Geoinformationssystem

Grundlegendes GIS-Konzept ⓘ

Ein geografisches Informationssystem (GIS) ist eine Art Datenbank, die geografische Daten enthält (d. h. Beschreibungen von Phänomenen, für die der Standort relevant ist), kombiniert mit Softwarewerkzeugen zur Verwaltung, Analyse und Visualisierung dieser Daten. Im weiteren Sinne kann ein solches System auch menschliche Benutzer und Hilfspersonal, Verfahren und Arbeitsabläufe, Wissensbestände über relevante Konzepte und Methoden sowie institutionelle Organisationen umfassen. ⓘ

Der ungezählte Plural, geografische Informationssysteme, auch abgekürzt GIS, ist der gebräuchlichste Begriff für die Branche und den Berufsstand, der sich mit diesen Systemen befasst. Er ist in etwa gleichbedeutend mit Geoinformatik und Teil des umfassenderen Bereichs der Geodaten, zu dem auch GPS, Fernerkundung usw. gehören. Die Geoinformationswissenschaft, die akademische Disziplin, die sich mit diesen Systemen und den ihnen zugrundeliegenden geografischen Prinzipien befasst, kann auch als GIS abgekürzt werden, doch ist die eindeutige Bezeichnung GIScience gebräuchlicher. ⓘ

Geografische Informationssysteme werden in zahlreichen Technologien, Verfahren, Techniken und Methoden eingesetzt. Sie sind mit verschiedenen Vorgängen und zahlreichen Anwendungen verbunden, die sich auf folgende Bereiche beziehen: Technik, Planung, Management, Verkehr/Logistik, Versicherungen, Telekommunikation und Wirtschaft. Aus diesem Grund bilden GIS- und Location-Intelligence-Anwendungen die Grundlage für standortbezogene Dienste, die auf geografischer Analyse und Visualisierung beruhen. ⓘ

GIS bietet die Möglichkeit, zuvor nicht zusammenhängende Informationen miteinander zu verknüpfen, indem der Standort als "Schlüsselindexvariable" verwendet wird. Standorte und Ausdehnungen, die in der Raumzeit der Erde gefunden werden, können durch das Datum und die Uhrzeit des Auftretens zusammen mit den x-, y- und z-Koordinaten aufgezeichnet werden, d. h. Längengrad (x), Breitengrad (y) und Höhe (z). Alle erdbasierten, räumlich-zeitlichen Orts- und Ausdehnungsangaben sollten zueinander und letztlich zu einem "echten" physischen Ort oder einer echten Ausdehnung in Beziehung gesetzt werden können. Dieses Hauptmerkmal von GIS hat neue Wege für wissenschaftliche Untersuchungen und Studien eröffnet. ⓘ

Geschichte und Entwicklung

Während digitale GIS auf Mitte der 1960er Jahre zurückgehen, als Roger Tomlinson zum ersten Mal den Begriff "geografisches Informationssystem" prägte, gehen viele der geografischen Konzepte und Methoden, die GIS automatisieren, auf Jahrzehnte früher zurück. ⓘ

E. W. Gilberts Version (1958) von John Snows Karte des Choleraausbruchs in Soho aus dem Jahr 1855, die die Häufung der Cholerafälle während der Londoner Epidemie von 1854 zeigt ⓘ

Einer der ersten bekannten Fälle, in denen eine räumliche Analyse verwendet wurde, stammt aus dem Bereich der Epidemiologie und wurde im "Rapport sur la marche et les effets du choléra dans Paris et le département de la Seine" (1832) veröffentlicht. Der französische Geograf und Kartograf Charles Picquet erstellte eine Karte der achtundvierzig Pariser Bezirke, die mit Hilfe von Halbton-Farbverläufen die Zahl der gemeldeten Cholera-Todesfälle pro 1.000 Einwohner veranschaulichte. ⓘ

Im Jahr 1854 gelang es dem Epidemiologen und Arzt John Snow, die Quelle eines Choleraausbruchs in London mit Hilfe einer räumlichen Analyse zu ermitteln. Dazu zeichnete Snow den Wohnort eines jeden Erkrankten auf einer Karte des Gebiets ein, ebenso wie die nahe gelegenen Wasserquellen. Sobald diese Punkte markiert waren, konnte er die Wasserquelle innerhalb des Clusters identifizieren, die für den Ausbruch der Krankheit verantwortlich war. Dies war eine der ersten erfolgreichen Anwendungen einer geografischen Methode, um die Quelle eines Ausbruchs in der Epidemiologie zu lokalisieren. Während die grundlegenden Elemente der Topografie und des Themas in der Kartografie bereits bekannt waren, war Snows Karte einzigartig, da er kartografische Methoden nicht nur zur Darstellung, sondern auch zur Analyse von Clustern geografisch abhängiger Phänomene einsetzte. ⓘ

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde die Fotozinkografie entwickelt, die es ermöglichte, Karten in Schichten aufzuteilen, z. B. eine Schicht für die Vegetation und eine für das Wasser. Dies wurde vor allem für den Druck von Konturen verwendet, da das Zeichnen dieser Konturen sehr arbeitsintensiv war, aber durch die Aufteilung in eine separate Ebene konnte man sie bearbeiten, ohne dass die anderen Ebenen den Zeichner verwirrten. Ursprünglich wurden diese Arbeiten auf Glasplatten gezeichnet, aber später wurden Kunststofffolien eingeführt, die unter anderem den Vorteil hatten, dass sie leichter waren, weniger Lagerplatz benötigten und weniger brüchig waren. Wenn alle Schichten fertig waren, wurden sie mit einer großen Prozesskamera zu einem Bild zusammengefügt. Als der Farbdruck aufkam, wurde die Idee der Schichten auch für die Erstellung separater Druckplatten für jede Farbe verwendet. Während die Verwendung von Ebenen viel später zu einem der typischen Hauptmerkmale eines zeitgenössischen GIS wurde, wird das gerade beschriebene fotografische Verfahren nicht als GIS an sich betrachtet - da die Karten nur Bilder ohne Datenbank waren, mit der sie verknüpft werden konnten. ⓘ

Zwei weitere Entwicklungen aus der Anfangszeit der GIS sind bemerkenswert: Ian McHargs Veröffentlichung "Design with Nature" und seine Kartenüberlagerungsmethode sowie die Einführung eines Straßennetzes in das DIME-System (Dual Independent Map Encoding) des U.S. Census Bureau. ⓘ

Die erste Veröffentlichung, die den Einsatz von Computern zur Erleichterung der Kartografie beschreibt, stammt von Waldo Tobler aus dem Jahr 1959. Die weitere Entwicklung von Computerhardware, die durch die Kernwaffenforschung vorangetrieben wurde, führte Anfang der 1960er Jahre zu einer größeren Verbreitung von Computer-"Mapping"-Anwendungen für allgemeine Zwecke. ⓘ

Im Jahr 1960 wurde in Ottawa, Ontario, Kanada, von der Bundesbehörde für Forstwirtschaft und ländliche Entwicklung das weltweit erste echte operationelle GIS entwickelt. Es wurde von Dr. Roger Tomlinson entwickelt und trug den Namen Canada Geographic Information System (CGIS). Es diente der Speicherung, Analyse und Bearbeitung von Daten, die für das Canada Land Inventory gesammelt wurden, einem Versuch, die Landkapazität für das ländliche Kanada zu bestimmen, indem Informationen über Böden, Landwirtschaft, Erholung, Wildtiere, Wasservögel, Forstwirtschaft und Landnutzung in einem Maßstab von 1:50.000 kartiert wurden. Außerdem wurde ein Klassifizierungsfaktor hinzugefügt, um eine Analyse zu ermöglichen. ⓘ

CGIS stellte eine Verbesserung gegenüber "Computer Mapping"-Anwendungen dar, da es Möglichkeiten zur Datenspeicherung, Überlagerung, Messung und Digitalisierung/Abtastung bot. Es unterstützte ein nationales, kontinentumspannendes Koordinatensystem, kodierte Linien als Bögen mit einer echten eingebetteten Topologie und speicherte die Attribut- und Standortinformationen in separaten Dateien. Infolgedessen ist Tomlinson als "Vater des GIS" bekannt geworden, insbesondere wegen seiner Verwendung von Überlagerungen zur Förderung der räumlichen Analyse konvergenter geografischer Daten. CGIS dauerte bis in die 1990er Jahre und baute eine große digitale Datenbank für Landressourcen in Kanada auf. Es wurde als Mainframe-basiertes System zur Unterstützung der Ressourcenplanung und -verwaltung auf Bundes- und Provinzebene entwickelt. Seine Stärke war die kontinentweite Analyse komplexer Datensätze. Das CGIS war nie kommerziell erhältlich. ⓘ

1964 gründete Howard T. Fisher das Laboratory for Computer Graphics and Spatial Analysis an der Harvard Graduate School of Design (LCGSA 1965-1991), in dem eine Reihe wichtiger theoretischer Konzepte für die Verarbeitung räumlicher Daten entwickelt wurden und das in den 70er Jahren bahnbrechenden Softwarecode und Systeme wie SYMAP, GRID und ODYSSEY an Universitäten, Forschungszentren und Unternehmen in aller Welt lieferte. Diese Programme waren die ersten Beispiele für GIS-Software für allgemeine Zwecke, die nicht für eine bestimmte Installation entwickelt wurde, und hatten großen Einfluss auf spätere kommerzielle Software wie Esri ARC/INFO, die 1983 veröffentlicht wurde. ⓘ

Ende der 1970er Jahre befanden sich zwei öffentlich zugängliche GIS-Systeme (MOSS und GRASS GIS) in der Entwicklung, und in den frühen 1980er Jahren waren M&S Computing (später Intergraph) zusammen mit Bentley Systems Incorporated für die CAD-Plattform, Environmental Systems Research Institute (ESRI), CARIS (Computer Aided Resource Information System), und ERDAS (Earth Resource Data Analysis System) traten als kommerzielle Anbieter von GIS-Software auf und übernahmen erfolgreich viele der CGIS-Funktionen, indem sie den Ansatz der ersten Generation zur Trennung von Raum- und Attributinformationen mit einem Ansatz der zweiten Generation zur Organisation von Attributdaten in Datenbankstrukturen kombinierten. ⓘ

1986 wurde mit Mapping Display and Analysis System (MIDAS) das erste Desktop-GIS-Produkt für das DOS-Betriebssystem veröffentlicht. Dieses wurde 1990 in MapInfo für Windows umbenannt, als es auf die Microsoft Windows-Plattform portiert wurde. Damit begann der Prozess der Verlagerung von GIS aus der Forschungsabteilung in das Unternehmensumfeld. ⓘ

Gegen Ende des 20. Jahrhunderts war das rasche Wachstum der verschiedenen Systeme konsolidiert und auf relativ wenigen Plattformen standardisiert, und die Benutzer begannen, sich mit der Anzeige von GIS-Daten über das Internet zu beschäftigen, was Datenformat- und Übertragungsstandards erforderte. In jüngster Zeit gibt es eine wachsende Zahl von freien, quelloffenen GIS-Paketen, die auf einer Reihe von Betriebssystemen laufen und für die Ausführung bestimmter Aufgaben angepasst werden können. Der wichtigste Trend des 21. Jahrhunderts ist die Integration von GIS-Funktionen in andere Informationstechnologien und Internet-Infrastrukturen, wie relationale Datenbanken, Cloud Computing, Software as a Service (SAAS) und Mobile Computing. ⓘ

GIS-Software

Es muss unterschieden werden zwischen einem einzelnen geografischen Informationssystem, bei dem es sich um eine einzelne Installation von Software und Daten für einen bestimmten Zweck handelt, zusammen mit der dazugehörigen Hardware, dem Personal und den Institutionen (z. B. das GIS einer bestimmten Stadtverwaltung), und GIS-Software, einem Allzweck-Anwendungsprogramm, das für den Einsatz in vielen einzelnen geografischen Informationssystemen in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen vorgesehen ist. Seit den späten 1970er Jahren wurden viele Softwarepakete speziell für GIS-Anwendungen entwickelt, darunter kommerzielle Programme wie Esri, ArcGIS, Autodesk und MapInfo Professional sowie Open-Source-Programme wie QGIS, GRASS GIS und MapGuide. Diese und andere Desktop-GIS-Anwendungen umfassen eine ganze Reihe von Funktionen für die Eingabe, Verwaltung, Analyse und Visualisierung geografischer Daten und sind für die eigenständige Nutzung konzipiert. ⓘ

Seit den späten 1990er Jahren, mit dem Aufkommen des Internets, wurden Server-GIS als weiterer Mechanismus zur Bereitstellung von GIS-Funktionen entwickelt. Dabei handelt es sich um eigenständige Software, die auf einem Server installiert wird, ähnlich wie andere Serversoftware, z. B. HTTP-Server und relationale Datenbankmanagementsysteme, und die es den Kunden ermöglicht, auf GIS-Daten und -Verarbeitungswerkzeuge zuzugreifen, ohne spezielle Desktop-Software installieren zu müssen, indem sie häufig über einen Webbrowser auf den Server zugreifen. Diese Strategie wurde durch die Entwicklung von Cloud-basierten GIS-Plattformen wie ArcGIS Online und auf GIS spezialisierte Software as a Service (SAAS) erweitert. ⓘ

Ein alternativer Ansatz ist die Integration einiger oder aller dieser Funktionen in andere Software- oder Informationstechnologie-Architekturen. Ein Beispiel ist eine räumliche Erweiterung der objektrelationalen Datenbanksoftware, die einen Geometriedatentyp definiert, so dass räumliche Daten in relationalen Tabellen gespeichert werden können, sowie Erweiterungen von SQL für räumliche Analyseoperationen wie Overlay. Ein weiteres Beispiel ist die Verbreitung von Geodatenbibliotheken und Anwendungsprogrammierschnittstellen (z. B. GDAL, Leaflet, D3.js), die Programmiersprachen erweitern, um die Einbindung von GIS-Daten und -Verarbeitung in kundenspezifische Software zu ermöglichen, einschließlich Web-Mapping-Sites und ortsbezogene Dienste in Smartphones. ⓘ

Verwaltung raumbezogener Daten

Das Herzstück eines jeden GIS ist eine Datenbank, die Darstellungen geografischer Phänomene enthält und deren Geometrie (Lage und Form) sowie deren Eigenschaften oder Attribute modelliert. Eine GIS-Datenbank kann in verschiedenen Formen gespeichert werden, z. B. als Sammlung separater Datendateien oder als eine einzige raumbezogene, relationale Datenbank. Das Sammeln und Verwalten dieser Daten nimmt in der Regel den größten Teil der zeitlichen und finanziellen Ressourcen eines Projekts in Anspruch, weit mehr als andere Aspekte wie Analyse und Kartierung. ⓘ

Aspekte der geografischen Daten

GIS verwendet den räumlich-zeitlichen Standort als zentrale Indexvariable für alle anderen Informationen. So wie eine relationale Datenbank, die Text oder Zahlen enthält, viele verschiedene Tabellen mit Hilfe gemeinsamer Schlüsselindexvariablen in Beziehung setzen kann, können GIS ansonsten nicht zusammenhängende Informationen durch die Verwendung des Standorts als Schlüsselindexvariable in Beziehung setzen. Der Schlüssel ist der Ort und/oder die Ausdehnung in Raum und Zeit. ⓘ

Jede Variable, die räumlich und zunehmend auch zeitlich lokalisiert werden kann, kann mit einem GIS referenziert werden. Orte oder Ausdehnungen in der Raumzeit der Erde können als Datum/Zeit des Auftretens und als x-, y- und z-Koordinaten aufgezeichnet werden, die die Längen- und Breitengrade bzw. die Höhenlagen darstellen. Diese GIS-Koordinaten können auch andere quantifizierte zeitlich-räumliche Bezugssysteme darstellen (z. B. die Nummer eines Filmbildes, eine Pegelstation, eine Autobahnmeile, ein Vermessungspunkt, eine Gebäudeadresse, eine Straßenkreuzung, ein Eingangstor, eine Wassertiefensondierung, POS- oder CAD-Zeichenursprünge/-Einheiten). Die Einheiten, die auf die aufgezeichneten zeitlich-räumlichen Daten angewendet werden, können stark variieren (selbst bei Verwendung exakt derselben Daten, siehe Kartenprojektionen), aber alle raum-zeitlichen Orts- und Ausdehnungsreferenzen auf der Erde sollten idealerweise miteinander und letztlich mit einem "echten" physischen Ort oder einer Ausdehnung in der Raumzeit in Beziehung gesetzt werden können. ⓘ

In Verbindung mit genauen räumlichen Informationen kann eine unglaubliche Vielfalt an realen und projizierten Daten aus der Vergangenheit oder Zukunft analysiert, interpretiert und dargestellt werden. Diese Schlüsseleigenschaft von GIS hat begonnen, neue Wege der wissenschaftlichen Untersuchung von Verhaltensweisen und Mustern realer Informationen zu eröffnen, die zuvor nicht systematisch in Beziehung gesetzt wurden. ⓘ

Modellierung von Daten

GIS-Daten stellen Phänomene dar, die in der realen Welt existieren, wie z. B. Straßen, Landnutzung, Höhenlage, Bäume, Wasserwege und Staaten. Die gebräuchlichsten Arten von Phänomenen, die in Daten dargestellt werden, können in zwei Konzepte unterteilt werden: diskrete Objekte (z. B. ein Haus, eine Straße) und kontinuierliche Felder (z. B. die Niederschlagsmenge oder die Bevölkerungsdichte). Andere Arten von geografischen Phänomenen wie Ereignisse (z. B. der Zweite Weltkrieg), Prozesse (z. B. Suburbanisierung) und Massen (z. B. Boden) werden seltener oder indirekt dargestellt oder in Analyseverfahren statt in Daten modelliert. ⓘ

Zur Speicherung von Daten in einem GIS werden traditionell zwei Methoden für beide Arten von abstrakten Kartenbezügen verwendet: Rasterbilder und Vektoren. Punkte, Linien und Polygone stellen Vektordaten von kartierten Standortattributreferenzen dar. ⓘ

Eine neue hybride Methode der Datenspeicherung ist die Identifizierung von Punktwolken, die dreidimensionale Punkte mit RGB-Informationen an jedem Punkt kombinieren und so ein "3D-Farbbild" liefern. Thematische GIS-Karten werden so immer realistischer und beschreiben visuell das, was sie zeigen oder bestimmen sollen. ⓘ

Datenerfassung

Beispiel für Hardware zur Kartierung (GPS und Laserentfernungsmesser) und Datenerfassung (robuster Computer). Der aktuelle Trend bei geografischen Informationssystemen (GIS) geht dahin, dass genaue Kartierungen und Datenanalysen im Feld durchgeführt werden. Die abgebildete Hardware (Feldkartentechnik) wird hauptsächlich für Waldinventuren, Monitoring und Kartierungen eingesetzt. ⓘ

Die GIS-Datenerfassung umfasst mehrere Methoden zur Erfassung räumlicher Daten in einer GIS-Datenbank, die in drei Kategorien eingeteilt werden können: primäre Datenerfassung, d. h. direkte Messungen vor Ort (z. B. Fernerkundung, globales Positionierungssystem); sekundäre Datenerfassung, d. h. die Extraktion von Informationen aus vorhandenen Quellen, die nicht in GIS-Form vorliegen, wie z. B. Papierkarten, durch Digitalisierung; und Datentransfer, d. h. das Kopieren vorhandener GIS-Daten aus externen Quellen wie Behörden und Privatunternehmen. Alle diese Methoden können viel Zeit, Geld und andere Ressourcen in Anspruch nehmen. ⓘ

Primäre Datenerfassung

Vermessungsdaten können direkt von digitalen Datenerfassungssystemen auf Vermessungsinstrumenten in ein GIS eingegeben werden, wobei eine Technik namens Koordinatengeometrie (COGO) verwendet wird. Positionen von einem globalen Satellitennavigationssystem (GNSS) wie dem Global Positioning System können ebenfalls erfasst und anschließend in ein GIS importiert werden. Ein aktueller Trend bei der Datenerfassung bietet den Nutzern die Möglichkeit, Feldcomputer mit der Fähigkeit zu nutzen, Live-Daten über drahtlose Verbindungen oder getrennte Bearbeitungssitzungen zu bearbeiten. Ein aktueller Trend ist die Nutzung von Anwendungen, die auf Smartphones und PDAs verfügbar sind - Mobile GIS. Dies wurde durch die Verfügbarkeit preiswerter kartographischer GPS-Geräte mit Dezimetergenauigkeit in Echtzeit verbessert. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, die Daten nach der Feldarbeit im Büro zu bearbeiten, zu importieren und zu aktualisieren. Dazu gehört auch die Möglichkeit, mit einem Laserentfernungsmesser erfasste Positionen einzubeziehen. Neue Technologien ermöglichen es den Anwendern auch, Karten und Analysen direkt vor Ort zu erstellen, was die Projekte effizienter und die Kartierung genauer macht. ⓘ

Fernerkundungsdaten spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Datenerfassung und bestehen aus Sensoren, die an einer Plattform angebracht sind. Zu den Sensoren gehören Kameras, Digitalscanner und Lidar, während die Plattformen in der Regel aus Flugzeugen und Satelliten bestehen. In England wurde Mitte der 1990er Jahre mit hybriden Drachen/Ballons, den so genannten Helikites, Pionierarbeit bei der Verwendung kompakter luftgestützter Digitalkameras als luftgestützte Geoinformationssysteme geleistet. Zur Verknüpfung der Fotos und zur Vermessung des Bodens wurde eine auf 0,4 mm genaue Flugzeugmesssoftware eingesetzt. Helikites sind kostengünstig und sammeln genauere Daten als Flugzeuge. Helikites können über Straßen, Eisenbahnen und Städten eingesetzt werden, wo unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) verboten sind. ⓘ

In jüngster Zeit ist die Datenerfassung aus der Luft mit Miniatur-UAVs und Drohnen leichter zugänglich geworden. Mit der Aeryon Scout wurde beispielsweise ein 50 Hektar großes Gebiet mit einer Bodenabtastung von 2,54 cm (1 Zoll) in nur 12 Minuten kartiert. ⓘ

Der Großteil der digitalen Daten stammt derzeit aus der Fotoauswertung von Luftbildern. Soft-Copy-Workstations werden eingesetzt, um Merkmale direkt von Stereopaaren digitaler Fotos zu digitalisieren. Diese Systeme ermöglichen die Erfassung von Daten in zwei und drei Dimensionen, wobei die Höhen direkt von einem Stereopaar nach den Grundsätzen der Photogrammetrie gemessen werden. Analoge Luftbilder müssen gescannt werden, bevor sie in ein Soft-Copy-System eingegeben werden können, bei hochwertigen Digitalkameras entfällt dieser Schritt. ⓘ

Die Satellitenfernerkundung ist eine weitere wichtige Quelle für räumliche Daten. Dabei verwenden Satelliten verschiedene Sensorpakete zur passiven Messung der Reflexion von Teilen des elektromagnetischen Spektrums oder von Radiowellen, die von einem aktiven Sensor wie einem Radar ausgesendet wurden. Die Fernerkundung sammelt Rasterdaten, die mit Hilfe verschiedener Bänder weiterverarbeitet werden können, um Objekte und Klassen von Interesse, wie z. B. die Bodenbedeckung, zu identifizieren. ⓘ

Sekundäre Datenerfassung

Die gängigste Methode der Datenerfassung ist die Digitalisierung, bei der eine gedruckte Karte oder ein Vermessungsplan mit Hilfe eines CAD-Programms und Georeferenzierungsfunktionen in ein digitales Medium übertragen wird. Mit der breiten Verfügbarkeit orthorektifizierter Bilder (von Satelliten, Flugzeugen, Hubschraubern und UAVs) wird die Head-up-Digitalisierung zur wichtigsten Methode für die Gewinnung geografischer Daten. Bei der Head-up-Digitalisierung werden die geografischen Daten direkt auf dem Luftbild aufgezeichnet, anstatt wie bisher auf einem separaten Digitalisierungs-Tablett (Head-down-Digitalisierung). Bei der Head-Down-Digitalisierung oder manuellen Digitalisierung wird ein spezieller Magnetstift oder Stylus verwendet, der Informationen in einen Computer einspeist, um eine identische digitale Karte zu erstellen. Bei einigen Tablets wird anstelle eines Stifts ein mausähnliches Werkzeug, ein so genannter Puck, verwendet. Der Puck verfügt über ein kleines Fenster mit einem Fadenkreuz, das eine größere Präzision und eine genaue Lokalisierung von Kartenmerkmalen ermöglicht. Obwohl die Head-up-Digitalisierung immer häufiger verwendet wird, ist die Head-down-Digitalisierung immer noch nützlich, um Karten von schlechter Qualität zu digitalisieren. ⓘ

Vorhandene Daten, die auf Papier oder PET-Film gedruckt sind, können digitalisiert oder gescannt werden, um digitale Daten zu erzeugen. Ein Digitalisierer erzeugt Vektordaten, indem ein Bediener Punkte, Linien und Polygongrenzen von einer Karte abtastet. Das Einscannen einer Karte führt zu Rasterdaten, die weiterverarbeitet werden können, um Vektordaten zu erzeugen. ⓘ

Bei der Datenerfassung sollte der Benutzer überlegen, ob die Daten mit relativer oder absoluter Genauigkeit erfasst werden sollen, da dies nicht nur die Interpretation der Informationen, sondern auch die Kosten der Datenerfassung beeinflussen kann. ⓘ

Nach der Eingabe von Daten in ein GIS müssen die Daten in der Regel bearbeitet werden, um Fehler zu beseitigen oder sie weiter zu verarbeiten. Bei Vektordaten müssen sie "topologisch korrekt" gemacht werden, bevor sie für eine weitergehende Analyse verwendet werden können. In einem Straßennetz müssen beispielsweise Linien mit Knotenpunkten an einer Kreuzung verbunden werden. Auch Fehler wie Unter- und Überschreitungen müssen beseitigt werden. Bei gescannten Karten müssen eventuell Fehler auf der Ausgangskarte aus dem resultierenden Raster entfernt werden. So kann beispielsweise ein Schmutzfleck zwei Linien verbinden, die nicht miteinander verbunden sein sollten. ⓘ

Projektionen, Koordinatensysteme und Registrierung

Die Erde kann durch verschiedene Modelle dargestellt werden, von denen jedes einen anderen Satz von Koordinaten (z. B. Breitengrad, Längengrad, Höhe) für einen bestimmten Punkt auf der Erdoberfläche liefert. Das einfachste Modell ist die Annahme, dass die Erde eine perfekte Kugel ist. In dem Maße, wie sich die Messungen der Erde häuften, wurden die Modelle der Erde immer ausgefeilter und genauer. Es gibt sogar Modelle, die als Bezugspunkte bezeichnet werden und für verschiedene Gebiete der Erde gelten, um eine höhere Genauigkeit zu erreichen, wie das North American Datum von 1983 für Messungen in den USA und das World Geodetic System für weltweite Messungen. ⓘ

Die Längen- und Breitengrade auf einer Karte, die auf der Grundlage eines lokalen Bezugssystems erstellt wurde, stimmen möglicherweise nicht mit denen überein, die von einem GPS-Empfänger ermittelt wurden. Die Umrechnung von Koordinaten von einem Bezugssystem in ein anderes erfordert eine Bezugssystemtransformation wie z. B. eine Helmert-Transformation, obwohl in bestimmten Situationen auch eine einfache Translation ausreichen kann. ⓘ

In gängiger GIS-Software werden in Breiten-/Längengraden projizierte Daten oft als geografisches Koordinatensystem dargestellt. So werden beispielsweise Daten in Breiten-/Längengraden, deren Bezugspunkt das "North American Datum of 1983" ist, mit "GCS North American 1983" bezeichnet. ⓘ

Qualität der Daten

Auch wenn kein digitales Modell eine perfekte Darstellung der realen Welt sein kann, ist es wichtig, dass die GIS-Daten von hoher Qualität sind. Nach dem Prinzip der Homomorphie müssen die Daten so realitätsnah sein, dass die Ergebnisse von GIS-Verfahren den Ergebnissen realer Prozesse korrekt entsprechen. Dies bedeutet, dass es keinen einheitlichen Standard für die Datenqualität gibt, da das erforderliche Maß an Qualität vom Umfang und Zweck der Aufgaben abhängt, für die sie verwendet werden sollen. Mehrere Elemente der Datenqualität sind für GIS-Daten wichtig:

Genauigkeit

Der Grad der Übereinstimmung zwischen einem dargestellten Messwert und dem tatsächlichen Wert; umgekehrt ist der Fehler der Betrag der Differenz zwischen beiden. Bei GIS-Daten geht es um die Genauigkeit der Darstellung von Ort (Positionsgenauigkeit), Eigenschaft (Attributgenauigkeit) und Zeit. Zum Beispiel besagt die Volkszählung der USA 2020, dass die Einwohnerzahl von Houston am 1. April 2020 2.304.580 betrug; wenn es tatsächlich 2.310.674 waren, wäre dies ein Fehler und somit ein Mangel an Attributgenauigkeit.

Genauigkeit

Der Grad der Verfeinerung eines dargestellten Wertes. Bei einer quantitativen Eigenschaft ist dies die Anzahl der signifikanten Ziffern des gemessenen Wertes. Ein unpräziser Wert ist vage oder mehrdeutig und umfasst einen Bereich möglicher Werte. Wenn man z. B. sagen würde, dass die Bevölkerung von Houston am 1. April 2020 "etwa 2,3 Millionen" beträgt, wäre diese Aussage ungenau, aber wahrscheinlich genau, da der richtige Wert (und viele falsche Werte) enthalten sind. Wie bei der Genauigkeit können auch die Darstellungen von Ort, Eigenschaft und Zeit mehr oder weniger genau sein. Die Auflösung ist ein häufig verwendeter Ausdruck für die Positionsgenauigkeit, insbesondere bei Rasterdatensätzen.

Ungenauigkeit

Eine allgemeine Anerkennung des Vorhandenseins von Fehlern und Ungenauigkeiten in geografischen Daten. Das heißt, es handelt sich um einen Grad an allgemeinem Zweifel, da es schwierig ist, genau zu wissen, wie viel Fehler in einem Datensatz vorhanden sind, auch wenn eine Art von Schätzung versucht werden kann (ein Konfidenzintervall ist eine solche Schätzung der Unsicherheit). Dies wird manchmal als Sammelbegriff für alle oder die meisten Aspekte der Datenqualität verwendet.

Vagheit oder Unschärfe

Das Ausmaß, in dem ein Aspekt (Ort, Eigenschaft oder Zeit) eines Phänomens von Natur aus ungenau ist, anstatt dass die Ungenauigkeit in einem Messwert liegt. So ist beispielsweise die räumliche Ausdehnung des Großraums Houston ungenau, da es Orte am Stadtrand gibt, die weniger mit dem Stadtzentrum verbunden sind (gemessen an Aktivitäten wie Pendeln) als Orte, die näher liegen. Mathematische Hilfsmittel wie die Fuzzy-Set-Theorie werden häufig verwendet, um Unschärfen in geografischen Daten zu bewältigen.

Vollständigkeit

Der Grad, in dem ein Datensatz alle tatsächlichen Merkmale enthält, die er vorgibt zu enthalten. Wenn z. B. in einer Ebene "Straßen in Houston" einige tatsächliche Straßen fehlen, ist sie unvollständig.

Währung

Der jüngste Zeitpunkt, zu dem ein Datensatz den Anspruch erhebt, ein genaues Abbild der Realität zu sein. Dies ist für die meisten GIS-Anwendungen von Bedeutung, die versuchen, die Welt "zum jetzigen Zeitpunkt" darzustellen, wobei ältere Daten von geringerer Qualität sind.

Konsistenz

Das Ausmaß, in dem die Darstellungen der zahlreichen Phänomene in einem Datensatz korrekt miteinander übereinstimmen. Die Konsistenz der topologischen Beziehungen zwischen räumlichen Objekten ist ein besonders wichtiger Aspekt der Konsistenz. Wenn beispielsweise alle Linien in einem Straßennetz versehentlich um 10 Meter nach Osten verschoben würden, wären sie zwar ungenau, aber immer noch konsistent, da sie an jeder Kreuzung immer noch korrekt verbunden wären und Netzanalysetools wie der kürzeste Weg immer noch korrekte Ergebnisse liefern würden.

Ausbreitung der Unsicherheit

Die Qualität der Ergebnisse von räumlichen Analysemethoden und anderen Verarbeitungswerkzeugen hängt in hohem Maße von der Qualität der Eingabedaten ab. So ist zum Beispiel die Interpolation eine gängige Operation, die in GIS in vielerlei Hinsicht verwendet wird; da sie Schätzungen von Werten zwischen bekannten Messungen erzeugt, werden die Ergebnisse immer präziser, aber weniger sicher sein (da jede Schätzung mit einem unbekannten Fehlerbetrag behaftet ist). ⓘ

Die GIS-Genauigkeit hängt von den Quelldaten ab und davon, wie diese kodiert sind, damit sie mit Daten referenziert werden können. Vermessungsingenieure sind in der Lage, ein hohes Maß an Positionsgenauigkeit zu erreichen, indem sie die von GPS abgeleiteten Positionen verwenden. Hochauflösende digitale Gelände- und Luftbilder, leistungsstarke Computer und die Webtechnologie verändern die Qualität, den Nutzen und die Erwartungen an GIS, um der Gesellschaft in großem Umfang zu dienen, aber dennoch gibt es andere Quelldaten, die sich auf die Gesamtgenauigkeit von GIS auswirken, wie z. B. Papierkarten, auch wenn diese zum Erreichen der gewünschten Genauigkeit nur von begrenztem Nutzen sein können. ⓘ

Bei der Entwicklung einer digitalen topografischen Datenbank für ein GIS sind topografische Karten die Hauptquelle, und Luft- und Satellitenbilder sind zusätzliche Quellen für die Sammlung von Daten und die Identifizierung von Attributen, die in Schichten über einem maßstabsgetreuen Standort abgebildet werden können. Der Maßstab einer Karte und die Art der Darstellung des geografischen Wiedergabegebiets bzw. die Kartenprojektion sind sehr wichtige Aspekte, da der Informationsgehalt hauptsächlich vom eingestellten Maßstab und der daraus resultierenden Lokalisierbarkeit der Kartendarstellungen abhängt. Um eine Karte zu digitalisieren, muss die Karte innerhalb theoretischer Dimensionen geprüft, dann in ein Rasterformat gescannt und die resultierenden Rasterdaten müssen durch ein als Georeferenzierung bekanntes Verfahren mit einer theoretischen Dimension versehen werden. ⓘ

Bei der quantitativen Analyse von Karten stehen Fragen der Genauigkeit im Mittelpunkt. Die elektronischen und anderen Geräte, die zur Durchführung von Messungen für GIS verwendet werden, sind weitaus präziser als die Maschinen der herkömmlichen Kartenanalyse. Alle geografischen Daten sind von Natur aus ungenau, und diese Ungenauigkeiten werden sich im GIS-Betrieb in einer Weise ausbreiten, die schwer vorherzusagen ist. ⓘ

Umwandlung von Raster- in Vektordaten

Ein GIS kann Daten umstrukturieren, um sie in andere Formate umzuwandeln. So kann ein GIS beispielsweise eine Satellitenbildkarte in eine Vektorstruktur umwandeln, indem es Linien um alle Zellen mit der gleichen Klassifizierung erzeugt und gleichzeitig die räumlichen Beziehungen zwischen den Zellen bestimmt, wie z. B. Nachbarschaft oder Einbeziehung. ⓘ

Eine fortgeschrittenere Datenverarbeitung kann mit der Bildverarbeitung erfolgen, einer Technik, die in den späten 1960er Jahren von der NASA und dem Privatsektor entwickelt wurde, um Kontrastverbesserung, Falschfarbendarstellung und eine Vielzahl anderer Techniken, einschließlich der Verwendung zweidimensionaler Fourier-Transformationen, zu ermöglichen. Da digitale Daten auf unterschiedliche Weise erfasst und gespeichert werden, sind die beiden Datenquellen möglicherweise nicht vollständig kompatibel. Ein GIS muss daher in der Lage sein, geografische Daten von einer Struktur in eine andere zu konvertieren. Dabei müssen die impliziten Annahmen hinter den verschiedenen Ontologien und Klassifizierungen analysiert werden. Objekt-Ontologien haben infolge der objektorientierten Programmierung und der nachhaltigen Arbeit von Barry Smith und Mitarbeitern zunehmend an Bedeutung gewonnen. ⓘ

Geodaten können in den unterschiedlichsten Dateiformaten und (Geo-)Datenbanken gespeichert werden. Praktisch jeder kommerzielle GIS-Hersteller liefert eigene Formate. Geoinformationssysteme bieten daher in der Regel Funktionen zur Konvertierung von Geodaten in unterschiedliche Dateiformate. ⓘ

Räumliches ETL

Räumliche ETL-Tools bieten die Datenverarbeitungsfunktionalität herkömmlicher ETL-Software (Extrahieren, Transformieren, Laden), wobei der Schwerpunkt jedoch auf der Fähigkeit zur Verwaltung räumlicher Daten liegt. Sie bieten GIS-Benutzern die Möglichkeit, Daten zwischen verschiedenen Standards und proprietären Formaten zu übersetzen und die Daten dabei geometrisch zu transformieren. Diese Tools können in Form von Add-Ins zu bestehender Software für andere Zwecke, wie z. B. Tabellenkalkulationen, angeboten werden. ⓘ

Räumliche Analyse

Die GIS-Raumanalyse ist ein sich rasch entwickelnder Bereich, und GIS-Pakete enthalten zunehmend Analysewerkzeuge als standardmäßig eingebaute Einrichtungen, als optionale Toolsets, als Add-Ins oder "Analysten". In vielen Fällen werden diese von den ursprünglichen Softwareanbietern (kommerziellen Anbietern oder kollaborativen, nicht kommerziellen Entwicklungsteams) bereitgestellt, während in anderen Fällen die Einrichtungen von Dritten entwickelt und bereitgestellt werden. Darüber hinaus bieten viele Produkte Software Development Kits (SDKs), Programmiersprachen und Sprachunterstützung, Scripting-Funktionen und/oder spezielle Schnittstellen für die Entwicklung eigener Analysewerkzeuge oder -varianten. Die zunehmende Verfügbarkeit hat eine neue Dimension der Business Intelligence geschaffen, die als "räumliche Intelligenz" bezeichnet wird und die, wenn sie offen über das Intranet bereitgestellt wird, den Zugang zu geografischen und sozialen Netzwerkdaten demokratisiert. Geospatial Intelligence, die auf GIS-Raumanalysen basiert, ist auch zu einem Schlüsselelement für die Sicherheit geworden. GIS als Ganzes kann als Umwandlung in eine vektorielle Darstellung oder in ein anderes Digitalisierungsverfahren beschrieben werden. ⓘ

Geoverarbeitung ist eine GIS-Operation, die zur Manipulation räumlicher Daten verwendet wird. Eine typische Geoverarbeitungsoperation nimmt einen Eingabedatensatz, führt eine Operation an diesem Datensatz durch und gibt das Ergebnis der Operation als Ausgabedatensatz zurück. Zu den üblichen Geoverarbeitungsoperationen gehören die Überlagerung geografischer Merkmale, die Auswahl und Analyse von Merkmalen, die Topologieverarbeitung, die Rasterverarbeitung und die Datenkonvertierung. Die Geoverarbeitung ermöglicht die Definition, Verwaltung und Analyse von Informationen, die zur Entscheidungsfindung verwendet werden. ⓘ

Analyse des Geländes

Aus einem digitalen Höhenmodell des Valestra-Gebiets in den nördlichen Apenninen (Italien) abgeleitetes Hügelschattenmodell ⓘ

Viele geografische Aufgaben betreffen das Gelände, also die Form der Erdoberfläche, wie z. B. Hydrologie, Erdarbeiten und Biogeografie. Daher sind Geländedaten oft ein zentraler Datensatz in einem GIS, gewöhnlich in Form eines gerasterten digitalen Höhenmodells (DEM) oder eines triangulierten unregelmäßigen Netzes (TIN). Die meisten GIS-Programme bieten eine Vielzahl von Werkzeugen für die Analyse des Geländes, oft durch die Erstellung abgeleiteter Datensätze, die einen bestimmten Aspekt der Oberfläche darstellen. Einige der gängigsten sind:

• Neigung oder Gefälle ist die Steilheit oder das Gefälle einer Geländeeinheit, in der Regel gemessen als Winkel in Grad oder als Prozentsatz.
• Die Ausrichtung kann als die Richtung definiert werden, in die eine Geländeeinheit zeigt. Die Neigung wird in der Regel in Grad von Norden aus gemessen.
• Cut and fill ist eine Berechnung der Differenz zwischen der Oberfläche vor und nach einem Aushubprojekt, um die Kosten zu schätzen.
• Die hydrologische Modellierung kann durch die Analyse von Variablen wie Neigung, Ausrichtung und Wassereinzugsgebiet ein räumliches Element bieten, das anderen hydrologischen Modellen fehlt. Die Analyse des Geländes ist für die Hydrologie von grundlegender Bedeutung, da Wasser immer einen Hang hinunterfließt. Da die grundlegende Geländeanalyse eines digitalen Höhenmodells (DEM) die Berechnung von Neigung und Aspekt beinhaltet, sind DEMs für die hydrologische Analyse sehr nützlich. Anhand von Neigung und Aspekt lässt sich die Richtung des Oberflächenabflusses und damit die Stauung des Wassers für die Bildung von Bächen, Flüssen und Seen bestimmen. Gebiete mit divergierendem Abfluss können auch einen klaren Hinweis auf die Grenzen eines Einzugsgebiets geben. Sobald eine Matrix der Abflussrichtung und -akkumulation erstellt worden ist, können Abfragen durchgeführt werden, die die beitragenden oder ausbreitenden Gebiete an einem bestimmten Punkt zeigen. Dem Modell können weitere Details hinzugefügt werden, z. B. Geländerauigkeit, Vegetationstypen und Bodentypen, die die Infiltrations- und Evapotranspirationsraten und damit den Oberflächenabfluss beeinflussen können. Eine der Hauptanwendungen der hydrologischen Modellierung ist die Erforschung der Umweltverschmutzung. Weitere Anwendungen der hydrologischen Modellierung sind die Kartierung von Grund- und Oberflächenwasser sowie die Erstellung von Hochwasserrisikokarten.
• Die Analyse von Sichtachsen sagt die Auswirkungen des Geländes auf die Sichtbarkeit zwischen Orten voraus, was insbesondere für die drahtlose Kommunikation wichtig ist.
• Ein schattiertes Relief ist eine Darstellung der Oberfläche, als wäre sie ein dreidimensionales Modell, das aus einer bestimmten Richtung beleuchtet wird, und wird häufig in Karten verwendet. ⓘ

Die meisten davon werden mit Algorithmen erzeugt, die eine diskrete Vereinfachung der Vektorrechnung darstellen. Neigung, Aspekt und Oberflächenkrümmung in der Geländeanalyse werden alle aus Nachbarschaftsoperationen abgeleitet, bei denen die Höhenwerte der benachbarten Zellen verwendet werden. Jeder dieser Werte wird stark durch den Detaillierungsgrad der Geländedaten beeinflusst, z. B. durch die Auflösung eines DEM, die sorgfältig gewählt werden sollte. ⓘ

Näherungsanalyse

Entfernungen spielen bei der Lösung vieler geografischer Aufgaben eine wichtige Rolle, was in der Regel auf die Reibung der Entfernung zurückzuführen ist. Daher gibt es eine Vielzahl von Analysewerkzeugen, die Entfernungen in irgendeiner Form analysieren, wie z. B. Puffer, Voronoi- oder Thiessen-Polygone, Kostenentfernungsanalyse und Netzwerkanalyse. ⓘ

Diese Funktion vereinigt Objekte mit gleichem Attribut, z. B. zur Entfernung von „Splitterpolygonen“, die durch Verschneidung entstanden sind. ⓘ

Datenanalyse

Es ist schwierig, Karten von Feuchtgebieten mit Niederschlagsmengen in Verbindung zu bringen, die an verschiedenen Punkten wie Flughäfen, Fernsehstationen und Schulen aufgezeichnet wurden. Ein GIS kann jedoch verwendet werden, um zwei- und dreidimensionale Merkmale der Erdoberfläche, des Untergrunds und der Atmosphäre anhand von Informationspunkten darzustellen. Ein GIS kann zum Beispiel schnell eine Karte mit Isoplethen oder Höhenlinien erstellen, die unterschiedliche Niederschlagsmengen anzeigen. Eine solche Karte kann als Niederschlagskonturkarte betrachtet werden. Viele hochentwickelte Methoden können die Eigenschaften von Oberflächen aus einer begrenzten Anzahl von Punktmessungen abschätzen. Eine zweidimensionale Konturenkarte, die aus der Oberflächenmodellierung von Niederschlagspunktmessungen erstellt wurde, kann mit jeder anderen Karte in einem GIS, die dasselbe Gebiet abdeckt, überlagert und analysiert werden. Diese aus dem GIS abgeleitete Karte kann dann zusätzliche Informationen liefern, z. B. über die Rentabilität des Wasserkraftpotenzials als erneuerbare Energiequelle. In ähnlicher Weise kann GIS zum Vergleich anderer erneuerbarer Energieressourcen verwendet werden, um das beste geografische Potenzial für eine Region zu finden. ⓘ

Darüber hinaus können aus einer Reihe von dreidimensionalen Punkten oder einem digitalen Höhenmodell Isoplethenlinien, die Höhenlinien darstellen, zusammen mit einer Neigungsanalyse, einem schattierten Relief und anderen Höhenprodukten erstellt werden. Wassereinzugsgebiete können für jeden beliebigen Abschnitt leicht definiert werden, indem alle an einen bestimmten Punkt angrenzenden und bergauf gelegenen Gebiete berechnet werden. In ähnlicher Weise kann aus den Höhendaten im GIS ein erwarteter Thalweg berechnet werden, den das Oberflächenwasser in intermittierenden und permanenten Flüssen nehmen würde. ⓘ

Topologische Modellierung

Ein GIS kann die räumlichen Beziehungen erkennen und analysieren, die in digital gespeicherten räumlichen Daten bestehen. Diese topologischen Beziehungen ermöglichen die Durchführung komplexer räumlicher Modellierungen und Analysen. Zu den topologischen Beziehungen zwischen geometrischen Einheiten gehören traditionell Adjazenz (was grenzt an was), Containment (was umschließt was) und Proximity (wie nah ist etwas an etwas anderem). ⓘ

Geometrische Netze

Geometrische Netze sind lineare Netze von Objekten, die zur Darstellung miteinander verbundener Merkmale und zur Durchführung spezieller räumlicher Analysen verwendet werden können. Ein geometrisches Netz besteht aus Kanten, die an Kreuzungspunkten miteinander verbunden sind, ähnlich wie Graphen in der Mathematik und Informatik. Genau wie Graphen können auch Netze eine Gewichtung und einen Fluss haben, die den Kanten zugewiesen werden können, um verschiedene zusammenhängende Merkmale genauer darzustellen. Geometrische Netze werden häufig zur Modellierung von Straßennetzen und öffentlichen Versorgungsnetzen, wie Strom-, Gas- und Wassernetzen, verwendet. Die Modellierung von Netzen wird auch häufig in der Verkehrsplanung, der Hydrologie und der Modellierung von Infrastrukturen eingesetzt. ⓘ

Kartografische Modellierung

Ein Beispiel für die Verwendung von Schichten in einer GIS-Anwendung. In diesem Beispiel bildet die Schicht mit der Waldbedeckung (hellgrün) die unterste Schicht, über der sich die topographische Schicht (Höhenlinien) befindet. Als nächstes folgt eine Schicht mit stehendem Wasser (Teich, See), dann eine Schicht mit fließendem Wasser (Bach, Fluss), gefolgt von der Grenzschicht und schließlich der Straßenschicht. Die Reihenfolge ist sehr wichtig, damit das Endergebnis richtig dargestellt wird. Beachten Sie, dass die Teiche unter den Bächen geschichtet sind, so dass eine Flusslinie über einem der Teiche zu sehen ist. ⓘ

Dana Tomlin prägte den Begriff "kartografische Modellierung" in seiner Dissertation (1983); er verwendete ihn später im Titel seines Buches Geografische Informationssysteme und kartografische Modellierung (1990). Die kartografische Modellierung bezieht sich auf einen Prozess, bei dem mehrere thematische Ebenen desselben Gebiets erstellt, verarbeitet und analysiert werden. Tomlin verwendete Rasterschichten, aber die Überlagerungsmethode (siehe unten) kann allgemeiner eingesetzt werden. Operationen auf Kartenebenen können zu Algorithmen und schließlich zu Simulations- oder Optimierungsmodellen kombiniert werden. ⓘ

Kartenüberlagerung

Die Kombination mehrerer räumlicher Datensätze (Punkte, Linien oder Polygone) erzeugt einen neuen Ausgangsvektordatensatz, der visuell dem Stapeln mehrerer Karten derselben Region ähnelt. Diese Überlagerungen sind ähnlich wie mathematische Venn-Diagramm-Überlagerungen. Ein Vereinigungs-Overlay kombiniert die geografischen Merkmale und Attributtabellen der beiden Eingaben zu einer einzigen neuen Ausgabe. Ein Intersect-Overlay definiert den Bereich, in dem sich beide Eingaben überschneiden, und behält eine Reihe von Attributfeldern für jede Eingabe bei. Ein symmetrisches Differenz-Overlay definiert einen Ausgabebereich, der die Gesamtfläche beider Eingaben mit Ausnahme des Überschneidungsbereichs umfasst. ⓘ

Die Datenextraktion ist ein GIS-Prozess, der dem Vektor-Overlay ähnelt, obwohl er sowohl bei der Analyse von Vektor- als auch von Rasterdaten verwendet werden kann. Anstatt die Eigenschaften und Merkmale beider Datensätze zu kombinieren, werden bei der Datenextraktion mit Hilfe eines "Clips" oder einer "Maske" die Merkmale eines Datensatzes extrahiert, die in den räumlichen Bereich eines anderen Datensatzes fallen. ⓘ

Bei der Analyse von Rasterdaten wird die Überlagerung von Datensätzen durch einen Prozess erreicht, der als "lokale Operation auf mehreren Rastern" oder "Kartenalgebra" bekannt ist, und zwar durch eine Funktion, die die Werte der Matrix jedes Rasters kombiniert. Diese Funktion kann einige Eingaben stärker gewichten als andere, indem sie ein "Indexmodell" verwendet, das den Einfluss verschiedener Faktoren auf ein geografisches Phänomen widerspiegelt. ⓘ

Geostatistik

Die Geostatistik ist ein Zweig der Statistik, der sich mit Felddaten, räumlichen Daten mit einem kontinuierlichen Index, befasst. Sie bietet Methoden zur Modellierung räumlicher Korrelationen und zur Vorhersage von Werten an beliebigen Orten (Interpolation). ⓘ

Wenn Phänomene gemessen werden, bestimmen die Beobachtungsmethoden die Genauigkeit der nachfolgenden Analyse. Aufgrund der Beschaffenheit der Daten (z. B. Verkehrsmuster in einer städtischen Umgebung; Wettermuster über dem Pazifischen Ozean) geht bei der Messung immer ein konstanter oder dynamischer Präzisionsgrad verloren. Dieser Präzisionsverlust ergibt sich aus dem Umfang und der Verteilung der Datenerhebung. ⓘ

Um die statistische Relevanz der Analyse zu bestimmen, wird ein Mittelwert ermittelt, so dass Punkte (Gradienten) außerhalb der unmittelbaren Messung einbezogen werden können, um deren voraussichtliches Verhalten zu bestimmen. Dies ist auf die Beschränkungen der angewandten Statistik und der Datenerfassungsmethoden zurückzuführen, und die Interpolation ist erforderlich, um das Verhalten von Partikeln, Punkten und Orten vorherzusagen, die nicht direkt messbar sind. ⓘ

Interpolation ist der Prozess, bei dem eine Oberfläche, in der Regel ein Rasterdatensatz, durch die Eingabe von Daten erstellt wird, die an einer Reihe von Stichprobenpunkten gesammelt wurden. Es gibt verschiedene Formen der Interpolation, die die Daten je nach den Eigenschaften des Datensatzes unterschiedlich behandeln. Beim Vergleich von Interpolationsmethoden sollte als erstes berücksichtigt werden, ob sich die Quelldaten ändern oder nicht (genau oder annähernd). Die nächste Frage ist, ob es sich um eine subjektive Methode, eine menschliche Interpretation oder eine objektive Methode handelt. Dann geht es um die Art der Übergänge zwischen den Punkten: sind sie abrupt oder allmählich. Schließlich ist zu unterscheiden, ob es sich um eine globale Methode handelt (bei der der gesamte Datensatz zur Bildung des Modells verwendet wird) oder um eine lokale Methode, bei der ein Algorithmus für einen kleinen Geländeabschnitt wiederholt wird. ⓘ

Die Interpolation ist eine gerechtfertigte Maßnahme aufgrund des Prinzips der räumlichen Autokorrelation, das besagt, dass Daten, die an einem beliebigen Ort erhoben werden, eine große Ähnlichkeit mit den Orten in ihrer unmittelbaren Umgebung aufweisen oder diese beeinflussen. ⓘ

Digitale Höhenmodelle, triangulierte unregelmäßige Netze, Kantenfindungsalgorithmen, Thiessen-Polygone, Fourier-Analyse, (gewichtete) gleitende Mittelwerte, inverse Abstandsgewichtung, Kriging, Spline und Trendflächenanalyse sind allesamt mathematische Methoden zur Erzeugung interpolativer Daten. ⓘ

Thiessen-Polygone, oder auch Voronoi-Diagramm ⓘ

Klassische Anwendungsgebiete sind die Berechnung einer räumlichen Niederschlags- oder Temperaturverteilung, einer Gelände- oder Grundwasseroberfläche oder der räumlichen Verteilung von Stoffkonzentrationen im Boden. ⓘ

Zu den räumlichen Interpolationsverfahren zählen:

• Trendflächenanalyse
• Räumliche Interpolation durch Mittelwertbildung
• Triangulation und Thiessen-Polygone (Voronoi-Diagramm bzw. Dirichlet-Zerlegung) ⓘ

Geokodierung von Adressen

Geokodierung ist die Interpolation von räumlichen Standorten (X,Y-Koordinaten) aus Straßenadressen oder anderen räumlich referenzierten Daten wie Postleitzahlen, Parzellen und Adressstandorten. Für die Geokodierung einzelner Adressen ist ein Referenzthema erforderlich, z. B. eine Straßenmitteldatei mit Adressbereichen. Die Standorte der einzelnen Adressen wurden in der Vergangenheit interpoliert oder geschätzt, indem die Adressbereiche entlang eines Straßenabschnitts untersucht wurden. Diese werden normalerweise in Form einer Tabelle oder Datenbank bereitgestellt. Die Software setzt dann einen Punkt an die ungefähre Position der Adresse entlang der Mittellinie des Abschnitts. Ein Adresspunkt von 500 befindet sich beispielsweise in der Mitte eines Liniensegments, das mit der Adresse 1 beginnt und mit der Adresse 1.000 endet. Die Geokodierung kann auch auf tatsächliche Parzellendaten angewandt werden, in der Regel auf kommunale Steuerkarten. In diesem Fall ist das Ergebnis der Geokodierung ein tatsächlich positionierter Raum im Gegensatz zu einem interpolierten Punkt. Dieser Ansatz wird zunehmend genutzt, um genauere Standortinformationen zu erhalten. ⓘ

Umgekehrte Geokodierung

Bei der umgekehrten Geokodierung wird eine geschätzte Straßenadressnummer in Bezug auf eine bestimmte Koordinate zurückgegeben. Ein Benutzer kann zum Beispiel auf ein Straßenmittelpunktthema klicken (und damit eine Koordinate angeben) und erhält Informationen, die die geschätzte Hausnummer wiedergeben. Diese Hausnummer wird aus einem diesem Straßenabschnitt zugewiesenen Bereich interpoliert. Wenn der Benutzer auf den Mittelpunkt eines Abschnitts klickt, der mit Adresse 1 beginnt und mit 100 endet, liegt der zurückgegebene Wert in der Nähe von 50. Beachten Sie, dass bei der umgekehrten Geokodierung keine tatsächlichen Adressen zurückgegeben werden, sondern nur Schätzungen dessen, was sich auf der Grundlage des vorgegebenen Bereichs dort befinden sollte. ⓘ

Multikriterielle Entscheidungsanalyse

In Verbindung mit GIS unterstützen multikriterielle Entscheidungsanalysemethoden die Entscheidungsträger bei der Analyse einer Reihe alternativer räumlicher Lösungen, z. B. des wahrscheinlichsten ökologischen Lebensraums für die Wiederherstellung, unter Berücksichtigung mehrerer Kriterien, z. B. der Vegetationsdecke oder der Straßen. MCDA verwendet Entscheidungsregeln, um die Kriterien zu aggregieren, wodurch die alternativen Lösungen in eine Rangfolge gebracht oder priorisiert werden können. GIS MCDA kann die Kosten und den Zeitaufwand für die Ermittlung potenzieller Sanierungsstandorte reduzieren. ⓘ

GIS-Data-Mining

GIS oder räumliches Data Mining ist die Anwendung von Data-Mining-Methoden auf räumliche Daten. Data Mining, d. h. die teilweise automatisierte Suche nach verborgenen Mustern in großen Datenbanken, bietet ein großes Potenzial für die angewandte GIS-gestützte Entscheidungsfindung. Typische Anwendungen sind die Umweltüberwachung. Charakteristisch für solche Anwendungen ist, dass räumliche Korrelationen zwischen Datenmessungen den Einsatz spezialisierter Algorithmen für eine effizientere Datenanalyse erfordern. ⓘ

Datenausgabe und Kartographie

Unter Kartografie versteht man die Gestaltung und Erstellung von Karten oder visuellen Darstellungen von Raumdaten. Die überwiegende Mehrheit der modernen Kartografie wird mit Hilfe von Computern erstellt, in der Regel mit GIS, aber auch durch den Import von Schichten in ein Designprogramm zur Verfeinerung der Karten wird eine qualitativ hochwertige Kartografie erstellt. Die meisten GIS-Programme geben dem Benutzer eine umfassende Kontrolle über das Aussehen der Daten. ⓘ

Die kartografische Arbeit erfüllt zwei Hauptfunktionen: Erstens werden Grafiken auf dem Bildschirm oder auf Papier erstellt, die denjenigen, die Entscheidungen über die Ressourcen treffen, die Ergebnisse der Analyse vermitteln. Es können Wandkarten und andere Grafiken erstellt werden, die es dem Betrachter ermöglichen, die Ergebnisse von Analysen oder Simulationen möglicher Ereignisse zu visualisieren und dadurch zu verstehen. Web Map Server erleichtern die Verteilung der erstellten Karten über Webbrowser, die verschiedene Implementierungen webbasierter Anwendungsprogrammierschnittstellen (AJAX, Java, Flash usw.) verwenden. ⓘ

Zweitens können weitere Datenbankinformationen für die weitere Analyse oder Nutzung generiert werden. Ein Beispiel wäre eine Liste aller Adressen im Umkreis von einer Meile (1,6 km) um einen Schadstoffaustritt. ⓘ

Ein Archäochrom ist eine neue Art der Darstellung von Raumdaten. Dabei handelt es sich um eine thematische Darstellung auf einer 3D-Karte, die auf ein bestimmtes Gebäude oder einen Teil eines Gebäudes angewendet wird. Es eignet sich für die visuelle Darstellung von Wärmeverlustdaten. ⓘ

Geländedarstellung

Eine traditionelle topografische Karte, gerendert in 3D ⓘ

Herkömmliche Karten sind Abstraktionen der realen Welt, eine Auswahl wichtiger Elemente, die auf einem Blatt Papier mit Symbolen zur Darstellung physischer Objekte dargestellt werden. Menschen, die Karten verwenden, müssen diese Symbole interpretieren. Topografische Karten zeigen die Form der Landoberfläche mit Höhenlinien oder einem schattierten Relief. ⓘ

Heutzutage kann die grafische Darstellung tiefer Ls, wie z. B. die Schattierung auf der Grundlage der Höhe in einem GIS, die Beziehungen zwischen den Kartenelementen sichtbar machen und so die Fähigkeit, Informationen zu extrahieren und zu analysieren, verbessern. So wurden beispielsweise zwei Arten von Daten in einem GIS kombiniert, um eine perspektivische Ansicht eines Teils von San Mateo County, Kalifornien, zu erstellen.

• Das digitale Höhenmodell, das aus Oberflächenerhebungen besteht, die auf einem horizontalen 30-Meter-Raster aufgezeichnet wurden, zeigt hohe Erhebungen als weiß und niedrige Erhebungen als schwarz.
• Das begleitende Landsat Thematic Mapper-Bild zeigt ein Falschfarben-Infrarotbild, das auf dasselbe Gebiet in 30-Meter-Pixeln oder Bildelementen für dieselben Koordinatenpunkte, Pixel für Pixel, hinunterschaut wie die Höheninformationen. ⓘ

Ein GIS wurde verwendet, um die beiden Bilder zu registrieren und zu kombinieren, um die dreidimensionale perspektivische Ansicht der San-Andreas-Verwerfung unter Verwendung der Thematic-Mapper-Bildpixel, aber schattiert mit der Höhe der Landformen, darzustellen. Die GIS-Anzeige hängt vom Standpunkt des Beobachters und der Tageszeit der Anzeige ab, um die von den Sonnenstrahlen auf dem jeweiligen Breiten- und Längengrad und zur jeweiligen Tageszeit erzeugten Schatten richtig darzustellen. ⓘ

Web-Mapping

In den letzten Jahren hat sich eine Vielzahl kostenloser und leicht zugänglicher Kartensoftware entwickelt, z. B. die proprietären Webanwendungen Google Maps und Bing Maps sowie die kostenlose und quelloffene Alternative OpenStreetMap. Diese Dienste bieten der Öffentlichkeit Zugang zu riesigen Mengen geografischer Daten, die von vielen Nutzern als ebenso vertrauenswürdig und nutzbar wie professionelle Informationen angesehen werden. ⓘ

Einige von ihnen, wie Google Maps und OpenLayers, verfügen über eine Anwendungsprogrammierschnittstelle (API), die es den Nutzern ermöglicht, eigene Anwendungen zu erstellen. Diese Toolkits bieten in der Regel Straßenkarten, Luft-/Satellitenbilder, Geokodierung, Such- und Routingfunktionen. Web-Mapping hat auch das Potenzial des Crowdsourcing von Geodaten in Projekten wie OpenStreetMap aufgedeckt, einem gemeinschaftlichen Projekt zur Erstellung einer frei bearbeitbaren Weltkarte. Diese Mashup-Projekte bieten den Endnutzern nachweislich einen hohen Wert und Nutzen, der über den der traditionellen geografischen Informationen hinausgeht. ⓘ

Anwendungen

Seit ihren Anfängen in den 1960er Jahren werden GIS in einer immer größeren Bandbreite von Anwendungen eingesetzt, was die weit verbreitete Bedeutung des Standorts unterstreicht und durch den kontinuierlichen Abbau der Hürden für die Einführung von Geospatial-Technologie unterstützt wird. Die vielleicht Hunderte von verschiedenen GIS-Anwendungen können auf verschiedene Weise klassifiziert werden:

• Ziel: Der Zweck einer Anwendung kann grob als wissenschaftliche Forschung oder Ressourcenmanagement eingestuft werden. Der Zweck der Forschung, so weit wie möglich definiert, besteht darin, neue Erkenntnisse zu gewinnen; dies kann von jemandem durchgeführt werden, der sich selbst als Wissenschaftler betrachtet, aber auch von jedem, der zu erfahren versucht, warum die Welt so zu funktionieren scheint, wie sie es tut. Eine so praktische Studie wie die Entschlüsselung der Gründe für das Scheitern eines Unternehmensstandorts wäre Forschung in diesem Sinne. Management (manchmal auch operative Anwendungen genannt), ebenfalls so weit wie möglich definiert, ist die Anwendung von Wissen, um praktische Entscheidungen darüber zu treffen, wie man die Ressourcen, über die man die Kontrolle hat, einsetzt, um seine Ziele zu erreichen. Bei diesen Ressourcen kann es sich um Zeit, Kapital, Arbeit, Ausrüstung, Land, Bodenschätze, Wildtiere usw. handeln.
  • Entscheidungsebene: Managementanwendungen wurden weiter unterteilt in strategische, taktische und operative Aufgaben, eine in der Unternehmensführung übliche Klassifizierung. Strategische Aufgaben sind langfristige, visionäre Entscheidungen darüber, welche Ziele man verfolgen sollte, z. B. ob ein Unternehmen expandieren sollte oder nicht. Taktische Aufgaben sind mittelfristige Entscheidungen über die Art und Weise, wie strategische Ziele erreicht werden können, z. B. die Erstellung eines Beweidungsplans für einen Staatswald. Operative Entscheidungen betreffen die alltäglichen Aufgaben, z. B. die Suche nach dem kürzesten Weg zu einer Pizzeria.
• Thema: Die Bereiche, in denen GIS eingesetzt werden, lassen sich weitgehend in solche unterteilen, die sich mit der menschlichen Welt befassen (z. B. Wirtschaft, Politik, Verkehr, Bildung, Landschaftsarchitektur, Archäologie, Stadtplanung, Immobilien, öffentliche Gesundheit, Verbrechenskartierung, Landesverteidigung), und solche, die sich mit der natürlichen Welt befassen (z. B. Geologie, Biologie, Ozeanographie, Klima). Eine der Stärken von GIS und der räumlichen Perspektive der Geografie ist jedoch ihre integrative Fähigkeit, unterschiedliche Themen zu vergleichen, und viele Anwendungen betreffen mehrere Bereiche. Beispiele für integrierte menschlich-natürliche Anwendungsbereiche sind die Eindämmung von Naturgefahren, das Management von Wildtieren, nachhaltige Entwicklung, natürliche Ressourcen und die Reaktion auf den Klimawandel.
• Einrichtung: GIS wird in einer Vielzahl von Institutionen eingesetzt: in Behörden (auf allen Ebenen, von der kommunalen bis zur internationalen Ebene), in Unternehmen (aller Arten und Größen), in gemeinnützigen Organisationen (sogar in Kirchen) sowie im privaten Bereich. Letzteres hat mit dem Aufkommen ortsbezogener Smartphones an Bedeutung gewonnen.
• Lebensspanne: GIS-Implementierungen können auf ein Projekt oder ein Unternehmen ausgerichtet sein. Ein Projekt-GIS ist auf die Erfüllung einer einzigen Aufgabe ausgerichtet: Daten werden gesammelt, Analysen durchgeführt und Ergebnisse werden unabhängig von anderen Projekten, die die betreffende Person möglicherweise durchführt, produziert, und die Implementierung ist im Wesentlichen vorübergehend. Ein Unternehmens-GIS ist als dauerhafte Einrichtung gedacht, einschließlich einer Datenbank, die sorgfältig entworfen wurde, um für eine Vielzahl von Projekten über viele Jahre hinweg nützlich zu sein, und die wahrscheinlich von vielen Personen im gesamten Unternehmen verwendet wird, wobei einige von ihnen Vollzeit beschäftigt sind, um sie zu pflegen.
• Integration: Traditionell waren die meisten GIS-Anwendungen eigenständig, mit spezieller GIS-Software, spezieller Hardware, speziellen Daten und speziellen Fachleuten. Obwohl dies auch heute noch üblich ist, hat die Zahl der integrierten Anwendungen stark zugenommen, da die Geodaten-Technologie in umfassendere Unternehmensanwendungen integriert wurde und IT-Infrastruktur, Datenbanken und Software gemeinsam genutzt werden, wobei häufig Integrationsplattformen für Unternehmen wie SAP zum Einsatz kommen. ⓘ

Die Implementierung eines GIS wird oft von der Rechtsprechung (z. B. einer Stadt), dem Zweck oder den Anwendungsanforderungen bestimmt. Im Allgemeinen kann eine GIS-Implementierung für eine Organisation maßgeschneidert sein. Daher ist eine GIS-Implementierung, die für eine bestimmte Anwendung, ein bestimmtes Rechtsgebiet, ein bestimmtes Unternehmen oder einen bestimmten Zweck entwickelt wurde, nicht unbedingt interoperabel oder kompatibel mit einem GIS, das für eine andere Anwendung, ein anderes Rechtsgebiet, ein anderes Unternehmen oder einen anderen Zweck entwickelt wurde. ⓘ

GIS entwickelt sich auch zu standortbezogenen Diensten, die es GPS-fähigen mobilen Geräten ermöglichen, ihren Standort in Bezug auf feste Objekte (nächstes Restaurant, Tankstelle, Hydrant) oder mobile Objekte (Freunde, Kinder, Polizeiauto) anzuzeigen oder ihre Position zur Anzeige oder sonstigen Verarbeitung an einen zentralen Server weiterzuleiten. ⓘ

Normen des Open Geospatial Consortium

Das Open Geospatial Consortium (OGC) ist ein internationales Industriekonsortium aus 384 Unternehmen, Regierungsbehörden, Universitäten und Einzelpersonen, die in einem Konsensverfahren öffentlich verfügbare Spezifikationen für die Geoverarbeitung entwickeln. Offene Schnittstellen und Protokolle, die durch die OpenGIS-Spezifikationen definiert werden, unterstützen interoperable Lösungen, die das Web, drahtlose und standortbezogene Dienste sowie die herkömmliche IT "geo-enable" machen und Technologieentwicklern die Möglichkeit geben, komplexe räumliche Informationen und Dienste für alle Arten von Anwendungen zugänglich und nützlich zu machen. Zu den Protokollen des Open Geospatial Consortium gehören der Web Map Service und der Web Feature Service. ⓘ

GIS-Produkte werden vom OGC in zwei Kategorien eingeteilt, je nachdem, wie vollständig und genau die Software den OGC-Spezifikationen entspricht. ⓘ

OGC-Standards helfen GIS-Tools bei der Kommunikation. ⓘ

Konforme Produkte sind Softwareprodukte, die mit den OpenGIS-Spezifikationen des OGC übereinstimmen. Wenn ein Produkt im Rahmen des OGC-Testprogramms getestet und als konform zertifiziert wurde, wird es auf dieser Website automatisch als "konform" registriert. ⓘ

Implementierende Produkte sind Softwareprodukte, die OpenGIS-Spezifikationen implementieren, aber noch keinen Konformitätstest bestanden haben. Konformitätstests sind nicht für alle Spezifikationen verfügbar. Entwickler können ihre Produkte als Implementierung von Entwürfen oder genehmigten Spezifikationen registrieren, wobei sich OGC das Recht vorbehält, jeden Eintrag zu überprüfen und zu verifizieren. ⓘ

Hinzufügung der Dimension der Zeit

Der Zustand der Erdoberfläche, der Atmosphäre und des Untergrunds kann durch Einspeisung von Satellitendaten in ein GIS untersucht werden. Die GIS-Technologie gibt Forschern die Möglichkeit, die Veränderungen der Erdprozesse über Tage, Monate und Jahre hinweg mit Hilfe von kartografischen Darstellungen zu untersuchen. So können beispielsweise die Veränderungen der Vegetationsstärke während einer Vegetationsperiode animiert werden, um festzustellen, wann in einer bestimmten Region die größte Trockenheit herrschte. Die resultierende Grafik stellt ein grobes Maß für die Pflanzengesundheit dar. Die Arbeit mit zwei Variablen im Zeitverlauf würde es den Forschern dann ermöglichen, regionale Unterschiede in der Verzögerung zwischen einem Rückgang der Niederschläge und ihren Auswirkungen auf die Vegetation zu erkennen. ⓘ

Die GIS-Technologie und die Verfügbarkeit von digitalen Daten auf regionaler und globaler Ebene ermöglichen solche Analysen. Die für die Erstellung einer Vegetationsgrafik verwendeten Satellitensensorergebnisse werden beispielsweise vom fortschrittlichen, sehr hoch auflösenden Radiometer (AVHRR) erzeugt. Dieses Sensorsystem erfasst die von der Erdoberfläche reflektierten Energiemengen in verschiedenen Spektralbändern für Flächen von etwa einem Quadratkilometer. Der Satellitensensor erstellt zweimal täglich Bilder von einem bestimmten Ort auf der Erde. AVHRR und in jüngerer Zeit das moderate-resolution imaging spectroradiometer (MODIS) sind nur zwei von vielen Sensorsystemen, die zur Analyse der Erdoberfläche eingesetzt werden. ⓘ

Neben der Integration der Zeit in Umweltstudien wird auch die Fähigkeit von GIS erforscht, die Fortschritte des Menschen in seinem Alltag zu verfolgen und zu modellieren. Ein konkretes Beispiel für den Fortschritt in diesem Bereich ist die jüngste Veröffentlichung von zeitspezifischen Bevölkerungsdaten durch den U.S. Census. In diesem Datensatz werden die Bevölkerungszahlen der Städte für die Tages- und Abendstunden dargestellt, was die durch die nordamerikanischen Pendlerströme verursachten Konzentrations- und Streuungsmuster verdeutlicht. Die Manipulation und Generierung von Daten, die zur Erstellung dieser Daten erforderlich sind, wäre ohne GIS nicht möglich gewesen. ⓘ

Die Verwendung von Modellen zur Projektion der in einem GIS gespeicherten Daten in die Zukunft hat es Planern ermöglicht, politische Entscheidungen mit Hilfe räumlicher Entscheidungshilfesysteme zu testen. ⓘ

Semantik

Werkzeuge und Technologien, die aus dem Semantic Web des World Wide Web Consortiums hervorgehen, erweisen sich als nützlich für Datenintegrationsprobleme in Informationssystemen. Dementsprechend wurden solche Technologien als Mittel zur Erleichterung der Interoperabilität und der Wiederverwendung von Daten zwischen GIS-Anwendungen sowie zur Ermöglichung neuer Analysemechanismen vorgeschlagen. ⓘ

Ontologien sind eine Schlüsselkomponente dieses semantischen Ansatzes, da sie eine formale, maschinenlesbare Spezifikation der Konzepte und Beziehungen in einem bestimmten Bereich ermöglichen. Dies wiederum ermöglicht es einem GIS, sich auf die beabsichtigte Bedeutung der Daten zu konzentrieren und nicht auf ihre Syntax oder Struktur. So kann beispielsweise die Feststellung, dass eine Bodenbedeckungsart, die in einem Datensatz als nadelblättrige Laubbäume klassifiziert ist, eine Spezialisierung oder Untermenge der Bodenbedeckungsart Wald in einem anderen, grob klassifizierten Datensatz ist, einem GIS helfen, die beiden Datensätze automatisch unter der allgemeineren Bodenbedeckungsklassifikation zusammenzuführen. In Bereichen, die mit GIS-Anwendungen zusammenhängen, wurden vorläufige Ontologien entwickelt, z. B. die vom Ordnance Survey im Vereinigten Königreich entwickelte Hydrologie-Ontologie und die vom Jet Propulsion Laboratory der NASA entwickelten SWEET-Ontologien. Außerdem werden von der W3C Geo Incubator Group einfachere Ontologien und semantische Metadatenstandards zur Darstellung von Geodaten im Web vorgeschlagen. GeoSPARQL ist ein Standard, der von der Ordnance Survey, der United States Geological Survey, Natural Resources Canada, der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation Australiens und anderen entwickelt wurde, um die Erstellung von Ontologien und Schlussfolgerungen unter Verwendung von gut verstandenen OGC-Literalen (GML, WKT), topologischen Beziehungen (Simple Features, RCC8, DE-9IM), RDF und den SPARQL-Datenbankabfrageprotokollen zu unterstützen. ⓘ

Jüngste Forschungsergebnisse in diesem Bereich sind auf der International Conference on Geospatial Semantics und dem Terra Cognita - Directions to the Geospatial Semantic Web Workshop auf der International Semantic Web Conference zu sehen. ⓘ

Gesellschaftliche Implikationen

Mit der Popularisierung von GIS in der Entscheidungsfindung haben Wissenschaftler begonnen, die sozialen und politischen Implikationen von GIS zu untersuchen. GIS können auch dazu missbraucht werden, die Realität zum individuellen und politischen Vorteil zu verzerren. Es wurde argumentiert, dass die Produktion, Verteilung, Nutzung und Darstellung von geografischen Informationen weitgehend mit dem sozialen Kontext zusammenhängt und das Potenzial hat, das Vertrauen der Bürger in die Regierung zu stärken. Andere verwandte Themen sind die Diskussion über Urheberrecht, Datenschutz und Zensur. Ein optimistischerer sozialer Ansatz für die Einführung von GIS besteht darin, sie als Instrument für die Beteiligung der Öffentlichkeit zu nutzen. ⓘ

Im Bildungswesen

Ende des 20. Jahrhunderts begann man, GIS als Werkzeuge für den Einsatz im Unterricht zu erkennen. Die Vorteile von GIS in der Bildung scheinen sich auf die Entwicklung des räumlichen Denkens zu konzentrieren, aber es gibt nicht genügend Bibliographie oder statistische Daten, um den konkreten Umfang der Verwendung von GIS in der Bildung auf der ganzen Welt zu zeigen, obwohl die Expansion in den Ländern, in denen sie in den Lehrplänen erwähnt werden, schneller war. ⓘ

GIS scheinen viele Vorteile für den Geographieunterricht zu bieten, da sie Analysen auf der Grundlage realer geographischer Daten ermöglichen und auch dazu beitragen, viele Forschungsfragen von Lehrern und Schülern in den Klassenzimmern zu stellen. Sie tragen auch zur Verbesserung des Lernens bei, indem sie das räumliche und geografische Denken und in vielen Fällen auch die Motivation der Schüler fördern. ⓘ

In der Kommunalverwaltung

GIS hat sich als organisationsweite, unternehmensweite und dauerhafte Technologie erwiesen, die die Arbeitsweise der Kommunalverwaltungen weiterhin verändert. Regierungsbehörden haben die GIS-Technologie als Methode zur besseren Verwaltung der folgenden Bereiche der Regierungsorganisation übernommen:

• Wirtschaftsentwicklungsabteilungen nutzen interaktive GIS-Kartierungswerkzeuge, die mit anderen Daten (Demografie, Arbeitskräfte, Unternehmen, Industrie, Talente) sowie einer Datenbank mit verfügbaren Gewerbeflächen und Gebäuden kombiniert werden, um Investitionen anzuziehen und bestehende Unternehmen zu unterstützen. Unternehmen, die Standortentscheidungen treffen, können die Tools nutzen, um Gemeinden und Standorte auszuwählen, die ihren Erfolgskriterien am besten entsprechen.
• Öffentliche Sicherheitsmaßnahmen wie Notfalleinsatzzentralen, Brandverhütung, mobile Technologie und Einsatzplanung von Polizei und Sheriffs sowie die Kartierung von Wetterrisiken.
• Park- und Freizeitanlagen und ihre Funktionen in den Bereichen Anlageninventarisierung, Landerhaltung, Grundstücksverwaltung und Friedhofsverwaltung
• Öffentliche Bau- und Versorgungseinrichtungen, Verfolgung von Wasser- und Regenwasserentwässerung, elektrischen Anlagen, technischen Projekten sowie Anlagen und Trends im öffentlichen Verkehrswesen
• Verwaltung von Glasfasernetzen für abteilungsübergreifende Netzwerke
• Schulanalytische und demografische Daten, Anlagenverwaltung und Planung von Verbesserungen/Erweiterungen
• Öffentliche Verwaltung für Wahldaten, Eigentumsaufzeichnungen und Gebietseinteilung/Management ⓘ

Die Open-Data-Initiative drängt die Kommunalverwaltung dazu, Technologien wie die GIS-Technologie zu nutzen, da sie die Anforderungen des Open-Data/Open-Government-Modells der Transparenz erfüllen. Mit Open Data können Kommunalverwaltungen Anwendungen für die Bürgerbeteiligung und Online-Portale einrichten, die es den Bürgern ermöglichen, Grundstücksinformationen einzusehen, Schlaglöcher und Beschilderungsprobleme zu melden, Parks nach Anlagen zu sortieren, Kriminalitätsraten und Reparaturen von Versorgungseinrichtungen in Echtzeit einzusehen und vieles mehr. Das Streben nach offenen Daten innerhalb von Regierungsorganisationen treibt das Wachstum der Ausgaben für GIS-Technologie und Datenbankmanagement in den Kommunalverwaltungen voran. ⓘ

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 Katastrophenschutzbeauftragten beispielsweise möglich, Informationen für Evakuierungspläne zusammenzustellen. Umweltschutzbehörden können bestimmen, welche Feuchtgebiete in besonders bedrohten Gebieten liegen. Marketingabteilungen können herausfinden, in welchen Gebieten neue Kunden gewonnen werden können. ⓘ

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 im Format 00/0000/000/00000/00000) 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. ⓘ

Dimensionen

Je nach Aufgabenstellung können Geoinformationssysteme Geodaten in einer bis vier Dimensionen verwalten und bearbeiten:

• entlang einer Linie (Straßen- oder Bahntrasse, Schacht, Grenze usw.),
• auf einer Fläche (2D, was den häufigsten Fall darstellt),
• 3D-Körper oder 2D-Zeitreihen, oder
• kombiniert in Raum und Zeit (4D) ⓘ

In älteren Systemen wurden die Formprimitiven aufgrund mangelnder 3D-Daten lediglich in den zweidimensionalen Raum eingebettet. ⓘ

In einer Übergangsphase wurde die Höhenangabe als Attribut an zweidimensionale Objekte angefügt. Da dadurch aber noch keine 3D-Einbettung erfolgt ist, spricht man in diesem Fall lediglich von einer zweieinhalbdimensionalen Einbettung. ⓘ

In modernen Anwendungen, zum Beispiel in den Geowissenschaften, sind die Objekte in den dreidimensionalen Raum eingebettet. ⓘ

Qualität

Die Qualität von Daten kann nur auf Basis der Qualitätsmerkmale im Hinblick auf eine konkrete Fragestellung beurteilt werden. Als Datenqualität kann die Menge von Datenmerkmalen bezeichnet werden, die den Einsatz der Daten für eine konkrete Aufgabe ermöglichen. Diese Datenmerkmale sollten in den entsprechenden Metadaten dokumentiert sein. Die ISO hat in der ISO-Norm ISO 19113 Merkmale für die Qualität von Geodaten gelistet. ⓘ

Rechtliches

Die Rechte an Geoinformationen leiten sich vor allem aus dem Urheberrecht ab. Wenn Geoinformationen öffentlich-rechtlich geführt werden, können zusätzlich auch Rechte nach dem Vermessungs- und Geoinformationsrecht bestehen. Die Rechte von „Jedermann“ erlauben die eigene Ortsbestimmung, sowie Karten von öffentlich zugänglichen Orten anzufertigen, diese Daten selbst zu nutzen sowie zu verbreiten. Projekte wie OpenStreetMap verfolgen diesen Entwicklungspfad. ⓘ

Funktionen

Geoinformationssysteme erweitern die Nutzungsmöglichkeiten der klassischen Landkarte. Neben der Visualisierung gibt es zahlreiche Funktionen zur Analyse der Geodaten. ⓘ

Datenbearbeitung

Raster-Vektor-Konvertierung

Die Verwendung von Rasterdaten bringt einige Probleme mit sich. Eine Möglichkeit ist die Konvertierung in Vektordaten. Ein häufig genutzter Ansatz ist, dass die Rasterzelle den Wert der Ausgangsfläche bekommt, die den größten Anteil an der Zelle hat. Ebenso kann es nützlich sein, bestimmte Eigenschaften zu bestimmen, die vorrangig oder mit höherem Gewicht einer Zelle zugeordnet werden sollen. ⓘ

Bei der Raster-Vektorkonvertierung wird zwischen zwei Arten unterschieden:

• Aus benachbarten Zellen mit gleichen Attributwerten sollen Vektorobjekte generiert werden.
• Vorhandenen Geoobjekten sollen Attribute aus Rasterdatensätzen zugewiesen werden.
  Diese Art der Raster-Vektorkonvertierung basiert in der Praxis fast ausschließlich auf der sogenannten Punktmethode. Dabei werden Geoobjekte mit den Mittelpunkten der Rasterzellen verschnitten. Falls der Mittelpunkt der Zelle innerhalb des Geoobjektes liegt, wird der Wert der Zelle zur Berechnung des Wertes des Geoobjektes verwendet (beispielsweise durch Mittelwertbildung). ⓘ

Koordinatentransformation

Geodaten liegen in unterschiedlichsten Koordinatensystemen vor. Um sie gemeinsam verarbeiten zu können, müssen sie auf dasselbe Koordinatensystem bezogen sein. Eine zentrale Funktion von Geoinformationssystemen ist daher die Koordinatentransformation. Die Koordinatentransformation kann on-the-fly, d. h. im laufenden Betrieb, oder in einem eigenen Arbeitsschritt erfolgen. ⓘ

Georeferenzierung

Unter Georeferenzierung, Geokodierung oder Verortung versteht man die Zuweisung raumbezogener Referenzinformationen zu einem Datensatz. Zur Herstellung des Raumbezuges werden in vielen Fällen Transformationen und Konversionen sowie Interpolationen notwendig. Dazu gehören die Eliminierung geometrischer Verzerrungen und die Einpassung der Daten in ein gewähltes Koordinatensystem. ⓘ

Personenbezogene Daten können über die Adresse verortet werden. Dazu sind je nach Aufgabenstellung umfangreiche Adressdatenbanken notwendig um beispielsweise straßenabschnittsgenau Werte zu erhalten. ⓘ

Satellitenbilder und andere Rasterdaten können erst nach entsprechender Georeferenzierung eingebunden werden. ⓘ

Datenverwaltung

Mit wachsenden Datenmengen und der immer stärkeren Verbreitung von Geoinformationssystemen wird es immer wichtiger, Geodaten effizient zu verwalten. Dazu ist es notwendig, Metadaten zu erfassen und kontinuierlich zu aktualisieren. Einige GIS bieten dazu eingebaute Funktionen, andere Systeme überlassen es dem Benutzer, Metadaten mithilfe anderer Softwareprodukte zu verwalten. ⓘ

Geodatenbanken

Für die Speicherung der Sach- und Geometriedaten (vorrangig der Vektordaten) nutzten zu Beginn der GIS-Ära nur wenige GIS-Basissysteme marktgängige Datenbanksysteme (z. B. DBASE oder Oracle). Eine Vielzahl von Systemen basierten auf proprietären Datenbankmanagementsystemen. Heute hat sich die Nutzung von marktgängigen relationalen bzw. objektrelationalen Datenbanksystemen für die Geodatenverwaltung durchgesetzt. Auch die neuen Versionen von MS Access sind entsprechend angepasst worden. ⓘ

Konventionelle Datenbanken können Geodaten meist nicht effizient verwalten. Daher gibt es für viele kommerzielle und Open-Source-Datenbanken Erweiterungen für die Verwaltung von Geodaten. Beispiele für Geodatenbanken sind: Oracle Spatial, PostGIS und SpatiaLite. Einige Hersteller bieten Schnittstellen zu unterschiedlichen Datenbanken an. ⓘ

Räumliche Analysen

Abfragen und Selektionen

Abfragen dienen der Lösung von Fragestellungen zu sachlichen oder räumlichen Kriterien und zur Selektion der Ergebnisse in der Karte. ⓘ

Beispiele

• sachlich: Wie viele Einwohner hat eine bestimmte Stadt?
• räumlich: Wie viele und welche Städte liegen am Ufer eines bestimmten Flusses? ⓘ

Puffer

Die Puffer-Funktion (engl. Buffer) ermöglicht die Bildung von Pufferzonen um Geoobjekte beliebiger Dimension. Abhängig von der Dimension spricht man von Punkt-, Linien- oder Flächenpuffern. ⓘ

Bei der Erzeugung der Pufferzonen wird um die ausgewählten Geoobjekte eine Fläche generiert. Die Pufferzonen umschließen das Geoobjekt und umliegende Gebiete innerhalb eines bestimmten Abstandes (fixer Wert oder abhängig von den Attributen der Geoobjekte) vom ursprünglichen Geoobjekt. Die ursprünglichen Geoobjekte werden bei diesem Vorgang nicht verändert. ⓘ

Puffer sind nicht nur grafische Darstellungen, sondern Objekte, mit denen man Analysen wie beispielsweise Verschneidungen durchführen kann. Es ist möglich, mehrere Puffer um ein Objekt zu erstellen und diese unterschiedlich zu gewichten (beispielsweise verschiedene Schutzzonenkategorien). ⓘ

Verarbeitung von Grenzen

Bei der Verarbeitung von Grenzen wird nur die Geometrie eines Datenlayers verändert. Die Attribute und Attributwerte werden dabei nicht angetastet. Nur der Flächeninhalt und der Umfang der entstandenen Teilflächen wird neu berechnet. Mögliche Modifikationen sind:

• Zusammenführen von Geometrien
• Herausstanzen von Gebieten
• Aufteilen auf mehrere kleine Gebiete
• Herausschneiden/Löschen von Teilen aus dem Inneren eines Gebietes ⓘ

Verschneidung

Unter Verschneidung versteht man die Überlagerung von Themenebenen (Layer) oder Objektklassen. Mithilfe von Booleschen Operationen werden aus den Ausgangsdatenebenen neue Objekte gebildet, die die Attribute der Ausgangsobjekte kombinieren. Es entsteht eine neue Datenebene. Die Ausgangsdatenebenen werden nicht verändert. ⓘ

Netzwerkanalysen

Optimaler Reiseweg eines Handlungsreisenden durch die 15 größten Städte Deutschlands ⓘ

Die Analyse von Netzwerken gehört zu den zentralen Anwendungen von Geoinformationssystemen. ⓘ

Anwendungsgebiete von Netzwerken sind die Modellierung von Verkehrssystemen wie Straßen- oder Schienennetzen, aber auch Leitungsnetzen wie z. B. Rohrleitungsnetze oder Telekommunikationsleitungsnetze. Netzwerke sind Mengen von Knoten und Kanten. Sie gehören zu den Graphen, wobei in der Praxis zumeist nur unsymmetrische und gewichtete Graphen vorkommen. Die Analyse von Netzwerken basiert auf der Graphentheorie. Netzwerke weisen eine Knoten-Kanten-Knoten-Topologie auf und bauen somit auf dem Vektormodell auf. ⓘ

Netzwerkkanten können Straßen, Eisenbahn- oder Schifffahrtslinien für ein Transportnetzwerk ebenso wie Leiterbahnen eines elektrischen Leitungsnetzes oder die Flüsse eines Flussnetzes darstellen. Die Knoten des Netzwerkes sind z. B. Haltestellen oder allgemeine Verknüpfungsstellen wie beispielsweise Kreuzungen. Den Netzwerkelementen können Eigenschaften zugewiesen werden, die je nach Aufgabenstellung in Analysen einbezogen werden können. Die Bewertung der Kanten erfolgt in der Regel durch die Weglänge zwischen zwei Knoten. Für die Fahrzeugnavigation kann auch die Fahrtzeit zur Bewertung herangezogen werden. ⓘ

Netzwerkanalysen werden zur Lösung folgender Probleme durchgeführt:

• Ermittlung kürzester Wege zwischen zwei Punkten
• Problem des Handlungsreisenden
• Ermittlung von Einzugsbereichen ⓘ

Präsentation

Die Möglichkeiten der Darstellung und Präsentation spielen in GIS eine entscheidende Rolle. Die herkömmlichen Auswertungen aus Datenbanken werden mithilfe eines GIS durch die Veranschaulichung zum Beispiel auf einer Landkarte oft verständlicher und bieten unterschiedliche Darstellungsmöglichkeiten. Die Funktionen sind deshalb sehr umfangreich. Hier einige wichtige Beispiele:

• automatische Erstellung von Legende, Maßstabsleiste, Nordpfeil und anderer Kartenrandangaben
• frei wählbarer Kartenmaßstab und beliebige Kartenausschnitte
• Darstellung in frei wählbarem Kartennetzentwurf
• frei definierbare Farb- und Mustergebung, sowie symbolische Darstellungen
• Ein-/Ausblendung und Kombination verschiedener Layer (Raster- und Vektordaten)
• 3D-Darstellungen, Digitale Geländemodelle, „Drape“ (mit Raster- oder Vektordaten überlagertes 3D-Modell)
• Animationen (Flug über Gelände und Ähnliches)
• Geländeschnitte/Profile
• Einbindung von Diagrammen, Bild- oder Audiodaten ⓘ

Generalisierung

Ein Beispiel für Generalisierung ⓘ

Zusammenfassung, Verallgemeinerung, Vereinfachung und Selektierung von Objekten. Generalisierung über die Erfassungsgeneralisierung hinaus ist notwendig, wenn der Maßstab verkleinert wird, um eine Beeinträchtigung der Lesbarkeit zu verhindern. ⓘ

Automatisierung

Für wiederkehrende Aufgaben ist es sinnvoll, diese zu automatisieren, indem die notwendigen Abläufe zu Makros zusammengefasst werden. Solche Aufgaben können sein:

• Plots von Karten und Plänen entsprechend einem bestimmten Blattschnitt unter gleichen Randbedingungen
• Nachattributierung importierter Daten
• spezifische periodische Auswertungen für regelmäßige Berichte
• Regelmäßige Datenweitergaben an andere Ämter oder Firmen über definierte Schnittstellen
• Prüfvorgänge zur Datenkonsistenz
• Einbeziehung extern gepflegter Sachdaten ⓘ

Voraussetzungen für Automatisierbarkeit sind:

• Eine Makrosprache mit Schleifen, Bedingungen und Eingabemöglichkeiten
• konsistente, redundanzfreie Daten (Ausnahme: wenn die Konsistenz erst durch das Makro geprüft wird).
• softwarelesbare, klassifizierte Datenattribute, nach welchen selektiert werden kann. ⓘ

Ausprägungen

Landinformationssysteme (LIS)

Landinformationssysteme verwalten detaillierte Geodaten, vor allem Basisdaten (primäre, direkt gemessene/erhobene Daten), die großmaßstäbig strukturiert sind. Landinformationssysteme werden meist von Vermessungsbehörden (Kataster- und Vermessungsamt) aufgebaut und geführt. Sie beziehen sich in erster Linie auf die vermessungstechnische Abbildung der Erdoberfläche in Form digitaler Karten und Grundbuch. ⓘ

Kommunales Informationssystem (KIS)

Kommunale Informationssysteme sind GIS in Gemeinden. Zentraler Bestandteil eines KIS sind die Geobasisdaten des LIS (Automatisierte Liegenschaftskarte und Automatisiertes Liegenschaftsbuch in Deutschland, Digitale Katastralmappe und Grundstücksdatenbank in Österreich) und Luftbilder. Sie ermöglichen den Mitarbeitern einer Kommune den schnellen Zugriff auf Informationen zu einem Flurstück (Eigentümer, Flächengröße, Nutzung …). ⓘ

Neben dieser Grundlage enthalten KIS verschiedenste Zusatzlayer. Ein kommunales Umweltinformationssystem (KUIS) ist beispielsweise ein Instrumentarium für Aufgaben der Kommune im Bereich der Umwelt, das Daten über alle Umweltbereiche räumlich, zeitlich und sachlich bereithält, verarbeitet und aktuell hält. Die ersten Zusatzlayer, die erfasst wurden, enthielten meist den Leitungskataster für Wasser, Kanal, Gas und Strom. Heute existieren diverse Zusatzlayer wie Grünflächenkataster, Baumkataster, Friedhofskataster, Spielplatzkataster u. a. ⓘ

Umweltinformationssystem (UIS)

Umweltinformationssysteme dienen zur Bereitstellung von Umweltinformationen. Sie bestehen in der Regel aus mehreren Umweltdatenbanken zu verschiedenen Themen und bieten leistungsfähige Zugriffs- und Auswertemethoden zur Ableitung von Umweltinformationen. Umweltinformationssysteme dienen der Erfassung, Speicherung, Verarbeitung und Präsentation von raum-, zeit- und inhaltsbezogenen Daten zur Beschreibung des Zustandes der Umwelt hinsichtlich Belastungen und Gefährdungen und bilden die Grundlage für Maßnahmen des Umweltschutzes. Sie bestehen in der Regel aus vielen verschiedenen Fachinformationssystemen (FIS). ⓘ

Ihre Aufgaben erstrecken sich von der Erfassung der Radioaktivität, der Kontrolle der Umweltmedien Luft, Wasser und Boden bis hin zu Biotopkartierungen und der Erhaltung der Artenvielfalt. Sie dienen der Notfallvorsorge, dem Verwaltungsvollzug und der Bürgerinformation im Umweltbereich. ⓘ

Wegen der Vielfalt der potenziellen Nutzer eines UIS bestehen unterschiedlichste, teilweise divergierende Anforderungen an die Charakteristika eines UIS. UIS werden als Informationssysteme in der Verwaltung und in Unternehmen der freien Wirtschaft (so genannte Betriebliche Umweltinformationssysteme) eingesetzt. Frühe Nutzer waren beispielsweise Umweltbehörden wie das Umweltbundesamt (UBA) oder Landesumweltministerien und deren nachgeordnete Landesämter. ⓘ

Bodeninformationssystem (BIS)

Bodeninformationssysteme umfassen geologische Daten. Sie sind komplex und können nur in interdisziplinärer Kooperation aufgebaut werden. ⓘ

Ein Bodeninformationssystem im engeren Sinn (A, CH) enthält Daten zur örtlichen Verbreitung der Bodentypen und ihrer Eigenschaften wie Bodenaufbau, Humusgehalt, pH-Wert und Bodenschwere. Die Bodenkarten können neben der Bodenart auch Bodenbelastungen oder die Erosionsgefährdung zeigen. ⓘ

Ein Bodeninformationssystem im weiteren Sinn (z. B. das BIS-NRW oder das Niedersächsische Bodeninformationssystem NIBIS) umfasst auch Daten zum geologischen Aufbau der obersten Erdkruste sowie zur Hydrogeologie, Belastbarkeit, Ingenieurgeologie und Geochemie. Die Daten enthalten Bohrungs-Beschreibungen, Analysedaten und Karten verschiedener Maßstäbe und Themen. ⓘ

Netzinformationssystem (NIS)

Ein Netzinformationssystem dient Ver- und Entsorgungsunternehmen zur Dokumentation ihres Leitungsbestandes. Neben der grafischen Repräsentation der Leitungsverläufe und ihres Zustands werden Datensätze über Art und technische Daten in diesem Informationssystem verwaltet. Netzinformationssysteme werden von vielen Unternehmen angeboten und bei ingenieurtechnischen Planungen – etwa bei der Leitungsrecherche vor Baumaßnahmen – genutzt. ⓘ

Fachinformationssystem (FIS)

Fachinformationssysteme stellen eine besondere Klasse von Geo-Informationssystemen dar. Hierunter fallen die Spezialanwendungen, die mit den bisherigen Ausprägungen nicht abgedeckt sind. Sie sind Informationssysteme, die fachbezogene Aufgaben unterstützen und zur Bewältigung konkreter Fachanforderungen notwendig sind, beispielsweise für Bauwesen, Geographie, Geologie, Hydrologie, Lawinen- und Umweltschutz, Verkehrsplanung, Touristik, Freizeit- und Routenplanung. Hauptabnehmer für Fachanwendungen sind Kommunen. ⓘ

GIS in der Archäologie

Auch in der archäologischen Forschung werden Geoinformationssysteme eingesetzt. So werden z. B. archäologische Fundstellen mit den Informationen zu ihrer Umwelt wie Gewässer-, Rohstoff- und Nahrungsmittelentfernung, Bodengüte, Klimazone verknüpft. Hierbei arbeiten vor allem Geodäten, Geographen und Archäologen in interdisziplinären Gruppen zusammen. ⓘ

In der archäologischen Denkmalpflege verschiedener Länder und Staaten (Vorreiter sind in Europa u. a. die Niederlande) werden GIS vor allem zur Bestandserfassung, -visualisierung und -auswertung verwendet. So können beispielsweise für die Bauleitplanung Fundstellen und die zugehörigen Informationen schnell kartiert und mit geplanten Bauvorhaben abgeglichen werden. Neuerdings werden GIS zunehmend zur Berechnung von Lagekriterien noch unbekannter Fundstellen eingesetzt (sog. Prädiktionsmodelle; z. B. Archäoprognose Brandenburg.) ⓘ

GIS bei der Veranstaltungsplanung

GIS dienen auch als Werkzeug zur Planung von Großveranstaltungen. In dem Projekt GEOLYMPIA demonstriert der GIS-Cluster der Universität Salzburg die verbesserte Planung und Durchführung sportlicher Großereignisse. Die Optimierungen wurden bei Ereignissen wie der Rad-WM 2006, der Fußball-EM 2008 oder bei Olympia 2014 zur Planung eingesetzt. Die Gruppe entwickelt Module für Szenarien zum nachhaltigen Ressourceneinsatz und zur Erhöhung der Sicherheit derartiger Großveranstaltungen. ⓘ

GIS in Transport und Logistik (GIS-T)

Geoinformationssysteme für Transport und Logistik (GIS-T) umfassen die Methoden und Anwendungen von GIS-Technologien für Problemstellungen im Transportbereich. Eine wichtige Anwendung ist die Erstellung und Wartung von Straßengraphen. ⓘ

Standards

ISO Serie 191xx

Standards dieser Serie:

• ISO 19107 (Raumbezugsschema)
• ISO 19109 (Anwendungsschemata)
• ISO 19111 (Koordinatenreferenzsysteme)
• ISO 19115 (Metadaten)
• ISO 19136 (Geography Markup Language / GML) ⓘ

INSPIRE

Die Geodateninfrastruktur in der Europäischen Gemeinschaft, englisch Infrastructure for Spatial Information in the European Community (INSPIRE) ist eine Initiative der europäischen Kommission für eine europäische Geodateninfrastruktur insbesondere in der Umweltpolitik. Basis ist die Richtlinien 2007/2/EG und ihre Durchführungsbestimmungen. Sie regeln ein einheitliches Daten-/Metadaten-Format. ⓘ