Geoinformationssystem (Geographic Information System), worum es sich handelt und wofür es verwendet wird

Beim Verwenden einer App oder Webseitenbesuch, auf der Informationen einer Karte angezeigt werden, wie z.B., durch interagieren mit einem Satellitennavigator, um in der Nähe das beste Restaurant zu suchen, verwenden wir eine Technologie, die aus einer einfachen Idee stammt und über einem Jahrhundert alt ist: das GIS.

In diesem Artikel werden wir das Thema GIS vertiefen und wie die BIM-GIS-Software in diesem Bereich nützlich sind.

Was ist ein GIS und wie funktioniert es

Ein GIS (Geographic Information System), oder Geoinformationssystem, ist ein fortschrittliches Computerwerkzeug, das es ermöglicht, Geodaten – also Informationen, die mit einer bestimmten Position auf der Erdoberfläche verknüpft sind – zu erfassen, zu speichern, zu verwalten, zu analysieren und zu visualisieren. Im Wesentlichen verbindet ein GIS beschreibende Daten (Attribute) mit geografischen Koordinaten und erlaubt so, räumliche Phänomene durch interaktive digitale Karten darzustellen und zu verstehen.

Es handelt sich also um eine Reihe von IT-/Geosystemen, die hauptsächlich entwickelt wurden für:

• die Verwaltung des Gebiets;
• die Stadt- und Infrastrukturplanung;
• die Untersuchung der Veränderungen des Territoriums im Laufe der Zeit;
• die Erstellung von Plänen für den Zivilschutz;
• die Erstellung von thematischen Karten (hydrographisch, seismisch, demografisch, zum Verkehr usw.);
• Statistik, Demografie;
• die Untersuchung des archäologisch-kulturellen, umweltbezogenen und baulichen Erbes;
• GPS-Anwendungen.

Die räumlichen Daten können vektoriell (Punkte, Linien und Polygone, die geografische Objekte darstellen) oder Raster (Pixelgitter, wie Satellitenbilder) sein und werden in relationalen Datenbanken gespeichert, die deren Verwaltung und Analyse erleichtern.

Durch das GIS ist es möglich, komplexe Vorgänge wie räumliche Abfragen, Netzwerkanalysen, Pufferanalysen und Überlagerungen von thematischen Schichten durchzuführen, um Beziehungen zwischen geografischen Elementen, wiederkehrende Muster und territoriale Kontexte zu identifizieren, die sonst schwer zu erfassen wären. Die Ergebnisse werden in Form von digitalen Karten, Grafiken oder interaktiven Berichten visualisiert und bieten leistungsstarke Werkzeuge für die Stadtplanung, das Umweltmanagement, den Verkehr, das Geomarketing, die öffentliche Gesundheit und viele andere Bereiche.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das GIS große Mengen an Rohgeodaten in nützliche und umsetzbare Erkenntnisse umwandelt, um standortbasierte Entscheidungen zu unterstützen.

GPS-Systeme basieren auf GIS-Technologien

GIS, die Vorgeschichte

Um genau zu verstehen, worum es sich bei GIS handelt, sollten wir das ganze Computerwissen beiseitelegen, da diese Methode im Jahr 1854 erstand, als im Londoner Stadtteil Soho, eine Epidemie ausbrach.

Damals führte ein Arzt namens John Snow, Studien der Cholerafälle durch, wobei er auf den Karten der Londoner Stadt, jeden Fall als Punkt an der entsprechenden Position darstelle, um die verschiedenen Fälle der Ansteckung und ihrer geografischen Verteilung, zur Quelle der Krankheit führten.

Durch diese Überwachung konnte er im Laufe der Zeit feststellen, dass einige Bereiche die Auslösung der Epidemie identifizierten: daraus ergab sich die Idee, eine bestimmte Eigenschaft zu georeferenzieren, um Rückschlüsse auf die Funktionsweise zu ziehen. Diese ist eine der ersten realen Anwendungen von GIS.

Historische Karte des Londoner Stadtteils SOHO

Das GIS ist daher ein System, das geografische Informationen mit anderen Informationen in einer Datenbank (demografische, ökologische, städtische usw.) verknüpft.

Eine der ersten Definitionen von GIS im digitalen Zeitalter, wurde im Jahr 1986 von Peter A. Burrough, Professor an der University von Oxford (UK), geprägt:

“Das GIS besteht aus einer Reihe von Softwaretools zum Erfassen, Speichern, Extrahieren, Verarbeiten und Anzeigen realer räumlicher Daten”

Elemente eines GIS-Systems

Das GIS wird heutzutage in Softwares integriert, welche typische Vorgänge in Datenbanken mit geografischen Analysen binden, d.h., sie kombinieren alphanumerische Informationen mit räumlichen Informationen, um georeferenzierte Informationen zu erhalten.

Geografische Informationen (Karten, Fotos usw.) spielen eine wichtige Rolle bei der Entscheidungsfindung und sind auch für nichttechnische Personen leicht und sofort verständlich.

Grundlegende Komponenten

Das GIS ist weit mehr als nur eine einfache Software: Es handelt sich um ein komplexes und integriertes System, das aus fünf grundlegenden Komponenten besteht, die zusammenarbeiten, um Geodaten zu erfassen, zu verwalten, zu analysieren und zu visualisieren.

• Hardware – umfasst alle physischen Geräte, die für den Betrieb des GIS erforderlich sind, wie Computer, Server, GPS, Scanner, Drucker und auch Drohnen. Diese Werkzeuge unterstützen die Verarbeitung, die Datenerfassung im Feld und die Erstellung hochwertiger kartografischer Ausgaben;
• Software – bildet das operative Herzstück des GIS. Sie umfasst Anwendungen, die es ermöglichen, die räumlichen Daten zu verarbeiten, Karten zu erstellen, Analysen durchzuführen und die Ergebnisse zu visualisieren. Oft integriert sie sich mit Datenbankmanagementsystemen (DBMS), um die Daten effizient zu organisieren;
• Daten – stellen den informativen Inhalt des Systems dar. Sie unterteilen sich in räumliche Daten, die die Position und Form geografischer Objekte (im Vektor- oder Rasterformat) beschreiben, und Attributdaten, die beschreibende Informationen über die dargestellten Elemente enthalten (z.B. Name einer Straße, Höhe eines Gebäudes);
• Methoden – umfassen alle Verfahren, Techniken und Praktiken, die erforderlich sind, um ein GIS korrekt zu nutzen. Von der Datenerfassung über deren Analyse bis hin zur Erstellung von Karten und Berichten definieren die Methoden den Arbeitsablauf und gewährleisten Konsistenz und Genauigkeit der Ergebnisse;
• Personen – das sind die Nutzer, die das System bedienen, verwalten und die erzeugten Informationen interpretieren. Dazu gehören GIS-Analysten, Techniker, Planer, Entscheidungsträger sowie alle, die Geodaten nutzen, um Strategien und Entscheidungen in Bereichen wie Stadtplanung, Umwelt, Verkehr und Katastrophenschutz zu unterstützen.

Die Synergie zwischen diesen Elementen ermöglicht es dem GIS, große Mengen an Rohgeodaten in nützliche und visuell effektive Informationen umzuwandeln, wodurch es zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Planung, Analyse und das Management des Territoriums wird.

Datenarten in GIS-Systemen

Im GIS können die Daten nach Format, Inhalt und Darstellungsweise klassifiziert werden, gemäß drei Hauptunterscheidungen: digitale und analoge Daten, räumliche und nicht-räumliche Daten sowie thematische Karten und Informationsschichten.

Digitale und analoge Daten

Die analogen Daten stellen territoriale Informationen in physischer Form dar, wie Papierkarten, Luftbilder auf Film oder Textdokumentationen. Um in einer GIS-Umgebung verwendet zu werden, müssen diese durch Scanning, Georeferenzierung oder manuelle Digitalisierung in digitale Formate umgewandelt werden. Im Gegensatz dazu sind die digitalen Daten nativ in elektronischer Form und sofort von einem Computer lesbar. Sie umfassen Vektor- und Rasterdaten von GPS-Sensoren, Satellitenbildern, alphanumerischen Datenbanken oder computergenerierten Karten. Diese Daten sind ideal für die Verarbeitung, Speicherung und Analyse in GIS-Software. In diesem Zusammenhang gibt es auf dem Markt die GIS und Geospatial, die sich von anderen Informationssystemen unterscheiden, da sie unendliche Nutzungsmöglichkeiten für alle Bedürfnisse im Zusammenhang mit geografischen Komponenten bieten.

Räumliche vs. nicht-räumliche Daten

Die räumlichen Daten (oder geografischen Daten) stellen Objekte mit einer genauen Lokalisierung auf der Erdoberfläche durch Koordinaten dar. Sie können mit Vektor-Geometrien (Punkte, Linien und Polygone) oder im Rasterformat (Zellengitter) modelliert werden und ermöglichen die Beantwortung der Frage „Wo befindet sich etwas?“. Die nicht-räumlichen Daten (oder Attribute) liefern hingegen beschreibende Informationen über räumliche Objekte, wie Namen, Daten, physische Merkmale, Landnutzung oder statistische Werte. Sie sind in Tabellen organisiert, die über eindeutige Identifikatoren mit geografischen Objekten verbunden sind, und bereichern die räumlichen Analysen und unterstützen informiertere Entscheidungen.

Thematische Karten und Informationsschichten

In einem GIS werden die Informationen durch thematische Karten und Informationsschichten dargestellt. Die thematischen Karten sind Karten, die sich auf ein spezifisches Phänomen konzentrieren – zum Beispiel die Bevölkerungsdichte, die landwirtschaftliche Nutzung des Bodens oder das hydrogeologische Risiko – und entstehen aus der Kombination von räumlichen Daten und Attributen, mit der Anwendung spezifischer Symbologien. Die Informationsschichten hingegen sind die verschiedenen digitalen Schichten, auf denen die verschiedenen Kategorien geografischer Daten organisiert und geschichtet werden. Jede Schicht kann eine spezifische Art von Entität (Straßen, Gebäude, Flüsse, Verwaltungsgrenzen) darstellen und einzeln oder in Kombination mit anderen analysiert werden. Das mehrschichtige Management der Schichten ermöglicht eine leistungsstarke, flexible und zielgerichtete räumliche Analyse.

Um das Thema weiter zu vertiefen, empfehle ich Ihnen, auch den Artikel „Räumliche Datenanalyse im GIS“ zu lesen.

Das LAYER-System an der Basis des GIS

Die operativen Phasen eines GIS-Projekts

Die Entwicklung eines GIS-Projekts folgt einem strukturierten Zyklus, der es ermöglicht, Rohdaten in nützliche geografische Informationen zur Unterstützung von Entscheidungen umzuwandeln. Dieser Prozess gliedert sich in drei Hauptphasen: Datenerfassung und -aktualisierung, territoriale Modellierung und Simulation sowie Visualisierung, Analyse und Darstellung. Diese Phasen sind miteinander verbunden und oft iterativ, was eine dynamische und konsistente Verwaltung der räumlichen Informationen gewährleistet.

Datenerfassung und -aktualisierung

Die erste Phase besteht in der Erfassung und Vorbereitung der geografischen Daten, die aus verschiedenen Quellen stammen können: GPS-Vermessungen, Fernerkundung, Luftbilder, digitale Karten, Volkszählungen, bestehende Datenbanken oder Feldmessungen. Darauf folgt eine entscheidende Phase der Vorbereitung und Bereinigung, die die Georeferenzierung, die Umwandlung in konsistente Koordinatensysteme und die Validierung der Daten umfasst, um Fehler oder Inkonsistenzen zu korrigieren. Die kontinuierliche Aktualisierung der Informationen ist entscheidend, da sie es ermöglicht, das GIS-System im Einklang mit den Veränderungen des Territoriums und der analysierten Phänomene zu halten.

Modellierung und territoriale Simulation

Nachdem die Daten erfasst und organisiert wurden, erfolgt die Modellierung, also die strukturierte Darstellung der geografischen Realität in konzeptionellen, physischen und logischen Modellen. Diese Phase ermöglicht es, die räumlichen Beziehungen zwischen den Objekten (Topologie) zu definieren und die Daten effizient innerhalb von geospatialen Datenbanken zu strukturieren. Die territoriale Simulation ermöglicht es dann, alternative Szenarien vorherzusagen und komplexe Phänomene zu analysieren, wie die städtische Expansion, das Risikomanagement, die Infrastrukturplanung oder die Umweltwirkungen. Mit fortschrittlichen GIS-Tools ist es möglich, Eignungsanalysen durchzuführen, Strömungen zu simulieren und strategische Entwicklungsoptionen zu bewerten.

Visualisierung, Analyse und Darstellung

Die letzte Phase betrifft die Umwandlung der Daten in verständliche und kommunizierbare Informationen. Dies geschieht durch thematische Karten, Informationsschichten, dreidimensionale Modelle, Dashboards und interaktive Berichte. Die Techniken der räumlichen Analyse, wie geografische Abfragen, Näheanalysen, Überlagerungen, Geostatistik und Netzwerkanalysen, ermöglichen es, spezifische Fragen zu beantworten und verborgene Muster in den Daten zu identifizieren. Die kartografische Darstellung ist schließlich ein grundlegendes Werkzeug, um die Ergebnisse klar zu kommunizieren und die Entscheidungsprozesse effektiv zu unterstützen, auch dank der Nutzung von WebGIS und Anwendungen, die in Echtzeit zugänglich sind.

Die Komplexitätsstufen eines GIS

Im Allgemeinen werden drei Hauptnutzungsstufen identifiziert, die eine zunehmende Entwicklung der verfügbaren Funktionen und der Analysefähigkeiten widerspiegeln.

• Stufe 1 – GIS als Werkzeug zur grundlegenden Visualisierung und Abfrage. In dieser Anfangsphase arbeitet das System mit einer einzelnen Informationsschicht und ermöglicht einfache Operationen wie die Visualisierung, die Berechnung von Entfernungen oder Flächen, die Identifizierung von Attributen und die Durchführung grundlegender Abfragen. Es ist die typische Stufe für diejenigen, die das GIS als thematisches Archiv nutzen, beispielsweise um die Karte eines Straßennetzes zu konsultieren oder die Position einer Infrastruktur zu überprüfen;
• Stufe 2 – Multilayer-GIS für komplexe räumliche Analysen. Mit der Einführung mehrerer überlagerter Schichten wird das GIS zu einem leistungsfähigeren Analysewerkzeug. Auf dieser Stufe werden fortgeschrittene räumliche Analysen wie Überlagerungen, Puffer, räumliche Joins oder Näheanalysen durchgeführt. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Stadtplaner die optimale Lage für einen Park unter Berücksichtigung der Bevölkerungsdichte, der Verfügbarkeit von Grünflächen und der bebaubaren Flächen bewertet;
• Stufe 3 – GIS als Plattform für Modellierung und Entscheidungsunterstützung. Die fortschrittlichste Stufe sieht die Verwendung komplexer Algorithmen, Simulationen und prädiktiver Modellierungen vor. Die Daten stammen aus heterogenen Quellen und werden integriert, um Szenarien („Was-wäre-wenn“) zu simulieren, strategische Entscheidungsprozesse zu unterstützen oder großflächige Interventionen zu planen. In diesem Kontext kann ein GIS verwendet werden, um die Auswirkungen einer Überschwemmung vorherzusagen, optimierte Verkehrsnetze zu planen oder Standortentscheidungen durch Mehrkriterien-Analysen zu unterstützen.

Diese drei Stufen stellen eine Skala zunehmender Raffinesse des GIS dar, die sich von einem einfachen Werkzeug zur kartografischen Konsultation zu einem fortschrittlichen Entscheidungssystem entwickelt. Der Übergang von einer Stufe zur anderen ist nicht starr, sondern allmählich und hängt von der Fähigkeit des Benutzers oder der Organisation ab, immer komplexere Daten zu verwalten und zu interpretieren, um ein vertieftes Verständnis des Territoriums zu erlangen.

Was ist GIS – Video

Im Folgenden präsentieren wir ein kurzes Video (in englischer Sprache), das kurz erklärt, was GIS ist.

FAQ: Was ist GIS?

Was ist ein GIS und wozu dient es?

Ein GIS (Geographic Information System) ist ein Computersystem, das es ermöglicht, geospatiale Daten zu erfassen, zu speichern, zu verwalten, zu analysieren und zu visualisieren, also Daten, die mit einem geografischen Standort verbunden sind. Es dient Anwendungen wie der Stadtplanung, dem Umweltmanagement, der demografischen Analyse und dem Zivilschutz.

Was sind die Hauptanwendungen des GIS?

Die Hauptanwendungen umfassen das Management des Territoriums, die Stadt- und Infrastrukturplanung, die Untersuchung territorialer Veränderungen, den Zivilschutz, die Erstellung von thematischen Karten, Statistik und Demografie, archäologische und kulturelle Analysen sowie GPS-Anwendungen.

Was ist die Geschichte und der Ursprung des GIS?

Der Ursprung des GIS geht auf das Jahr 1854 zurück, als Dr. John Snow die Cholera-Fälle im Londoner Stadtteil Soho kartierte, um die Quelle der Epidemie zu identifizieren. Dies stellt eine der ersten Anwendungen der Georeferenzierung von Daten für räumliche Analysen dar.

Was sind die grundlegenden Komponenten eines GIS-Systems?

Die fünf Hauptkomponenten sind: Hardware (z.B. Computer, GPS, Drohnen), Software (z.B. GIS-Software und Datenbanken), Daten (räumliche und Attributdaten), Methoden (Verfahren und Arbeitsabläufe) und Personen (Benutzer, Analysten, Entscheidungsträger).

Welche Arten von Daten werden in GIS verwendet?

Es werden digitale und analoge Daten, räumliche (mit geografischen Koordinaten) und nicht-räumliche (beschreibende Attribute) Daten verwendet, die in thematischen Karten und Informationsschichten organisiert sind. Die Hauptformate sind vektoriell und Raster.

Was sind die operativen Phasen eines GIS-Projekts?

Die drei Hauptphasen sind: Datenerfassung und -aktualisierung, territoriale Modellierung und Simulation, Visualisierung und Analyse der Daten mit Darstellung durch Karten, Schichten und interaktive Dashboards.

Was sind die Komplexitätsstufen der Nutzung eines GIS?

Die Hauptstufen sind drei: 1) GIS für einfache Visualisierung und Abfragen, 2) Multilayer-GIS für komplexe räumliche Analysen, 3) GIS als Plattform für Modellierung und Entscheidungsunterstützung mit Simulationen und Analysen.