein Dienst) zur Entscheidungsfindung (decision support system). Demnach sind in dieser Gruppe vor allem Planer, Facility- und Ressourcen- Manager, Ingenieure und Wissenschaftler anzusiedeln.

GIS-Spezialisten: Zu dieser Gruppe zhlen die GIS-Entwickler, Programmierer, Datenbank- Administratoren sowie Systemanalytiker und Anwendungsspezialisten. Sie sind verantwortlich fr das Funktionieren von Technik und Software sowie die Vernderung und Weiterentwicklung eines Systems.

1.1.

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GISUmriss eines Grundstcks X

Eigentmer des

Grundstcks X

Geodaten in GIS (siehe vorherige Folien)

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Datenbeschaffung

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Grundlegende Methoden der Datenbeschaffung: - Manuelle Digitalisierung - Scannen, automatische Digitalisierung

und Digitale Bildverarbeitung - Photogrammetrie - Fernerkundung - Vermessung

(z.B. Tachymetrie und GPS)

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Geodaten

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Datenarten: - Geometriedaten (Vektor- und Rasterdaten), - Sachdaten (Attribute)

Datenqualitt: vor der Sammlung und der Verwendung von Daten

ist deren Qualitt (adquat zu Modellzweck und Randbedingungen) zu prfen bzw. sicherzustellen.

- Qualitts-Kennwerte: - Abstammung / Herkunft - Lagegenauigkeit - Genauigkeit der Attributwerte - Logische Konsistenz - Vollstndigkeit

GIS-technische Analysen basieren auf (teilweise sehr umfangreichen) Datenstzen, die in geeigneter Weise in das Computer-System importiert und dort den Analysefunktionen zur Verfgung gestellt werden mssen 1.

1.2

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GIS


Methoden

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Die Strke von Geo-Informationssystemen sind die Methoden, die auf der Verknpfung unterschiedlichster Datenstze beruhen, basierend auf deren rumlicher Lage.

Die Analyse dieser rumlichen (und thematischen) Beziehungen ist die Hauptaufgabe von GIS

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Methoden

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So stehen heute dem Nutzer eines GIS meist folgende Methoden zur Analyse raumbezogener Informationen zur Verfgung:

Geometrische Methoden, Topologische Methoden, Statistische Methoden, Systemanalytische Methoden, Mengenmethoden. Die Funktionen zur Analyse raumbezogener Objekte unter

Bercksichtigung der rumlichen Beziehungen sollten der Schwerpunkt eines GIS sein. Einige Funktionen, wie z.B. die systemanalytischen Methoden oder die statistischen Methoden werden jedoch hufig von den GIS-Anbietern vernachlssigt oder und dies gilt fr alle Funktionen sie werden in den angebotenen GIS unterschiedlich stark umgesetzt.

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Funktionen und Methoden

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In einem spteren Kapitel werden wir die Funktionen und Methoden, die ein GIS kennzeichnen nher kennen lernen. Es sind verschiedene Gruppen von Methoden zu unterscheiden:

Datenmanagement (Funktionen eines Datenbankmanagementsystems: Eingabe, persistente Speicherung, Koordinaten-Transformationen, Editierung, Datenausgabe )

Auswahl, Suche, Identifikation, Selektion, Datenbankabfrage

Rumliche Analysen (eigentliche GIS-Funktionalitt: Graphische Operationen, Distanz- und Flchenberechnung, Regionalisierung, Datenberlagerung - Verschneidungen, Buffer, Nachbarschaftsoperationen, Netzwerkoperationen)

Prsentation der Ergebnisse, z.B. in Form Thematischer Karten

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Beispiele zur Prsentation/Visualisierung von Geoinformationen

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Kombination verschiedener Darstellungsmethoden

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Geoinformatik ist die Wissenschaft vom Wesen und der Funktion der Geoinformation (= raumbezogene Information), ihrer Verarbeitung in Form von Geodaten sowie der Anwendung von Geoinformationssystemen [Bartelme 1995]. Sie befasst sich mit den Theorien der Strukturierung, Speicherung, Verwaltung und Verarbeitung von Geodaten sowie der Entwicklung entsprechender Methoden einschlielich der dafr bentigten Informations- und Kommunikationstechniken [Hake & Grnreich 1994]. Der aus dem Englischen (von geomatics) stammende Begriff Geomatik beschreibt die Fachrichtung, die sich interdisziplinr aus den Bereichen der Geoinformatik, Geodsie, Kartographie, Photogrammetrie, Fernerkundung und Geographie zusammensetzt, wobei einige Fachdiszipline im deutschsprachigen Raum auch dafr Geoinformatik als Sammelbegriff verwenden.

Weitere Begriffsbestimmungen

1.1.

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Modelle zur

Abbildung und Analyse der realen Welt

mit einem GIS

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Realweltmodellierung



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Der Einsatz von Geoinformationstechnik macht es notwendig, den Untersuchungsgegenstand (z.B. natrlicher Prozess oder ein natrliches Phnomen) aus der Realwelt zu reprsentieren, was mit der Abbildung in ein Modell erreicht wird.

Analysen werden in dieser Modellumgebung durchgefhrt.

In der Regel ohne die Ergebnisse in der Realwelt verifizieren zu knnen.

Die Ergebnisinterpretation schliet mit einem Vergleich von alternativen Modellierungs-Varianten bzw. Versionen.

Die Frage der Bewertbarkeit oder Interpretierbarkeit der Analyse- ergebnisse bleibt: Sind die Ergebnisse wieder rckbertragbar auf die Realwelt?

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In einem Geoinformationssystem werden Modelle gespeichert, analysiert und neue Modelle abgeleitet.

Jedes Modell ist aber auf einen Ausschnitt der Realwelt beschrnkt und auch nur auf bestimmte Aspekte innerhalb dieses Ausschnitts anwendbar.

Jedes Modell ist eine Vereinfachung. Die Art der Beschrnkung ist abhngig von der Zielstellung (Zweckbestimmung), ebenso wie der Grad der bertragbarkeit der Ergebnisse zurck in die Realwelt.

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Eine Computer-Reprsentation eines natrlichen Phnomens ist nie vollstndig. Wir betrachten das Phnomen immer unter dem Blickwinkel (view) unserer Anwendung, wobei drei Aspekte wesentlich sind fr die Beschrnkungen:

Welche Daten sind vorhanden oder knnen beschafft werden? Welche Art Manipulationen und Methoden sollen zur Lsung der

Aufgabenstellung angewendet werden? Welche Ansprche bestehen an Genauigkeit, Zuverlssigkeit,

Reproduzierbarkeit etc.?

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Realweltmodellierung -Objekte und Felder-

Ein geographisches Phnomen lsst sich definieren als eine Entitt, ein Etwas von Interesse, das benannt, beschrieben und in Raum (und Zeit) referenziert werden kann.

Eine wesentliche Unterscheidung fr Phnomene (gleiches gilt fr Prozesse) ist die in diskret und kontinuierlich.

Diskrete Phnomene lassen sich als Objekte

und kontinuierliche Phnomene z. B. als

Felder beschreiben.

Objekte sind in der Regel gut unterscheidbare, wohl begrenzte Entitten, die einen vermeintlich leeren Raum bevlkern.

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Fr Felder ist charakteristisch, dass sich an jeder beliebigen Position ein Wert bestimmen lsst.

Felder sind in der Regel nicht begrenzt und fllen den Raum vollstndig. Felder knnen kontinuierliche Phnomene reprsentieren, selbst aber

wiederum auch diskret reprsentiert werden. Kein kommerziell zur Zeit verfgbares GIS kann mit kontinuierlichen

Feldern arbeiten, das ist Gegenstand wissenschaftlicher Forschung auf den entsprechenden Fachgebieten.

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Kontinuierliche Phnomene werden diskretisiert. Dabei wird der Raum in kleine Einheiten zerlegt (regelmige oder unregelmige), denen ein Feldwert (ein Datum) zugeordnet werden kann.

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Abbildung des gleichen Feldes einer Konzentrationsverteilung in einer Flssigkeit (Links), Darstellung einer kontinuierlichen Farbnderung von Rot ber Grn nach Blau (Rechts); Diskretisierung mit Hilfe Thiessen-Voronoi-Diagramm (Grundlage: zufllige (Proben-) Messpunktanordnung) 1.

2.2

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Die diskreten Teilstcke eines Feldes, knnen auch einzeln als Objekte angesehen werden. Objekte haben:

- Name oder Bezeichnung (wichtig zur Identifizierung!) - Typ (wichtig fr Datenmodell resp. Speicherung in einer Datenbank!) - Attribute (Eigenschaften) und Beziehungen - Geometrie (Platznahme im Raum wird bestimmt ber absolute oder relative

Lokation, Form, Gre und Orientierung/ Ausrichtung) - Qualittsmae

Fr Felder machen nicht alle dieser Eigenschaften Sinn. Objekte werden oft in Form von Objektverbnden (Aggregationen)

betrachtet, wobei das natrliche Gesetz der Nichtberlagerung von Objekten gleichen Typs gilt und

Bedeckung, Verbindung, Nachbarschaft und Begrenzung betrachtet werden.

Letztere Eigenschaften sind formalisiert im Konzept der Topologie und werden genutzt als eine von Koordinaten unabhngige Abstraktionsstufe (metriklose Geometrie).

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Konzept der Topologie Das topologische Modell kann die innere Geometrie von Objekten beschreiben. Es

basiert auf der Graphentheorie. Dieses Modell beschreibt die

Zuordnung der Elemente Punkt, Linie, Flche einer Geometrie zueinander und kennt daher deren relative Lage und Nhe. Durch die Beschreibung, Bearbeitung und Speicherung der Geometrie der Lage von rumlichen Objekten knnen gegenseitige Beziehungen manipuliert werden, ohne die Koordinaten zu kennen. Dies ist mit deutlich weniger Rechen- aufwand verbunden. Topologie wird auch als Geometrie auf der Gummihaut bezeichnet.

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1.2.

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Daten der Realen Welt auf natrlicher

Hardware


sondern auch bekleidet!

New York City subway map dress by designer Christian Francis Roth


Literaturhinweise

1. Lehrbcher (Empfehlung) Bill, Ralf:

Grundlagen der Geo-Informationssysteme. Wichmann Verlag, 5. Auflage, 2010

de Lange, Norbert : Geoinformatik in Theorie und Praxis. Springer Verlag, 2. Auflage, 2006

Bartelme, Norbert : Geoinformatik. Modelle, Strukturen, Funktionen. Springer Verlag, 4. Auflage, 2005

Ehlers, M.; Schiewe, J.: Geoinformatik. WBG Wissenschaftliche Buchgesellschaft, 2012


Literaturhinweise

2. Lehrbcher (in Englisch) Tor Bernhardsen. Geographical Information Systems. 3rd edition, John Wiley

& Sons, 2002 C. P. Lo, Albert K.W. Yeung. Concepts and Techniques of Geographic

Information Systems. 2nd edition, Pearson Education, Harlow, England, 2007 Michael N. DeMers. Fundamentals of Geographic Information Systems. 3rd

edition, John Wiley & Sons, 2005 Ian Heywood, Sarah Cornelius, Steve Carter. An Introduction to

Geographical Information Systems. 3rd edition, Pearson Education, Harlow, England, 2006

Michael Worboys, Matt Duckham. GIS. A computing perspective. 2nd edition, CRC Press, 2004

Paul A. Longley, Michael F. Goodchild, David J. Maguire, David. W. Rhind. Geographic Information Systems and Science. 2nd edition, John Wiley & Sons, 2005

David Unwin, David O'Sullivan. Geographic Information Analysis. John Wiley & Sons, 2002

Kang-tsung Chang. Introduction to Geographic Information Systems. 4th edition, Mc Graw Hill, 2008

Grundlagen der GeoinformationssystemeFoliennummer 2OrganisatorischesWas wollen wir?Foliennummer 5Foliennummer 6Grundlegend sind die Geodaten!Geodaten GeoinformationenEinheitlicher RaumbezugGeodatenAuszug aus: Gesetz ber den Zugang zu digitalen Geodaten(Geodatenzugangsgesetz GeoZG) vom 30.07.2008Auszug aus: Gesetz ber den Zugang zu digitalen Geodaten(Geodatenzugangsgesetz GeoZG)Weitere BegriffsbestimmungenInformationssystemWas sind Geoinformationssysteme? Geo-Informationssystem (GIS) - bersichtGeo-Informationssystem Komponenten der GeoinformationssystemeHardwareSoftwareNutzerGeodaten in GIS (siehe vorherige Folien)DatenbeschaffungGeodatenMethodenMethodenFunktionen und MethodenFoliennummer 27Foliennummer 28Weitere BegriffsbestimmungenRealweltmodellierungRealweltmodellierungRealweltmodellierungRealweltmodellierungRealweltmodellierung-Objekte und Felder-RealweltmodellierungRealweltmodellierungRealweltmodellierungRealweltmodellierungFoliennummer 39LiteraturhinweiseLiteraturhinweise

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