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Lexikon der Geographie: GIS

GIS

Thomas Christiansen und Wolf-Dieter Erb, Giessen

Der Begriff "GIS"
Für den Begriff Geographisches Informationssystem (GIS) existiert noch keine allgemeingültige Definition. Trotz der Tatsache, dass GIS im Laufe der letzten 20 Jahre zu einem enorm wichtigen Hilfs- und Arbeitsmittel geworden ist, das aus den raumbezogen arbeitenden Disziplinen – und hier insbesondere der Geographie – inzwischen nicht mehr wegzudenken ist, gibt es nach wie vor sehr unterschiedliche Auffassungen, was ein GIS eigentlich ist, welche Aufgaben es hat und welche Komponenten es umfasst. Maguire (1991) listet in einem Artikel über die Definition von GIS nicht weniger als 11 unterschiedliche Definitionen verschiedener Autoren auf, wobei diese Liste sicher nicht vollständig ist. Als vorläufige Definition mag an dieser Stelle zunächst genügen, GIS als ein computergestütztes System zu verstehen, mit dem raumbezogene Daten (geographische Daten) gesammelt, verwaltet, ausgewertet und dargestellt werden können ( Abb.).
Sowohl im deutschsprachigen als auch im internationalen Raum ist darüber hinaus sogar die Bezeichnung selbst umstritten. Im Ausland hat sich die Bezeichnung Geographisches Informationssystem entsprechend der jeweiligen Sprache wie z.B. Geographic(al) Information System (GIS, anglophone Länder), Système d'Information Géographique (SIG, frankophoner Raum) oder Sistema d'Informationes Geograficas (SIG, Spanien, Lateinamerika) durchgesetzt. Während aber international der Begriff eindeutig der Geographie zugeordnet wird, versuchen im deutschsprachigen Raum auch andere Disziplinen den Begriff GIS durch entsprechend abgewandelte Bezeichnungen inhaltlich und methodisch zu besetzen. So wird GIS etwa im Bereich des Vermessungswesens, aber auch von anderen Disziplinen grundsätzlich als Geo-Informationssystem bezeichnet. Ein RIS (Rauminformationssystem) ist eine spezielle Variante eines GIS für Raumbeobachtung und Planungsaufgaben.

Entwicklungsgeschichte
Allgemein anerkannt ist, dass die Bezeichnung GIS Mitte bis Ende der 1960er-Jahre in den USA entstand, als am Harvard Laboratory for Computer Graphics der Harvard University die ersten "GIS-ähnlichen", noch sehr primitiven Computerprogramme entwickelt wurden. Diese ersten GIS-Programme basierten auf der Verarbeitung von Rasterdaten; mangels geeigneter Ausgabegeräte mussten die damit erstellten thematischen Karten noch auf normalen Zeilendruckern durch Übereinanderdrucken verschiedener Zeichen generiert werden.
Die erste GIS-Anwendung für ein größeres Gebiet war eine 1966 durchgeführte Landschaftsplanungsstudie der Staaten Delaware, Maryland und Virginia. Außerhalb des akademischen Bereiches wurde GIS vor allem durch das in den 1970er-Jahren aufgebaute Canada Geographic Information System (CGIS) bekannt, das erste Beispiel eines landesweiten GIS. Ende der 1970er-/Anfang der 1980er-Jahre wurde aus dem Forschungsgegenstand und Forschungswerkzeug GIS ein kommerzielles Produkt. Wegweisend war sicher die Entwicklung und Markteinführung der GIS-Software Arc/Info durch Jack Dangermond, einen Absolventen des Harvard Computer Labs. Komplementär zu den ersten GIS-Systemen, die ausschließlich Rasterdaten verarbeiteten, wurde insbesondere durch Arc/Info die Entwicklung neuer, auf dem Vektordatenmodell (Vektordaten) beruhender GIS vorangetrieben. Im Gegensatz zum Rasterdatenmodell, in dem das zu bearbeitende Gebiet durch eine (regelmäßige) Aufteilung in Rasterzellen beschrieben wird, bilden Vektorsysteme Punkt-, Linien- und Flächenobjekte in Form von Linien (Vektoren) ab, die durch diskrete Koordinaten genauer und erheblich speicherplatzsparender als im Rastermodell beschrieben werden können. Im Laufe der 1980er-Jahre und dann vor allem durch die explodierende Nutzung von "Personal Computern" zu Beginn der 1990er-Jahre entwickelte sich nach und nach ein eigener GIS-Markt mit einer Vielzahl unterschiedlicher und immer ausgefeilterer Systeme. Die zunehmende Verbreitung von GIS wiederum induzierte die Entstehung von Zuliefermärkten, z.B. für digitale Daten sowie für Aus- und Fortbildung und Beratungsdienstleistungen. Als weitere technische Varianten sind inzwischen hybride GIS (Systeme, die Raster- und Vektordaten verarbeiten können) hinzugekommen sowie Systeme, die objektorientierte Datenmodelle (Objektorientierung) verwenden. Seit neuestem konzentriert sich die Entwicklung von GIS auf die Integration von GIS und Internet (web-mapping).

Komponenten eines GIS
Grundsätzliche Übereinstimmung herrscht darüber, dass GIS Daten über "raumbezogene Objekte" erfassen, verwalten und auswerten. Im Prinzip handelt es sich bei einem GIS also zunächst einmal um eine Datenbank, die eine spezielle Art von Daten verwaltet. Typische raumbezogene Objekte sind Straßen, Flüsse, Grenzen, aber auch Gebäude, Seen, Waldflächen, Bodeneinheiten oder Höhenmesspunkte, Grenzpunkte u.Ä. All diese Objekte haben eine räumliche Dimension, die zum einen durch die Erfassung von Position, Lage, Form und Größe, zum anderen aber auch durch Nachbarschaftsbeziehungen zu anderen räumlichen Objekten beschrieben wird. Dieser Teil wird als geometrische Datenkomponente (Geometriedaten) bezeichnet. Jedes dieser Objekte hat aber auch nich träumliche Eigenschaften, wie etwa der Name der Straße, die Klassifikation einer Bodeneinheit oder Waldfläche, die Identifizierungsnummer eines Grenzpunktes usw. Diese das jeweilige Objekt näher beschreibenden Daten werden als Attributdaten bezeichnet. Inzwischen herrscht außerdem allgemeiner Konsens darüber, dass GIS computerbasiert, – also mit Daten in digitaler Form – arbeiten.
Abgesehen von diesen beiden, relativ unstrittigen Punkten gibt es dann allerdings sehr unterschiedliche Auffassungen darüber, welche Komponenten unter dem Begriff GIS subsummiert werden sollen und was die typischen Charakteristika eines GIS ausmacht. Hinsichtlich des ersten Kriteriums lassen sich drei unterschiedlich weit gefasste Definitionen von GIS unterscheiden:
a) In einem sehr eng gefassten Sinne wird unter GIS nur die eigentliche GIS-Software verstanden (wie z.B. Arc/Info, MapInfo, SmallWorld), evtl. noch einschließlich der damit zu verarbeitenden Daten.
b) Die wohl am weitesten verbreitete Auffassung von GIS schließt außer der GIS-Software und den Daten auch sonstige Softwarekomponenten (etwa Datenbankmanagementsysteme, Datenkonvertierungs- und Computerkartographiesoftware) sowie die komplette Hardware mit ein.
c) Manche Definitionen von GIS gehen noch weiter und subsumieren unter diesem Begriff auch das gesamte organisatorisch-institutionelle Umfeld, also etwa das notwendige Personal und die entsprechenden Managementstrukturen sowie die Zielsetzung (Aufgabenstellung) des Systems.
Interessanter und aufschlussreicher sind aber die Meinungsunterschiede darüber, was eigentlich das Charakteristische eines GIS ausmacht (bzw. ausmachen sollte). Die hierzu in der Literatur geäußerten Meinungen spiegeln erstens die jeweilige fachliche Perspektive bzgl. der Einsatzmöglichkeiten eines GIS wider und werden zweitens aber auch durch handfeste kommerzielle Interessen massiv beeinflusst. Grundsätzlich hat ein GIS-Programm wenig, was es nicht bereits in bestimmten anderen Computerprogrammen auch gibt. So verfügen z.B. reine Computerkartographie-Programme (digitale Kartographie) oder auch CAD-Programme über viele der graphischen Funktionen, die auch in GIS Verwendung finden und die Verwaltung der Attributdaten in einem GIS erfolgt wie bei normalen Datenbankmanagementsystemen in der Regel in einer relationalen Datenbank (RDBMS). Der Umstand, dass sich die Bezeichnung "GIS" als ausgesprochen umsatzfördernd erwies, hat in den ersten Jahren dazu geführt, dass insbesondere Hersteller von CAD-Software sich diese Bezeichnung aneigneten und "every computer graphics and drafting software package capable of displaying a map on a CRT" (CRT=Computerbildschirm) als GIS bezeichneten.
Technisch lässt sich das Charakteristische eines GIS also nicht auf eine bestimmte Komponente eines solchen Systems reduzieren. Das Besondere ist vielmehr, dass in einem GIS diese verschiedenen Komponenten integriert und für die Erfassung und Verarbeitung geographischer Daten optimiert wurden. Manche Autoren sehen den entscheidenden Unterschied zwischen GIS und CAD-Systemen darin, dass "typische" GIS im Gegensatz zu CAD-Paketen eine topologische Datenstruktur (Nachbarschaftsbeziehungen) aufweisen, durch die komplexe räumliche Analysen möglich werden. Im Laufe der technischen Entwicklung wurden die Grenzen zwischen GIS, CAD-, Datenbank-, Kartographie- und Graphikprogrammen aber immer fließender, sodass inzwischen alle denkbaren Varianten zwischen diesen Systemen erhältlich sind.
Eine etwas andere Sicht des Begriffes GIS geht von der Funktionalität aus. Während z.B. Geographen speziell an der Möglichkeit interessiert sind, GIS für räumliche Analysen zu nutzen, ist diese Funktionalität z.B. für einen Vermessungsingenieur eher unwesentlich. Dementsprechend halten Geographen möglichst gute und umfangreiche Analysefunktionen i.d.R. für ein wesentliches, wenn nicht gar notwendiges Charakteristikum eines GIS. Gerade dieser Bereich ist aber im Gegensatz zu Dateneingabe, Datenverwaltung und Datenausgabe vergleichsweise unterentwickelt. Dies liegt sicher zum Teil daran, dass ein grundsätzlicher Mangel an geeigneten Verfahren besteht, d.h. hier gibt es noch großen Forschungsbedarf für die beteiligten geowissenschaftlichen Disziplinen.

GIS – ein interdisziplinäres Werkzeug
Entsprechend der Bedeutung von Daten mit Ortsbezug für die verschiedensten Fachdisziplinen ist auch der Einsatz von Geographischen Informationssystemen weit gestreut. Neben den technischen Disziplinen (Geo-)Informatik, Mathematik und (Geo-)Statistik, die vor allem die technischen und theoretischen Grundlagen liefern (Forschung über GIS), gibt es eine Vielzahl von anwendungsorientierten Fächern, in denen GIS inzwischen ein unverzichtbares Werkzeug geworden ist (Forschung mit GIS). Die Geographie hat dabei für die Entwicklung der ersten GIS wichtige Impulse geliefert (zumindest im anglophonen Sprachraum). Im Folgenden sind einige dieser Fächer – ohne Anspruch auf Vollständigkeit – aufgeführt: Archäologie, Architektur, Bauingenieurwesen, Betriebswirtschaftslehre, Fernerkundung, Forstwirtschaft, Geographie, Geologie, Kartographie, Meteorologie, Operations Research, Photogrammetrie, Raumplanung, Umweltplanung und Vermessungswesen, Wirtschaftswissenschaften.

Fazit
Ein Geographisches Informationssystem (GIS) ist ein computergestütztes Informationssystem zur Erfassung, Verwaltung und Verarbeitung raumbezogener Daten. Eine allgemeingültige Definition für GIS gibt es nicht, die jeweilige Interpretation des Begriffs hängt vom fachlichen Hintergrund des Anwenders ab und kann darüber hinaus unterschiedlich weit gefasst werden. Die Entwicklung von GIS reicht zurück in die späten 1960er-Jahre; die ersten GIS wurden an der Harvard Universität in den USA entwickelt. In Deutschland hat sich GIS erst in den 1980er-Jahren durchgesetzt.

Lit:
[1] MAGUIRE, D.J. (1991): An Overview and Definition of GIS. In: MAGUIRE, D.J., GOODCHILD, M. & RHIND, D.W. (Eds.) (1991): Geographical Information Systems. Principles and Application. Vol. I: Principles. – London.
[2] SAURER, H. & BEHR, F.-J. (1997): Geographische Informationssysteme. Eine Einführung. – Darmstadt.
[3] TOMLINSON, R.F. (1988): The impact of the transition from analogue to digital cartographic representation. In: American Geographer 15.


GIS: GIS: Komponenten eines GIS.

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Grafik:
Mathias Niemeyer (Leitung)
Ulrike Lohoff-Erlenbach
Stephan Meyer

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