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\section{Einführung in GIS}\label{label_intro}

Ein Geographisches Informationssystem (GIS)\cite{mitchel05}\footnote{Dieses Kapitel ist von 
Tyler Mitchell (\url{http://www.oreillynet.com/pub/wlg/7053}) und
wurde unter der Creative Commons License veröffentlicht. Tyler ist der Autor des
Buches \textit{Web Mapping Illustrated}, veröffentlicht von O'Reilly, 2005.}
besteht aus einer Auswahl verschiedener Software, die einem ermöglicht, geografische 
Daten zu erstellen, zu visualisieren, abzufragen und zu analysieren.
Geografische Daten beziehen sich dabei auf Informationen über die geografische Lage 
von Objekten. Dies bedingt meist eine geografische Koordinate oder die 
Zuweisung eines Längen und Breitengrades. Neben der Bezeichnung Geografische
Daten ist Räumliche Daten ein ebenfalls
häufig benutzter Begriff, genau wie GIS-Daten, Kartendaten, Location-Daten, 
Koordinatendaten und räumliche Geometriendaten.

Applikationen, die mit räumlichen Daten arbeiten, leisten eine Vielzahl
unterschiedlicher Funktionen. Kartenerstellung ist dabei die am einfachsten 
zu begreifende GIS-Applikation. Mit Hilfe von Programmen werden dabei aus
räumlichen Daten Karten erstellt, die digital auf PCs oder analog auf Papier
gedruckt werden. Die Daten können dabei statisch (einfaches Bild) oder dynamisch
(durch den Benutzer veränderbar) bereitgestellt werden. 

Viele Menschen nehmen irrtümlicherweise an, dass GIS-Applikationen nur zur
Kartenerstellung benutzt werden. Räumliche Datenanalyse ist jedoch eine weitere 
wichtige Funktion von Geographischen Informationssystemen. Einige typische
Analysen sind: 


\begin{enumerate}
\item Messen von Distanzen zwischen geografischen Punkten
\item Berechnung von Flächengrößen (z.B.: Quadratmeter) innerhalb einer 
Region
\item Bestimmung der Überlappung unterschiedlicher räumlicher Objekte
\item Bestimmung der überlappten Flächen innerhalb einer Region
\item Die Anzahl von Ortschaften entlang einer definierten Distanz
\item und so weiter...
\end{enumerate}

Dies mag einfach erscheinen, wird jedoch täglich für viele verschiedene
Fragestellungen angewendet und benötigt. Die Ergebnisse derartiger Analysen
können auf Karten visualisiert oder in Form von Tabellen als Entscheidungshilfe
dienen. 

Das aktuelle Phänomen von ortsbasierten Diensten 'location-based services'
verspricht dabei die räumliche Integration unterschiedlichster Informationen.
Oft werden diese aus einer Kombination von Karten und darauf basierenden 
Analysen erstellt. Stellen Sie sich vor, Sie besitzen ein
mobiles Telefon, dass ihre genaue geografische Position ermittelt. Wenn Sie die
entsprechende Software nutzen, kann Ihnen das Telefon sagen, welche Restaurants
sich in der Nähe befinden. Während dies eine neuartige GIS-Technlogie ist, ist
das Analysieren von Geodaten und das Bereitstellen daraus gewonnener
Informationen als eine Basis dafür zu verstehen.

\subsection{Warum ist das alles so neu?}\label{label_whynew}

Nun ja, ist es nicht. Es gibt heute viele Geräte auf dem Markt, die mobile
räumliche Dienste anbieten, darunter auch viele Freie (Open Source) 
GIS-Applikationen. Die Existenz solcher Geräte ist nicht neu. GPS-Geräte 
sind z.B. heute für uns noch recht neu, werden aber von Unternehmen bereits 
seit mehr als 10 Jahren eingesetzt. Datenanalysen oder die digitale Erfassung 
der Umwelt mit dem PC auf Basis von Luftbildern war auch bereits früher ein 
kommerzieller Markt, der sich aber hauptsächlich auf Industrien aus dem
Umweltsektor konzentriert hat.

Neu an all dem ist, wie die neueste Hard- und Software angewendet wird und von
wem. Traditionell waren Anwender von GIS-Applikationen hochspezialisierte
Forscher oder Techniker, die in der Anwendung von CAD-ähnlichen Anwendungen
geschult waren. Mittlerweile bietet die Leistungsfähigkeit moderner Heim-PCs
zusammen mit Freier (Open Source) Software einer Armada von Hobbyanwendern,
Internetentwicklern usw. die Möglichkeit, geografische Daten selber zu nutzen und
zu erstellen. Die Lernkurve ist dabei immer flacher geworden, während die Anzahl
der Anwendungsmöglichkeiten stetig gestiegen ist. 

Wie werden Geodaten gespeichert? Kurz gesagt gibt es zwei Datenmodelle, die
heutzutage benutzt werden, ergänzend zu traditionell in tabellarischer Form 
abgelegten Informationen, die weiterhin eine wichtige Rolle bei der räumlichen 
Analyse spielen.

\subsubsection{Rasterdaten}\label{label_rasterdata}

Das eine Datenmodell wird als Rasterdaten, oder einfach als 'Raster'
bezeichnet. Ein typisches Beispiel hierfür sind Satelliten- und Luftbilder,
genauso wie Höhenmodelle. Abgesehen von ein paar Ausnahmen können fast alle
Daten als Raster dargestellt und gespeichert werden.

Ein Raster ist ein gleichmäßiges Gitter, das aus Zellen besteht, oder im Falle
eines Bildes aus Pixeln. Ein Raster hat eine definierte Anzahl von Zeilen und
Spalten. Jede Zelle hat einen numerischen Wert und eine bestimmt geografische
Größe (z.B.: 30x30 Meter).

Sich mehrfach überlagernde Raster werden benutzt, um Bilder mit mehr als einem
Farbwert zu repräsentieren. Ein Beispiel hierfür sind die Rot-, Grün- und
Blaukanäle eines Satellitenbildes. Jeder Kanal eines Satellitenbildes ist ein 
einzelnes, sich mit den anderen Kanälen räumlich überlappendes Raster, das
jeweils eine bestimmte Wellenlänge des Lichts darstellt. Wie man sich gut
vorstellen kann, benötigt ein großes Raster mehr Speicherplatz als ein kleines,
und je kleiner die Zellen eines Rasters sind, desto mehr Details können
zwar dargestellt werden, aber desto mehr Speicherplatz wird benötigt. Die Kunst
besteht darin, die Balance zwischen der maximalen Detailschärfe für die Analyse 
und einem möglichst geringen Speichervolumen zu finden.   

\subsubsection{Vektordaten}\label{label_vectordata}

Vektordaten sind das andere Datenmodell und werden ebenso in GIS-Applikationen 
genutzt. Falls Sie in der Schule bei den Themen Trigonometrie und 
Koordinatensysteme wach geblieben sind, sind Sie sicher vertraut mit den
Qualitäten und Besonderheiten von Vektoren. Einfach gesagt beschreiben Vektoren 
einen Ort durch eine Anzahl von Koordinaten. Jede Koordinate bezieht sich auf
einen bestimmtem geografischen Punkt mit Hilfe von x- und y-Werten.

Besser vorstellen kann man sich dies anhand einer kartesischen Ebene. Diese 
Diagramme aus der Schule mit einer x- und einer y-Achse. Vielleicht haben Sie
es benutzt, um die sinkenden Renten oder steigenden Hypotheken darzustellen. Das
Konzept ist ähnlich zur räumlichen Datenanalyse und Kartenerstellung.

Es gibt verschiedene Wege, um geografische Koordinaten darzustellen, abhängig
von den Absichten und Zielen. Das Thema Kartenprojektionen ist dabei jedoch sehr
komplex und wird an dieser Stelle daher nicht weiter erklärt.

Es gibt drei Arten von Vektordaten, die progressiv aufeinander aufbauen und 
dadurch immer komplexere Formen annehmen.  

\begin{enumerate}
\item Punkte - Eine einzelne Koordinate (x y) repräsentiert ein diskretes
geografisches Objekt
\item Linien - Multiple Koordinaten (x1 y1, x2 y2, x3 y4, ... xn yn), die in
einer bestimmten Anordnung miteinander verbunden sind. Etwa wie eine Linie von 
Punkt (x1 y1) nach Punkt (x2 y2) und so weiter. Die Strecken zwischen den 
einzelnen Punkten sind Liniensegmente. Sie haben eine Länge und eine Richtung
entsprechend der Anordnung der Punkte. Technisch gesehen ist eine Linie ein 
Paar von Koordinaten, die miteinander verbunden sind, wobei eine Linienkette 
aus mehreren Linien zusammengesetzt ist.  
\item Polygone - Wenn Linien aus mehr als zwei Punkten bestehen und der letzte
Punkte der Linie identisch mit dem ersten ist, wird das als Polygon bezeichnet. 
Dreiecke, Kreise, Rechtecke usw. sind Polygone. Die Schlüsseleigenschaft eines
Polygons besteht darin, dass eine definierte Fläche dargestellt wird.
\end{enumerate}

