Kapitel 1
Einführung

Zielsetzung dieser Einführungs-Vorlesung:

Diese Vorlesung mit begleitender Übung soll Studentinnen und Studenten der Geowissenschaften (Geographie, Landschaftsökologie, Geologie u.a.) einen einführenden Überblick über Anwendungsmöglichkeiten der Geoinformatik bei raumbezogenen Fragestellungen geben. Die Erfassung, Verwaltung, Analyse, Modellierung und Visualisierung raumbezogener Daten (Geodaten) mit Hilfe von Datenbanksystemen, Geoinformationssystemen, Bildverarbeitungssystemen etc. ist in den letzten Jahren zu einem unverzichtbaren Arbeitsmittel für alle Geo- und Umweltwissenschaftler geworden.

Daher ist es bei einer Einführung in die Geoinformatik notwendig, auch einige wenige Grundbegriffe und Zusammenhänge aus der Mathematik und Informatik kennenzulernen. Sie sind in dieser Anfänger-Vorlesung für Geowissenschaftler auf das unbedingt notwendige Minimum reduziert.

Wichtiger Hinweis:
Für Studierende der Geoinformatik wird ab WS 2005/2006 einen spezielle Vorlesung und Übung "Einführung in der Geoinformatik" mit Vorlesungs- und Übungsinhalten angeboten, die über den Stoff dieser Vorlesung und Übung hinausgehen.
Studierende der Geoinformatik sollten also diese speziellen Lehrangebote nutzen.


 

1.1 Was ist Informatik?
 
Informatik (computer science) ist die Wissenschaft, die sich mit der systematischen und automatischen Verarbeitung von Informationen auf der Basis von Daten mit Hilfe von Computern befaßt.

Zur Erläuterung:

Beispiel 1:
 
Signal: . . . - - - . . . (3 kurze, 3 lange, 3 kurze Töne)
Datum: Kennt man die Syntax derartiger Morsesignale, so läßt sich dieses Signal in das Datum SOS übersetzen.
Information: Dieses Datum erhält erst durch seine Interpretation (Entschlüsslung) beim Empfänger einen Sinn, wird für den Empfänger also zur Information: Hilferuf 'Save Our Soules'

Beispiel 2:

Das Datum '1000 hPa' ist ohne zusätzliche Fachkenntnisse ohne Aussagekraft; erst der fachliche Kontext 'Maßeinheit hPa für den Lufzdruck' und 'gemessen in 2m Höhe über Grund' und das Fachwissen des Geowissenschaftlers führt zu der Information, daß dieser Wert auf ein Tiefdruck-Gebiet hinweist.

Hinweis:

Die Begriffe Information und Datum werden häufig mit unscharfer Abgrenzung gebraucht. Auch der Begriff Informatik wird nicht ganz einheitlich definiert. Er ist jedoch umfassender als der Begriff Automatische (elektronische) Datenverarbeitung, mit dem die Verarbeitung von Daten mit Computern in einem mehr technischen Sinne gemeint ist.

Zurück zur Definition von 'Informatik':

Der Sinn von Informationen liegt darin, mit ihrer Hilfe Sachverhalte erklären und Wissen gewinnen zu können sowie gezielte Handlungen zu ermöglichen.

Die von SHANNON (1948) als mathematische Theorie begründete Informationstheorie behandelt Fragen der (optimalen) Speicherung und Übertragung von Informationen, z.B. wie kann man möglichst viel Information mit einer möglichst kurzen Nachricht übertragen è Minimierung von Speicherplatz und Rechenzeit.

Die Informationstheorie bildet eine wichtige theoretische Basis der Informatik.

Zur heutigen Bedeutung der Informatik:

Der Computer spielte für ausgehende 20.Jahrhundert eine ähnliche Schlüsselrolle wie die Erfindung der Dampfmaschine als Auslöser der industriellen Revolution im 19. Jahrhundert. Computer bilden die Grundlage der heutigen Informations- und Kommunikationsgesellschaft. Sie haben praktisch alle Lebensbereiche verändert. Die Folgen sind fast unüberschaubar - aber nicht nur positiv:

Die Nutzung von Computern entwickelte sich zu einer zentralen Kulturtechnik wie Lesen, Schreiben und Rechnen.
 

Zur Geschichte der Informatik:

Die Geschichte der Informatik bzw. numerisch-instrumentellen Mathematik reicht bis in das Altertum zurück. Schon 'die alten Griechen' entwickelten Algorithmen zur Lösung komplexer Probleme und benutzten technische Hilfsmittel zum Rechnen.

Hier einige Daten und Fakten zur Geschichte der Informatik:
 
vor 0 Zahlensysteme der Sumerer, Ägypter, Römer; Abakus als Rechenhilfe;
griechische Mathematiker PYTHAGORAS (- 500), EUKLID (-300), ARCHIMEDES (-250) u.a. legen Grundlagen der Geometrie und Algebra
~ 500 Indisch-arabisches Dezimalsystem mit der Zahl 0
1524 Adam RIESE schreibt ein Rechenbuch nach dem Dezimalsystem
1623 SCHICKARD konstruiert für Kepler die erste mechanische Rechenmaschine mit 2 Grundrechenarten
1818 zuverlässige mechan. Rechenmaschinen werden serienmäßig hergestellt
1838 BABBAGE konzipiert die 'analytical engine' mit Programmsteuerung über Lochkarten; technisch aber nicht realisiert; seine Assistentin ADA schreibt dafür das erste "Programm"
1886 HOLLERITH baut eine elektrische Zählmaschine für Lochkarten
1941 ZUSE baut die erste elektrische programmgesteuerte Maschine Z3(2000 Relais);
1 Multiplikation dauert 4 Sekunden
1944 AIKEN baut bei IBM die programmgesteuerte Maschine MARK1 (Länge 15m, 80 km Leitungen); 1 Multiplikation dauert 3 s
1950 von NEUMANN, TURING u.a. entwickeln das Prinzip der modernen Computer: Einzelprozessor, Programm und Daten im gleichen Speicher
1954 In den USA wird ENIAC als erster elektronischer Rechner entwickelt (18.000 Elektronenröhren, 20 Tonnen); Multiplikation 3 ms
1964 FORTRAN wird eine weit verbreitete Programmiersprache, insb. in den Naturwissenschaften
1973 UNIX wird als Betriebssystem für workstations entwickelt
1976 WOZNIAK & JOB bauen in den USA den ersten PC (Apple)
CRAY baut den ersten Supercomputer
1979 MS-DOS für PCs kommt auf den Markt
1983 von IBM wird der erste PC-XT (extended) auf den Markt gebracht
. . . . . Hardware wird immer leistungsfähiger und preiswerter; Software wird leistungsfähiger, erfordert aber auch immer mehr hardware-Ressourcen; Internet und Intranet werden die treibende Kräfte zur Weiterentwicklung der Informations- und Kommunikationstechnologie. 

Die stürmische Entwicklung der Informatik in den letzten Jahren hat zur Ausbildung mehrerer großer Teilbereiche geführt:

l Theoretische Informatik:

Erforschung formaler Methoden zur Entwicklung von
- Rechnern (è Automaten-Theorie),
- Sprachen (è Sprachtheorie) und
- Algorithmen (è Theorie der Berechenbarkeit)
auf mathematischer Grundlage

l Praktische Informatik:

Entwicklung von Methoden zur Erstellung und Ausführung von Computer-Programmen (z.B. Programmiersprachen und Compiler, Betriebssysteme, Datenbanksysteme, Entwicklungswerkzeuge für Programmierer und Anwender)

l Technische Informatik:

Entwurf von integrierten Schaltungen (Chips), Computern, Peripheriegeräten, Schnittstellen, Netzwerken etc.
Theoretische, Praktische und Technische Informatik bilden gemeinsam die Kern-Informatik.

l Angewandte Informatiken:

Anwendung von Methoden der Informatik in anderen Wissenschaften.
Die diversen Angewandten Informatiken sind meist in den jeweiligen Fachwissenschaften angesiedelt und haben eine Brückenfunktion zwischen Fachwissenschaft und der Kern-Informatik; hier arbeiten Fachwissenschaftler und Informatiker sehr eng zusammen.
Beispiele:  Wirtschaftsinformatik, Medizinische Informatik, Agrarinformatik, Geoinformatik, Bioinformatik
 
 

1.2 Was ist Geoinformatik ?
 
Die Geoinformatik (geoinformation science, geomatics) befaßt sich mit der Entwicklung und Anwendung informatischer Methoden zur Lösung fachspezifischer Probleme in den Geowissenschaften unter besonderer Berücksichtigung des räumlichen Bezuges der Daten; mit Hilfe geoinformatischer Methoden werden aus Geodaten fachbezogene Geoinformationen gewonnen.

Räumlicher Bezug von Daten:
Typisch für geowissenschaftliche Probleme ist die Bindung fachspezifischer Eigenschaften an Objekte, die räumliche Bezugseinheiten darstellen, d.h. an sog. Geoobjekte.
Beispiele für Geoobjekte:
Meßpunkt, Profillinie, Einzugsgebiet, Grundwasserkörper

Geoobjekte sind also durch ihren Raumbezug definiert.
Der Raumbezug wird primär durch ihre Geometrie (d.h. die absolute Lage im Raum) beschrieben. Räumliche Beziehungen von Geoobjekten untereinander können durch ihre Topologie (d.h. die relative Lage) charakterisiert werden.
Verschiedene fachliche Eigenschaften werden durch die Thematik beschrieben.
Die Dynamik der Geoobjekte kennzeichnet ihre zeitlichen Veränderungen bezüglich Geometrie, Topologie und Thematik.

Um bei der Auswertung von Daten derartige räumliche Bezüge berücksichtigen zu können, benötigt man spezielle Methoden der Geoinformatik.

Beispiel:

Die Geoinformatik ist ein sehr junges Fach innerhalb der Geowissenschaften. Das Institut für Geoinformatik der Universität Münster (1994 gegründet) ist das erste Institut dieser Art in Deutschland gewesen. Inzwischen gibt es weitere Institute und Abteilungen für Geoinformatik. In praktisch allen Geowissenschaften (Geographie, Landschaftsökologie, Geologie, Geodäsie, Geophysik u.a.) arbeiten heute Geoinformatiker gemeinsam mit Geowissenschaftlern an der Lösung raum- und umweltbezogener Probleme.

Wichtige Forschungsfelder der Geoinformatik sind zur Zeit:

Arbeitsschwerpunkte am Münsteraner Institut für Geoinformatik sind:

 

In enger Beziehung zur Geoinformatik steht wegen des Raumbezuges vieler Umwelt-Fragen die Umweltinformatik. Sie befaßt sich mit der Entwicklung und Anwendung informatischer Methoden bei allen umweltrelevanten Problemen (z.B. Umweltmonitoring, Umweltplanung). Umwelt-Informationssysteme (UIS) basieren häufig auf der GIS-Technologie.

Am Institut für Agrar- und Forstinformatik an der Universität Münster werden schwerpunktmäßig Geodaten und Geoinformatik-Methoden zur Lösung raumbezogener Aufgabenstellungen in der Land- und Forstwirtschaft eingesetzt. Dieses Institut ist mit dem Institut für Geoinformatik fachlich und personell eng verbunden.