GIS einfach erklärt

Aufbau und Funktionsweise von GIS

In diesem Abschnitt lernst Du die wichtigsten Begriffe, den Aufbau und die Funktionsweise von GIS kennen. Du wirst in das Thema der digitalen Kartographie eingewiesen und bekommst so ausreichend Informationen um zu verstehen, was Du mit QGIS machen kannst.

Was Dich erwartet:

  • Du weißt, wie GIS aufgebaut ist
  • Du weißt wie GIS funktioniert
  • Du kennst die Bedeutung wichtiger Begriffe

 

Aufbau

Wird der Aufbau von GIS genauer betrachtet, so treten vier Komponenten zum Vorschein. Der Aufbau eines jeden Informationssystems, so auch GIS, besteht aus Hardware (H), Software (S), Daten (D) und Anwendungen (A).

 

Hardware (H)

Die Computerhardware dient der Datenspeicherung, der Anzeige von Grafiken und Datenverarbeitung. Hierzu zählen neben dem Computer auch Peripheriegeräte wie Scanner, Drucker und Geräte zur Erhebung der Daten, wie beispielsweise GPS.

Software (S)

Die Software macht die Daten zugänglich. Sie macht es möglich sie einzulesen und zu bearbeiten. Neben der GIS-Software wird auch mit Schreib- und Bildbearbeitungsprogrammen, oder einer Software für Tabellenkalkulation gearbeitet.

 

 

GIS ist ein recht neues Fachgebiet — es entstand in den 1970-er Jahren. Früher hatten nur Universitäten und Firmen die Möglichkeit mit einer GIS-Software zu arbeiten. Heute kann jeder mit einem PC oder Laptop eine GIS-Software nutzen.

 

Daten (D)

Hierbei handelt es sich um digitale Daten – geografische Informationen – die sich mithilfe von Computerhardware und -software anzeigen und analysieren lassen.Das gesamte Erscheinungsbild hängt von der Größe und Anzahl der Daten ab. Die Datenmenge und die Qualität der Daten bilden die Grundlage für spätere Ergebnisse. Hierzu zählen Fachinformationen, je nach Themengebiet, und die GeodatenGeodaten Raumbezogene Daten, bestehend aus Satellitenaufnahmen, Luftbildern oder digitalen Höhenmodellen.

 

Anwendungen (A)

Mit einer GIS-Anwendung können digitale Karten auf dem Computer geöffnet, personalisierte Karten für den Druck erstellt, neue räumliche Informationen zur Karte hinzugefügt und räumliche Analysen durchgeführt werden.

 

Funktion

⇒ Die Funktion von GIS beginnt bei der Datenerfassung und geht über die Datenverwaltung und -analyse bis hin zur Präsentation von Ergebnissen.

Das Geoinformationssystem (GIS) verwaltet die abgespeicherten Daten in Form von raumbezogenen Objekten, in Punkten (pointsPoints Punktobjekte in QGIS.), Linien (linesLines Linienobjekte in QGIS.) oder Polygonen (polygonsPolygons Polygonobjekte in QGIS.). Spezielle Grafik – und Speicherformate ermöglichen zudem die Verwaltung dreidimensionaler Objekte – 3D Modelle.

Info: EVAP – Modell, engl.: IMAP-Model ist die Abkürzung des Vierkomponenten-Modells eines Informationssystems hinsichtlich seiner Aufgaben: E= Erfassung, V = Verwaltung, A= Analyse, P = Präsentation.

 

Schritt 1

 

Erfassung (E)

Im ersten Schritt musst Du Daten erheben. Die Datenerfassung meint dabei den Zeitraum von der Datengewinnung/-erhebung bis zur letztendlichen Eingabe in die Software. Das Spektrum an Möglichkeiten raumbezogene Daten zu erheben ist riesig. Datengewinnung geschieht beispielsweise über die Digitalisierung von Karten oder der Auswertung von Satelliten- und Luftbildern.

 

 

 

Datenbanken der Statistikämter bieten wichtige Grundlagen für die Datenerfassung.

 

 

Der erste Schritt der Datengewinnung ist häufig auch der arbeitsintensivste, da die Eingabe durch zahlreiche Einlesemöglichkeiten der Software unterstützt wird.

 

Schritt 2

Verwaltung (V)

Im zweiten Schritt musst Du die erhobenen Daten strukturieren.

Die Datenverwaltung umfasst alle Prozesse der Datenmodellierung bis zur Speicherung in den Datenbanken. Alle Karten und Daten müssen zuerst strukturiert, danach abgespeichert und schließlich beschrieben werden.

Schritt 3

Analyse (A)

Im dritten Schritt werden die Daten analysiert. Diese Funktion bietet die Möglichkeit die zur Verfügung stehenden Daten für den jeweiligen Zweck zu verarbeiten und zu interpretieren. Sie sind das Herz der Software. Die Güte und der Umfang der Möglichkeiten bestimmen im Wesentlichen die Qualität der Software. Hierunter fallen beispielsweise Funktionen der Generalisierung, der Pufferbildung, der Verschneidung, das Abfragen und die Verknüpfung von Informationen oder die Klassifikation nach verschiedenen Gesichtspunkten. Auf diesem Wege wird eine Interaktion zwischen den Daten und BenutzerInnen möglich.

 

 

Schritt 4

Präsentation (P)

Im vierten Schritt kannst Du Daten präsentieren. Die Ergebnisse werden als Karten, Diagramme oder Tabellen dargestellt. Die Darstellung der Wirklichkeit erfolgt in drei Geometrien: Polygone (polygons), Linien (lines), Punkte (points).

 

Wichtige Begriffe auf einen Blick

Was ist ein Informationssystem?

Eine Information – „informare“ (lat.) – bedeutet wörtlich übersetzt: Jemandem oder Etwas eine Gestalt geben bzw. formen. Im übertragenen Sinne heißt es, dass auf eine spezifische Frage eine Antwort gegeben wird.

⇒ Ein Informationssystem ist im einfachsten Sinne ein Frage-Antwort-System, das auf einem Datensatz basiert.

 

Was ist ein Geoinformationssystem (GIS)?

Die Vorsilbe Geo- „ge, gäa“ (griech.) – bedeutet Erde. Die Besonderheit eines Geoinformationssystems besteht darin, dass die Daten einen Bezug zur Erde haben, also einen Raumbezug enthalten, d.h.:  sie werden lokalisiert.

⇒ Das Geoinformationssystem (GIS) ist eine Datenbank, die raumbezogene Daten (Geodaten) digital erfasst und speichert. Die Aufgabe dieser Datenbank besteht darin, die erfassten Daten zu bearbeiten, zu organisieren und zu analysieren.

 

Was sind Geodaten?

Geodaten sind digitale Informationen, die uns ermöglichen jede Position auf der Erdoberfläche zu bestimmen. Sie beziehen sich immer auf eine bestimmte Lage im geographischen Raum.

Es wird zwischen unmittelbar gewonnenen Primärdaten (Rohdaten) und daraus abgeleiteten Sekundärdaten unterschieden. Sekundärdaten entstehen erst durch Modellierung und Verarbeitung von Primärdaten. Insgesamt liegen Geodaten immer in alphanumerischer Form in einer Datenbank, Tabelle oder als Text vor. Sie werden weiterhin in Geobasisdaten und Geofachdaten gegliedert.

Geobasisdaten

Vielen Positionen auf der Erdoberfläche sind Koordinaten zugeordnet. In diesem Fall handelt es sich um Geodaten mit einem direkten Raumbezug. Geobasisdaten sind Punkte, Linien oder Flächen, die zugleich eine bestimmte Lage (Georeferenz) beschreiben. Das können administrative, technische oder auch natürliche Grenzen in der Landschaft sein. Beispiele für Geobasisdaten sind Adressen, Flüsse, Straßen, Landesgrenzen oder Gebäude.

 


 

Geobasisdaten bekommen Sie auf Anfrage von Vermessungsverwaltungen der Länder oder der Kommunen bereitgestellt.

 

Geofachdaten

Geofachdaten dagegen haben keine räumliche, sondern nur eine fachliche Zuordnung (z.B. Demographie, Klimatologie). Es sind spezielle Fachdaten, die ohne Geobasisdaten schwer interpretierbar sind. Thematische Karten sind ein Musterbeispiel für die Kombination aus Geobasis-und Geofachdaten. Der Raumbezug kann durch Lagekoordinaten, Stadtbezirke, Landkreise oder Postleitzahlen hergestellt werden. Geofachdaten werden unterschiedlichen Fachdatenbanken entnommen und in Geoinformationssysteme eingegeben. Dies erfolgt bei internetbasierten Systemen über einen GeobrowserGeobrowser Software zur Nutzung von webbasierten Geodaten. .

 

 

Wenn Sie Geofachdaten benötigen, sind Fachdatenbanken die richtige Anlaufstelle.

Was sind AttributeAttribut Informationen welche einem Objekt zugeordnet sind.?

Ein AttributAttribut Informationen welche einem Objekt zugeordnet sind. – attributum (lat.) – bedeutet Eigenschaft, Merkmal einer Substanz, einer Person oder einer Sache.[1] Im Zusammenhang mit GIS sind das nicht räumliche Informationen zu einem geographischen Feature (Verlinkung Glossar). Features sind abstrahierte Objekte der realen Welt. Zum Beispiel werden Straßen als Linienzüge, Gebäude als Flächen oder Bäume als Punkte abstrahiert und dargestellt. Attribute sind also Sachinformationen, die sich auf ein Objekt beziehen, wie z.B. Name eines Flusses, Flächengröße eines Gartens.

⇒  Attribute sind textliche oder numerische Informationen, die eine bestimmte „Sache“ (Haus, Fluss, Straße) beschreiben.

 

Was ist eine AttributtabelleAttributtabelle Die Attributtabelle zeigt alle Objekte und Informationen des ausgewählten Layers. ?

GIS vereint raumbezogene Informationen (Geodaten) und Geographie miteinander. GIS bringt Rauminformationen (Geodaten) mit Sachdaten (Attribute) in Verbindung. Diese Verknüpfung wird durch die Attributtabelle ermöglicht. In der Attributtabelle sind Informationen (Attribute) zu raumbezogenen Geometrien (Polygone, Linien, Punkte) gespeichert.[1]

⇒ GIS bringt Rauminformationen (Geodaten) mit Sachdaten (Attributen) mithilfe der Attributtabelle in Verbindung.

GIS präsentiert die Daten in drei Geometrien, die zusammen ein Abbild der Wirklichkeit ergeben:

Geometrie Beispiel Informationen (Attribute)
PolygonPolygons Polygonobjekte in QGIS. Häuserbestand einer Stadt z.B. Adressen, Anzahl im Haushalt lebender Personen
Linie Straßen z.B. Straßennamen, Straßenkategorie (z.B. Autobahn, Landstraße)
Punkt Arztpraxis z.B. Registrierte Adressen
(z.B. Arztpraxis)

 

 

Was ist Objektmodellierung?

Objektmodellierug bedeutet, dass Objekte in unterschiedlichen Formen als Geodaten in ein Geoinformationssystem eingegeben werden können. Objekte werden zum einen in ihren geometrischen Formen (engl. shape) und zum anderen mit zugehörigen Sachinformationen (Attributen) kenntlich gemacht.

⇒ Objektmodellierung ist die Darstellung von Objekten als Geodaten in GIS in drei geometrischen Formen: Punkte, Linien und Flächen (Points, Lines, Polygone).

 

 

Vor Beginn der digitalen Ära (vor 1970) wurden Geodaten analog festgehalten: auf Kartenzeichnungen und -skizzen, in Notizen und später auf Karteikarten.

Was sind Datendimensionen?

Bei der Modellierung von Geodaten unterscheiden wir drei geometrische Formen: Punkte, Linien und Flächen. Die geometrischen Formen können in fünf unterschiedlichen Dimensionen dargestellt werden.

⇒ Punkte, Linien und Polygone können in unterschiedlichen Dimensionen, den sog. Datendimensionen dargestellt werden.

 

Begriff Erklärung
Eindimensional (1D) Jeder Punkt liegt nur entlang einer Achse. Das können beispielsweise Straßen, Bahnstraßen oder Grenzen sein.
Zweidimensional (2D) Jeder Punkt hat eine x- und eine y-Koordinate. Linienverbindungen oder Flächen, die auf die Punkte aufbauen, liegen also in einer Ebene, einer x-y Ebene vor.
Zwei-plus-Eindimensional (2,5D) Jeder Punkt der Grundrissdarstellung hat zusätzlich zur x- und y-Koordinate eine attributive Information über die Höhe (zum Beispiel die Höhe eines Gebäudes. Damit ist die Höhe in diesem Fall nur eine Funktion der Lage, d. h. es gibt immer nur genau einen Höhenwert zu einer Lagekoordinate (x,y). In dieser Form liegen beispielsweise die meisten digitalen Geländemodelle vor.
Dreidimensional (3D) Alle Punkte haben x-, y- und z-Koordinaten (bzw. Höhe). Linienverbindungen sind räumliche Linien, die nicht in einer Ebene liegen.
Vierdimensional (4D) Zu den drei Koordinaten im Raum wird zusätzlich die Zeit als vierte Information mitgeführt. Diese ergibt sich aus dem zeitlichen Ablauf.

Die Zeit wird durch die Verwendung eines Zeitstempels für jedes Objekt ermöglicht. Damit kann abgefragt werden, zu welchem Zeitpunkt ein Objekt existiert hat oder nicht. Aus diesen Daten können Darstellungen der Vergangenheit kreiert werden (zum Beispiel: Wie sah die Stadt am 15.07.2010 aus bevor der Neubau errichtet wurde).

Mit 4D können auch zeitabhängige Animationen erzeugt werden.

 

Was ist Topologie?

Neben der Form der Objekte wird auch die Topologie zwischen den Objekten modelliert. Topologie ist die Lehre von der Lage und Anordnung geometrischer Gebilde im Raum[1]. Sie bezeichnet die räumliche Beziehung von Geoobjekten zueinander. Im Gegensatz zur Geometrie, die sich mit der absoluten Form und Lage eines Objektes im Raum beschäftigt, konzentriert sich die Topologie auf Nachbarschaftsbeziehungen. Topologische Beziehungen werden unabhängig von Maßen (z.B. Distanz, Umfang, Größe) festgemacht.

⇒ Topologie ist die Lehre von der Lage und Anordnung geometrische Gebilde im Raum.

In der folgenden Tabelle siehst Du die die wichtigsten topologischen Beziehungen zwischen Objekten, die im GIS-Bereich genutzt werden.

 

Begriff

 

Erklärung

A ist disjunkt zu B A und B weisen keine Schnittfläche auf.
A liegt innerhalb B Objekt A befindet sich innerhalb des Objektes B.

Objekt A enthält Objekt B. Zu beachten ist:

·        Punkte können keine Linien oder Fläche enthalten.

·        Linien können keine Fläche enthalten.

A überdeckt B Objekt A überdeckt Objekt B.

Objekt A und Objekt B überschneiden sich. Zu beachten ist:

·        Punkte können keine Linien oder Flächen enthalten.

·        Linien können keine Fläche enthalten.

A berührt B Objekt A und Objekt B berühren sich an den Grenzlinien.
A gleicht B Objekt B und Objekt A stimmen überein.

·        Punkte = Punkte

·        Linien = Linien

·        Polygone = Polygone

Topologien sind grundlegende Anforderung an GIS-Systeme in Bezug auf Datenmanagement und -integrität. In topologischen Datenmodellen werden räumliche Beziehungen verwaltet, indem räumliche Objekte (Punkt-, Linien- und Flächen-Features) als grafische Darstellungen topologischer Grundelemente (Knoten, Flächen und Kanten) dargestellt werden. Sie werden zusammen in wechselseitigen Beziehungen und ihren Beziehungen zu den Geometrien behandelt.

 

Was sind LayerLayer Einzelne Ebenen welche Informationen enthalten (Punktlayer, Linienlayer, Polygonlayer). und das Layerprinzip?

Geodaten werden im GIS meist in ebenenartig in Form von Layern dargestellt und ermöglichen es zusammengehörende raumbezogene Objekte zusammenzufassen. Die gruppierten Objekte einer Ebene können gemeinsam bearbeitet, z.B. ein- und ausgeblendet oder farblich verändert, werden. Bei der Arbeit mit Layern müssen Sie die Reihenfolge der Layer beachten.

⇒ Layer sind Datasets, die in GIS zusammengehörende raumbezogene Objekte zusammenfassen.

Bei der Arbeit mit Layern musst Du die Reihenfolge der Layer beachten. So müssen die Flächengeometrien immer in derselben Reihenfolge von unten nach oben angeordnet sein: Flächengeometrie -> Liniengeometrie -> Punktegeometrie. Punktgeometrien müssen dabei immer als letzte Ebene dargestellt werden.

 

Beachte bei der Arbeit mit Layern immer die Reihenfolge der Layer! Leg die Punktegeometrie immer auf die oberste Ebene! Wird dies nicht beachtet können die von Punkt- und Linienlayer enthaltenen Informationen von den Geometrien des oder der Flächenlayer überlagert werden. Die unerwünschte Folge wäre, dass die Punktegeometrie in der Gesamtansicht verloren geht.

 

Layer dienen der Identifizierung und Entdeckung von möglichen Zusammenhängen. Sie können willkürlich miteinander kombiniert werden. Das Prinzip ist mit Tageslichtprojektorfolien zu vergleichen, die mit thematischen Informationen übereinandergelegt werden. Das Layerprinzip macht es möglich, Beziehungen unterschiedlicher Art zu analysieren. Daraus ergeben sich unendlich viele Möglichkeiten an räumlichen Fragestellungen, die in Beziehung gesetzt und mit GIS analysiert werden können.

Schau Dir die Beispiele für mögliche Fragestellungen an und versuch Deine eigenen Fragen zu formulieren.

 

1.      Werden Supermärkte an größeren innerstädtischen Ausfahrtstraßen gebaut?

2.      Sind Siedlungsgebiete optimal durch ein Angebot an Schulen oder Kindergärten versorgt?

3.      Welcher Anteil gesetzlich geschützter Biotypen eines Gebietes wird durch ein Bauprojekt gefährdet?

4.      Welche Infrastrukturen befinden sich im Einzugsbereich eines geplanten Baugebietes?


Das hast Du gelernt!

Ziele Ergebnisse
Du weißt, wie GIS aufgebaut ist
  • Der Aufbau eines jeden Informationssystems, so auch GIS, besteht aus Hardware (H), Software (S), Daten (D) und Anwendungen (A).
Du weißt, wie GIS funktioniert
  • Die Funktion von GIS beginnt bei der Datenerfassung und geht über die Datenverwaltung und -analyse bis hin zur Präsentation von Ergebnissen.
Du kennst die Bedeutung wichtiger Begriffe
  • Ein Informationssystem ist im einfachsten Sinne ein Frage-Antwort-System, das auf einem Datensatz basiert.
  • Das Geoinformationssystem (GIS) ist eine Datenbank, die raumbezogene Daten (Geodaten) digital erfasst und speichert. Die Aufgabe dieser Datenbank besteht darin, die erfassten Daten zu bearbeiten, zu organisieren und zu analysieren.
  • Geodaten sind digitale Informationen, die uns ermöglichen jede Position auf der Erdoberfläche zu bestimmen. Sie beziehen sich immer auf eine bestimmte Lage im geographischen Raum.
  • Attribute sind nicht räumliche Informationen zu einem geographischen Feature.
  • Objektmodellierung ist die Darstellung von Objekten als Geodaten in GIS in drei geometrischen Formen: Punkte, Linien und Flächen (Points, Lines, Polygone).
  • Punkte, Linien und Polygone können in unterschiedlichen Dimensionen, den sog. Datendimensionen dargestellt werden.
  • Topologie ist die Lehre von der Lage und Anordnung geometrischer Gebilde im Raum.
  • Das Konzept der Klassifikation besagt, dass jedes Element aus einem Rand (boundaryBoundary Topologische Grenze eines Polygon- oder Linienlayers.-b), einem Inneren (interior-i) und einem Komplement (exterior-e) besteht.
  • Layer sind Datasets, die in GIS zusammengehörende raumbezogene Objekte zusammenfassen.

 

 

Versuch Fragen zu entwickeln, die für Dich persönlich interessant sind. Überleg Dir, was Du gerne mit GIS erreichen möchtest und welche Ergebnisse Du mit GIS gerne erzeugen würdest.

 

Quellen

Duden (2001): https://www.duden.de/rechtschreibung/Topologie

Stadler, Manuel (2008): https://www.grin.com/document/231428.

https://docs.qgis.org/2.8/de/docs/gentle_gis_introduction/introducing_gis.html

http://www.gitta.info/SpatialQueries/de/html/TopoBasedOps_learningObject1.html – 21.12.20.