Funktionalitäten eines GIS

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Die Hauptanwendung geographischer Informationssyteme ist das Lösen von (räumlichen) Problemstellungen, das Unterstützen von Entscheidungsprozessen, sowie die Interaktion mit räumlichen Daten, welche typischerweise analysiert werden, um:

  • den Standort von Objekten und deren Beziehung zu anderen Objekten festzustellen,
  • herauszufinden wo viele und/oder wenige Objekte zu finden sind (Quantitäten),
  • die Dichte von Objekten in einem bestimmten Bereich zu berechnen,
  • zu verstehen, was innerhalb eines Untersuchungsgebiets passiert (räumliche Prozesse und Zusammenhänge),
  • das räumliche Umfeld von Objekten und Phänomenen zu beschreiben, oder
  • um Änderungen über die Zeit innerhalb eines Untersuchungsgebiets zu beschreiben.

Daten zu Information

Um allerdings von den Eingangsdaten zu Aussagen auf Basis von räumlichen Analysen zu gelangen, sind einige Schritte notwendig, die wir in dieser Lektion gehen werden. Jedes der hier angerissenen Themen wird in den folgenden UNIGIS Modulen ausführlich behandelt. Verstehen Sie diese Lektion deshalb als Ordnungsraster für die weiteren Studieninhalte.

Beispiel

Nach Bearbeitung dieser Lektion ...

  • haben Sie einen Überblick über elementare Bestandteile typischer GIS-Projekte und können einzelne Funktionalitäten entsprechend einordnen.
  • sind Sie in der Lage, die passenden Funktionalitäten für eine konkrete Fragestellung zu identifizieren.
  • können Sie die folgenden Module - die die einzelnen Funktionalitäten noch im Detail behandeln - in einen breiteren Kontext sinnvoll einordnen.
   

Um zu vermeiden, dass die Behandlung zentraler GIS-Funktionalitäten lediglich auf einem abstrakten Level stattfindet, wollen wir uns gleich zu Beginn der Lektion ein konkretes Praxisbeispiel ansehen, auf das wir noch mehrmals zurückgreifen werden:

Beispiel

Klicken Sie hier um direkt zur interaktiven Ansicht zu gelangen.

   

Wir werden auf die einzelnen Funktionen, die im Beispiel erwähnt werden, gleich noch eingehen, aber erst einmal sind Sie an der Reihe.

Beispiel

Übung GIS-Funktionen

   

7.1 Datenerfassung

Um räumliche Information in einem Computer nutzbar zu machen, muss sie in digitaler Form vorliegen. Deshalb ist der erste Schritt immer die Datenerfassung. Grob unterscheidet man dabei zwischen der Primärdaten- und der Sekundärdatenerfassung.

Primärdatenerfassung: Daten werden durch Direktmessungen erhoben. Wichtige Datenquellen hierbei sind die terrestrische Vermessung, diverse Sensoren, allen voran GNSS sowie die Fernerkundung. Befragungen und Communityprojekte, jeweils mit Raumbezug, können ebenfalls zur Primärdatenerfassung gezählt werden. Bei der Primärdatenerfassung werden sowohl Vektor- als auch Rasterdaten erhoben.

Sekundärdatenerfassung: Wenn Daten nicht direkt erhoben, sondern aus bestehenden Datenbeständen abgeleitet werden, spricht man von Sekundärdatenerfassung. Ein wahrscheinlich gut bekanntes Beispiel dafür ist das Digitalisieren auf Basis von Bilddaten (z.B. im Rahmen des OpenStreetMap Link Projekts).
Zwei weitere Möglichkeiten der Datenerfassung werden nicht immer zur Sekundärdatenerfassung im engeren Sinn gezählt: zum einen das Umwandeln von Adressdatenbanken in Geodaten (man nennt diesen Schritt Geokodierung) und zum anderen die Nutzung von Datensätzen, die für den konkreten Zweck nicht unmittelbar gedacht waren, wie beispielsweise die Ableitung von Mobilitätsdaten aus geokodierten Twittermeldungen Link.

Bezogen auf das Beispiel der Standortoptimierung des Supermarktes sind theoretisch die folgenden Datenerfassungsschritte relevant:

Katastermappe: Datenübernahme (Import) aus amtlichem Datenbestand Katasterkarte
Nutzungs-Kartierung: Luftbildbefliegung mit anschließender Bilddatenanalyse Landnutzung
Flächenwidmungsplan: Datenübernahme aus analogen Plänen der betroffenen Kommune(n) Flächenwidmungsplan
Straßenkarte: Ankauf digitaler Straßendaten oder Rückgriff auf freie Datenbestände wie OpenStreetMap Strassenkarte
Regionalstatistische Bevölkerungsdaten: tabellarische Aufbereitung und Import in ein eigenes Datenbanksystem Bevölkerungsdaten
Standorte potentieller MitbewerberInnen: Auswertung und Geokodierung von Adressdaten Geokodierung
   

7.2 Datenbearbeitung

Um Daten für die Weiterverarbeitung in einem GIS nutzen zu können, ist es zumeist notwendig, diese entsprechend aufzubereiten. Selbst bei der Erfassung primärer Daten für einen bestimmten Zweck, müssen die Daten aus Rohformaten in ein kompatibles und performantes Format gebracht werden.

Lidar zu 3D
Bei der Primärdatenerfassung per Laserscan (1) müssen die Punktwolken (2) verarbeitet werden, bevor sie in ein 3D-Modell (3) überführt werden können.
Details dazu können hier Link nach gelesen werden. Oder Sie absolvieren das optionale Modul Link zum Thema.

 

Bei der Sekundärdatenerfassung sind Aspekte wie das entsprechende Datenmodell, die semantische Heterogenität der Attributdaten oder das räumliche Bezugssystem entscheidend für die effiziente Weiterverarbeitung.

Datenqualität

Unabhängig davon, ob in einem GIS primär oder sekundär erhobene Daten verarbeitet werden, ist die Berücksichtigung der Datenqualität von großer Wichtigkeit - immerhin kann das Ergebnis nie genauer oder besser sein, als die Eingangsdaten.
Qualitätskontrollen räumlicher Daten umfassen mehrere, oftmals begrifflich unscharf getrennte Aspekte. Im Wesentlich muss zwischen der Eignung von Daten ("Fitness for use") und der eigentlichen Datenqualität unterschieden werden. Zur Evaluierung der Geodatenqualität liegen verschiedene Ansätze vor, wobei die ISO Norm 19157 Link als Synthese maßgeblich ist.
In der Praxis wird häufig zwischen der extrinsischen und der intrinsischen Qualitätskontrolle unterschieden. Bei erstgenannter werden Referenzdatenbestände, von denen ausgegangen wird, dass sie von tadelloser Qualität sind, zum Vergleich und schließlich zur Qualitätsfeststellung herangezogen. Bei der intrinsischen Qualitätskontrolle wird die innere Struktur und Koheränz der Daten untersucht. Beispielsweise kann bei einem Straßengraphen die Topologie Link, das heißt die korrekte Verbindung aller Kanten (= Straßensegmente), ohne Referenzdatenbestand geprüft werden.

 

Bei Sekundärdaten ist für die Weiterverarbeitung und die korrekte Verwendung der Daten auch die Geschichte bzw. die nähere Beschreibung des Datensatzes an sich von Bedeutung. Derartige "Daten über Daten" bezeichnet man als Metadaten. Typischerweise beinhalten sie eine verbale Beschreibung der Daten, geben Auskunft über den Datenerfasser, Datenmanipulationen, etwaige Restriktionen (Urheberrechte, Lizenzierung, definierte Anwendungsbereiche, etc.), beschreiben die einzelnen, mitgeführten Attribute und definieren das räumliche Bezugssystem.
Leider werden nur selten Metadaten aktuell mitgeführt. Der damit verbundene vermeintliche Zeitgewinn wird vor allem bei größeren Projekten mit mehreren Beteiligten oder in großen Organisationen zu einer nicht zu unterschätzenden Behinderung. Wichtige Fragen zur Datenqualität (z.B. "Mit welcher Genauigkeit wurden die Daten aufgenommen?") oder zu lizenzrechtlichen Einschränkungen (z.B. "Darf ich die Daten überhaupt verwenden?") können dann nur mit erhöhtem zeitlichem Aufwand geklärt werden.

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7.3 Datenverwaltung

Selbst wenn Daten nur für ein einzelnes Projekt verwendet werden (auch wenn davon im Vorhinein eigentlich nicht ausgegangen werden kann), ist es für die Arbeit von Geodaten unerlässlich diese sauber zu verwalten. Die Wichtigkeit einer effizienten Datenverwaltung nimmt natürlich mit der Größe eines Betriebs bzw. einer Institution, der Häufigkeit der Geodatennutzung sowie der generellen Integration des GIS in die IT-Infrastruktur zu.

Bis vor wenigen Jahren war es an dieser Stelle relativ einfach: Geodaten wurden üblicherweise lokal als Dateien gespeichert. Später kamen relationale Datenbanken und einfache Server-Client Architekturen als Alternative dazu.
Alle drei Methoden der Datenverwaltung sind zwar nach wie vor noch in Verwendung (je kleiner und GIS-entfernter ein Betrieb ist, umso wahrscheinlicher), werden aber zunehmend durch komplexere Infrastrukturen abgelöst. Zwei Stichworte, die Sie an dieser Stelle dazu registrieren sollten sind: SDI und Cloud GIS. Beide Umgebungen für die Verwaltung von Geodaten werden im weiteren Verlauf des Studiums noch behandelt.

Beispiel

Das oben eingebettete Beispiel der Standortsuche für einen Supermarkt, ist ein Beispiel für die Datenspeicherung, Verwaltung und Präsentation in der Cloud.

Das optionale UNIGIS Modul ArcGIS Link for Server beschäftigt sich eingehend mit modernen Formen der Datenverwaltung.

   

Durch die enormen Datenmengen, vielfach mit Raumbezug, die durch die technologischen Innovationssprünge der letzten Jahre entstanden sind bzw. entstehen, ist die Frage der (Geo-) Datenverwaltung ein hoch aktuelles Forschungsgebiet. Dabei geht es unter anderem um:

  • Relationale und objektorientierte Datenbanksysteme sind für große Datenmengen bzw. Datenströme nicht mehr geeignet.
  • Eng damit verbunden ist das Thema räumlicher Big Data.
  • Durch die Multidisziplinarität von GIS und die Erstellung großer, zentraler Datenpools braucht es neue Datenbeschreibungen und Definitionen der jeweiligen Verbindungen (Ontologien).
  • ...

Die guten Nachrichten an dieser Stelle sind die, dass Sie sich erst einmal noch weiter mit den Grundlagen geographischer Informationssysteme beschäftigen dürfen und, dass es noch viel zu tun gibt Smile

   

7.4 Räumliche Analyse

Kommen wir zurück zu unserem Supermarkt-Beispiel. Nachdem die relevanten Daten zur Operationalisierung der eingangs definierten Kriterien nun aufbereitet sind, stellt sich die Frage wie ein GIS bei der eigentlichen Standortfindung helfen kann. Gerade die Aussicht auf räumliche Analysen über unterschiedliche Datenbestände unter Einsatz einer breiten und flexiblen Werkzeugpalette war ja die zentrale Begründung der Wahl von GIS als Arbeitsinstrument.

Analysewerkzeuge

Layer"Neue Information" kann nun zum Beispiel durch gleichzeitig paarweise oder mehrfache Zusammenführung (Verschneidung) von "Daten- bzw. Informationsschichten" bewerkstelligt werden.

Die Kombination der Flächenwidmung mit verfügbaren Parzellen identifiziert alle zusammenhängenden Flächen mit ausreichender Größe.
PufferbildungLocation allocationEin Abstandskorridor von 500m um Straßen 1. und 2. Ordnung kombiniert mit obigem ergibt die ausreichend erschlossenen Standort-Kandidaten. Dann kann auf der Grundlage des Straßennetzes über eine Fahrtzeitberechnung das Einzugsgebiet berechnet und die darin wohnende Bevölkerung analysiert werden.

Wie die Beispiele deutlich machen, liegen räumlichen Analyseverfahren im Wesentlichen zwei Konzepte zu Grunde: Verschneidung und Abfrage - jeweils in einem explizit räumlichen Kontext.
Verschneidungsoperationen gehen auf das Konzept der übereinander gelegten Folien von Ian McHarg (klicken Sie hier, wenn sie einen Eindruck von einem der Väter von GIS erhalten möchten) zurück. Dabei werden verschiedene thematische Schichten auf Basis eines gemeinsamen Raumbezugs miteinander verschnitten (engl. overlay), das heißt zueinander in Beziehung gesetzt. Verschneidungsoperationen können sowohl mit Vektor- als auch mit Rasterdaten umgesetzt werden. Bei der Verschneidung von Vektordaten entsteht ein neuer Datensatz, der aus den Eingangsdaten abgeleitet wird. Bei Rasterdaten muss die Auflösung (Rastergröße) gleich sein, um ein Ergebnis erzielen zu können:

Overlay Analyse
Polygon- und Rasterverschneidung

Räumliche Abfrageoperationen nutzen die Logik von Standort, Nachbarschaftsbeziehung (Topologie), Entfernung und Fläche. Auf dieser Basis kann beispielsweise eruiert werden, wie viele Personen im Umkreis von potenziellen Gefahrenquellen leben.

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7.5 Kommunikation

Nach der Integration umfassender, räumlicher Daten in eine Datenbasis und einer Analyse derselben, ist die Präsentation der Ergebnisse am effektivsten visuell zu bewerkstelligen.

DiagrammeDazu eignen sich vor allem Karten, Diagramme und daraus abgeleitete Grafiken als Präsentationsmedium.
Übrigens: nicht nur für die Kommunikation von Analyseergebnissen, sondern auch für die Exploration großer Datenbestände sind die genannten, visuellen Medien unverzichtbare Werkzeuge.
Der gesamte Entwurfsprozess bis hin zur Unterstützung spezifischer Ausgabegeräte und -formate sollte vom eingesetzten GIS (fallweise über eine Middleware) unterstützt werden, um einen effizienten Informationsfluss zu erreichen. PlotterJe nach Zielsetzung, Publikum und Größenordnung von Projekten werden unterschiedliche technische Ausgabeinstrumente zur Herstellung graphisch hochwertiger Dokumente eingesetzt. Hier wird grob zwischen analogen (z.B. gedruckte Kartenwerke oder Broschüren) und digitalen (z.B. Webanwendungen) Ausgabeformaten unterschieden.
Auch die Standortkarte unseres Supermarkt-Beispiels wird je nach Adressaten - Management der Supermarktkette, Raumplaner, Lokalpolitiker oder Anrainer - unterschiedlich aussehen:

  • Visuelle Kombination der zugrundliegenden Kriterien mit Hervorhebung der möglichen Standorte
  • Karte des bevölkerungsbezogenen Käuferpotentials
  • Zu erwartende Verkehrsströme
  • Raumplanerische "Wenn - Dann" Szenarien

Mit der ersten Darstellung von Analyseergebnissen endet der "Prozess" der GIS-Bearbeitung keineswegs. Meist wird man nach einer ersten Ansicht und Beurteilung der Ergebnisse noch mehrere Male zurückgehen, Eingangsdaten anders gewichten, als fehlend erkannte Informationen ergänzen, Aktualisierungen und Korrekturen anbringen und dann Teile des Untersuchungsablaufes wiederholen.
Insgesamt kann festgehalten werden, dass die Bearbeitung räumlicher Fragestellungen mit einem GIS stets ein iterativer Prozess ist. Das heißt, es gibt selten, wahrscheinlich nie, den einen Weg zu einer richtigen Lösung. Vielmehr gilt es, Konzepte derart an die spezifische Fragestellung anzuwenden, dass am Ende ein qualifiziertes und optimiertes Resultat steht.

Beispiel

Übung Internet GIS

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