Geoobjekt
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Ein Geoobjekt ist ein materielles, bzw. ideelles Phänomen der Realität, wie es durch ein Subjekt wahrgenommen und kognitiv verarbeitet wird. Die Definition erfolgt im fachspezifischen - geowissenschaftlichen Kontext. Die Vorsilbe "Geo" impliziert dabei die Notwendigkeit eines Raumbezugs auf der Erde. Im Allgemeinen weist ein Geoobjekt vier Dimensionen – auch Komponenten genannt - auf: Geometrie, Topologie, Semantik und Dynamik.
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Geoobjekte und Datenmodellierung
Geoobjekte bilden Elemente zur Modellierung der Realwelt in geographischen Informationssystemen (GIS). Diese Objektmodellierung schafft eine Struktur, indem sie die einzelnen Objekte in einen Zusammenhang bringt, sie gewissermaßen nach den Gesetzen der Realwelt verknüpft. Daraus resultiert schließlich das digitale Objektmodell (DOM).
Geoobjekte werden durch Geoinformationen beschrieben. Zur Standardisierung von Geoinformationen wurde durch die ISO die Normenreihe ISO 191xx geschaffen. In diesem Kontext regelt die Norm ISO 19109 die Regeln für die Modellierung von Geoobjekten. Es wird hierfür der Begriff des General Feature Model eingeführt.
Der Modellierungsprozess und seine Dokumentation stellen eine bedeutende Phase in der Planung eines GIS dar. Das digitale Objektmodell hat schließlich entscheidenden Einfluss auf die Analyse- und Visualisierungsmöglichkeiten des Systems. Die Modellierung in einem GIS erfolgt anhand unterschiedlicher Techniken: Wird das Modell in einer relationalen Datenbank gespeichert, so spricht man von einer daten- oder strukturorientierten Modellierung. Objekte werden in Form von Relationen abgebildet. Zur Laufzeit der GIS-Applikation kann daraus ein durch Methoden angereichertes und daher kraftvolleres virtuelles Objektmodell (nach Vorlage einer Klassenhierarchie) entstehen, das nur im Hauptspeicher existiert und für die eigentliche Dynamik im Informationssystem verantwortlich ist.
Gegenstände und Sachverhalte
Geoobjekte lassen sich in zwei Kategorien einteilen (nach Hake/ Grünreich, 1994, S.8):
Gegenstände im engeren Sinne sind die konkreten, unbelebten und belebten Gebilde unserer Umwelt. Diese sind sinnlich wahrnehmbar und in den meisten Fällen sichtbar. Sie können somit als Erscheinungen oder Phänomene bezeichnet werden.
Sachverhalte beschreiben mehr abstrakt die immanenten Merkmale eines Objekts oder seine Beziehung zu anderen Objekten. Beim Sachverhalt eines Objekts geht es um bestimmte, häufig nicht sofort wahrnehmbare Eigenschaften, die meist komplexer Natur sind. So kann es in einem Objektmodell für Analysen im Fachgebiet der Pedologie ein Objekt Boden geben. Als Attribut dieses Objekts den Sachverhalt Bodenklima. Dieser Sachverhalt kann wiederum als eigenständiger Objekttyp (Klasse) beschrieben werden, da er nicht aus einer singulären Variable besteht, sondern das Zusammenspiel von Temperatur- und Luftaustauschbedingungen repräsentiert. In ähnlicher Weise verhält es sich mit der komplexen Größe des Bodenwasserhaushalts. Der Raumbezug von Sachverhalten wird durch die Menge jener Objekte abgebildet, denen der Sachverhalt zugeordnet wird. Auch Beziehungen zwischen Objekten können mit einem eigens dafür geschaffenen Objekt näher dargestellt werden. Nehmen wir als Beispiel einen zentralen Ort, der durch Berufspendler mit Orten niedrigerer Ordnung in Verbindung steht. Diese Beziehung durch Berufspendler kann in vielfacher Hinsicht näher spezifiziert werden: Wie viele Tagespendler, Wochenpendler gibt es? Wie ist die Altersstruktur der Pendler charakterisiert? Welche Verkehrsmittel werden primär genutzt? Es ist keine schlechte Empfehlung, all diese Parameter in ein Paket zu schnüren und mit einem Klassenetikett zu versehen. In diesem Zusammenhang spricht man im objektorientierten Entwurf auch von einer Assoziationsklasse.
Geoobjekte und Dimensionen
Ein Geoobjekt – wie wir es als Erscheinung auf der Erdoberfläche verstehen – hat vier Komponenten oder Dimensionen:
Geometrie
Die Geometrie beschreibt die räumliche Lage eines Objekts im 2- oder 3-dimensionalen Raum. Der Begriff "Geometrie" stammt aus dem Griechischen und bedeutet im ursprünglichen Sinn "Erdvermessung". Die Geometrie umfasst alle Angaben zur absoluten räumlichen Lage und Ausdehnung des Geoobjekts auf Basis eines räumlichen Bezugssystems. Bei Kontinua – die räumlich oder flächenhaft unbegrenzt sind – besteht die geometrische Information in der Lageangabe für Zahlenwerte, die sich von Ort zu Ort kontinuierlich ändern (Wertefelder) (Hake / Grünreich, 1994, S. 10).
Jedes räumliche Bezugssystem benötigt eine Metrik. Die Metrik kann allgemein als Abstandsfunktion gesehen werden. Mit Hilfe einer Metrik können Lage, Richtung und Abstand definiert werden (Hake / Grünreich, 1994, S.82).
Zur Beschreibung der Geometrie sind zwei Modelle weit verbreitet:
Rastermodell
In einem Rastermodell wird der Interessensbereich in Teilflächen mit homogener Semantik aufgeteilt. Man spricht in diesem Zusammenhang von Mosaik oder Tesselation. Die häufigste Form der Tesselation ist die Aufteilung des Raumes in quadratische oder rechteckige Gitterzellen (Raster). Die Semantik stellt sich in Form eines numerischen Wertes für Matrizenelemente dar und wird bitweise gelesen und interpretiert Der Grauwert ist in diesem Zusammenhang nicht als Farbe, sondern als Sekundärinformation zu interpretieren. So steht auch in einer Infrarotaufnahme eines Fernerkundungssystems der Grauwert einer Rasterzelle für eine semantische Aussage: z.B. stellvertretend für den Vitalitätsfaktor einer Pflanze, da bei grünen Pflanzen der Reflexionsgrad mit Erreichen des Infrarot stark anwächst.
Die Rastergeometrie eignet sich zum einen sehr gut zur Beschreibung flächiger Sachverhalte, zum anderen auch vorzüglich für das Layerkonzept. So ergeben sich beispielsweise in Überschneidungszonen zweier Ebenen spezifische Grauwerte. Durch das regelmäßige Gitter ist es eine leichte mathematische Übung, die Gesamtfläche des Überschneidungsgebietes zu berechnen.
Das Wesen georelationaler Modelle kann im Rastermodell durch Zeiger simuliert werden, die von einer Rasterzelle auf eine Sachdatei verweisen, wo detaillierte semantische Informationen vorliegen. Der Zellwert spielt in diesem Zusammenhang die Rolle eines Schlüssels für eine Datei oder einen Dateiabschnitt. Dieser Zeiger muss dabei nicht für jede Rasterzelle definiert werden. Es genügt der Verweis auf ein Zentroid (interner Schlüssel), welches in weiterer Folge die externe Datei referenziert (vgl. Bartelme, 2000, S. 125).
Typische Dateiformate: BMP, TIFF, GIF, JPEG
Vektormodell
Vektormodelle bauen auf Punkte und Linien auf. Ein geschlossener Linienzug stellt dabei eine Fläche dar.
Vektormodelle bezeichnet man auch als lineale Modelle, während Rasterdaten ein areales Modell darstellen (im 3-dimensionalen Raum "Drahtmodell" versus "Volumenmodell"). Das Vektormodell eignet sich sehr gut zur Darstellung linienhafter Objekte und Gefüge (z.B. Leitungen, Verkehrswege oder Flussnetze).
Vektordaten benötigen bedeutend weniger Speicherplatz als Rasterdaten, obwohl für diese sehr leistungsfähige Kompressionsalgorithmen zur Verfügung stehen. Die Semantik wird den geometrischen Elementen zugeordnet. Im Gegensatz zum Rastermodell, bei dem der Grauwert einer Zelle eine implizite Zuordnung darstellt, müssen im Vektormodell Verknüpfungen explizit definiert werden. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einem georelationalen Modell (Bartelme, 2000, S.54).
Die elementaren Teile können zu höherwertigen Strukturen (graphische Gefüge) zusammengesetzt werden. Auch auf dieser Ebene kann mit thematischen Attributen verknüpft werden. In Vektormodellen sind die diesbezüglichen Schnitt- und Flächenberechnungen schon etwas komplizierter.
Typische Dateiformate: WMF, CAD, Shapefile
Topologie
Die Topologie befasst sich mit jenen Eigenschaften des Raumbezugs, die von der Metrik unabhängig sind. Sie charakterisiert die räumlichen Beziehungen von Geoobjekten zueinander und wird daher auch als Geometrie der relativen Lage bezeichnet: Umgebung, Enthaltensein, Nachbarschaft oder Überschneidung sind Merkmale topologischer Beziehungen. Topologische Elementarstrukturen sind 0-Zelle (Knoten), 1-Zelle (Kante) und 2-Zelle (Masche). Im Rastermodell ist die Topologie durch die Zellmatrix bereits implizit festgelegt. Im Vektormodell muss sie explizit formuliert werden. Oftmals lassen sich topologische Beziehungen zwar aus Berechnungen des geometrischen Modells ableiten, jedoch bildet eine effiziente topologische Modellierung eine wichtige Grundlage für die Datenkonsistenz. Jeder metrische Raum ist zugleich auch topologischer Raum. Die bei geometrischer Rotation, Translation oder Skalierung unveränderten topologischen Eigenschaften bezeichnet man als topologische Invarianten.
Semantik
Die Semantik (Sachbezug) beschreibt im Gegensatz zu dem nach außen gerichteten Raumbezug alle nach innen, auf das Wesen des Objekts bezogenen Angaben (Hake / Grünreich, 1994, S.10). Semantik ist die Bedeutung eines Geoobjekts im fachspezifischen Kontext. Diese Bedeutung ergibt sich in raumbezogenen Objektmodellen fundamental durch die Zugehörigkeit zu einer bestimmten Objektart (Klasse), verfeinert wird sie durch das Zusammenspiel klassenzugehöriger nicht raumbezogener Attribute. Diese können qualitativer, also auch quantitativer Natur sein. Qualität bezeichnet Angaben zur Art oder Beschaffenheit eines Objekts. Quantität hingegen richtet den Fokus auf Menge, Wert, Intensität oder Größe. Daten diesbezüglich lassen sich als diskret oder stetig kategorisieren. Häufig verdichtet man diese zu statistischen Kennzahlen.
Die Semantik bildet eine Ergänzung zur Geometrie, die den Raumbezug darstellt. Während die Geometrie nach dem "wo" fragt, bezieht sich die Frage der Semantik nach dem "was". Der Begriff "Semantik" kann als Synonym für "Thematik" verwendet werden, geht jedoch in Bezug auf seine Kontextabhängigkeit und Holistik oftmals darüber hinaus.
Semantik ist die kontextgebundene Bedeutung eines raumbezogenen Objekts, welche sich aus den Verflechtungen und dem Wechselspiel der thematischen Attribute ergibt. In diesem Sinn resultiert die Semantik aus der Strukturierung der Fachdaten und der Betrachtung als Ganzes. Eine Besonderheit der Semantik ist auch, dass sie keinesfalls frei von Subjektivität ist. Der Nutzer verknüpft mit einem Objekt beispielsweise bestimmte Merkmale, die durch seine Lebensbedingungen oder seine spezifische Sichtweise auf das Objekt determiniert sind. Man kann jedoch die Semantik im Sinne der individuellen Perzeption ausklammern und den Begriff stellvertretend für die Bedeutung verwenden, die einem geometrisch / topologischen Konstrukt bezüglich einer konkreten Fragestellung durch Fachattribute gegeben wird. Die Definition eines Geoobjekts im fachspezifischen Kontext fordert auch eine hohe Kohäsion der Semantik.
Dynamik
Mit dem Begriff der Dynamik werden alle zeitlichen Veränderungen von Geoobjekten charakterisiert. Die Intensität dynamischer Modellierung hängt natürlich in großem Maße davon ab, ob das Erkenntnisinteresse einer „Momentaufnahme“ dient (statisch) oder ein dynamisches Verhalten im Vordergrund steht. Modellierungen zu Themen wie Strömung, Transporte, Raumentwicklung, etc. richten ihr Augenmerk ganz deutlich auf temporale Veränderungen. Überlegungen zur Einbringung und Visualisierung von Dynamik spielen in diesen Fällen natürlich eine ganz entscheidende Rolle.
Beispiele von Geoobjekten
Modell einer Klimastation zur Messung meteorologischer Parameter:
- Geometrie: Beschreibung der räumlichen Lage der Klimastation durch geographische Koordinaten.
- Topologie: Die Klimastation liegt im Gemeindegebiet von Groß Gerungs.
- Semantik: Messdaten für Lufttemperatur, Niederschlag, Luftdruck, etc.
- Dynamik: Zeitliche Variationen der meteorologischen Parameter.
- (aus Streit, Skriptum Geoinformatik, Version 3.4, Kapitel 4)
Angaben zur Geometrie der Klimastation können auf die Koordinaten eines Punktes in einem räumlichen Bezugssystem beschränkt werden. Wesentlich vielschichtiger in diesem Beispiel ist die Semantik und deren zeitliche Variation: Messreihen verschiedenster Parameter werden automatisch von der Station in festgelegten Intervallen aufgezeichnet und müssen selbstverständlich im digitalen Objekt für Analysen zur Verfügung stehen. Die kartographisch-thematische Darstellung sollte hier unbedingt auch mit Diagrammen ergänzt werden. Eine besondere Bedeutung für Klimastationen haben auch Höhe über NN und Geländeexposition. Diese Angaben sollten bei Analyse und Darstellung immer "zur Hand" sein und des Weiteren als Metadaten aller Aufzeichnungen der Klimastation mitgeführt werden.
Modell einer Fließgewässerstrecke:
- Geometrie: Beschreibung der Gewässerstrecke durch einen Linienzug.
- Topologie: Die Gewässerstrecke endet bei der Mündung des Flusses in die Donau.
- Semantik: Mess- und Beobachtungswerte für Wasserstand, Anzahl von Pflanzenarten etc.
- Dynamik: Veränderungen der Geometrie und einiger Merkmale der Semantik durch Erosion des Fließgewässers.
- (aus Streit, Skriptum Geoinformatik, Version 3.4, Kapitel 4)
Thematische Attribute unterliegen der Selektion des fachspezifischen Kontexts und beeinflussen auch die geometrische Darstellung. Aus hydrologischer Sicht interessiert eine sehr genaue geometrische Beschreibung des Gewässerverlaufes mit allen Flussbiegungen, Veränderungen der Breite und Tiefe. Aus limnologisch-gewässerökologischer Sicht interessiert nur eine grobe geometrische Beschreibung des Gewässerverlaufs. Wichtiger ist z.B. die Nachbarschaft zu Biotopen (vgl. Streit, Skriptum Geoinformatik, Version 3.4, Kapitel 4).
Aus wirtschaftlicher Sicht kann von Interesse sein, ob der Fluss für den Schiffsverkehr als Transportweg nutzbar ist.
Modell eines Biotops als flächenhafter Raumausschnitt mit annähernd homogener ökologischer Struktur und Funktion:
- Geometrie: Umrandung des Biotops mit einem geschlossenen Linienzug (Polygon).
- Topologie: Das Biotop wird von einer Straße geschnitten.
- Semantik: Biodiversität, biochemische Zyklen, vorherrschender Bodentyp, etc.
- Dynamik: Änderung der Topologie durch Aufgabe der Straße und Renaturierung der ehemaligen Verkehrsflächen.
- (aus Streit, Skriptum Geoinformatik, Version 3.4, Kapitel 4)
Die Semantik eines Biotops ist anspruchsvoll in der Modellierung. Das Biotop ist räumlicher Repräsentant eines Biosystems (ökologisches Wirkungsgefüge). Der komplexe funktionale Zusammenhang der im Biotop zusammenwirkenden Biofaktoren (Tiere, Pflanzen, Mensch) lässt den Schwierigkeitsgrad einer effizienten Datenmodellierung erahnen.
Literatur
- Bartelme, N.: Geoinformatik: Modelle, Strukturen, Funktionen; Springer, 2000
- Hake, G.; Grünreich, D.: Kartographie; de Gruyter, 1994
- Diplomarbeit: Peter Robineau, Semantik im Vektormodell
Online
- http://ifgivor.uni-muenster.de/vorlesungen/Geoinformatik
- Skriptum: Ulrich Streit, Einführung in die Geoinformatik, Version 3.4
