L1: Einführung in Geographische Informationssysteme - Skript¶

1.1 Motivation und Bedeutung von GIS¶

Warum beschäftigen wir uns überhaupt mit Geographischen Informationssystemen (Geographic Information Systems, GIS)? Die Antwort liegt in einer einfachen Beobachtung: Der geografische Standort (Geographic Location) ist ein wichtiges Attribut für nahezu jede menschliche Aktivität, für Richtlinien, Strategien und Pläne. Egal ob es um die Wahl eines Firmenstandorts, die Planung einer Evakuierungsroute oder die Analyse von Krankheitsausbrüchen geht - der Raumbezug spielt fast immer eine Rolle.

Geografische Probleme (Geographic Problems) beinhalten stets einen Aspekt des Standorts. Entweder steckt dieser Aspekt in den Informationen, die zur Lösung herangezogen werden, oder er steckt in den Lösungen selbst. GIS sind dabei eine spezielle Art von Informationssystemen, die nicht nur Ereignisse, Aktivitäten und Dinge erfassen, sondern auch festhalten, wo diese Ereignisse, Aktivitäten und Dinge stattfinden oder existieren. Tatsächlich verwenden wir im Alltag bereits GIS-basierte Anwendungen, ohne darüber nachzudenken - Wegfindung, Navigation und ortsbezogene Suche sind alltägliche Beispiele.

GIS beantworten Fragen bezüglich des "WO". Diese lassen sich in fünf Kategorien einteilen. Erstens Standortfragen: Wo wird Kautschuk angebaut? Wo können Mozartkugeln gekauft werden? Zweitens Musterfragen (Pattern): Wo treten Verkehrsunfälle gehäuft auf? Wo ist der Anteil von Senioren an der Gesamtbevölkerung am höchsten? Drittens Trendfragen (Trends): Wo schmelzen die Gletscher am schnellsten ab? Wo fand im vergangenen Jahr der größte Zuzug statt? Viertens Umstandsfragen (Conditions): Wo befindet sich ein Hotel mit direktem Zugang zum Skigebiet? Wo befinden sich Atomkraftwerke mit mehr als einer Million Einwohnern im Umkreis von 50 km? Und fünftens Folgerungen (Implications): Wie würde sich die Zustellroute ändern, wenn ein weiterer Kunde serviciert wird? Wie sieht das Einzugsgebiet aus, wenn das Krankenhaus an einem anderen Standort neu gebaut werden würde?

1.2 GIS in der Praxis und Definitionen¶

Ein berühmtes historisches Beispiel für räumliche Analyse ist die Arbeit von Dr. John Snow und der Choleraausbruch von 1854 in der Londoner Broad Street. Dr. Snow gilt als "Vater der modernen Epidemiologie". In den 1850er Jahren war Cholera nur sehr unzureichend erforscht, und in den großen Industriestädten kam es häufig zu massiven Ausbrüchen. Snow kartierte die Todesfälle des Ausbruchs im Stadtteil Soho auf einer Karte und konnte so eine verdächtige Häufung rund um eine bestimmte Wasserpumpe identifizieren. Die Slide zeigt rechts seine originale Karte mit den eingezeichneten Todesfällen.

Unterrichtseinheiten zur Einführung in GIS beginnen in der Regel mit dieser Geschichte, weil sie den Grundgedanken perfekt illustriert: Durch die räumliche Darstellung von Daten werden Zusammenhänge sichtbar, die in Tabellen verborgen bleiben. Der Textquellen-Hinweis stammt aus Longley et al. (2005), Geographic Information Systems and Science, 2nd Edition.

Die formale Definition nach Longley et al. lautet: "Geographical Information Systems (GIS) are a special class of information systems that keep track not only of events, activities, and things, but also of where these events, activities, and things happen or exist." GIS sind also Informationssysteme mit explizitem Raumbezug.

Eine zweite, funktionalere Definition beschreibt die Kernfähigkeiten: Ein GIS hat die Fähigkeit, eine Vielzahl von räumlich bezogenen Daten (Spatially Related Data) zu speichern (store), abzurufen (retrieve), zu bearbeiten (manipulate) und zu analysieren (analyse). Mit einem GIS kann man kartenbezogene Fragen stellen, nach Mustern und Verteilungen suchen und die zugrundeliegenden Beziehungen zwischen unterschiedlichen Datensätzen untersuchen. GIS verarbeiten Daten schnell und effizient und bieten Kartierungsfunktionen, die manuell viele Stunden in Anspruch nehmen würden.

1.3 Nutzen und Vorteile von GIS¶

Warum brauchen wir GIS konkret? Die Vorteile lassen sich in fünf Bereiche gliedern.

Der erste Bereich ist die Förderung der Effizienz. Ein klassisches Beispiel ist das Fuhrparkmanagement (Fleet Management): GIS-basierte Informationssysteme integrieren gängige Datenbankoperationen wie Abfragen, Verknüpfungen und Analysen mit der räumlichen Dimension. Auf Slide 7 sieht man rechts eine Kartenansicht mit Fahrzeugrouten und Standorten. Karten bieten dabei eine einzigartige Visualisierung und ermöglichen geografische Analysen, die in reinen Tabellen nicht möglich wären.

Der zweite Bereich ist die Verbesserung der Kommunikation. Karten und Visualisierungen sind universell verständlich. Was in einer Tabelle mit tausend Zeilen undurchsichtig bleibt, wird auf einer Karte sofort erkennbar - etwa die Häufung von Schadensfällen in einem bestimmten Stadtviertel oder die ungleiche Verteilung von Infrastruktur.

Der dritte Bereich ist die Entscheidungsunterstützung (Decision Support): GIS helfen, klare und nachvollziehbare Entscheidungen zu treffen. Beispiele sind die Auswahl von Immobilienstandorten, die Planung von Routen und Korridoren, Evakuierungsplanung, Naturschutz und die Gewinnung natürlicher Ressourcen.

Der vierte Bereich betrifft das Verfolgen von Informationen, Daten und Aufzeichnungen: GIS ermöglichen die Aufrechterhaltung maßgeblicher Aufzeichnungen über den Status und die Veränderung der Geografie in einem Land - etwa die Dokumentation von Flächennutzungsänderungen oder die Nachverfolgung von Infrastrukturprojekten.

Der fünfte Bereich ist das geographische Management: Wenn wir verstehen, was im geografischen Raum geschieht und was geschehen wird, können wir Maßnahmen vorschreiben und proaktiv handeln. Das ist die Grundlage für Raumplanung, Umweltmanagement und viele weitere Disziplinen.

1.4 Besonderheiten geographischer Information¶

Was macht geografische Informationen eigentlich so besonders? Im Vergleich zu anderen Informationsarten unterscheiden sich Geodaten in mehreren wesentlichen Merkmalen und erfordern daher besondere Analysemethoden.

Zunächst ist geografische Information mehrdimensional: Um einen Ort zu definieren, müssen mindestens zwei Koordinaten angegeben werden (Länge und Breite), oft kommt eine dritte Dimension (Höhe) und eine vierte (Zeit) hinzu. Dann ist sie umfangreich: Eine geografische Datenbank kann leicht eine Größe von einem Terabyte erreichen, etwa wenn hochauflösende Satellitenbilder oder flächendeckende Geländemodelle gespeichert werden.

Weiterhin gibt es unterschiedliche Darstellungsformen für dieselbe geografische Realität - und die Art und Weise, wie man Geodaten darstellt, kann die Leichtigkeit der Analyse und die Endergebnisse stark beeinflussen. Geografische Information erfordert eine Projektion auf eine flache Oberfläche, weil die Erdoberfläche gekrümmt ist. Sie erfordert zudem einzigartige Analysemethoden, die den Raumbezug berücksichtigen - klassische statistische Methoden reichen nicht aus. Analysen erfordern häufig die Datenintegration aus unterschiedlichen Quellen und Formaten.

Ein weiterer wichtiger Punkt: Datenaktualisierungen sind teuer und zeitaufwendig. Geodaten veralten schnell - Straßen werden gebaut, Gebäude abgerissen, Grenzen verschoben. Und schließlich erfordern Kartendarstellungen einen schnellen Datenabruf, weil Nutzer erwarten, dass Karten flüssig gerendert werden, auch wenn Millionen von Geometrien dargestellt werden müssen.

1.5 Typen von GIS: Desktop vs. Online GIS¶

GIS-Anwendungen lassen sich grundsätzlich in zwei Kategorien einteilen: Desktop GIS und Online GIS. Beide haben ihre Berechtigung und ergänzen sich in der Praxis.

Desktop GIS¶

Ein Desktop GIS ist ein lokal installiertes Geoinformationssystem, das auf dem eigenen Rechner läuft. Es bietet eine große Anzahl von Funktionalitäten: Datenerstellung, Bearbeiten von Daten, Koordinatentransformationen, Speichern von Daten, räumliches Analysieren, Abfragen und Selektieren sowie Visualisierung. Auf Slide 12 sieht man rechts die Oberfläche von QGIS mit einer Kartenansicht und verschiedenen Layer-Symbologien.

Bei Desktop GIS unterscheidet man zwischen Open-Source-Lösungen und kommerziellen Produkten. Zu den offenen Lösungen gehören QGIS, GRASS GIS (Geographic Resources Analysis Support System), JUMP und SAGA GIS (System for Automated Geoscientific Analyses). Auf der kommerziellen Seite stehen Produkte wie Esris ArcGIS, GeoMedia und Manifold.

Online GIS¶

Online GIS folgt den Prinzipien des Web 2.0: nutzergenerierte Inhalte, Zugang zu kollektiver Intelligenz, das Web als Plattform, Programmierung im Mashup-Stil, mobile Lösungen und ein reichhaltiges Nutzererlebnis. Online GIS bietet in der Regel eine bestimmte, vorgegebene Anzahl von Funktionalitäten, abhängig von Benutzeranforderungen und Erfahrungen.

Auf Slide 13 sieht man oben das Architekturdiagramm der INSPIRE Network Service Architecture (Infrastructure for Spatial Information in the European Community). Ein Provider kann Dienste publizieren (Publish), ein User kann diese finden (Find) und sich daran binden (Bind). Die Dienste umfassen Discovery Service, View Service, Download Service, Transformation Service und Invoke Spatial Data Service.

Online GIS besteht aus Komponenten zum Verwalten und Speichern von Daten, zum Veröffentlichen von Karten und Daten aus einer Vielzahl von Formaten und Quellen auf einem Map-Server, zum Erstellen von flexiblen Benutzeroberflächen und individuellen Workflows im Browser, zum Analysieren und Veröffentlichen von Geodaten sowie zum Zugriff und Bearbeitung von Daten unter Verwendung offener Standards. Hier spielen die OGC-Standards (Open Geospatial Consortium) eine zentrale Rolle: WMS (Web Map Service) liefert Kartenbilder, WFS (Web Feature Service) liefert Vektordaten, WCS (Web Coverage Service) liefert Rasterdaten, und WPS (Web Processing Service) ermöglicht serverseitige Analysen.

Vorteile und Nachteile von Online GIS¶

Online GIS bietet zahlreiche Vorteile. Es ermöglicht die effektive Organisation von Geodaten, setzt auf das Prinzip "Nutzen statt selbst Speichern" und reduziert damit redundante Datenhaltung. Online GIS ist plattformübergreifend - unabhängig von Betriebssystem, Programmiersprache und Programmierumgebung. Es fördert eine Online-Gemeinschaft, in der Daten und Werkzeuge geteilt werden.

Es gibt aber auch Nachteile: Die Abhängigkeit von Server- und Internetverfügbarkeit ist der offensichtlichste. Wenn der Server ausfällt oder die Internetverbindung unterbrochen ist, stehen die GIS-Funktionen nicht zur Verfügung. Außerdem sind die Analysemöglichkeiten häufig eingeschränkter als bei einem vollwertigen Desktop GIS.

1.6 GIS-Software-Landschaft¶

Überblick¶

Der GIS-Softwaremarkt wird von einigen großen Akteuren dominiert. An erster Stelle steht Esri (Environmental Systems Research Institute), gegründet 1969 von Jack und Laura Dangermond mit Hauptsitz in Redlands, Kalifornien. Esri hat über eine Million Nutzer weltweit und bietet die ArcGIS Product Family an.

Daneben gibt es andere kommerzielle Anbieter wie MapInfo, Autodesk und Leica Geosystems. Im Open-Source-Bereich finden sich QGIS, GRASS GIS, SAGA, gvSIG und GeoServer (ein Open-Source-Server für die Bereitstellung von Geodatendiensten).

Die ArcGIS-Plattform¶

Die ArcGIS-Plattform gliedert sich in drei Säulen, wie auf Slide 18 dargestellt.

ArcGIS Desktop umfasst die lokalen Anwendungen. Historisch bestand ArcGIS Desktop aus den separaten Programmen ArcMap, ArcScene, ArcGlobe und ArcCatalog - diese sind mittlerweile als "deprecated" (veraltet) gekennzeichnet. Der Nachfolger ist ArcGIS Pro, das alle diese Funktionalitäten in einer einzigen, modernen Anwendung vereint.

ArcGIS Online ist ein von Esri gehosteter Cloud-Dienst nach dem SaaS-Modell (Software as a Service). Es stellt von Esri bereitgestellte Inhalte und Services zur Verfügung, darunter Basiskarten und den Living Atlas - eine umfangreiche Sammlung geographischer Inhalte aus aller Welt.

ArcGIS Enterprise richtet sich an Organisationen, die GIS-Infrastruktur in ihrer eigenen IT betreiben möchten. Es bietet erweiterte GIS-Funktionalitäten durch verschiedene Server-Komponenten: GIS Server, Image Server, Geoevent Server und GeoAnalytics Server.

Das Zusammenspiel dieser drei Säulen wird auf Slide 18 rechts als Architekturdiagramm dargestellt: Desktop-, Web- und Device-Apps greifen alle auf ein zentrales Portal zu, das wiederum auf Server-Dienste und Online Content and Services zugreift.

ArcGIS Pro im Detail¶

ArcGIS Pro ist die aktuelle Desktop-GIS-Anwendung von Esri. Es handelt sich um eine 64-Bit-Software, die Multi-Threading unterstützt und damit moderne Hardware besser ausnutzt als der Vorgänger ArcMap. ArcGIS Pro ist direkt in ArcGIS Online integriert, unterstützt 2D- und 3D-Darstellung gleichzeitig, erlaubt die Arbeit mit mehreren Karten und Layouts in einem Projekt und bietet alle Analyse-Werkzeuge sowie einfache Such- und Abfragefunktionen. Auf Slide 20 sieht man die ArcGIS Pro Oberfläche mit einer 3D-Ansicht einer Stadt, in der Gebäude nach ihrer jährlichen Sonneneinstrahlung (Mean Yearly Solar) farblich eingefärbt sind.

Die Kernfunktionen von ArcGIS Pro lassen sich in vier Bereiche gliedern: GIS-Editierung (2D und 3D), Kartierung und Visualisierung (2D- und 3D-Kartographie, mehrere Layouts, Transparenz, Animation), Analyse (alle räumlichen Analysewerkzeuge) sowie Daten teilen (Sharing). Auf Slide 21 sieht man die Oberfläche mit nummerierten Bereichen, die im nächsten Abschnitt zu den UI-Komponenten näher erläutert werden.

Slide 23 zeigt, wie ArcGIS Pro die früheren separaten Desktop-Komponenten integriert. Links sieht man die alten Einzelanwendungen: ArcMap/ArcCatalog für Kartierung und Datenverwaltung, ArcGlobe/ArcScene für 3D-Visualisierung, und CityEngine für 3D-Stadtmodellierung. Alle diese Funktionen - Editing, Analysis, Mapping & Visualization, Sharing - fließen nun in ArcGIS Pro zusammen.

ArcGIS Online¶

ArcGIS Online ist eine von Esri erstellte und gepflegte Website, die der Arbeit mit Karten und Daten gewidmet ist. Es fungiert als Online-"Lager" mit Karten, Daten, Anwendungen und Werkzeugen, die von Esri, Esri-Partnern und der GIS-Gemeinschaft bereitgestellt werden. Auf Slide 24 sieht man links eine Kartenansicht der VGD (Verwaltungsgrenzen) Salzburg in ArcGIS Online und rechts ein Architekturdiagramm, das die Beziehung zwischen Users (Desktop, Web, Mobile), ArcGIS Online (Online Basemaps, Geocoding, Routing, Hosted Feature & Tile Map Services, App Templates) und Esri Managed Services (Custom Web Apps, GP/Reporting Services, Imagery, Large Datasets, Dynamic Map Services, RDBMS) zeigt.

1.7 Praktische Übung: Einstieg in Geodaten¶

In der praktischen Übung der ersten Einheit werden zwei Datenquellen erkundet und in ArcGIS Pro sowie ArcGIS Online geladen.

METAR-Wetterstationsdaten¶

Als erste Datenquelle dienen METAR-Wetterstationsdaten (Meteorological Aerodrome Report) im CSV-Format (metar.csv). Auf Slide 26 sieht man links die Datei in Excel geöffnet: Jede Zeile repräsentiert eine Wetterstation mit Attributen wie station_ID, latitude, longitude, elevation_m, observation_time, temperature, dewpoint, wind_dir_deg, wind_speed und pressure_hpa. Rechts oben sieht man denselben Datensatz als Rohtext (semikolongetrennt) und rechts unten die resultierende Kartenvisualisierung in ArcGIS Online, bei der die Stationen weltweit als farbcodierte Punkte nach Temperatur dargestellt werden.

Offene Geodaten: data.gv.at¶

Die zweite Datenquelle ist data.gv.at, die offene Datenplattform für Österreich. Hier werden qualitätsgesicherte Geodaten für Verwaltungszwecke zur gemeinsamen Nutzung bereitgestellt. Für die Übung werden die Verwaltungsgrenzen (VGD) des Bundeslandes Salzburg heruntergeladen. Auf Slide 27 sieht man die Suchoberfläche von data.gv.at mit dem Suchbegriff "verwaltungsgrenzen salzburg".

Das Shapefile-Format¶

Die VGD-Daten werden als Shapefile bereitgestellt, einem weit verbreiteten Geodatenformat. Ein Shapefile besteht aus mindestens vier zusammengehörigen Dateien, die auf Slide 30 links im Dateisystem sichtbar sind:

.shp (Shape-Datei): Enthält die Geometrie der Features (Punkte, Linien, Polygone). Im Beispiel ist die Datei 6.646 KB groß.
.dbf (dBASE-Datei): Enthält die Sachdaten (Attribute) in Tabellenform, hier 167 KB.
.prj (Projection-Datei): Definiert das Koordinatensystem und die Projektion, hier nur 1 KB.
.shx (Shape-Index-Datei): Enthält den räumlichen Index für schnellen Zugriff auf die Geometrien, hier 4 KB.

Alle vier Dateien müssen im selben Verzeichnis liegen und denselben Dateinamen tragen, damit das Shapefile korrekt gelesen werden kann. Rechts auf Slide 30 sieht man das Ergebnis: Die Gemeindegrenzen des Bundeslandes Salzburg, dargestellt in ArcGIS Pro mit einer Attributtabelle, die Informationen wie KG_NR, KG (Katastralgemeinde), MERIDIAN, GKZ (Gemeindekennzahl), PG (Politische Gemeinde), BKZ und PB (Politischer Bezirk) enthält.

Arbeiten mit ArcGIS Pro¶

Der Einstieg in ArcGIS Pro beginnt mit dem Öffnen der Anwendung und der Anmeldung über die ArcGIS-Organisation (zgis.maps.arcgis.com). Man erstellt ein neues Projekt mit einer Karte (Map) und gibt dem Projekt einen Namen und einen Speicherort.

ArcGIS Pro User Interface¶

Die Benutzeroberfläche von ArcGIS Pro besteht aus sechs zentralen Komponenten, die auf Slide 29 nummeriert dargestellt sind:

Project Tab: Ermöglicht den Zugriff auf Anwendungseinstellungen und andere konfigurierbare Eigenschaften.
The Ribbon: Hier werden Befehle auf einer Reihe von Registerkarten organisiert - ähnlich wie in Microsoft Office.
The Command Search Box: Über die Befehlssuche kann man nach Geoverarbeitungswerkzeugen suchen, diese öffnen und Befehle der Bedienoberfläche ausführen. Man kann auch auf Hilfethemen zugreifen, die für die Suchbegriffe relevant sind.
Contents Pane: Enthält die Elemente, die mit der aktiven Ansicht in Verbindung stehen - also eine Karte, eine Szene, ein Layout oder eine Ansicht des Katalogs.
Table View: Ansichten wie die Karten-, Szenen- und Tabellenansichten sind die primären Arbeitsbereiche in ArcGIS Pro.
Catalog Pane: Die Elemente in einem Projekt können im Bereich Katalog verwaltet werden - hier findet man Maps, Toolboxes, Databases, Layouts, Styles und Folders.

Arbeiten mit ArcGIS Online¶

Über das Portal zgis.maps.arcgis.com können Daten auch in ArcGIS Online hochgeladen und erkundet werden. Dazu erstellt man im Bereich "Content" einen neuen Inhaltsordner, lädt die Dateien metar.csv und VGD_Salzburg.zip per "New Item" und Drag and Drop hoch und öffnet sie anschließend im Map Viewer.

ArcGIS Online bietet für jeden hochgeladenen Datensatz verschiedene Ansichten: Map Visualization (Kartenansicht mit Visualisierungsoptionen), Data View (Tabellenansicht mit den Attributdaten), Usage View (Nutzungsstatistiken) und Settings (Einstellungen wie Editierrechte, Layer-Optimierung und Export-Optionen). Auf Slide 32 sieht man rechts die Data View der VGD Salzburg mit Attributen wie KG_NR, KG, MERIDIAN, GKZ, PG, BKZ und PB.