Vorwort
Zusammenfassung
1. Zielsetzung
2. Erfassung von Geländedaten für Umweltinformationssysteme
3. Defizite bei der Gewinnung von Geländedaten
4. Ansätze zur Optimierung der Vorbereitung der Geländearbeit
5. Ansätze zur Optimierung der Datenerfassung im Gelände
6. Exemplarische Anwendungen
7. Diskussion
Literatur

Der nachfolgende Beitrag ist eine Kurzfassung einer Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften im Fachbereich Geowissenschaften der Mathematisch - Naturwissenschaftlichen Fakultät der Westfälischen Wilhelms - Universität Münster. Die Promotion im Fach Geoinformatik erfolgte am Institut für Geoinformatik bei Prof. Dr. U. Streit.

Ohne die Einbindung in das Team am Institut für Geoinformatik der Universität Münster wäre die Erstellung der vorliegenden Arbeit nicht möglich gewesen. Daher möchte ich mich bei allen Mitarbeitern des Institutes herzlich bedanken.

Durch die Einbindung in verschiedene Forschungsprojekte (LIMES, LIFE, Umweltentwicklungsplan Neuss, Erstellung Digitaler Bodenbelastungskarten, Erstellung einer Fachschale Emission/Immission) und die Zusammenarbeit mit Behörden ergaben sich praxisrelevante Aufgabenstellungen und die Möglichkeit des Testens der verschiedenen Entwicklungen. Den beteiligten Behörden (insbesondere LUA, LÖBF, GLA, Umweltamt Münster, Umweltamt Neuss, Oberbergischer Kreis, Kreis Wesel, Kreis Recklinghausen) möchte ich für die Bereitstellung von Daten und die fachlichen Diskussionen danken.

Auch die Ergebnisse von insgesamt 11 Diplomarbeiten, die während der Entstehung dieser Arbeit mitbetreut wurden, fanden Eingang in die Arbeit. Weiter bestand während der letzten vier Jahre eine enge Zusammenarbeit mit der Firma con terra (Münster), so daß die Erprobungen des GISPAD - Systems sehr ausführlich und praxisnah erfolgen konnten. Die Zusammenarbeit mit der Firma LÖKPLAN (Anröchte) ermöglichte die Testerhebungen im Rahmen der Biotopkartierungen.

Ziel dieser Arbeit war es, Verfahren zur Optimierung der Gewinnung von Geländedaten für Umweltinformationssysteme zu entwickeln und kritisch zu prüfen. Im Vordergrund standen umweltbezogene Daten, die durch Beobachtungen im Gelände erfaßt werden. Da für jede Datenerhebung im Gelände eine vorbereitende Auswertung vorhandener Informationen sinnvoll ist, wurde die Auswertung von (digitalen) Vorinformationen sowie die Unterstützung bei der Meßnetzplanung in die Untersuchungen dieser Arbeit einbezogen.

Dabei sollten exemplarisch neue methodische Ansätze entwickelt bzw. für neue Anwendungsfelder weiterentwickelt, in eine DV-Umgebung integriert und praktisch erprobt werden. Ziel dieses anwendungsbezogenen Forschungsansatzes war es, Methoden und Empfehlungen zu erarbeiten, die unmittelbar in die Praxis umgesetzt werden können.

Nach einer kurzen Einführung in das Thema Umweltinformationssysteme werden die bisherigen Methoden der Datenerfassung für GIS bzw. UIS unter besonderer Berücksichtigung von Geländedaten zusammenfassend dargestellt. Darauf aufbauend werden Defizite bei der Erfassung von Geländedaten abgeleitet und bestehende Lösungsansätze zur Optimierung der Vorbereitung sowie der Arbeit im Gelände beschrieben. Dazu zählen Metainformationssysteme zur Datenrecherche, Einsatz von GIS-Methoden zur Gewinnung von Vorinformationen, geostatistische Verfahren zur Unterstützung der Meßnetzplanung, mobile GIS, GPS und Wissensbasierte Techniken.

Exemplarisch für die Vielzahl an möglichen Anwendungen werden anschließend die Ergebnisse aus drei Anwendungsbereichen beschrieben, für die im Rahmen dieser Arbeit Lösungen entwickelt und getestet wurden. Die praktischen Arbeiten erstrecken sich auf die Vorbereitung der Geländearbeit sowie die Anwendung von GIS-Techniken bei der Geländearbeit. Die Arbeiten wurden für ein Boden- und ein Fließgewässer-Informationssystem sowie für ein Biotopkataster durchgeführt:

Für das Bodeninformationssystem NRW wurde eine Methode zur Optimierung der Meßnetzplanung für Bodenuntersuchungen bei der Erstellung digitaler Bodenbelastungskarten entwickelt. Die Gewinnung von Vorinformationen für ein Gewässerinformationssystem sowie die Unterstützung der ökologischen Bewertung waren das Ziel der Auswertungen von Fernerkundungs- und ATKIS-Daten. Im Rahmen der Erfassung geschützter Lebensräume erfolgte eine Eingrenzung von Suchräumen unter Nutzung verschiedener digitaler Datenquellen. In allen Fällen bestand eine enge Kooperation mit den datenführenden Stellen, so daß die Umsetzung in die Praxis direkt erprobt werden konnte.

Im Ergebnis zeigte sich, daß eine effektive Vorbereitung der Kartierung möglich ist, sofern Datengrundlagen verfügbar sind, die hinsichtlich ihrer räumlichen, zeitlichen und thematischen Auflösung für die jeweilige Fragestellung geeignet sind. Meist verursachte die Beschaffung und Aufbereitung der Daten den größten Aufwand, während die Auswertungen relativ schnell durchführbar waren. Bei ständig wachsendem Angebot an digitalen Daten und verbesserten Vertriebsstrukturen ist zukünftig die Auswertung vorhandener Daten anzuraten.

Dies gilt besonders für komplexe Fragestellungen, wie beispielsweise die Erstellung digitaler Bodenbelastungskarten. Dort konnte bei der Meßnetzplanung eine Optimierung der Stichprobe im Hinblick auf ihre Planungsrelevanz und eine Systematisierung der Arbeitsschritte mit einer Zeitersparnis um den Faktor 10 erreicht werden.

Im Rahmen mehrerer Pilotprojekte wurden Möglichkeiten der digitalen Erfassung von Umweltdaten mit Hilfe von Pen-Computern und des Programmsystems GISPAD erprobt. Die beschriebenen Anwendungen umfassen verschiedene Kartierungstypen. Die Datenerfassung bei der Entnahme von Bodenproben bezieht sich auf punkthafte, die Gewässerstrukturkartierung auf linienhafte und die Biotopkartierung auf punkt-, linien- und flächenhafte Objekte.

Bei den Probekartierungen konnten die erwarteten Vorteile der mobilen Datenerfassung größtenteils nachgewiesen werden. Für den Einsatz von Hard- und Software sind noch einige Verbesserungen erforderlich, die jedoch nach realistischer Einschätzung in absehbarer Zeit realisierbar sind. Ebenso sind die Basisdaten mittlerweile überwiegend verfügbar. Neben Hardware, Software und Daten ist als weitere Komponente der Anwender zu berücksichtigen. Etwa ein Drittel der Anwender, meist Personen ohne PC-Kenntnisse, zeigten wenig Motivation, sich in die neuen Techniken einzuarbeiten. Daraus läßt sich die Empfehlung ableiten, bei Einführung der digitalen Techniken zunächst eine Pilotphase mit Mitarbeitern durchzuführen, die ein Interesse an einer Einarbeitung haben.

Eine weitere Effektivierung der mobilen Datenerfassung läßt sich durch den Einsatz von GPS-Empfängern erreichen. Für die Einmessung von Probenahmeorten konnte ein Zeitgewinn im Gelände nachgewiesen werden. Mit einer Genauigkeit von mindestens +/- 10 m können für Umweltinformationssysteme Daten mit hinreichender Genauigkeit gewonnen werden. Sobald Korrektursignale für das differentielle GPS flächendeckend und geeignete Empfänger (möglichst als PCMCIA-Karten) kostengünstig verfügbar sind, ist eine Anwendung der GPS-Technologie für weitere Kartierverfahren möglich. In einigen Forschungs- und Pilotprojekten wird dies zur Zeit erprobt.

Der Einsatz wissensbasierter Techniken wurde im Zusammenhang mit der mobilen Datenerfassung erprobt. Als Haupteinsatzbereich sind Plausibilitätsprüfungen und Bewertungsverfahren zu nennen, die zu einer höheren Qualität der Daten führen.
 
 

Ziel dieser Arbeit war es, Verfahren zur Optimierung der Gewinnung von Geländedaten für Umweltinformationssysteme zu entwickeln und kritisch zu prüfen. Im Vordergrund standen umweltbezogene Daten, die durch Beobachtungen im Gelände erfaßt werden. Da für jede Datenerhebung im Gelände eine vorbereitende Auswertung vorhandener Informationen sinnvoll ist, wurde die Auswertung von (digitalen) Vorinformationen sowie die Unterstützung bei der Meßnetzplanung in die Untersuchungen dieser Arbeit einbezogen.

Dabei sollten exemplarisch neue methodische Ansätze entwickelt bzw. für neue Anwendungsfelder weiterentwickelt, in eine DV-Umgebung integriert und praktisch erprobt werden.

Ziel dieses anwendungsbezogenen Forschungsansatzes ist es, Methoden und Empfehlungen für die Einführung dieser Methoden zu erarbeiten, die unmittelbar in die Praxis umgesetzt werden können und folgende positive Effekte für die Datengewinnung erbringen:

• Reduzierung des Aufwandes,
• Verbesserung der Datenqualität,
• Objektivierung und Verbesserung der Nachvollziehbarkeit.

Zusätzlich sollen Hinweise für den Einsatz digitaler Methoden in verschiedenen Anwendungsfeldern sowie zur Organisation des Arbeitsablaufes für eine effektive Nutzung der untersuchten Methoden gegeben werden.
 

Beim Aufbau eines GIS werden die größten Ressourcen an Arbeitskraft und Finanzmitteln in die Datenerfassung bzw. -beschaffung investiert und lassen die Daten zum teuersten Gut eines Informationssystems werden (FÜRST et al. 1996):

• Verhältnis Hardware, Software und Daten 1:5:25 bis 1:10:100 (BILL & FRITSCH 1991, GRÜNREICH 1992, REDL 1994);
• GIS-Sourcebook 1994 (GIS WORLD 1993): 30% des GIS-Etats für Personal, 20% für die Hardware, 16% für die Software, 14% für Daten, 11% für Wartung und 9% für sonstige Aufwendungen;
• BACKHAUS et al. (1994): 32 % der Kosten für Hard- und Software, 27 % für die Datenverarbeitung und 40 % für die Datenbeschaffung bei Geoinformationssystemen (nach Schätzungen der befragten Mitarbeiter). Für das Jahr 2000 werden nach der gleichen Umfrage 18.8 % der Kosten für Hard- und Software, 40.6 % für die Datenverarbeitung und 40.6 % für die Datenbeschaffung aufgewendet.

Ein verallgemeinerter Bearbeitungsablauf der Gewinnung von Geländedaten unter Berücksichtigung der Weiterverarbeitung in Geoinformationssystemen sieht folgendermaßen aus (vgl. Abb. 2.1):

Zur Vorbereitung der Geländearbeit wird nach vorhandenen Informationen gesucht und relevante Daten werden beschafft. Falls bereits digitale (Basis-)Informationen vorliegen, können diese integriert werden.

Die vorhandenen Informationen werden im Hinblick auf die Geländearbeiten aufbereitet und ausgewertet. Dazu zählen zum Beispiel die Eingrenzung von Suchräumen, eine Meßnetzplanung oder die Bildung von fachlichen Objekten (z.B. Gewässerabschnitte) aus den vorhandenen Daten.

1. Im Zuge der Geländearbeit werden die Kartierungsobjekte auf einer Karte abgegrenzt bzw. vorhandene Objekte markiert und die Sachdaten in Feldprotokollen notiert.

 

 

Im nächsten Arbeitsschritt erfolgt die manuelle oder halbautomatische Digitalisierung der Objektgeometrien und die Übertragung der Feldprotokolle in den Computer. Meist werden in einem zusätzlichen Arbeitsschritt die in den Feldkarten und -protokollen erfaßten Daten zuvor in Digitalisiervorlagen übertragen.

Nach (teilweise auch parallel) der Digitalisierung werden Plausibilitätsprüfungen durchgeführt, um die Konsistenz der Datenbestände zu gewährleisten. Die bei den Plausibilitätsprüfungen festgestellten Inkonsistenzen müssen beseitigt werden. Teilweise ist eine Rücksprache mit dem Kartierer erforderlich. Viele Inkonsistenzen lassen sich allerdings nur durch eine erneute Geländebegehung beseitigen.

Da häufig eine dezentrale Erfassung durchgeführt wird, muß abschließend die Übernahme der Daten in ein zentrales Informationssystem erfolgen.

Dieser Arbeitsablauf macht deutlich, daß die Datengewinnung in drei Phasen abläuft. In der ersten Phase werden vorhandene Daten beschafft, integriert und ausgewertet. In der zweiten Phase werden fehlende Informationen durch eigene Beobachtungen im Gelände ergänzt. Die dritte Phase dient der Nachbereitung (analog-digital-Wandlung und Plausibilitätsprüfung) und Integration der Daten in das Informationssystem.

 Abb. 2.1: Arbeitsablauf bei der Gewinnung von Geländedaten für FIS
 

Vorbereitung der Geländearbeit:

Die Auswertung vorhandener Daten und Vorinformationen nimmt einen großen Raum bei Umweltplanungen ein und dient der Kartierplanung und als Informationsbasis bei der Geländearbeit. Für die Landschaftsplanung werden z.B. 20 bis 37% der Honorarleistungen für die Ermittlung der Planungsgrundlagen kalkuliert (HOAI 1991). Die Möglichkeiten der Integration von digital bereits vorhandenen Basisdaten (z.B. ATKIS) oder fachlichen Grundlagendaten (z.B. digitale Bodenkarte) in die Informationssysteme sind noch nicht ausgeschöpft (vgl. auch REMKE et al. 1994, VAN NOUHUYS 1997), obgleich an dieser Problematik gearbeitet wird (z.B. BANNERT et al. 1996).

Arbeitsablauf:

Die Datenerfassung erfolgt bislang vorwiegend mit Feldprotokollen und Feldkarten, in die Beobachtungen im Gelände eingetragen werden. Die Übertragung in den Computer stellt einen zusätzlichen Arbeitsschritt dar, der neben zusätzlicher Arbeit auch weitere Fehlerquellen in sich birgt (vgl. PRICE 1992, CORNELIUS et al. 1994, DÖLLER 1995, PUNDT 1995, REMKE 1997). Häufig wird die Kartierung und die Dateneingabe von unterschiedlichen Personen durchgeführt, so daß Interpretations- und Übertragungsfehler nicht ausgeschlossen werden können. In vielen Fällen werden die Daten sogar zweimal übertragen.

Plausibilitätsprüfungen:

Die Gewährleistung der Datenqualität, insbesondere bei der Datenerfassung, ist noch nicht ausreichend. Plausibilitätsprüfungen werden, wenn überhaupt, erst im Büro manuell oder nach Übertragung der Daten in das Informationssystem durchgeführt. Die Verbesserung der Datenqualität ist ein Ansatzpunkt zur Optimierung der Erfassung von Daten für Geoinformationssysteme.

Auswertungen im Gelände:

Auswertungen im Gelände sind manuell nur sehr zeitaufwendig durchführbar. So benötigt man für die Indexbewertung nach LWA (1993) beispielsweise ca. 15-20 min. pro Gewässerabschnitt. Die Einführung digitaler Techniken kann hier Abhilfe schaffen und solche Auswertungen unterstützen, die im Gelände benötigt werden. Auch erfolgt bei der bisherigen Arbeitsweise im Gelände in der Regel keine Unterstützung bei der Bewertung oder bei der Herleitung komplexer Merkmale.

Erfassung von Metadaten:

Die Verarbeitung und Interpretation von digitalen Daten erfordert eine Beschreibung dieser Daten, sogenannte Metadaten. Ein Teil dieser Metadaten muß bei der Datenaufnahme direkt erfaßt werden (primäre Metadaten), da eine nachträgliche Rekonstruktion nicht möglich ist. In den bisherigen Informationssystemen fehlen solche Informationen häufig oder sind nicht digital verfügbar und schwer zugänglich.

Datenmodellierung und Harmonisierung der Kartieranleitungen:

Eine Schwierigkeit ergibt sich häufig daraus, daß der Umdenkungsprozeß beim Übergang von der bisher üblichen analogen zur digitalen Arbeitsweise noch nicht abgeschlossen ist. Häufig wird versucht die bisher existierenden Feldprotokolle ohne Änderungen zu übertragen. Die Datenmodellierung sollte daher in vielen Fällen, selbstverständlich unter Wahrung der fachlichen Autonomie, vollständig neu überdacht werden. Dies führt nicht nur zu Vereinfachungen bei der Datenerhebung, sondern auch bei den Auswertungen. Ein weiteres, eher fachliches Problem, besteht in der oft fehlenden Harmonisierung der Kartieranleitungen und der Feldprotokolle. Eine langfristig angelegte Konzeption und Realisierung eines Fachinformationssystems sowie entsprechender Erfassungssoftware wird durch fehlende Standards und in kurzen Abständen vorgenommene Änderungen der Erfassungsvorschriften erschwert.
 
 

Zur Vorbereitung einer Feldkartierung werden vorhandene Daten, Karten und Literatur ausgewertet. Die bei diesen Vorbereitungen gewonnenen Informationen dienen im Rahmen der Erfassung von Daten im Gelände insbesondere als Vorinformationen für die Geländearbeit, als Informationsgrundlage bei der Geländearbeit und zur Übernahme vorhandener Sach- und Geometriedaten.

Da die Vorauswertungen meist sehr arbeitsaufwendig sind, werden vermehrt digitale Techniken bei der Kartiervorbereitung eingesetzt, um den Arbeitsaufwand zu reduzieren. Dabei können folgende Arbeitsschritte unterstützt werden:

• Datenrecherche: Informationen zur Verfügbarkeit und Eignung vorhandener Daten fehlen häufig. Dies führt zu einem großen Aufwand bei der Datenrecherche und häufig zu Mehrfacherfassungen identischer Sachverhalte. Eine Unterstützung bei der Recherche von Daten liefern Metainformationssysteme bzw. Datenkataloge. Dabei hat der Nutzer die Möglichkeit, Datenbestände nach räumlichen, fachlichen oder zeitlichen Kriterien abzufragen und erhält somit sehr schnell Informationen über die Verfügbarkeit geeigneter Daten.
• Auswertung vorhandener Daten: dient als Vorinformation für die Geländearbeit und der Bereitstellung aggregierter Informationen bei der Geländearbeit. Damit kann die anschließende Geländearbeit erheblich erleichtert und beispielsweise zu einer "hierarchischen Kartierung" genutzt werden. D. h., daß durch die Vorauswertung auf einer gröberen Maßstabsebene Vorinformationen (z. B. Vorbewertungen) gewonnen werden, die zu einer Reduzierung des weiteren Kartieraufwandes beitragen. Dabei können z. B. ATKIS-Daten, Fernerkundungsdaten, Luftbilder und vorhandene Kartierungen eingesetzt werden. Der Einsatz von GIS-Techniken bietet die Möglichkeit der Nutzung existierender digitaler Geodatenbestände sowie vielfältige Verknüpfungs- und Analysemöglichkeiten.
• Integration vorhandener Sach- und Geometriedaten: Bei der Kartiervorbereitung muß genau geprüft werden, welche Daten sich als Basisdaten eignen. Durch die Übernahme von Daten wird der Erfassungsaufwand reduziert, die Datenqualität erhöht und die Zusammenführung von Datenbeständen erleichtert. Geometriedaten, die bereits einmal digitalisiert wurden, sollten nach Möglichkeit für die Erfassung neuer Geo-Objekte verwendet werden. Insbesondere amtliche Basisdaten (z.B. ALK, ATKIS), die mit einer relativ hohen Genauigkeit in einem einheitlichen Bezugssystem erfaßt wurden, können als qualitativ hochwertige Grundlage für die Fachgeometrien genutzt werden (vgl. BANNERT et al. 1996). Die Übernahme vorhandener Geometriedaten hat den Vorteil, daß die Geometriedaten redundanzfrei erfaßt werden.

hier gehts weiter...