GIS und Satellitenbilder

Ein Geoinformationssystem, abgekürzt GIS, ist ein Computersystem, das Daten mit einem Ortsbezug erfasst, speichert, verknüpft, auswertet und als Karte darstellt. Ortsbezug heißt: Zu jeder Information gehört eine Position auf der Erde, etwa die Lage einer Straße, eines Hauses oder eines Flusses. Das Besondere ist, dass man die Daten verschiedener Themen übereinanderlegen kann und so Zusammenhänge erkennt, die man in einer einzelnen Karte nicht sieht.

Satellitenbilder sind Aufnahmen der Erdoberfläche, die Satelliten aus einer Umlaufbahn machen. Sie liefern die Rohdaten, die im GIS verarbeitet werden. Die Technik, mit der man aus der Ferne Informationen über die Erde sammelt, heißt Fernerkundung. Weil Satelliten dieselben Gebiete immer wieder überfliegen, kann man Veränderungen über Tage, Monate und Jahre verfolgen.

Der Gedanke dahinter ist alt. Schon 1854 kartierte der Arzt John Snow in London die Wohnorte von Cholera-Toten und fand heraus, dass sie sich um eine Wasserpumpe häuften. Das gilt als Vorläufer der GIS-Analyse. Mit dem Start des ersten Satelliten Sputnik 1 im Jahr 1957 begann das Zeitalter der Satelliten, und seit 1972, als der erste Landsat-Satellit startete, werden Erdbilder systematisch gesammelt.

Der wichtigste Gedanke im GIS ist das Ebenenprinzip. Jedes Thema bildet eine eigene Ebene, auch Layer genannt: Straßen, Gewässer, Gebäude, Höhen, Landnutzung oder ein Satellitenbild. Wie transparente Folien legt man die Ebenen übereinander. Man kann jede ein- oder ausschalten und so zum Beispiel prüfen, welche Häuser an einem Fluss liegen, indem man die Ebene der Gebäude über die Ebene der Gewässer legt.

Die Daten haben zwei Grundformen. Vektordaten beschreiben Objekte durch Punkte, Linien und Flächen. Ein Brunnen ist ein Punkt, eine Straße eine Linie, ein See eine Fläche. Rasterdaten bestehen aus einem Gitter gleich großer Zellen, den Pixeln, und jeder Pixel trägt einen Wert, etwa eine Farbe oder eine Höhe. Ein Satellitenbild ist ein Rasterbild. Vektordaten eignen sich für genaue Grenzen und Netze, Rasterdaten für flächige Informationen wie Temperatur oder Pflanzenbewuchs.

Zu jedem Objekt gehört außerdem eine Tabelle mit Eigenschaften, die Attribute. Bei einem Gebäude kann das die Adresse, die Nutzung oder das Baujahr sein. Mit Abfragen lässt sich dann zum Beispiel suchen: alle Schulen, die weniger als 500 Meter von einer Bushaltestelle entfernt liegen. Genau diese Verknüpfung von Ort und Information unterscheidet ein GIS von einer gewöhnlichen Karte.

Erdbeobachtungssatelliten umkreisen die Erde meist in rund 700 bis 800 Kilometern Höhe. Sie sind mit Sensoren ausgestattet, die Strahlung messen. Die meisten Sensoren sind passiv: Sie erfassen das Sonnenlicht, das von der Erde zurückgeworfen wird, und arbeiten wie eine Kamera, die auch Wellenlängen sieht, die unsere Augen nicht wahrnehmen. Aktive Sensoren, etwa Radar, senden selbst Signale aus und messen das Echo. Radar funktioniert auch bei Nacht und durch Wolken.

Wichtig ist die Auflösung. Die räumliche Auflösung gibt an, wie groß ein Pixel am Boden ist. Die Satelliten Sentinel-2 der Europäischen Union liefern Bilder mit bis zu 10 Metern Pixelgröße, Landsat-Satelliten mit rund 30 Metern. Außerdem zählt die zeitliche Auflösung: Sentinel-2 überfliegt mit zwei Satelliten dieselbe Stelle etwa alle fünf Tage. Die spektrale Auflösung beschreibt, in wie vielen Farbbereichen der Sensor misst. Sentinel-2 nutzt 13 solcher Bereiche.

Mit den unsichtbaren Bereichen lassen sich Dinge sehen, die dem Auge verborgen bleiben. Gesunde Pflanzen reflektieren das nahe Infrarot besonders stark. Im Falschfarbenbild stellt man dieses Licht rot dar, und Wälder und Felder leuchten rot. Kranke Pflanzen oder trockene Böden erscheinen anders. Weil Landsat und Sentinel ihre Daten frei zur Verfügung stellen, können Schulen, Forscher und Behörden sie kostenlos nutzen.

Eine GIS-Analyse beginnt immer mit einer Frage. Beim Hochwasser könnte sie lauten: Welche Gebäude liegen im überschwemmten Gebiet? Dann sammelt man passende Daten, zum Beispiel das Gewässernetz, ein Höhenmodell, die Gebäude und ein aktuelles Satellitenbild. Man legt sie als Ebenen übereinander, lässt das GIS rechnen und stellt das Ergebnis als Karte dar, auf der gefährdete Häuser farbig markiert sind. Im Juli 2021, als in Rheinland-Pfalz und Nordrhein-Westfalen das Ahrhochwasser große Schäden anrichtete, halfen Satellitenbilder und GIS dabei, Überflutungsflächen zu kartieren.

Die Einsatzgebiete sind breit. In der Landwirtschaft zeigen Satellitenbilder, wo Pflanzen mehr Wasser oder Dünger brauchen. Förster erkennen Waldschäden und Waldbrände. Klimaforscher messen, wie Gletscher schrumpfen und wie sich das Eis am Nordpol verändert. Städte planen mit GIS Straßen, Grünflächen und Leitungen und prüfen, wo sich Hitze staut. Rettungsdienste nutzen Karten, um den kürzesten Weg zum Einsatzort zu finden.

Eine besondere Rolle spielt die Navigation. Das Global Positioning System, kurz GPS, startete 1978 mit dem ersten Satelliten und wurde 1995 voll einsatzfähig. Dazu kommen das europäische Galileo und weitere Systeme, die man unter dem Oberbegriff GNSS zusammenfasst. Ein Empfänger, etwa im Smartphone, braucht Signale von mindestens vier Satelliten, um seine Position zu berechnen. Das Ergebnis ist im Alltag auf wenige Meter genau und wird im GIS als Punkt weiterverarbeitet.

So nützlich Satellitenbilder sind, sie haben Grenzen. Optische Sensoren sehen nicht durch Wolken, deshalb sind Bilder aus regenreichen Regionen oft lückenhaft. Auch die Auflösung begrenzt, was man erkennt. Außerdem ist ein GIS nur so gut wie seine Daten: Wenn Straßen falsch erfasst oder Höhen veraltet sind, ist auch die Analyse falsch. Wer ein Ergebnis bewertet, sollte deshalb immer fragen, woher die Daten kommen und wie aktuell sie sind.

Hinzu kommen Fragen des Datenschutzes. Sehr hoch aufgelöste Bilder kommerzieller Anbieter zeigen Grundstücke und Gebäude in großem Detail. Daten, die den Standort einzelner Personen verraten, etwa Handyortungen, sind besonders sensibel. In Deutschland und der EU gelten dafür strenge Regeln. Auch die Karte selbst ist keine neutrale Abbildung, denn wer sie erstellt, entscheidet, welche Ebenen er zeigt und welche Farben er wählt.

Im Alltag nutzt du GIS ständig: bei Online-Karten, bei der Routenplanung, beim Wetterradar und bei der Suche nach einer Wohnung in einer Karte mit Entfernungen. Auch Google Earth, das seit 2005 für alle zugänglich ist, und das freie Kartenprojekt OpenStreetMap beruhen auf Geodaten. Wer die Grundidee versteht, kann Karten kritischer lesen und besser einschätzen, was sie zeigen und was nicht.

Ein häufiger Fehler ist, GIS und Satellitenbild gleichzusetzen. Ein Satellitenbild ist eine Aufnahme, ein GIS ist ein System, das viele Datenquellen verknüpft und auswertet. Ein Satellitenbild kann eine Ebene im GIS sein, es ersetzt das GIS aber nicht. Ebenso werden GPS und Fernerkundung durcheinandergebracht: GPS bestimmt die Position von Empfängern, Erdbeobachtungssatelliten wie Landsat oder Sentinel liefern Bilder.

Ein zweiter Fehler betrifft die Daten: Vektor und Raster werden verwechselt. Eine Straße ist im Vektormodell eine Linie, ein Satellitenbild besteht aus Pixeln im Rastermodell. Auch bei der Auflösung wird oft falsch gedacht, dass ein kleinerer Pixel immer besser sei. Kleinere Pixel zeigen mehr Details, bedeuten aber auch riesige Datenmengen, und sie decken weniger Fläche ab. Je nach Frage ist deshalb eine andere Auflösung sinnvoll.

Für die Klassenarbeit lohnt sich ein fester Ablauf: Definition, Ebenenprinzip, Vektor und Raster, Fernerkundung, Beispiel. Wenn du eine Anwendung beschreiben sollst, nutze den Fünfschritt aus Frage, Daten, Ebenen, Analyse und Karte. Achte auch auf Fachbegriffe wie Layer, Attribut, Pixel, Auflösung und Falschfarbenbild. Mit einem eigenen Beispiel, etwa der Hochwasserkarte, zeigst du, dass du das Prinzip verstanden hast.