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

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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 Geometriedaten.

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 \textbf{Punkte} - Eine einzelne Koordinate (X Y) repräsentiert ein
diskretes geografisches Objekt.
\item \textbf{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 \textbf{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}

