Technologie Geographischer Informationssysteme

Geographische Informationssysteme (GIS) sind heute ungefähr 30 Jahre alt. Roger F. Tomlinson berichtet in seinem historischen Rückblick (Tomlinson 1984 und 1990), daß er im Jahre 1960 die Grundideen für ein GIS entwickelte, 1962 seine Vorschläge der Kanadischen Regierung unterbreitete und 1964 das erste polygonorientierte GIS, das Canadian Geographical Information System (CGIS), für das “Agricultural Rehabilitation and Development Program” in Betrieb nahm. So wie heute noch in den meisten Fällen ging es darum, alle Informationen über die Landnutzung, die in Kartenform bereits existierten, im Computer digital zu speichern und für anschließende Übersichten und Analysen bereit zu halten.

Der zunächst wesentlichste Bestandteil von Geo-Informationssystemen sind die Daten, mit denen sie arbeiten. Deshalb ist die Erfassung von Daten, die digital zu erfolgen hat, die entscheidende Basis für Anwendung und Erfolg eines GIS. In diesem Artikel werden die verschiedenen Methoden der Datenerfassung und die verschiedenen Arten von raumbezogenen Daten Übersichtshaft behandelt. Die Erfassung solcher Daten ist eine höchst arbeitsintensive und kostenaufwendige Tätigkeit. Vor allem auch weil die Anforderungen an Vollständigkeit, Fehlerfreiheit und Struktur der Datenbasis hoch sind, soll das System seinen Zweck erfüllen. Der folgende Beitrag stellt im wesentlichen einen Auszug aus Bill/Fritsch (1991) unter dem Gesichtspunkt der Datengewinnung dar. Auf die dort zu findende ausführlichere Darstellung und Literaturangaben sei verwiesen. Bei den Daten unterscheidet man die geometrischen Daten einschließlich topologischer Angaben und die beschreibenden, thematischen Daten als die beiden Hauptklassen (Abbildung 1) Am Beispiel Nadelwald sollen die wesentlichen Komponenten eines raumbezogenen Objektes illustriert werden (Abblidung 2).

Die Integration von Geometrie, Topologie und Thematik innerhalb der Datenhaltung von Geo-Informationssystemen bedingt sorgfältige Überlegungen zu den Datenstrukturen. Während heutzutage räumliche Objekte überwiegend mit Randbeschreibungen geometrisch zerlegt werden, deren unterschiedliche thematische Bedeutung dann noch objektweise zu ordnen ist, zeichnen sich mit den Modellierungsstrategien des CAD sowie des objektbezogenen Programmierens Ansätze für neue Datenstrukturen ab. Diese können sowohl auf Vektor- als auch auf Rasterdaten angewendet werden.

In diesem Beitrag wird generell auf Datenstrukturen eingegangen. Es zeigt sich, daß unterschiedliche Datenmodelle des CAD durchaus schon zu hybriden Datenstrukturen führen können, die jedoch überhaupt keine Rasterdaten berücksichtigen. Die Integration von Rasterdaten kann dann vermittels flächenhafter Komprimierungsstrategien wie z.B. Quadtrees zu einer kombinierten Datenstruktur führen, die nicht nur Daten gleichen Typs sondern die verschiedenen Ausprägungen der Vektor-, Raster- und thematischen Welt gleichermaßen beinhaltet. Einige Beispiele möchten die Leistungsfähigkeit solcher hybrider Datenstrukturen belegen.

Die Untersuchung georeferenzierter Informationsbestände mittels einer breiten Palette analytischer Techniken nimmt innerhalb der geographischen Informationsverarbeitung eine zentrale Stellung ein. Im Gegensatz zu Datenbasis-orientierten Anwendungen mit allenfalls koordinativer Verortung von Objekten steht bei Geographischen Informationssystemen das Bestreben nach analytischer Auswertung häufig im Mittelpunkt und bildet einen konstituierenden Bestandteil und wesentliches Spezifikum von GIS.

Eine Übersicht über die aus Anwendersicht wichtigsten Analyseverfahren ist allein schon ob deren großer Zahl nicht mehr rein taxativ möglich und hat sich daher eines geeigneten Ordnungsschemas zu bedienen. Weitgehend unabhängig von konkret realisierten räumlichen Datenmodellen und -strukturen werden die wichtigsten Verfahrensgruppen von Transformationen über aggregative und kombinierende Auswertungen bis hin zur Simulation auf der Grundlage häufig raumzeitlicher Modellkonstrukte vorgestellt.

Transformationen haben innerhalb des Untersuchungsprozesses häufig aufbereitenden Charakter und beinhalten Übergänge zwischen räumlichen Bezugssystemen bzw. projektiven Charakteristika, Ableitungen von Datenbeständen über Grenzen von Datenmodellen hinweg und Modifikationen räumlicher Objekte in der geometrischen und/oder Attributdimension.

Auswertungen aggregieren unter expliziter Berücksichtigung der räumlichen Dimension geometrische und/oder thematische Objektcharakteristika eines oder mehrerer georeferenzierter Informationsbestände. Dies ermöglicht zusammenfassende Beschreibung und Vergleiche, dient als Grundlage der Hypothesenbildung wie auch deren Überprüfung und bildet in Form eines „Werkzeugsatzes“ für multithematische Analyse variabel strukturierter räumlicher Informationsbestände den funktionalen Kern Geographischer Informationsverarbeitung.

Simulationstechniken zielen auf die prozessuale Umsetzung analytischer Einzelaussagen ab. Die Konstruktion von Modellen erfolgt durch Strukturelemente, Fakten und Regeln, wodurch der raumzeitliche Transfer von Materie, Energie und Information in komplexen Systemen auf deterministischer oder probabilistischer Basis nachvollzogen werden soll.

Zusammenfassend ist als Spezifikum Geographischer Informationsverarbeitung der Anspruch des Generierens neuer Informationen durch theoriegeleitete Kombination vorliegender Bestände festzuhalten, wobei der Erkenntnisgewinn in der Regel in konkrete Handlungsempfehlungen umgesetzt wird. Geographische Untersuchungsabläufe sind dabei auf die vorliegende Fragestellung abgestimmte individuelle Kombinationen einer Vielzahl von Analyseschritten, deren Anwendung theoretische, methodische und instrumenteile Qualifikation erfordert. Daher zählt das Anforderungsprofil des „GIS-Analytikers“ heute zu den anspruchsvollsten Rollen innerhalb der Geographischen Informationsverarbeitung.

Die Verarbeitung raumbezogener Daten mittels digitaler Methoden erlebte in den letzten 25 Jahren eine rasante Entwicklung. Diese ist eng verknüpft mit dem Einsatz von Geographischen Informationssystemen (GIS) bzw. Landinformationssystemen (LIS) sowie mit der Entwicklung des Hardwaremarktes.

In den letzten Jahren ist der Einsatzbereich Geographischer Informationssysteme ständig gewachsen. Zum überwiegenden Teil kommen in diesen Systemen prozedurorientierte relationale Datenmodelle zum Einsatz, die es ermöglichen, sogenannte thematische Schichten oder Layers des Untersuchungsraumes, dessen Attribute in Form von Relationen (Tabellen) vorliegen, zu verarbeiten. Dabei hat sich gezeigt, daß relationale Datenmodelle eine effektive Verarbeitung räumlicher Daten teilweise nicht ausreichend unterstützen, weil dieses Konzept Restriktionen in der Datenstrukturierung unterliegt. Insbesondere die fehlende Möglichkeit zur Definition und Ableitung komplexer Objekte sowie der Aufbau hierarchischer Abstraktionsebenen werden der Modellierung realer räumlicher Phänomene nicht immer gerecht. Im Gegensatz dazu scheinen objekt-orientierte Datenmodelle, wie sie ursprünglich für Problemstellungen in den Ingenieurwissenschaften (CAD/CAM) entwickelt wurden, neue Möglichkeiten für die Verarbeitung räumlicher Daten zu eröffnen.

Karten und kartographische Techniken sind auch in den automatisierten Datenflüssen Geographischer Informationssysteme (GIS) unverzichtbare Bestandteile. So werden beispielsweise häufig Daten durch Digitalisierung vorhandener Karten gewonnen. Am Ende der Verarbeitungsprozedur in GIS ist wiederum eine anschauliche graphische Darstellung der Daten und der Resultate ohne die Hilfsmittel der Generalisierung und der thematischen Kartographie kaum möglich. Um die genannten kartographischen Prozesse zu beschleunigen und auch für Massendaten geeignet zu machen, sind Verfahren sowohl zur Automatisierung der Digitalisierung als auch der Generalisierung Forschungsschwerpunkte in der rechnergestützten Kartographie.

Für viele Belange der ökologischen Planung ist die Betrachtung der räumlichen Feinverteilung von Klimaparametern notwendig. Dabei ergibt sich das Problem, derartig detaillierte Informationen aus zumeist wenigen, punktuell vorhandenen Meßwerten in unregelmäßiger räumlicher Verteilung gewinnen zu müssen. Die Anwendung einfacher räumlicher Interpolationsverfahren stellt eine Möglichkeit zur pragmatischen Problemlösung dar.

Betrachtet man die Komponenten eines Geographischen Informationssystems (GIS), so erkennt man, daß GIS-Einsatz und Entwicklung sehr eng mit dem technischen Fortschritt in der EDV-Industrie verbunden sind. Von den eingesetzten Komponenten: werden praktisch alle als Standardpakete angeboten. Für den Betreiber eines GIS kommt es darauf an, neben den anwendungsfachlich zu bewertenden Lei- stungen, solche Komponenten und Konzepte auszuwählen, die eine „Zukunft“ in der schnellebigen EDV-Industrie haben. Die mittlere Produktlebensdauer im, Rechnermarkt ist mittlerweile auf ca. 18 Monate zurückgegangen und das Preis- /Leistungsverhältnis verbessert sich um ca. 20 – 30% pro Jahr.

ADASYS ist ein unabhängiges Software-Entwicklungshaus. Gegründet wurde ADASYS AG 1979. Die Firma ist vollständig im Besitze der Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen. ADASYS zählt heute 13 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. ADASYS ist es gelungen, die Leute in der Schweiz zusammenzubringen, die sich in den letzten 20 Jahren mit grosser Kontinuität um die Belange von Rauminformationssystemen bemüht haben. Wesentliche Meilensteine in dieser Entwicklung sind von diesen Mitarbeitern gesetzt worden.

Mit dem Atlas GIS ist seit Spätherbst 1990 ein ausgesprochen leistungsfähiges und benutzerfreundliches GIS der unteren Preiskategorie auf dem deutschen Markt (6 950,- DM + MWSt., Stand Herbst 1991). Die Software dient als Werkzeug zum Aufbau eines raumbezogenen Informationssystems, mit einer Vektorgraphik und einer integrierten, dBase-kompatiblen Datenbank. Zudem bietet sie umfangreiche GIS-Analysefunktionen und eine thematische Kartographie.

Das Softwaresystem ARC/INFO wurde von ESRI (Environmental Systems Research Institute) vor 10 Jahren als erstes datenbasisorientiertes GIS am Markt eingeführt und hat sich mittlerweile als führendes GIS-Softwaresystem etabliert.

Der integrative Charakter, die Analysemöglichkeiten und die Modellierungsfähigkeit sind die Kennzeichen eines innovativen geographischen Informationssystems. Im folgenden wird “Integration” im Hinblick auf verschiedene Gesichtspunkte beim Einstieg in die geographische Datenverarbeitung näher erläutert. Neben der reinen Datenerfassung und Fortführung ist die Analyse und Verknüpfung der Daten ein wesentliches Einsatzgebiet des geographischen Informationssystems. Auswertemöglichkeiten für Vektor- und Rasterdaten werden aufgezeigt, die modellhafte Verknüpfung durch eine Modellierungssprache wird erläutert.

ERDAS ist ein integriertes, rasterbasiertes Bildverarbeitungsund geographisches Informationssystem. Bei der Entwicklung wurde besonderen Wert auf die Implementierung und Berücksichtigung bestehender, bzw. sich künftig abzeichnender Standards und auf eine möglichst weitgehende Unabhängigkeit von Spezialhardware gelegt.

Das Geographische Informationssystem ILWIS ist eine Entwicklung des “International Institute for Aerospace Survey and Earth Sciences (ITC)” in Enschede, dessen Arbeitsfeld -kurzgefaßt- der Einsatz der Fernerkundung für die Erforschung des natürlichen und sozioökonomischen Entwicklungspotentials hauptsächlich in Entwicklungsländern ist. Dies umfaßt einerseits die Durchführung konkreter Erschließungsprojekte, andererseits die Ausbildung von Studenten für den Einsatz in ihren Heimatländern. Die traditionellen, seit der Gründung 1951 bestehenden geowissenschaftlichen Abteilungen sind 1985 um eine interdisziplinäre Arbeitsgruppe “Geoinformationssysteme” erweitert worden, aus der ILWIS hervorgegangen ist. Zweierlei hat zu dieser Entwicklung geführt. Erstens hat die Komplexität der zu analysierenden räumlichen Gegebenheiten die rechnergestützte Verarbeitung raumbezogener Daten erforderlich gemacht. Zweitens ist aus verständlichen Gründen (mangelhafte Infrastruktur, fehlende Planungsdokumente) der Zugriff auf Satellitenaufnahmen für den Einsatz in Entwicklungsländern ideal.

Typische GIS-Systeme sind in der Regel eher analytisch orientiert. Die Verknüpfung dieser GIS-Systeme mit Fragestellungen, deren Schwerpunkt in Modellbildung und Optimierung liegt, soll anhand von graphisch orientierten Planungssystemen, wie sie die Firma PTV Planungsbüro Transport und Verkehr GmbH entwickelt, aufgezeigt werden.

Zwei Hauptsorten von Bildspektrometern werden heute unterschieden:

Der Begriff „Geographisches Informationssystem“ wird von mehreren wissenschaftlichen und planerischen Disziplinen, die die Erfassung und Verarbeitung erdräumlicher Informationen zu ihren Gegenstandsbereich zählen, besetzt und wird. deshalb zunehmend auch als Oberbegriff für alle raumbezogenen Informationssysteme verwendet. Die Spezifik der raumbezogenen Informationsverarbeitung führte auch zur Formierung der Geoinformatik als Teilbereich der angewandten Informatik und zur Forderung von Goodchild (1990) nach einer interdisziplinär ausgerichteten “Spatial Information Science”. Die verschiedene Sichtweise des Gegenstands GIS kann nach Margraf (1991) zumindest in drei Bereiche gegliedert werden:

Ein Geographisches Informationssystem (GIS) ist mehr als eine raum- und sachbezogene Datenbank (Informationssystem im engeren Sinn) oder ein fertig konfektioniertes Softwarepaket (GIS i. e. S.) zur digitalen Erfassung, Verarbeitung, Analyse und Darstellung raumbezogener Daten.

Anders als die meisten geowissenschaftlichen Fachbereiche nutzen Photogrammetrie und Fernerkundung Geo-Informationssysteme nicht als Handwerkszeug für ihre eigenen Aufgaben. Sie liefern umgekehrt Bausteine für ein GIS. Das wird deutlich bei der Diskussion folgender These:

G I S = Fortsetzung der Kartographie mit anderen Mitteln

Dies soll keine weitere Definition eines GIS sein, doch ist die Aussage hilfreich zur Analyse der Funktion eines GIS aus der Sicht des Vermessungswesens. In jedem Falle handelt es sich um raumbezogene Systeme, es geht um systematische Zusammenstellung von Informationen über die Erdoberfläche; diese Informationen müssen nach bestimmten Regeln erhoben werden, z. B. „geocodiert“ sein. Wichtig sind jeweils Zuverlässigkeit und Genauigkeit, und schließlich muß für Aktualisierung der Daten gesorgt werden, wenn ein solches System langfristig brauchbar sein soll. Solange keine Digitalrechner auf dem Markt waren, gab es keine Alternative zum analogen GIS, d. h. zur konventionellen thematischen und topographischen Karte.

Bei [Emery, 1989] findet sich ein treffender Hinweis auf zwei ganz unterschiedliche Anwendungsbereiche von Geo-Informationssystemen. Emery betrachtet den Sachverhalt aus der Sicht des AM/FM und meint, daß ein GIS im ursprünglichen Sinne als Hilfsmittel ‘for the purpose of managing gross information for gross decisions’ gedacht seien wie etwa in der Raumplanung, Bodenkunde, Exploration, Hydrologie, Forstwirtschaft (also bei der überwiegenden Zahl der Geo-Wissenschaften). Andere Systeme seien für Zwecke eingerichtet, die sehr genaue und detaillierte Daten benötigen, um Entscheidungen im Einzelfall durchführen zu können (dazu rechnet er die von ihm betrachteten AM/FM-Systeme).

Die technologische Entwicklung im Bereich der Verarbeitung raumbezogener Daten hat einen Stand erreicht, der auch die Arbeitsweisen und die Praxis von Landschafts- und Umweltplanung berührt. Eine ausführliche Skizzierung der Entwicklung der letzten 20 Jahre aus der Sicht der Landschaftsplanung findet sich z. B. bei KIAS (1987). In fast allen Naturschutzverwaltungen auf Landesebene wird die Biotopkartierung EDV-gestützt ausgewertet und nachgeführt. Eine Vielzahl weiterer Kataster mit landschafts- und umweltrelevanten Raumdaten existiert bereits in den entsprechenden Fachämtern bzw. steht in der Entwicklung. Die Vermessungsämter werden in absehbarer Zeit in der Lage sein, digitale Plangrundlagen zur Verfügung zu stellen. Eine Reihe von Städten arbeitet bereits an digitalen Landschaftsplänen, Baumkatastern und anderen umweltbezogenen digitalen Inventaren. Mit der damit z. T. bereits jetzt verbundenen und in Zukunft vermehrt anzutreffenden Erwartung, die von beauftragten Planungsbüros erarbeiteten Daten und Pläne in digitaler Form übernehmen zu wollen, wird auch für die Planungsbüros als Auftragnehmer der öffentlichen Hand der Einsatz geographischer Informationssysteme aktuell.

1987 hat die Kommunalentwicklung Baden-Württemberg GmbH im Auftrag der Datenzentrale Baden-Württemberg das Gutachten „Datenverarbeitung in der technischen Kommunalverwaltung“ erstellt. Wichtigste Ergebnisse waren

Das Thema „Geographische Informationssysteme“ ist im deutschsprachigen Hochschulbetrieb (von wenigen Ausnahmen abgesehen) noch nicht in die Lehrpläne eingegangen, obwohl dieses Thema in der Praxis bereits von größter Bedeutung ist. Dies hat verschiedene Gründe, die hier nur kurz angedeutet werden sollen: Lehr-Konservatismus der Hochschullehrer, grundsätzlich sind GIS „nur“ Werkzeuge, amerikanisch/englische Herkunft, Computertechnologie-Fremdheit der Dozenten, bislang fehlende Lehrbücher, ungenügende Computerhardwareausstattung der Institute, zuwendig Haushaltsmittel für den Kauf von Software u.a.

Innovation, Wachstum und Strukturwandel gehen Hand in Hand. Insbesondere die Geowissenschaften sind stark durch den technischen Fortschritt geprägt worden. Dementsprechend haben sich auch die Berufsbilder verändert; aus Geographen, Kartho-graphen, Vermessungsingenieuren etc. sind zunehmend Fachleute für elektronische Informationsgewinnung und -Verarbeitung geworden.

Die Behandlung und der Einsatz Geographischer Informationssysteme (GIS) in der Lehre als Teilbereich Geographischer Informationsverarbeitung, Angewandter Geographischer Informationstechnologie und/oder Geoinformatik nimmt in Disziplinen wie Geographie, Geologie, Photogrammetrie, Landschafts- und Raumplanung zu.