Geoinformationssysteme, Geographische Informationssysteme (GIS) oder Räumliche Informationssysteme (RIS) sind Informationssysteme zur Erfassung, Bearbeitung, Organisation, Analyse und Präsentation räumlicher Daten. Geoinformationssysteme umfassen die dazu benötigte Hardware, Software, Daten und Anwendungen.
Anwendungsgebiete Geoinformationssysteme werden in vielen Bereichen genutzt, unter anderem in der Geographie, Umweltforschung, Archäologie, Marketing, Kartografie, Stadtplanung, Kriminologie (Verbrechenskarten), Logistik, im Ressourcenmanagement und im Gesundheitswesen. Mithilfe eines GIS ist es dem Zivilschutz beispielsweise möglich, Informationen für Evakuierungspläne zusammenzustellen oder Gefahrenzonen, welche verstärkt von Naturkatastrophen betroffen sind, auszuweisen. Umweltschutzbehörden können bestimmen, welche Feuchtgebiete in besonders bedrohten Gebieten liegen. Marketingabteilungen können herausfinden, in welchen Gebieten neue Kunden gewonnen werden können, wo sich geeignete Standorte für neue Filialen befinden oder wie hoch die Versorgungsdichte in einem bestimmten Gebiet bereits ist.
Geschichte
Vorgeschichte Bereits vor etwa 15.500 Jahren zeichneten Cro-Magnon-Jäger Bilder ihrer Beutetiere an die Wände der Höhle von Lascaux, wobei die Strichzeichnungen als Wanderrouten dieser Tiere interpretiert werden können. Nach Ansicht einiger Autoren stellen diese frühen Darstellungen zwei Elemente der Struktur moderner Geoinformationssysteme (ein Bild verknüpft mit Attributinformationen) dar.
1832 erstellte der französische Geograph und Kartograf Charles Picquet eine Karte, um die Ausbreitung der dort herrschenden Choleraepidemie in 48 Pariser Distrikten visuell darzustellen. Die betroffenen Distrikte färbte er nach der Anzahl der Todesfälle ein. Dies ist eine der frühesten Anwendungen der räumlichen Statistik in Bezug auf Epidemiologie. Veröffentlicht wurde diese Darstellung 1834 in einem Prüfbericht des Kommissionsleiters Louis-François Benoiston de Châteauneuf, der selber Ökonom, Statistiker und Demograf war.
mini|John Snows Karte der Häufung der Todesfälle während der Cholera-Epidemie 1854 1854 entwarf der Arzt John Snow eine Karte der Cholerafälle in London. Dabei stellte er jeden Fall als Punkt an der entsprechenden Position dar. Durch Snows Studien der Verteilung der Cholerafälle konnte die Quelle der Krankheit, eine kontaminierte Wasserpumpe, ermittelt werden. Während die Grundelemente von Topologie und Thema bereits zuvor in der Kartografie bekannt waren, zeichnet sich John Snows Karte dadurch aus, dass er diese kartographischen Methoden erstmals nicht nur zur Visualisierung, sondern zur Clusteranalyse von räumlichen Phänomenen nutzte.
Mit der raschen Entwicklung der Computerhardware in den 1960er Jahren entstanden die ersten universellen Kartenerstellungs-Applikationen.
Entwicklung moderner GIS
1963 wurde in Ottawa durch das Department of Forestry and Rural Development mittels System Design und dem Beginn der Entwicklung der Grundstein für das erste moderne GIS gelegt. 1965 wurde das System umgesetzt und sollte laut Plan mit 1976 finalisiert werden. Roger Tomlinson entwickelte ein GIS namens Canada Geographic Information System (CGIS). Es verfügte über Funktionen zur Speicherung, Analyse und Bearbeitung der Daten des Canada Land Inventory. Ziel der Entwicklung war es, die Kapazitäten des Landes (Boden, Landwirtschaft, Wälder, wild lebende Tiere, Wasservögel, Landnutzung) im Maßstab 1:50.000 zu ermitteln. Diese Daten wurden in Güteklassen kategorisiert, um Analysen zu ermöglichen. CGIS war das erste echte GIS und eine Weiterentwicklung der reinen Kartierungs-Applikationen, da es zahlreiche Zusatzfunktionen wie Overlay, Messungen und Digitalisierung/Scannen umfasst. Es unterstützte ein nationales Koordinatensystem, verarbeitete Linien als Bögen mit einer echten Topologie und speicherte die Attribute von den räumlichen Informationen getrennt in separaten Dateien. Durch diese Entwicklung wurde Tomlinson als „Vater von GIS“ bekannt. CGIS wurde bis in die 1990er Jahre genutzt und war die größte digitale Landressourcen-Datenbank Kanadas. Es wurde als Mainframe-System zur Unterstützung nationaler und regionaler Ressourcenplanung und -managements entwickelt. Eine seiner Stärken war die landesweite Analyse komplexer Daten. CGIS war nie in kommerzieller Form erhältlich.
1964 gründete Howard T. Fisher das Laboratory for Computer Graphics and Spatial Analysis an der Harvard Graduate School of Design. Dort wurden zahlreiche wichtige theoretische Konzepte für die Verarbeitung von Geodaten entwickelt. Bereits in den 1970er Jahren hatte das Team zahlreiche zukunftsweisende Programmcode-Abschnitte und Softwaresysteme wie „SYMAP“, „GRID“ und „ODYSSEY“ veröffentlicht. Diese waren Inspirationsquellen für spätere kommerzielle Entwicklungen.
In den 1980ern entstanden mit M&S Computing (später Intergraph), ESRI, MapInfo und CARIS wichtige kommerzielle Produzenten von Geoinformations-Software. Ihre GIS umfassten zahlreiche Funktionen. Sie bauen auf dem herkömmlichen Ansatz auf, räumliche Daten von Attributdaten zu trennen, verwendeten aber bereits Datenbanken.
Parallel dazu begann das U.S. Army Corps of Engineers Research Laboratory in Champaign, Illinois, mit der Entwicklung eines freien GIS namens GRASS GIS.
In den späten 1980er und 1990er Jahren wuchs das Programmangebot durch den starken Anstieg der GIS-Nutzung zunächst auf Unix-, später auch auf Windowsrechnern.
Ende des 20. Jahrhunderts gab es für die GIS-Technologie durch das Internet neue Entwicklungsmöglichkeiten. Heute gibt es mehr und mehr Open-Source-GIS, die auf zahlreichen Betriebssystemen laufen und für Spezialanforderungen angepasst werden können.
GIS-Software Im gewerblichen Bereich dominieren kommerzielle GIS. Zu den bekanntesten Herstellern zählt ESRI mit seinen ArcGIS Produkten. Daneben sind noch Hersteller wie Autodesk (Topobase und Map3D), Bentley Systems (MicroStation), Intergraph (GeoMedia), Manifold System, Pitney Bowes (MapInfo und pbEncom), Supergeo (SuperGIS) und Smallworld zu nennen. Diese Hersteller bieten meist eine komplette Produktpalette mit Systemen in verschiedenen Ausbaustufen an. Behörden und das Militär nutzen meist spezielle eigens erstellte, angepasste (z. B. ESRI (ArcGIS), Pitney Bowes (MapInfo), CAIGOS (CAIGOS-GIS), GEOgraFIS, Polygis), oder Open-Source-Softwareprodukte.
Open-Source-Lösungen werden mittlerweile häufig im akademischen Bereich verwendet. Die bekanntesten Open-Source-GIS sind GRASS GIS und QGIS, beides sind Projekte der Open Source Geospatial Foundation. Es existieren zahlreiche weitere Systeme wie OpenJUMP, DIVA-GIS und SAGA GIS oder GIS-Werkzeuge wie GeoTools oder GDAL und Webmapping-Bibliotheken wie OpenLayers oder Leaflet.
Verteilte, dienstbasierte Architekturen ermöglichen eine vereinfachte, kostengünstige Geodatendistribution. Die meisten Desktop-GIS unterstützen den Zugriff auf Web-basierte standardisierte Karten- und Geodatendienste. GIS, welche auf Webservices über das Internet zurückgreifen, werden als Web-GIS bezeichnet. Geoportale als spezifische Ausprägung von Web-GIS sind Webanwendungen für eine Suche nach und einen Zugriff auf geographische Informationen und Dienste (Darstellung, Editierung, Analyse) mithilfe eines Webbrowsers. In diesem Bereich dominieren Google Maps mit Google Earth als Desktop-Zugangssoftware, Bing Maps, HERE, Yandex.Maps, sowie als Open-Data-Projekt OpenStreetMap.
In den vergangenen Jahren konnten zwei wesentliche Trends im Kontext von GIS identifiziert werden. Zum einen lässt sich eine verstärkte Bedeutung von GIS im Internet beobachten, wie aktuelle Entwicklungen im Bereich des Web-GIS zeigen. Des Weiteren ist zu beobachten, dass GIS einfacher zugänglich werden und auch Laien zunehmend mit GIS in Kontakt kommen, ohne konkret zu wissen, dass es sich dabei um GIS handelt. Dies wird ermöglicht durch Geoportale im Internet oder Navigations-Apps (z. B. OsmAnd, Organic Maps oder Google Maps), welche der Allgemeinheit nicht nur Geodaten in Kartenform bereitstellen, sondern auch die Erfassung (z. B. durch Tracking-Aufzeichnungen), Verwaltung von Geodaten oder sogar einfache räumliche Analysen wie Entfernungsmessungen ermöglichen.
Geodaten
Modellierung Datenmodell Datenmodelle beschreiben, welche Daten in einem Informationssystem gespeichert werden können und wie diese Daten strukturiert sind. Es handelt sich dabei um Informationen über verschiedene reale Objekte (Personen, Flurstücke, Flüsse). Diese Objekte werden durch ausgewählte Attribute beschrieben. Beispielsweise kann man allen Flurstücken die Attribute Gemarkungsnummer, Flur, Flurstücksnummer und Nutzungsart zuordnen. Bei den genannten Eigenschaften handelt es sich um solche, die ein Objekt des Typs Flurstück eindeutig bezeichnen (Bundesland, Gemarkung, Flur, Flurstückszähler, Flurstücksnenner) und seiner Beschaffenheit nach beschreiben. Man spricht auch von „beschreibenden Daten“, „thematischen Daten“, „Sachdaten“ oder „Attributdaten“.
Die „klassischen“ Informationssysteme beschränken sich auf die reine Verwaltung und Verarbeitung von Sachdaten. In GIS werden den Sachdaten noch die sogenannten Geometriedaten gegenübergestellt. Sie beschreiben die geographische Lage, Form, Orientierung und Größe von Objekten (siehe auch raumbezogene Objekte). Dafür werden Vektordaten verwendet. Vektordaten repräsentieren die Objektgeometrie anhand grafischer Elemente (zum Beispiel Punkte, Linien, Kreisbögen). Bei Vektordaten gibt man die Geometrie eines Flurstücks in Form der Grenzpunktkoordinaten und der Geometrie der Grenzlinien (Strecke, Kreisbogen) an. Der Auszug eines digitalen Luftbildes (meist in Form eines Orthofotos) liegt dagegen nur als Rasterdaten vor, kann aber damit überlagert werden.
Neben den Informationen der einzelnen Objekte speichern Informationssysteme noch Beziehungen zwischen diesen Objekten. Es kann sich um sachlogische Beziehungen oder raumbezogene Beziehungen handeln oder es können beide Beziehungskategorien abbildbar sein. Eine sachlogische Beziehung kann man z. B. zwischen Flurstücken und Personen herstellen: Eine „Person“ (Objekt) ist „Eigentümer“ (sachlogische Beziehung) des „Flurstücks“ (Objekt).
Datenstrukturmodell Ein Datenstrukturmodell gibt an, auf welche Weise Objekte und ihre gegenseitigen Beziehungen in einem Informationssystem, hier speziell einem GIS, abgebildet werden können. Raumbezogene (= topologische) Beziehungen gehen zum Beispiel Flurstücke untereinander ein: ein Flurstück (präziser: die Flurstücksfläche) „ist Nachbar“ (topologische Beziehung) eines anderen Flurstücks.
Vektorbasierte Datenstrukturmodelle ermöglichen es, die Objektgeometrie mit Hilfe von geometrischen Elementen (z. B. Punkte, Kreisbögen, Linien) zu beschreiben; diese Elemente lassen sich durch geordnete oder ungeordnete Gruppierung zu höherwertigen Geometrien zusammenfassen (z. B. Linienzügen oder Flächen). Vektordaten lassen sich relativ einfach mit Sachdaten verknüpfen.
Das rasterbasierte Datenstrukturmodell kennt nur ein einziges Datenstrukturelement, nämlich das Rasterelement, je nach Rasterart auch Pixel oder „Bildpunkt“ genannt. Den Rasterelementen können zwei Eigenschaften zugeordnet werden: die geometrische und die radiometrische Auflösung. Die geometrische Auflösung gibt an, welche Länge und Breite ein Rasterelement in der Natur besitzt; die radiometrische Auflösung bezeichnet die unterscheidbaren Grauwerte je Rasterelement.
Topologie Die Topologie bezeichnet die räumliche Beziehung von Geoobjekten zueinander (Nachbarschaftsbeziehungen). Im Gegensatz zur Geometrie, die die absolute Form und Lage im Raum betrifft, sind topologische Beziehungen zwischen Geoobjekten unabhängig von Maßen wie der Distanz. Die wichtigsten topologischen Beziehungen zwischen zwei Geoobjekten A und B nach Egenhofer sind: A ist disjunkt zu B (berühren sich nicht und überdecken sich nicht) A liegt innerhalb B B liegt innerhalb A A überdeckt B B überdeckt A