Der Mensch ist immer irgendwo. Schon in grauer Vorzeit hat er deshalb begonnen, seine örtlichen Verhältnisse zeichnerisch darzustellen - eine Kunstform, die sich zur Wissenschaft entwickelte und heute als Kartografie bekannt ist. Wie die meisten wissenschaftlichen und künstlerischen Disziplinen profitiert auch die Kartenherstellung vom Computerzeitalter: Noch vor wenigen Jahren war der Beruf des Kartografen dem des Kupferstechers sehr ähnlich; heute entsteht kaum noch Kartenmaterial ohne Software-Unterstützung. Das Thema ist brandheiss -eine Google-Suche nach Schweizer Seiten, die den Begriff GIS enthalten, liefert allein schon 20'800 Antworten.
Geografische Karten lassen sich mit jedem Vektorgrafikprogramm im Stil von Illustrator oder Freehand erstellen. Ein echtes geografisches Informationssystem (GIS) geht aber bereits bei der Kartenproduktion wesentlich weiter: Es präsentiert ortsbezogene Informationen, die aus einer Datenbank stammen, in flexibel konfigurierbaren Ansichten. Die Karte wird nicht vom Illustrator gezeichnet, das GIS generiert sie automatisch. Erst danach wird sie allenfalls, entweder im GIS selbst oder in einem Grafikprogramm, ästhetisch verfeinert und mit zusätzlichen Grafiken und Bildern angereichert.
Beim Erstellen der Karte können Massstab und Ausschnitt frei gewählt werden, und es werden aus den gesamten vorhandenen Daten nur gerade die gewünschten Gegenstände zur Anzeige gebracht. Der selbe Datenbestand kann als Basis für eine Strassenkarte oder eine Übersicht über die bebauten Flächen dienen: Die auf dem Markt erhältlichen Geodaten haben zumeist mehrere sogenannte Layer, die der GIS-User für die Präsentation wahlweise ein- oder ausschalten kann. Jeder Layer enthält Objekte eines bestimmten Typs; der Datenbestand besteht zum Beispiel aus Layern mit Strassen, Gebäuden, Gewässern und Kunden sowie einem Layer mit Höhenangaben.
Zu diesen Vektor-Layern, in denen die aus den Geodaten generierten Objekte enthalten sind, können je nach Notwendigkeit und Geschmack Raster-Layer mit fotografischem oder anderweitigem Bildmaterial hinzukommen, zum Beispiel ein Relief oder ein Luftbild. Die Gesamtheit der Layer ergibt die vollständige Karte.
Die Kartenherstellung ist aber nur eine von zahlreichen GIS-Anwendungen. Ein echtes GIS - im Gegensatz zu blossen Karten-Anzeigeprogrammen wie SwissMap - bietet umfassende analytische Funktionen, mit denen sich ortsbezogene Daten miteinander in Beziehung bringen lassen. Das Resultat der Analyse wird dann entweder als Karte oder in Form von statistischen Angaben präsentiert.
Ein Beispiel: Es liegen Datenbanken vor mit Angaben über die Standorte und die Grösse von Schulhäusern, die Anzahl der Kinder pro Altersstufe in jedem Quartier sowie die Quartiergrenzen. Mit dem GIS lässt sich nun zum Beispiel eine Karte erstellen, in der die Stadtquartiere entsprechend dem Verhältnis zwischen der Anzahl Schulplätze und der Anzahl demnächst einzuschulender Kinder verschiedenfarbig dargestellt sind - auf den ersten Blick ist zu erkennen, wo die Schulhäuser ausgelastet sind und wo noch genügend Platz vorhanden ist. Solche Karten, die mit Farben und Symbolen bestimmte Gegebenheiten visualisieren, nennt man thematische Karten.
Ein GIS hat demnach drei Gesichter: Es kann ortsbezogene Daten verwalten, grafisch darstellen und mathematisch analysieren und ist damit gleichzeitig Datenbank, Grafikprogramm und Analysewerkzeug. GIS-Hersteller ESRI formuliert es so: "Ein GIS ist kartografische Software, die Informationen über den Standort von Gegenständen mit Informationen über deren weitere Eigenschaften zusammenbringt."
Es liegt auf der Hand, dass derart komplexe Software nicht wie ein simples Textprogramm auf Anhieb jedem User Nutzen bringt: Der Umgang mit einem GIS erfordert umfassende Kenntnisse der Software und ihrer Möglichkeiten. Ohne eingehende Schulung bringt das beste GIS nichts.
Im GIS-Umfeld unterscheidet man drei geometrische Basistypen, an denen der Ortsbezug von Daten fixiert werden kann: Punkte, Linien und Flächen.
Die Position einzelner Betrachtungsgegenstände, wie zum Beispiel Kunden, Gebäude, Aussichtstürme oder Hydranten, lässt sich mit einem Punktobjekt erfassen, das durch seine x/y-Koordinaten und optional eine z-Koordinate definiert ist.
Für Strassen, Flüsse, Eisenbahntrassen, Leitungen für Elektrizität, Wasser und Gas werden komplexere Objekte benötigt: Eine Linie kann eine einfache Punkt-zu-Punkt-Verbindung sein - dann genügen zwei Koordinatenpaare zur genauen Definition - oder aber eine Folge mehrerer solcher Linien, man spricht dann von Mehrpunktlinien oder Polylines. Eine weitere Möglichkeit sind Bezierkurven und Kreisbögen. Mit einer Kombination dieser Linientypen lässt sich jede Verbindung zwischen zwei beliebigen Punkten beschreiben.
Flächenobjekte repräsentieren Gegenstände wie Seen, Quartiere, Länder oder einfach den Geltungsbereich einer statistischen Angabe. Eine Fläche wird definiert durch ihre Begrenzung, also durch eine oder mehrere geschlossene Linien - "Löcher" innerhalb einer Fläche sind möglich, nicht aber Überschneidungen der Begrenzungslinien.
Neben den ortsbezogenen Koordinaten kann jedes Objekt im GIS eine beliebige Anzahl weiterer Attribute aufnehmen: Für einen See zum Beispiel den Namen, die Art des Gewässers (natürlicher oder Stausee?), die Nutzung (Schiffsverkehr ja oder nein?), die maximale Tiefe und die Höhe des Wasserspiegels über Meer. Diese Attribute dienen zusammen mit den Koordinaten als Basis für spätere Analysen.
Die Verknüpfung der Koordinatenangaben mit den übrigen Attributen eines Objekts nennt man Geocodieren - bei grossen Datenmengen ein zeitraubender Vorgang, der sich zudem nur beschränkt automatisieren lässt, da die meisten statistischen Datenbestände keine oder nur annähernde Angaben über die geografische Position der untersuchten Objekte enthalten. Der Aufwand an "Handarbeit", der bis zum perfekt aufbereiteten GIS-Datenbestand erforderlich ist, mag mit ein Grund für die hohen Lizenzpreise der am Markt erhältlichen Geodaten sein.
Nicht mit dem Geocoding zu verwechseln ist das Digitizing, ebenfalls ein häufig vorkommender manueller Vorgang in der GIS-Welt. Hier geht es darum, aus bestehenden Karten und fotografischem Material wie Luftbildern digitale Geodaten zu erzeugen. Das typische Handwerkszeug ist ein Digitalisiertablett mit Fadenkreuz-Cursor, über den die Position der zu digitalisierenden Objekte Punkt für Punkt ins GIS eingegeben wird.
Der typische Datensatz einer GIS-Datenbank ist somit recht komplex aufgebaut. Zwar lassen sich alle benötigten Angaben mit gewöhnlichen Zahlenwerten und Zeichenketten in einer herkömmlichen relationalen Datenbank erfassen; die Bearbeitung von GIS-Objekten erfordert aber einiges an Rechenleistung - vor allem, wenn wie in fast jeder Karte nicht einige wenige Objekte, sondern eine realistische geografische Situation dargestellt werden soll. Die Anzahl von Punkten, Linien und Flächen, die bei einer Analyse zu berücksichtigen sind, geht rasch in die Zigtausende.
Einige Datenbankhersteller haben deshalb Unterstützung für ortsbezogene Daten in ihre Produkte integriert oder bieten entsprechende Optionen an, so etwa Oracle mit der Spatial-Option zur Enterprise Edition von 9i oder IBM mit dem DB2 Spatial Extender. Auch verschiedene GIS-Hersteller widmen sich der Problematik, darunter Mapinfo, die mit dem Produkt SpatialWare den RDBMS-Lösungen von Microsoft (SQL Server), IBM (DB2) und Informix ortsbezogene Fähigkeiten verleiht.
Eine der wichtigsten Aufgaben dieser Spatial-Erweiterungen ist die Indexierung der ortsbezogenen Koordinaten, ohne die Operationen wie "Overlap" (Extraktion der überlappenden Fläche zweier Objekte), "Within" (liegt ein Objekt innerhalb der Fläche eines anderen?), "Buffer" (Erzeugen einer Fläche mit bestimmtem Abstand rund um ein bestehendes Objekt) oder "Centroid" (Bestimmung des Mittelpunkts eines Objekts) sowie die Berechnung von Abständen zwischen Objekten und von Flächen quälend langsam würden.
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