Modul Nr. 1608, M.Sc. Bau: Geodäsie und GIS Teil GIS Kapitel 1:

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1 Modul Nr. 1608, M.Sc. Bau: Geodäsie und GIS Teil : Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Reinhardt AGIS / Inst. Für Angewandte Informatik (INF4) Universität der Bundeswehr München Wolfgang.Reinhardt@unibw.de

2 Allgemeines Skripten: 2 / 65

3 Termine Woche FT 10 Mo. Do Vorlesung Heunecke (1) Vorlesung Reinhardt (1) Vorlesung Reinhardt (2) Vorlesung Reinhardt (3) Übung GIS (1) Übung GIS (2) Vorlesung Heunecke (2) Vorlesung Reinhardt (4) Vorlesung Heunecke (3) Himmelfahrt Vorlesung Heunecke (4) Vorlesung Heunecke (5) Pfingstmontag Übung GIS (3) Übung GIS (4) Fronleichnam Übung GIS (5) Übung Geodäsie; ggf. nach Vereinbarung (1) Übung Geodäsie; ggf. nach Vereinbarung (2) Übung Geodäsie (3) Übung Geodäsie (4) Vorbereitung Modulprüfung 12 Modulprüfung 3 / 65

4 Ziele und Inhalte Vorlesung GIS Ziele: Grundprinzipien kennen Wissen was man mit GIS bearbeiten kann Einfache Aufgaben durchführen können, primär im Zusammenspiel GIS/DGM Inhalte: Einführung, Historie, Definitionen, Allgemeines, Darstellung der Anwendungsmöglichkeiten, Grober Architekturüberblick, Objekte, Geometrie (Vektor, Raster) Sachdaten Geometrische und topologische Grundlagen, geom. Datentypen, Operatoren, Beispiele Modellierung / Datenmodelle für GIS, Überblick über Prinzipien und Methoden, Analysen, Pufferung, Verschneidung (Map-Overlay), GI-Qualität, Geoinformations-Dienste / webbasiert Digitale Geländemodelle, Einführung, Überblick über ausgewählte Verfahren der Interpolation und Triangulation Digitale Geländemodelle, Folgeprodukte und Anwendungsmöglichkeiten, Überblick über Verfügbare Daten für versch. Zwecke, Datenanbieter 4 / 65

5 Inhalte Übung Übungsinhalt: Annahme: ArcGIS nicht bekannt? Einführung ArcCatalog/ ArcMap mit 3D Analyst & Spatial Analyst Einführung DGM/ DHM /DOM Räumliche Analysen mit Raster/Grid DGM (Rastercalc) Räumliche Analysen mit Vektor/TIN DGM Flächenverschneidungen mit Buffer Funktionen (Vektordaten) Animation Kartendarstellung im Layout View Anfertigung von Hausaufgaben (2x) 5 / 65

6 Arbeitsgemeinschaft Geoinformationssysteme (AGIS) GIS-Labor an UniBw, Fakultät BauV -> INF 10 Mitarbeiter mit unterschiedlichem univ. Background, Durchführung von: Lehr- und Weiterbildungsveranstaltungen Forschungsprojekten Projekten zur Anwendung von Forschungsergebnissen Primär Drittmittelforschung (in den letzten Jahren durchgehend >10 MA), auch mit Bau-Ing. Vielfältige Projektpartner (EU, DFG/BMBF, BWB/andere Bw- Stellen, Industrie) Mitarbeit in div. Int. Gremien AGILE council OGC DGWG Projektüberblick etc.: 6 / 65

7 WOZU BENÖTIGT MAN GEOINFORMATION? ERFAHRUNGEN / VORSTELLUNGEN? 7 / 65

8 Bedeutung von Geoinformation - Beispiel Nokia: NAVTEQ-Aktionäre stimmen Verkauf zu Espoo (aktiencheck.de AG) - Die Aktionäre des amerikanischen Software-Entwicklers NAVTEQ Corp. (ISIN US63936L1008/ WKN A0CAV4) haben am Mittwoch dem Verkauf an die finnische Nokia Corp. (ISIN FI / WKN ) zugestimmt. Demnach haben mehr als 75 Prozent der Aktionäre der Transaktion zugestimmt. Im Rahmen der Übernahme erhalten die Anteilseigner des auf Navigations-Software spezialisierten Konzerns 78 Dollar je Aktie in bar, was inklusive der Übernahme von Verbindlichkeiten einem Gesamtvolumen von 8,1 Mrd. Dollar entspricht. Durch die Übernahme wird Nokia seine Marktposition in dem rasch wachsenden Markt für Navigations- Software festigen. Teleatlas -> tomtom 8 / 65

9 Überblick Kap 1 Literatur zur Einführung in Geoinformationssysteme Einführung: GIS Historie, Anwendungsbeispiele Begriffe / Definitionen Datenarten, Geometrie und Topologie 9 / 65

10 Literatur zur Einführung in GIS u.v.m.! Animation: Mausklick 10 / 65

11 Historie / Meilensteine Erste Prototyp-Entwicklungen (1960er Jahre) Komm. GIS-Software (1970er Jahre bis Heute) Workstation -> PC (1990er Jahre) GIS & Internet (stationär / mobil) (1990er Jahre) Standardisierung / Diensteorientierung (ca. ab 1990) Digitale Globen (Google und co.) 11 / 65

12 GIS - Erste Entwicklungen Ursprung in der Kartographie ( digitale Karten ) Vater von GIS: Dr. Roger Tomlinson Projekt in Kanada Anfang der 1960er Jahre, erstmalige Verwendung des Begriffes GIS, Doktorarbeit: The application of electronic computing methods and techniques to the storage, compilation, and assessment of mapped data 12 / 65

13 Hardware: Vom Großrechner über workstation zum PC 80er Jahre Grosse Verbreitung EVUs, Kommunen, Behörden 13 / 65

14 Hardware: Vom Großrechner über workstation zum PC HW/SW Investition > 500 TDM Hoher Schulungsbedarf Einstiegsinvestition heute HW/SW < 5 TEuro 14 / 65

15 GIS Historie (1) Ausgewählte Entwicklungen: In den 70er Jahren in Deutschland das Konzept der Automatisierten Liegenschaftskarte (ALK) - einem GIS mit Inhalten aus dem Liegenschaftskataster. In den 80er Jahren das Konzept für das Amtliche Topographisch-Kartographische Informationssystem (ATKIS). Ebenfalls in den 80er Jahren Aufbau von Geoinformationssystemen in großen Kommunen und Versorgungsunternehmen in Breite 15 / 65

16 Internet und GIS (1990er Jahre) GIS-SW DB-SW... Server GIS-Daten Methoden Daten Daten Internet/ Intranet Nutzer 1 Nutzer n Browser-basiert 16 / 65

17 Internet und GIS (1990er Jahre) GIS-SW DB-SW... Server GIS-Daten Methoden Daten Daten Nutzer 1 Internet/ Intranet Nutzer n Probleme: Unterschiedliche Daten- Formate/ -Modelle! Wie finde/bekomme ich die benötigten Daten / Informationen? Interoperabilität, Standardisierung Metadaten-IS, Geodateninfrastrukturen Browser-basiert Einfachere Nutzung, leichtgewichtiges UI 17 / 65

18 Google und Co. Ist das ausreichend? Nachhaltigkeit? Zuverlässigkeit / Qualität? Funktionalität? 20 / 65

19 Bilddaten, Karten, Routing im Internet Lange (seit den 1990er Jahren) bekannt, Beispiele: Routing: Oslo - Haugesund 21 / 65

20 Softwareentwicklungen 1.GIS-Software-Entwicklungen,1970er Jahre: ArcInfo, ESRI, USA Mapping SW + HW, Intergraph, USA SICAD, Siemens, Deutschland (nicht mehr am Markt) Heute ( Enkel-SW ) ArcGIS, ESRI, GeoMedia, Intergraph AutoCAD map, Autodesk Map Info professional, Map Info Smallworld, GE U.v.m. GeoDB Oracle spatial, Oracle Open Source GIS Software GRASS, Urspr.. U.S. Army Corps of Engineers Dienstebasierte Bereitstellung von Geoinformation (Map Server ) GIS Hersteller UMN Map Server, University Minnesota, degree, lat/lon/uni Bonn.. Digitale Globen/Earth viewer Virtual Earth (Bing), Microsoft Google Earth / Google maps, Google NASA world wind (opensource) Und viele andere Produkte / Firmen! 22 / 65

21 Anwendungsbeispiele Kataster, Topographie Energieversorgung Militär Marketing Tourismus Bauingenieurwesen Medizin 23 / 65

22 Kataster / Kommunale Anwendungen Primäre Aufgabe: Nachweis der Liegenschaften Liegenschaftskarte und Luftbild Liegenschaftsbuch 24 / 65

23 Anwendungsbeispiel: Gemeinde Aber. Viele weitere Fragestellungen, z.b.: Wo darf gebaut werden? Luftbild und Kataster Bebauungsplan 25 / 65

24 Anwendungsbeispiel: Energieversorger Eine Aufgabe: Dokumentation der Leitungen (auf Basis der Liegenschaftsdaten) Aber viele andere, z.b.: Wo befinden sich Haushalte, die nicht an das Gasnetz angeschlossen sind? Oder Störungsmanagement 26 / 65

25 Anwendungsbeispiel: Tourismus Wie komme ich mit öffentlichen Verkehrsmitteln zu der Sehenswürdigkeit Funtensee? 27 / 65

26 Militärische Anwendungen Führungsinformationssysteme 28 / 65 Simulationssysteme

27 Geländedatenbasierte Navigation (Quelle: EADS) 29 / 65

28 Geländedatenbasierte Navigation (Quelle: EADS) 30 / 65

29 Bauingenieurwesen Sehr viele und vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, hier nur einige wenige Beispiele Trassenplanung Prüfung der Umweltverträglichkeit Strassenplanung CAD <-> GIS?? 31 / 65

30 Bauingenieurwesen Raumnutzung / -planung und viele andere Themen: Beispiel Österreich / Tirol ( / Raumnutzung 32 / 65

31 Bauingenieurwesen Quelle: Viele weitere, sehr interessante Anwendungen z.b.: 33 / 65

32 Disaster Management Cycle Prevention and Mitigation Hazard prediction and modeling Risk assessment and mapping Spatial Planning Structural & non structural measures Public Awareness & Education.. Preparedness Scenarios development Emergency Planning Training Disasters Alert Real time monitoring & forecasting Early warning Secure &dependable telecom Scenario identification all media alarm Post Disaster Lessons learnt Scenario update Socio-economic and environmental impact assessment Spatial (re)planning Src.: M. Konecny, AGILE 2009 Recovery Early damage assessment Re-establishing life-lines transport &communication infrastructure Response Dispatching of resources Emergency telecom Situational awareness Command control coordination Information dissemination Emergency healthcare 34 / 65 Grosse Bedeutung von GIS in allen Phasen des Katastrophenmanagements

33 Weitere Beispiele 35 / 65

34 Medizin Zoonosenforschung Beispiel: Gegeben: Indikatoren Gesucht: Gefährtungspotential 36 / 65

35 Jahrestemperatur in C Jahresniederschlag in mm Auftrittshäufigkeit Tularämie Über 8 6, , , , ,12 Auftrittshäufigkeit Tularämie , ,21 Über ,18 Jährliche Sonnenscheindauer in h Höhenlage in m Auftrittshäufigkeit Tularämie ,54 Bis ,27 Auftrittshäufigkeit Tularämie Bis 200 9, , , , ,22 Über ,20 Habitate Gewässerläufe, Wasserfläche, Torfmoore, Sümpfe Nicht bewässertes Ackerland Auftrittshäufigkeit Tularämie 7,20 3,35 Laubwälder 2,98 Mischwälder 1,04 Wald-Strauch- Übergangsstadien Flächen mit spärlicher Vegetation 0,99 0,23 Gefährdungspotential = Gewichtung Temperatur + Gewichtung Sonnenscheindauer + Gewichtung Niederschlag + Gewichtung Höhenlage + Gewichtung Landnutzung Gefährdungspotential: 9,18 7,20 6,24 8,77 2,84 9,18 + 7,20 + 2,84 + 6,24 + 0,54 = 26,00 37 / 65

36 Datenbasis Daten für das Berechnungsmodell Jahresniederschlag ( ) Durchschnittliche Jahrestemperatur ( ) Jährliche Sonnenscheindauer ( ) Höhe über NN Landnutzung (Quelle: DWD-Messstationen und Corine Landcover) Generell sehr wichtiger Punkt (die Stärke eines GIS): Verknüpfung von verschiedenen Daten / informationen (Themen) 38 / 65

37 Gefährdungspotential Quelle:Bockmühl, Thorsten; Reinhardt, Wolfgang; Splettstößer, W. (2009): GIS-gestützte Ermittlung des Gefährdungspotentials von Tularämie in Deutschland. In: Reinhardt, W., Krüger, A., Ehlers, M.: Konferenzband Geoinformatik 2009, Osnabrück, ifgiprints / 65

38 Vorteile durch die Einführung eines GIS - Vorteile bei der Langzeitspeicherung + keine "Alterseffekte" (Papier, Stein) + kleinerer Raumbedarf (Planschränke) - Schnellere Fortführung der Daten Definition und Begriffe Motivation Geometrie & Sachdaten Modellierung in GIS GIS - Ausprägungen - Flexible Verknüpfung von GIS-Daten / Datenbanken und anderen Daten / Datenbanken - Beliebige Kombinationen von Themen / Datenbeständen - Flexible, vielfältige Auswerte- und Analysemöglichkeiten - Einfachere Erweiterungsmöglichkeiten + Daten + Funktionen 40 / 65

39 Kennzeichen eines GIS - Verwaltung großer Datenmengen mit räumlicher Indizierung Definition und Begriffe Motivation Geometrie & Sachdaten Modellierung in GIS GIS - Ausprägungen - Effiziente Speicherung raumbezogener Objekte (Geo-Objekte) - Abfragen hinsichtlich Existenz, Position und Eigenschaften / Beziehungen raumbezogener Objekte - Interaktives Abfragen mit entsprechendem Antwort - Zeitverhalten bei großen Datenmengen erfordert intelligente Speicher- bzw. Zugriffsmethoden - Flexible Anpassung an spezifische Benutzeranforderungen + Datenmodell + Spezielle Funktionen + Benutzeroberfläche 41 / 65

40 Anwendungsbereiche / Bedeutung Zusammenfassend: GIS ist kein Zeichentool (obwohl man es dazu benutzen kann) Mit Hilfe von Geoinformation / Geoinformationssystemen werden Fragestellungen beantwortet! 42 / 65

41 Anwendungsbereiche / Bedeutung Sehr starke Verbreitung, viele weitere Anwendungsbereiche > 150 Fachgebiete 5-10 Mio Nutzer >2000 Unis geben GIS-Kurse Marktvolumen - Volumen > 10 Mrd US $/a (vorsichtig geschätzt) Google, Microsoft, Nokia investieren Mrd.-Beträge! Mit Hilfe von Geoinformation / Geoinformationssystemen werden Fragestellungen beantwortet! 43 / 65

42 Anwendungsbereiche / Bedeutung Mit Hilfe von Geoinformation / Geoinformationssystemen werden Fragestellungen beantwortet! 44 / 65

43 Definition Daten Information - Wissen Daten sind Angaben aller Art, namentlich Zahlen, Wörter, Texte, Graphiken, Bilder, Sprachaufzeichnungen. Information ist eine nutzbare Antwort auf eine konkrete Fragestellung. Beispiel: Das Datum 35, abgelesen an einem Thermometer mit einem Symbol o C, gibt die Information dass es 35 Grad Celsius hat. Damit kommt man zum Wissen (Kontext, Erfahrung etc.), dass es warm ist und dass man sich nur mit kurzer Hose und T-Shirt bekleiden braucht. 45 / 65

44 Informationssystem (IS) Dieses besteht aus: - Daten und - Verarbeitungswerkzeugen Die Daten liegen im Normalfall strukturiert in einer Datenbank vor. Verarbeitungswerkzeuge sind Methoden (Softwarekomponenten) zur Verarbeitung / Analyse der Daten. IS ist kein geschlossenes System, Erfordernisse: - Kontinuierlicher Datenfluss (von der Erfassung bis zur Ausgabe) - System ist offen gegenüber Entwicklungen, Veränderungen -... Beispiele: - Bibliotheks-IS - Kunden-IS 46 / 65

45 Raumbezogenes Informationssystem Definition: Ein raumbezogenes Informationssytem (RIS) ist ein aus Hardware, Software und Daten bestehendes System zur Erfassung, Verwaltung, Analyse und Präsentation aller Daten, die einen Teil der Erdoberfläche und die darauf befindlichen technischen und administrativen Einrichtungen (z.b. Gebäude, Straßen) sowie ökonomische (Menschen, Tiere, soz. Schichten) und ökologische (Bewuchs, Pflanzen) Gegebenheiten beschreiben. Alternative Definition aus informationstechnischer Sicht: Ein raumbezogenes Informationssystem ist ein allgemeines Informationssystem, das zur Verwaltung von Geoinformationen und zur Bearbeitung raumbezogener Anfragen erweitert wurde. 47 / 65

46 EVAP Vierkomponentenmodell nach H. Chalkins 1977: Erfassung Ersterfassung von Daten, aber auch Erfassung von Veränderungen, die oft mit Reorganisation der Daten verbunden ist (Fortführung) -> auch extern Verwaltung Umfasst Modellierung, Strukturierung, Speicherung und Reorganisation der Daten Analyse Beinhaltet vielfältige Methoden zur Analyse der Daten, z.b. zur Wegfindung und vielen anderen Aufgaben Präsentation Darstellung / Visualisierung der Daten in kartographischer oder kartenähnlicher Form 48 / 65

47 Raumbezug Bezug auf die Erdoberfläche oder einen Teil der Erdkruste bzw. Erdatmosphäre realisiert durch: - direkten Bezug (Koordinaten) - indirekten Bezug (Postleitzahlen und andere Kennziffern, Adressen,...) 49 / 65

48 Grundlagen - Raumbezug Höhe Lage Beispiel: UTM, WGS84 50 / 65

49 Grundlagen - Raumbezug Höhe Lage Beispiel: UTM, WGS84 51 / 65

50 Grundlagen - Raumbezug Höhe Lage Beispiel: UTM, WGS84 52 / 65

51 Elemente eines Informationssystems und deren Geltungsdauer Neben diesen Grundelementen spielen auch weitere Faktoren eine wesentliche Rolle, z.b.: - die Menschen, die mit dem System umgehen - organisatorische Aspekte - spezielle fachliche Anforderungen / Verfahren - rechtliche Aspekte und Normen Innovationszyklen 53 / 65

52 Geo-Informationssystem und Geografisches Informationssystem (GIS) Gleichbedeutende eingeführte Bezeichnungen für raumbezogene Informationssysteme Geo-Informationssystem: - Bezug zu geo (griech. = Erde) - Hauptsächlich im deutschen Sprachbereich verwendet Geografisches Informationssystem: - Ursprung in den geografischen Disziplinen - Verwendung im englischen Sprachraum (geographic information system) 54 / 65

53 Geoinformatik Geoinformatik : Lehre des Wesens und der Funktion der geographischen Information und ihrer Bereitstellung, Konzeption und Einsatz von Methoden GI ist eine Interdisziplinäre Wissenschaft. Sie verknüpft die Informatik mit der Geodäsie, Geographie und anderen Geowissenschaften GIS: Geoinformationssysteme als Begriff heute etwas out als Begriff, aktuell: GI Science GI Services 55 / 65

54 Geoinformationssysteme (GIS) Komponenten Nochmal graphisch: Hardware DBMS Daten Geoinformationssystem Hardware (-> heute Standard-HW) Methoden (Software) Strukturierte Daten Raumbezogene Daten Allgemeine Daten Datenbankmanagementsysteme Computergraphik.. Software (Methoden) Große Vielfalt! Intern / Extern (Anbindung/SS) 56 / 65

55 Architektur eines GIS (grob) Allgemeiner Hinweis: Ein Informationssystem vereinigt Informatik + Anwendungswissen. Anwendungswissen z. B. für - Datenakquisitionsverfahren - Analysemethoden Hinweis: Dienstebasierte Architekturen! 57 / 65

56 Daten > Raster / Vektor 58 / 65

57 Raumbezogenes Objekt (= Geo-Objekt) - elementarste, in einem GIS enthaltene Einheit - stellt das Abbild einer konkreten, physisch, geometrisch oder begrifflich begrenzten Einheit in der Natur dar - besitzt eine eindeutige Identität und hat Geometrie und Sachdaten (Attribute) Beispiel: 59 / 65

58 Daten benötigen Metadaten Daten über Daten Produzent Titel Klassifizierung Jahrgang Inhalt Geodaten, -> analog, -> Metadatenschemen 60 / 65

59 GIS - Softwareübersicht nach Kategorien Software Geomedia Professional, Geomedia Firma Intergraph ArcGIS, ArcViewGIS ERDAS IMAGINE (hauptsächlich für Auswertung von Fernerkundungsdaten) Smallworld GIS SICAD/open (Entw. inzw. eingestellt) ESRI Geosystems GmbH GE Network Solutions AED SICAD Auto-CAD Map-Info Autodesk Map-Info Mehrere hundert Systeme am Markt Wenige Firmen dominieren Auch lokale player Quelle: (Buhmann / Wiesel: GIS Report 2003, Internet-Version ) 61 / 65

60 GIS-Produkte und Fachschalen Strom Gas Wasser Fernwärme Kanal UT Editor UT Alpha UT View UT Web UT Mobile UT Designer UT Integrator UT Base Telekommunikation Beispiele ESRI AED-SICAD Fachschale -> Ergänzung / Erweiterung der Basissoftware: Datenmodell Abläufe / workflow Spez. Funktionen User Interface Fachschalen von vielen Anbietern für viele Bereiche verfügbar 62 / 65

61 Ausblick auf Kap2: Modellierung Raster Reale Welt Geometrie Vektor/Objekte Heute: Kombination Vektor und Raster/Bilddaten Modell Implementierung Auswahl Objekte Definition (Geometrie, Attribute) Beschreibung... Unterschiedlicher Abstraktionsgrad! 63 / 65

62 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Weitere Fragen? 64 / 65

63 Kontakt Keine festen Sprechstunden, einfach vorbeikommen, oder besser vorher anrufen, bzw. noch besser: schreiben Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Reinhardt AGIS / Inst. Für Angewandte Informatik (INF4) Universität der Bundeswehr München D Neubiberg Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) Wolfgang.Reinhardt@unibw.de Geb 37/200 Raum / 65