Die Verwaltung geographischer Daten

Die im Geographischen Informationssystem zu speichernden Phänomene und Objekte (auch als Entitäten bezeichnet) treten in zwei wesentlichen Strukturen auf. Es gibt

• kontinuierliche Erscheinungen, die flächenhaft und quasi unbegrenzt im Raum sind (z.B. Temperatur der untersten Luftschicht) und 
• diskrete Erscheinungen, d.h. zum einen abgrenzbare Flächen (z.B. Seen oder Gebäude), zum anderen linienhafte Phänomene (z.B. Straßen oder Eisenbahnstrecken) sowie punkthafte Informationen (z.B. geologische Bohrdaten). 

Für diese in ihrem Charakter sehr unterschiedlichen Strukturen wurden unterschiedliche Datenstrukturen geschaffen, um diese Daten mit möglichst geringen Informationsverlusten im Rechner digital speichern zu können.

Bei der Auswahl einer geeigneten Datenstruktur kommt es immer auf den Maßstab und damit auf die gewünschte Auflösung der Daten an. Ein Fußballfeld sieht aus dem All wie ein Punkt aus, aus direkter Nähe betrachtet wird es dagegen zur abgegrenzten Fläche.

In Geographischen Informationssystemen gibt es vier wesentliche Gruppen von Datenstrukturen (vgl. Abb. 3.1). Die ersten drei Datentypen sind Lagedaten, beim vierten Typus handelt es sich um die zugehörigen Sachdaten:

  

Figure 3.1: Datenstrukturen im GIS:
Rasterdaten: Darstellung der Attribute als Zellenwerte bzw. Zellenfarben
Vektordaten: linien- und flächenhafte Informationen sind mit Attributen verknüpft, Vektorlinien      über Knotenpunkte
Punktdaten: mit Attributen verknüpft
Sachdaten: Speicherung der Attribute mit Koordinaten in Tabellenform in einer Datenbank

Rasterdaten:

  Sie werden vor allem für kontinuierlich im Raum verteilte Daten eingesetzt. Dabei wird eine regelmäßige Matrix quadratischer und gleich großer Zellen erzeugt. Jede Zelle bekommt ein Attribut (Eigenschaft, Sachdatum) zugewiesen, das das zu speichernde Phänomen repräsentiert (z.B. einen Temperaturwert). Die Speicherung der Zellen erfolgt über ihre Koordinaten. Die Zellen lassen sich aufgrund der Matrixstruktur in Reihen (rows) und Spalten (columns, cols) gliedern, der Datenzugriff kann demnach über die geographischen Koordinaten oder über die Angabe der Reihe/Spalte geschehen.

Vektordaten:

  Sie werden zur Speicherung von Linieninformationen bzw. bei geschlossenen Linienzügen (Polygone) zur Speicherung homogener Flächen benutzt. Eine Linie verbindet jeweils zwei Endpunkte, die wiederum Koordinaten besitzen, und hat ein oder mehrere Attribute (Eigenschaften, Sachdaten).

Punktdaten:

  Sie dienen zur Speicherung unregelmäßig im Raum verteilter Informationen. In manchen GIS wie z.B. GRASS ist dieser Datentyp alternativ auch in Form von Vektorpunkten speicherbar. Jeder Punkt hat seine Koordinaten und ein oder mehrere Attribute (Eigenschaften, Sachdaten).

Sachdaten:

   Bei Sachdaten handelt es sich um die Attribute, die mit obigen Datensätzen verknüpft sind. Ihre Speicherung erfolgt häufig in einem an das GIS gekoppelten Datenbanksystem bzw. in begrenztem Maße auch im GIS selbst.

Die Datenstrukturen im Geographischen Informationssystem sind nicht als unveränderlich anzusehen, es gibt Konvertierungsmöglichkeiten zwischen den verschiedenen Formaten. Beispielsweise werden Höhenlinien, die aus einem flächenhaften Geländemodell (im Rasterformat) abgeleitet werden, als Vektorlinien abgelegt. Im Gegenzug wird bei der Interpolierung einer geschlossenen Geländeoberfläche aus digitalen Höhenlinien (im Vektorformat) die Karte im Rasterformat gespeichert. Die Konvertierung zwischen den Datenstrukturen läuft intern im jeweiligen GIS-Modul ab. Je nach Auflösung ist ein mehr oder weniger starker Datenverlust unvermeidbar (vgl. Abb. 3.2).  

  

Figure: Vergleich der Auflösung einer Ellipse im Vektor- bzw. Rasterformat

  

Figure 3.3: Datendimensionen im GIS, nach RASE (1998, S. 19)

Daten in heutigen Geographischen Informationssystemen wie GRASS oder ARC/INFO sind, wie Abbildung 3.3 zeigt, überwiegend zweidimensional (2D) oder zweieinhalbdimensional (2.5D). Im zweidimensionalen Fall liegen flächenhafte Informationen vor. Ist eine dritte Information vorhanden, spricht man von zweieinhalb Dimensionen. Ein Beispiel dafür sind Höhendaten: Hier existieren Höheninformationen zusammen mit Positionsdaten (x-, y-, z-Daten), es fehlen aber die Beschreibungen für die "`Seiteninformationen"'. Erst bei echten 3D-Systemen werden auch Beschreibungen für die Seitenflächen von Körpern (z.B. bei Gebäudeoberflächen oder Bodenprofilen) gespeichert. Zur Zeit gibt es eine starke Tendenz zu diesen echten 3D-GIS mit Blickrichtung auf 4D-GIS unter Berücksichtigung der Zeitkomponente. GRASS 5.x weist ein neues Datenformat für dreidimensionale Rasterdaten und ein erweitertes Punktdatenformat auf (vgl. BRANDON ET AL. 1999).