gis history

Prof. Dr.-Ing. W. Busch Institut für Geotechnik und Markscheidewesen 42 Grundlagen der Geoinformationssysteme

Historisches Beispiel einer GIS-Anwendung

Eine der ersten (und gut dokumentierten) „analogen“ GIS Lösungen war die Untersuchung der Londoner Cholera Epidemie von Dr. John Snow 1854. Er sammelte die Adressen der

Sterbefälle und markierte sie in einer Straßenkarte zusammen mit den öffentlichen Trinkwasserpumpen im Londoner Distrikt Soho Dieses historische Beispiel zeigt,

wie GIS arbeitet.

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Londoner Cholera Epidemie von 1854 (II) Allerdings zeigt es auch, das einer GIS-Analyse methodische Arbeit vorausgehen muss. Ohne die theoretischen Arbeiten von Dr. Snow zur Übertragbarkeit dieser Krankheit wäre diese Untersuchung nie erfolgt. So suchte Snow nach Orten mit

Soho

Standort Wasserpumpe

potentiellen Übertragungs- und Ansteckungsmöglichkeiten (Abwasser, Trinkwasser-pumpen, öffentliche Plätze, Gasthäuser etc.).


Londoner Cholera Epidemie von 1854 (I) Er war nicht überrascht, eine radialsymmetrische Verbreitung der Sterbefälle um eine

der öffentlichen Trinkwasserpumpen zu finden. Snow’s Theorie konnte überprüft werden. Als der Schwengel der Pumpe in der Broad-Street entfernt wurde, traten keine neuen Cholerafälle auf. Damit führte er den Beweis, dass sich die Erreger der Cholera im kontaminierten Trinkwasser verbreiten.

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Sterbefall

Buffer um Pumpe in der Broad-Street

Standort Wasserpumpe

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Originalquelle: http://www.ph.ucla.edu/epi/snow.html

http://www.ph.ucla.edu/epi/snow.html


Bezugssysteme

Informationen über unterschiedliche Aspekte der Untersuchungsgegenstände (Eigenschaften der Entitäten) werden als Daten in einer definierten Struktur gespeichert. Ein wichtiger semantischer Aspekt der Datenorganisation (z.B. in einer Datenbank) ist die Vorgabe von Bezugssystemen für die attributiven und räumlichen Daten.

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Bezugssysteme für Attributdaten (I)

Attributdaten (thematische Daten) charakterisieren die räumlichen Objekte. Daten erhalten durch den festgelegten Datentyp und Wertebereich sowie durch ihre Einheiten eine semantische Struktur (siehe Datenmodellierung in einem späteren Kapitel).

Attribute beschreiben das „Was“ und das „Wieviel“ gewonnener Informationen.

Denkt man sich die Attribute als Koordinatenrichtungen (Dimensionen), spannen sie einen Attributraum auf (welche Eigenschaften dieser Raum hat und welche Analysemethoden angewendet werden können, hängen von der Art und den Beziehungen der Attribute ab; z. B. können für statistisch als unabhängig annehmbare, numerische (rationalwertige) Attribute in dem abstrakten Konzept n-dimensionaler Euklidischer Vektorräume die bekannten Analyseverfahren der Multivariaten Statistik genutzt werden.

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Bezugssysteme für Attributdaten (II)

Die Achsen X (z. B. Temperatur), Y (z. B. Sauerstoffsättigung) und Z (z. B. Permeabilität) spannen ein dreidimensionales Kartesisches Koordina-tensystem auf, in dem sich Distanzen mit der bekannten Euklidischen Formel berechnen lassen.

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Die Attribute „Gesteinstyp“ (X-Achse) und „Anzahl“ (Y-Achse) spannen ein Kartesisches Koordinatensystem auf,

in dem für die Berechnung von Abständen allerdings eine

Abstandsfunktion (offensichtlich nicht Euklidisch) definiert werden müsste.


Räumliche Bezugssysteme (I)

Die räumliche (ebenso zeitliche) Information über Realweltphänomene beinhaltet Aussagen über das „Wo“, das „Wie groß“, das „Welche Richtung“, das „Was befindet sich in der Nachbarschaft“ und das „Was ist das nächste“; zeitlich: Wann“, „Wie lange“, „Früher“, „Später“ etc.. Räumliche Informationen werden als Daten (meistens Koordinatenangaben)

gespeichert, die in eine semantische Struktur, ein Referenzsystem, eingebunden sind (metrischer Raum). Ein Referenzsystem erlaubt das Lokalisieren (das Herstellen des Bezuges zwischen Modell und Realwelt). Nachbarschaften und Reihenfolgen erfordern keine Koordinatenangaben oder

Abstandsdefinition, sie werden mit dem Konzept „topologischer“ Eigenschaften verwaltet (topologischer Raum).

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Räumliche Bezugssysteme (II)

Es gibt drei prinzipiell unterschiedliche Methoden der Referenzierung (wir sprechen von Georeferenzierung, weil hier der Räumliche Bezug gemeint ist), die in GIS angewendet werden: 1. absolute, direkte Referenzierung 2. relative Referenzierung beinhaltet hier: die Offset-Messung (Abstand von …) und Messungen innerhalb von Netzwerken 3. diskrete Referenzierung die Lagebestimmung erfolgt über geographische Bezeichner oder Kennungen: d. h. relativ und innerhalb fester, begrenzter Einheiten, wie z. B. Adressen (Hausnummer), Attributeinheiten (Klassifizierungen), regelmäßige Gitter, administrative Zonen etc.

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Räumliche Bezugssysteme (III)

1. Für die direkte Referenzierung benötigt man ein Koordinatensystem mit festgelegtem Ursprung und Orientierung, Koordinatenachsen (Anzahl legt die räumliche und zeitliche Dimensionalität des Modells fest), Abstandseinheiten und eine Abstandsfunktion. („Primärmetrik“)

Meist über spezifische 2- und 3-dimensionale Kartesische oder Azimutale Koordinaten

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Geozentrisches Koordinatensystem

Geographische Koordinaten


2. Relative Referenzierung (über Nachbarn; topologische Information)

3. Diskrete Referenzierung 3.1. über Bezeichner, z. B. Hausnummern, Grenzsteine, Kilometersteine,

Ortseingangsschild, Kreuzung etc. oder Platznamen

Räumliche Bezugssysteme (IV)

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3.2 über bounding boxes, reguläre (Kartenblatt, Koordinatengitter etc.) oder irreguläre (Gemeinde-, Landesgrenzen etc.) Segmente (Flächen, Teilstücke)

Räumliche Bezugssysteme (V)

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1 Einführung 1.1 Was sind Geoinformationssysteme 1.2 Realwelt-Modellierung 1.3 Beispiel einer GIS-Anwendung 1.4 Bezugssysteme 1.5 GIS-Software: Produkte und Anbieter 1.6 Geschichte der Geoinformatik und von GIS 1.6.1 Die Anfänge 1.6.2 Landesvermessung und Kartenerstellung 1.6.3 Computerentwicklung als Basis für GIS 1.6.4 Softwareentwicklung für GIS


GIS – Software: Einteilung & Funktionalität

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Softwarepakete und Anbieter (I) Die kommerziellen Softwareentwicklungen in der Geoinformationstechnik

unterliegen einem ständigen Entwicklungsprozess. In den Aufgabenbereichen der Datenhaltung, der Komponententechnologie oder

der Interoperabilität ist es durch die Verbreitung der Netzwerktechnologien (Internet u. ä.) in den vergangenen Jahren zu massiven Veränderungen gekommen. Ursprünglich getrennte Speicherung von geometrischen Daten und Sachdaten

(in proprietären, häufig dateibasierten Strukturen) Inzwischen bieten zumindest die großen Anbieter für Datenbanksysteme

ausgereifte Techniken zur Verwaltung auch räumlicher Geodaten. Die Vorteile der Verwaltung räumlicher Daten mit einem DBMS sind offensichtlich:

- 1. Speicherung auch sehr umfangreicher Datensätze ohne Separierung (also „blattschnittfrei“)

- 2. Transaktionssicherheit und Administrationsmechanismen des DBMS wirken auf Geodaten

- 3. einheitliche Schnittstellen für den Zugriff auf die Geodaten auch über Netzwerke etc.

- 4. Aufbau von Client-Server-Strukturen; damit „Verschlankung“ der Clients und Konzentration der Administrierungsaufgaben am Geodatenserver

Gesamte GIS-Industrie ist Mitglied im Open GIS Consortium (OGC); Arbeit an Standardisierungsprozessen 1

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Softwarepakete und Anbieter (II)

Übersichten finden sich im Internet unter: http://www.geoinformatik.uni-rostock.de/produkte.asp und unter http://www2.geoinform.fh-mainz.de/3dgis/index.php sowie http://www.geobranchen.de/ Übersicht freier GIS-Software: http://www.freegis.org/ http://www.esri.com/ ESRI - ArcGIS, ArcSDE, ArcIMS, (Atlas/GIS)

http://www.intergraph.com/ Intergraph Corp., Geomedia, G/technology http://www.bentley.com Bentley, Microstation Geographics http://www.mapinfo.com/ MapInfo, Inc. http://www.smallworld-us.com Smallworld Systems Inc. (2000 übernommen von GE) http://www.microimages.com TNTmips, TNTlite ist frei verfügbar http://www.baylor.edu/~grass GRASS– im Original von der US Army http://www.idrisi.clarku.edu/ IDRISI, Clark University http://www.progis.co.at WINGIS http://www.cadcorp.com CadCorp SIS (Spatial Information System) http://www.universal.ca CARIS http://www.itc.nl/ilwis ILWIS http://www.manifold.net Manifold—GIS (deutsche Seite: http://www.manifold.de/)

http://www.ermapper.com/ ER Mapper http://www.erdas.com/ ERDAS, Inc. -- Imagine http://www.pci.on.ca/ PCI Geomatics Group Inc. (Canada) http://www.rsinc.com ENVI Remote Sensing package (2000 übernommen von Kodak) http://www.genasys.com/ Genasys II, Inc. http://www.caliper.com/ Maptitude und TransCAD, Caliper Corporation http://www.maptitude.co.uk/ Maptitude und TransCAD

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http://www.geoinformatik.uni-rostock.de/produkte.asp

http://www2.geoinform.fh-mainz.de/3dgis/index.php

http://www.geobranchen.de/

http://www.freegis.org/


Softwarepakete und Anbieter (III)

ESRI Unterstützt mit der Produktfamilie Arc* die Entwicklung von Client/Server-

Strukturen, ArcSDE (Spatial Database Engine) und ArcIMS (Internet Server-based mapping)

bieten serverseitige Dienste an; Clients: ArcView, ArcMap und ArcInfo als Desktop GIS, ArcReader und ArcExplorer

als browserbasierte Geodatenviewer und ArcPad für Windows CE-gestützte Handheld-Computer. Datenbankgateway ArcSDE unterstützt Datenbanksysteme wie Oracle, IBM DB2,

IBM Informix und Microsoft SQL. Damit sind die neuen Entwicklungen auch an den WMS Standard des OGC

angelehnt.

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Softwarepakete und Anbieter (IV)

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ESRI Link: http://esri-germany.de http://www.esrichina-bj.cn/


Softwarepakete und Anbieter (II)

Geomedia Client/Server-Architektur Angelehnt an OpenGIS Standard WMS. Verwaltung der erfassten Daten erfolgt über relationale oder objektrelationale

Datenbanken wie z. B. Microsoft Access, Microsoft SQL oder Oracle. Durch die Erfassung der Daten in einer Datenbank werden diese jetzt nicht mehr in

proprietären GIS- oder CAD-Formaten gespeichert, Geomedia unterstützt die

neuen Industriestandards XML, GML und WML,

Link: http://imgs.intergraph.com/geomedia/

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Softwarepakete und Anbieter (V)

GE Smallworld / Core Spatial Technology Mehrstufige Client/Server-Architektur. Spezialisiert auf Netzwerk-GIS (Leitungssysteme, Transportprozesse) spezialisiert. Geodaten Verarbeitung weitestgehend clientseitig, dadurch Minimierung der

Datenflussmengen. Application Server für

mobile Feldsysteme und Webbrowser unter Verwendung von Java, XML, GML und HTML. Smallworld setzt WMS-

Standard des OGC um.

Link: http://www.gepower.com/prod_serv/subst_ntwk.htm

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Geschichte GIS

Karten, auch animierte und multimediale, sind im engen Verständnis der Wissenschaft Geoinformatik kein GIS. Aber alle Kartenentwicklungen sind Visualisierungsmittel!

Sie haben ein Defizit in Bezug auf Funktionalität und Methoden zur Analyse und Datenauswertung. Die Produktion von Karten (Thematische Karten) ist eine der „klassischen“

Hauptaufgaben eines GIS und einer der Grundpfeiler der historischen Entwicklung von GIS. Karten und Pläne waren die ersten Medien, die benutzt wurden, um

Modelle der Realwelt mit kombinierten geometrischen und thematischen (attributiven) Daten zu erzeugen. GIS entstand als logische Fortsetzung dieser Bemühungen und aus der

Notwendigkeit der (computergestützten) Auswertung von Volkszählungs- und Katasterdaten.

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Ausgangspunkt – Die Anfänge? Wir Menschen haben einen instinktiven Bezug zu Positionsbestimmung und

Orientierung. Alle frühen Kulturen, kannten die Herstellung einfacher Karten

- auf Tierhäuten und - Steinen oder - im Sand,

um ihre Position und Entfernungen zu ihnen bekannten Plätzen darzustellen, d. h. einfache Modelle ihrer Umgebung zu erzeugen.

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älteste erhaltene Darstellung (Tontafel von Mesopotamien, 3400 v. C.)


Im Alten Griechenland (6.Jhd. V. C.) wurden die ersten Karten konstruiert (Anaximander), auf Grundlage der philosophischen und mathematischen Lehren der Pythagoräer

(verbreitet durch die Schriften Platons), von der Kugelgestalt der Erde. Erathosthenes schuf den ersten Bezugsmeridian für ein globales Referenznetz und

führte (ca. 220 vor Christus) auch die erste überlieferte Gradmessung (zur Bestimmung der Erdfigur und Größe) aus. Vorlesung Vermessungskunde I Im Römischen Reich bestand zur Zeitenwende die Notwendigkeit der Einführung

eines Katasterwesens und öffentlicher Register (Volkszählung u. Steuerschätzung). Dabei erfolgte die Entwicklung Thematischer Karten, also die Verknüpfung von

Land- („Besitz-“) Karten und Eigenschaften (Attributtabellen).

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Die Geschichte der Kartographie lässt sich aus den Anfängen verfolgen über die Arbeiten von Claudius Ptolemäus aus Alexandria (90-168 nach Chr.), der die westliche Kartographie bis ins 15.Jhd. bestimmend geprägt hat, bis zu Gerhard Kremer (Mercator) der seine Weltkarte 1569 veröffentlichte. Claudius Ptolemäus und seine Weltkarte

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Große Kampagnen der Landesvermessungen fördern die Kartenerstellung Beginnend im 17.Jhd. wurde die Kartographie reformiert Einbeziehung umfangreicher Datensammlungen aus:

- astronomischen Beobachtungen, - Berechnungen und - Landesvermessungskampagnen.

Ausgangspunkt war vielleicht die erste neuzeitliche Gradmessung der Französischen Akademie (Abbe Picard, 1669-70) Den Abschluss fand diese Epoche mit den großen Landesvermessungen

europäischer Staaten am Ende des 19.Jhds. Notwendig wurden genaue Karten und die Einbeziehung

topographischer Information (Relief und Höhenangaben) durch die großen Infrastrukturprojekte in der Zeit der Industrialisierung (und vor allem auch auf Grund militärischer Ansprüche).

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Beijing 1875


Entwicklung großer Rechenmaschinen Wandel von der Arbeit mit analogen thematischen Karten hin zur

Verarbeitung digitalen Rauminformation und computergestützten Kartengenerierung, damit wird GIS für den alltäglichen Gebrauch verfügbar. Blaise Pascal entwickelte die erste echte Rechenmaschine 1647, Hermann

Hollerith 1890 eine Lochkartenmaschine zur Auswertung der Volkszählung in den USA.

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Computerentwicklung als Basis für GIS


Computerentwicklung Während des 2. Weltkrieges

wurden für Ballistik- berechnungen gebaut: in Deutschland der erste digitale Computer (Konrad Zuse, ZUSE Z3 1941) und in den USA der ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator, 1943)

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Entwicklungen von Konrad Zuse


Flachbett-Stiftplotter der deutschen Firma Fa. Aristo (Hamburg), die 1972 den ersten deutschen elektronischen Taschenrechner (Modell M 27) herstellte. (FAZ 22.06.2011, S. N 5)


Schon 1952 wurden in den USA alle staatlichen statistischen Daten mit elektronischen Computern verarbeitet und in Datenbanken verwaltet. Die Entwicklung des Transistors und der zweiten Generation von Computern

machte die Verarbeitung raumbezogener Daten und die Generierung thematischer Karten auch für geowissenschaftliche Anwendungen nutzbar, Private und politische Entscheidungen auf der Grundlage der Analyse

geographischer und geophysikalischer Daten, der Bevölkerungsstatistik und von Landinformationen werden getätigt In den 70er Jahren erste Katasteranwendungen und Land-Informationssysteme. Ab 1974 begann der Siegeszug der Desktop Personal-Computer (PC), basierend

auf der Entwicklung der 4. Computergeneration mit Mikroprozessorchip. Entwicklung von Betriebsystemen für PC (DOS, etc.) Dazu kam die Entwicklung einer Vielzahl der heute bekannten Peripheriegeräte vor

allem der graphischen „interaktiven“ Datenein- und -ausgabe.

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Erste Personal Computer

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GIS

Commodore PET 2001 aus dem Jahr 1977

IBM PC aus dem Jahr 1981

„Volkscomputer“ heute

Apple II ab 1977


FAZ 31.05.2012


Geschichte GIS im Kontext

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Zeitraum Hardware Software Kommunikation Kartographie

ab 1960

Großrechner, monochrome Röhrenmonitore (CRT)

Programmier-sprachen

Stapel-verarbeitung

Computer-gestützte Kartographie

ab 1980 Desktoprechner, PC, Farbbildschirme

Geographische Informations-systeme (GIS), Autorensysteme, Grafikprogramme

Kommandozeile, Grafische Benutzungs-schnittstelle (GUI)

Multimedia-Kartographie

ab 1990

Internet, Laptoprechner, Flachbildschirme, CD-ROM

Web-Browser GUI, Hyperlinks Web-Kartographie

ab 2000 Mobilfunknetze, PDA, DVD Web-Dienste Semantisches

Web Mobile Kartographie


Geschichte GIS

Die Wurzeln von GIS liegen in den Jahren 1950 bis 1980, begünstigt durch die:

- Kostenreduktion zur Herstellung thematischer Karten - Einsatz Räumlicher Datenanalyse - Reduktion der Kosten für Rechenleistung

Einige Namen, die für die Entwicklung in dieser Zeit bedeutsam sind: Howard Fisher, Harvard Laboratory for Computer Graphics (LCG) Roger Tomlinson, Canada Geographic Information System (CGIS) Jack Dangermond, Environmental Systems Research Institute (ESRI) David P. Bickmore, Experimental Cartography Unit UK (ECU)

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Geschichte GIS

Ende der 50er Jahre begannen die Entwicklungen, die später zum Entstehen von GIS führten. Damals entstanden die Ideen für rechnergestützte räumliche Präsentationen und Überlagerungen sowie erste Anwendungen von einfachen Vektorgraphiken und Drahtmodellen, wie z.B. dem ersten Geländemodell am Massachusetts Institute of Technology (MIT). In den 60er Jahren wurden erste Anwendungen der digitalen Bildverarbeitung (Rastertechnik) eingesetzt und es entstand quasi parallel in dem 'Harvard Laboratory for Computer Graphics and Spatial Analysis' und an der ETH Zürich die Idee der unabhängigen Datenebenen, die allerdings bereits 1927 von Hettner in der Theorie entwickelt worden war. Damit war das GIS geboren. Arbeit an quantitativen Methoden für das Transportwesen

(Garrison, Berry, Tobler und Marble sowie Horwood, Barb und Duecker) und Arbeit für das US Bureau of Census an Adressenzuordnung und entsprechender

Datenauswertung (D. Cooke & M. White entwickelten dafür das Konzept der Topologie für geographische Daten). Gearbeitet wurde in dieser Zeit an der Erstellung großer Datenbanken für

Landnutzung und Besitz, wobei IBM Mainframe Computer ohne explizite graphische Funktionalität zum Einsatz kamen. 1

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Geschichte GIS

Die 60er und 70er Jahre Geprägt von der wissenschaftlichen Gründung der Geoinformatik als Fachdisziplin

und Erschließen vieler Anwendungsfelder. Fisher arbeitete an einem System zur automatischen Kartengenerierung (SYMAP). Er gründete 1965 das LCG (Laboratory for Computer Graphics in the Graduate

School of Design at Harvard University) finanziert mit Mitteln der Ford Foundation. Er arbeitete dort mit J. Dangermond, D. Sinton, N. Chrisman, G. Dutton, S.

Morehouse und T. Peucker. Sinton und andere entwickelten ODYSSEY (Prototyp der heutigen Vektor-GIS,

1973) sowie GRID, ein Zellen basiertes Programm und Vorläufer der Raster-GIS. Das LCG wurde Ende der 80er Jahre geschlossen ohne kommerzielle Nachfolger Einigen Mitarbeitern gelangen Gründungen noch heute bedeutender

Unternehmen in dieser Branche. Welle der Kommerzialisierung bestimmte Ende der 70er Jahre, Sinton mit der

Gründung von Intergraph und Dangermond mit der Gründung von ESRI. Zu erwähnen sind auch die Arbeiten von Tomlinson und dem für das kanadische

Landwirtschaftsministerium arbeitenden Lee Pratt, die, unterstützt durch IBM, das erste echte GIS aufbauten (Canada GIS, CGIS1969), das seit dem genutzt wird und heute immer noch das größte GIS überhaupt ist.

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Geschichte GIS Nach [BARTELME 2005] kann die Entwicklung von GIS in fünf teilweise überlappende

Phasen eingeteilt werden: 1955 - 1975: Zeit der Pioniere:

individuelle, isolierte Lösungswege der Entwickler

1970 - 1985: Zeit der Behörden: Entwicklung von Konzepten (z.B. ALK - Automatisierte Liegenschaftskarte) und beginnende Umstellung von Basisdaten in digitale Form, GIS als Erfassungswerkzeug.

1979 - 1990: Die Zeit der Firmen: Es entsteht ein GIS-Markt, die Hardware wird leistungsfähig und eine Umstellung von Großrechnern auf Workstation findet statt.

1988 - 1998: Die Zeit der Nutzer: GIS entwickelten sich mehr und mehr weg von Universalwerkzeugen hin zu Systemen, die - modular aufgebaut - einen Werkzeugkasten darstellen, der, jeweils an Benutzerwünsche angepasst, zu so genannten Fachschalen zusammengestellt werden kann.

Ab ca. 1995: Zeit des offenen Marktes: Angebot und Nachfrage statt behördlicher Vorgaben und einiger Großprojekte bestimmen den Markt sowohl für GIS-Software als auch für Geodaten.

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GIS

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