Die GIS-Technologie bietet heute die Möglichkeit, Pläne, Landschaftsinventare oder forstwirtschaftliche Pla-nungsdokumente rationell nachzuführen. Allerdings werden solche Methoden von den Softwareanbietern schlecht unterstützt, und die Möglichkeiten des GIS werden kaum vollständig ausgenützt. So existieren im-mer noch Anleitungen, mit denen die Daten der alten Zustände nach ihrer Nachführung verlor~n gehen oder zumindest nicht vom aktuellen Zustand aus direkt zu-gänglich sind.
_ Falls Nachführung oder raum-zeitlicher Bezug von Daten zentrale Probleme eines Projektes sind, muss die Nachführungsmethode frühzeitig geklärt und an Pilotob-jekten getestet werden. Sollen sowohl Zustände als auch Änderungen zwischen Zeitschnitten dargestellt werden, ist bei beiden Methoden völlige Passgenauigkeit der Elemente anzustreben. Zielt ein Projekt hauptsächlich auf die Berechnung von Landnutzungsbilanzen ab, kann die Schnellmethode sehr wertvolle Resultate liefern und
im Kosten-Nutzen Verhältnis günstig sein. Wegen der reduzierten Passgenauigkeit dieser Methode können aber Pläne nicht mehr im eigentlichen Sinne nachgeführt werden und Zustandskarten sind nicht produzierbar.
Sollen Pläne getrennt nach Objekten wie z.B. Land-schaftselemente oder Biotoptypen nachgeführt werden, eignet sich die Zustandserfassung und-vereinigungsehr gut. Die Lageungenauigkeiten sind minim, hingegen benötigen die Datenebenen relativ viel Speicherplatz.
Dieser Nachteil wird kompensiert, wenn eine vereinigte Ebene gebildet wird.
Die Änderungserfassung- und vereinigungeignet sich gut für Pläne, die nicht getrennt nach Objekten oder Landschaftselementen nachgeführt werden (z.B. Be-standeskarte Bremgarten). Die Methode hat den Vorteil, dass bereits vor der Vereinigung der Datenebenen wenig Speicherplatz benötigt wird. Der Editieraufwand ist aller-dings erheblich, wenn die gleiche Passgenauigkeit wie bei der Zustandserfassung erreicht werden soll.
Ber. Eidgenöss. Forsch.anst. Wald Schnee Landsch. Nr. 328, 1991
7 Zusammenfassung
Analyse raum-zeitlicher Daten mit einem Geographi-schen Informationssystem
Geographische Informationssysteme (GIS) sind Soft-warepakete, mit denen digitale räumliche Daten wie topographische Karten oder Landschaftsinventare ra-tionell verwaltet und analysiert werden können. Sie sind aber auch in der Lage, die zeitliche Komponente von räumlichen Daten zu verwalten. Diese Möglichkeit ist für die Landschaftsschutz- und die Forstpraxis von grosser Bedeutung, wird hier doch häufig mit raumbezogenen Inventaren gearbeitet, die nachgeführt werden müssen.
Im vorliegenden Bericht werden zwei an der WSL ent-wickelte Methoden zur Analyse von raum-zeitlichen Daten vorgestellt. Anhand zahlreicher Beispiele werden die Ansätze dokumentiert, bzw. ihre Vor- und Nachteile evaluiert sowie Empfehlungen für den Anwender abge-geben. Als Testdaten dienen Kartennachführungen aus zwei Pilotgebieten der Schweiz sowie eine Bestandes-karte eines Forstbetriebes im schweizerischen Mittelland.
Die Analyse der Daten erfolgte auf einer Microvax-3600 (VAXNMS) bzw. einer Tektronix-4336 Anlage (UNIX) mit der GIS-Software ARC/INFO ©. Bei der Methode 1
werden Zustandskarten verwaltet, d.h. jeder neue Landschaftszustand wird durch Kopieren und Abändern aus dem alten Zustand hergeleitet. Bei der Methode 11 werden Änderungskarten verwaltet. Dies bedeutet, dass mit Ausnahme des ersten, komplett gespeicherten Zu-standes lediglich die Änderungen digital erfasst werden.
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Bei beiden Methoden werden schliesslich alle verfügba-ren Datenebenen überlagert. Mit dieser Sammelebene wird erreicht, dass jedes Landschaftselement durch sei-ne räumliche Lage, den Zeitpunkt in dem es auftritt bzw.
verschwindet sowie durch seine Eigenschaften charak-terisiert ist. Der zeitliche Aufwand für die Nachführung ist bei beiden Methoden etwa gleich gross. Als Variante zur zweiten Methode wurde eine Schnellmethode mit redu-zierter Passgenauigkeit getestet. Dabei werden Objekte, die sich ändern, mit üblicher Digitalisiergenauigkeit erfasst, aber nicht auf bestehende Linien eingepasst. Der Zeitaufwand ist geringer, dafür können keine vereinigten Ebenen mehr hergestellt werden. Räumliche Analysen der sich ändernden Elemente sowie Statistiken über Veränderungshäufigkeiten sind aber möglich.
Alle Methoden, die zu einer vereinigten Datenebene führen, erlauben es, die Entstehungsgeschichte derbe-trachteten räumlichen Objekte lückenlos bis zur Erstauf-nahme zurückzuverfolgen. Dies bedeutet, dass Land -schaften oder Waldbestände nicht nur nach ihrem heutigen Zustand sondern vielmehr nach ihrer Entste-hung bewertet werden können. So kann z.B. aufgrund der landschaftshistorischen Daten für jede beliebige Fläche angegeben werden, wie häufig sich die Nutzung in den letzten 100 Jahren geändert hat. Stehen beim Anwender solche Fragestellungen im Vordergrund, rechtfertigt sich in jedem Fall der Einsatz eines GIS, denn konventionelle Graphikpakete (z.B. CAD) erlauben keine räumlichen und zeitlichen Datenbankanalysen.
Res ume
Analyses de donnees spatio-temporelles
a
l'aide d'un systeme d'information geographiqueLes systemes d'information geographique (S.I.G.) sont frequemment utilises dans la gestion et l'analyse de donnees spatiales numeriques comme les cartes topo-graphiques ou les inventaires en matiere de geographie de l'habitat. lls sont egalement en mesure de gerer les composantes temporelles de donnees spatiales. Cet avantage est particulierement interessant pour les re-sponsables de la protection du paysage, ceux de la foresterie ou pour les historiens du paysage charges de la mise
a
jour constante d'inventaires sur les ressources du paysage. Ce document presente et evalue deux differentes methodes d'analyse de donnees spatio-temporelles developpees au FNP. De nombreux exemples sont donnes afin d'illustrer les diverses possibilites offertes par ces methodes et de recommander les procedes les mieux appropries aux besoins du futur utilisateur. Des cartes topographiques historiques de deux regions pilotes de Suisse et un plan de gestion forestiere du Plateau suisse ont ete utilisesa
titre de donnees d'essai. Leur analyse s'estfaite sur un ordinateur Microvax-3600 (VAX/VMS) et un Tektronix-4336 (UNIX) equipe d'un logiciel S.I.G. ARC/INFO ©. Dans la methode 1, des cartes completes contenant chaque unite de temps sont stockees. A cet effet, nous proposons de convertir en numerique le premier inventaire ou l'unite detemps, dans son integralite. Les elements subsequents sont obtenus en copiant et en modifiant l'unite precedente. Dans la methode 11, seul le premier inventaire est integralement memorise. Ensuite, ce sont uniquement les changements intervenus depuis la derniere mise
a
jour qui sont numerises et enregistres. Dans les deux methodes, tousles elements appartenant
a
une certaine trame de temps se superposent et forment une collecte de donnees. II s'agit ensuite de reunir tous les elements d'une ligne ou d'une aire en des unites temporelles bien definies. Des attributs tels que naissance, deces, et identification ca-racterisent chaque element. Le temps investi pour la conversion en numerique est pratiquement le meme pour les deux methodes. Une variante a ete appliqueea
ladeuxieme methode dans le but de reduire la duree de cette operation. Les objets variables sont memorises avec une precision numerique normale mais ils ne con-cordent pas geometriquement avec les elements exi-stants. Contrairement aux methodes
a
haute precision d'adaptation, celle-ci n'est pas approprieea
la creation d'unites composees. Elle est pourtant capable de procedera
l'analyse spatiale des objets variables et de dresser des statistiques sur les frequences de transition. Toutes les methodes visanta
reunir les divers niveaux de donnees sont un moyen de remonter le cours de l'histoire en accedanta
chaque element qui la compose. Ainsi, l'utilisateur peut-il non seulement evaluer le paysage dans le cadre de ses ressources actuelles mais encore en examiner le developpement historique. La base de donnees historiques du paysage par exemple est un outil de quantification des changements du paysage qui se sont operes depuis pres de 1oo
ans. Les questions d'ordre spatio-temporel justifient pleinement l'utilisation du S.I.G., surtout lorsque les resultats sont destinesa
etre utilises pour la modelisation. Dans certains cas, les resultats obtenus par le biais de programmes courants CAD (Computer aided design) ne sont pas satisfaisants car ces systemes ne permettent pas d'etablir des rela-tions topologiques entre les objets.
Traduction: Monique Dousse
Ber. Eidgenöss. Forsch.anst. Wald Schnee Landsch. Nr. 328, 1991
Riassunto
Analisi di dati spazio-temporali su base informativa geografica
Sistemi informativi geografiei (S.I.G.) sono programmi ehe permettono di amministrare ed elaborare razional-mente dati spaziali, quali earte topografiehe o inventari del paesaggio, aequisiti in forma digitale, eome pure di gestirne le eomponenti temporali. Una tale possibilita assume partieolare importanza per la protezione del paesaggio e per la pratiea forestale ehe si awalgono entrambe di inventari di dati spaziali ehe vanno aggiornati nel tempo. II presente rapporto espone due metodi messi a punto all'FNP per analizzare dati spazio-temporali, li illustra eon numerosi esempi, ne valuta vantaggi e svantaggi e formula eonsigli per gli utenti. II eampione di dati esaminato e stato fornito dagli aggiornamenti ear-tografiei sueeessivi di due aree-eampioni svizzere eome pure dalla earta dei soprassuoli di un'azienda forestale dell'Altopiano svizzero, utilizzata quale strumento di pianifieazione e eontrollo. 1 dati sono stati elaborati eon il programma informativo geografieo ARC/INFO sugli im-pianti Mierovax-3600 (VAXNMS) risp. Tektronix 4336 (UNIX). Con il primo metodo si gestiseono earte eomplete della situazione paesaggistiea in eui ogni nuova situazione viene dedotta dalla preeedente attraverso rieopiatura e adeguamento, con il secondo carte dei soli mutamenti. Si rilevano cioe digitalmente solo gli elementi mutati dopo aver memorizzato completamente lo stato iniziale. Con entrambi i metodi infine si sovrappongono gli strati di dati
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disponibili ottenendo eos1 una rappresentazione sinteti-ca in eui ogni elemento paesaggistico viene earatterizzato dall'ubieazione, dal momento in eui appare o seompare, eome pure dalle sue peeuliarita. Entrambi i metodi richie-dono piu o meno lo stesso impiego di tempo per gli aggiornamenti. Quale sottovariante del seeondo metodo sie valutata una proeedura rapida con preeisione ridotta, in eui gli elementi mutati vengono rilevati digitalmente eon la preeisione abituale ma non giunti alle linee esisten-ti. In questa maniera si perde la possibilita di fondere i singoli str~:lti di dati in un'uniea rappresentazione sintetica mentre si possono ancora effettuare analisi spaziali dei mutamenti e allestire statistiehe sulla loro frequenza.
Tutti i metodi ehe eonvergono su un singolo strato di dati permettono di seguire senza interruzioni il processo genetico degli elementi osservati nello spazio sin dal primo rilievo. Cio significa ehe si posson'o valutare pae-saggi o formazioni forestali non solo seeondo criteri attuali ma soprattutto anche in base alla loro genesi.
Rifacendosi ai dati storiei sul paesaggio si puo ad esem-pio indicare perqualsiasi area, quantevolte l'utilizzazione ha subito mutamenti nel eorso dell'ultimo seeolo. Qualora l'utente e confrontato eon questo genere di interrogativi l'uso di un sistema informative geografico si giustifica eommunque. lnfatti i programmi grafici eonvenzionali (per esempio CAD) non permettono analisi spazio-tem-porali di banche dati.
Traduzione: Luca Vetterli
Summary
Analysis of spatio-temporal data with a Geographical Information System
Geographical Information Systems (GIS) are widely used to manage and analyze digital spatial data like topogra-phic maps or inventories of specific habitats. They also bear the potential of handling the temporal component of spatial data. This ability is of special interestfor landscape protection agencies, forest managers or landscape his-torians, that are concerned with routinely updated in-ventories of landscape resources. In this paper we pre-sent and evaluate two different methods for analyzing spatio-temporal data by means of a GIS. Numerous examples are given to illustrate the possibilities of the methodologies and to recommend appropriate procedu-res to the potential user. Historictopographic maps oftwo pilot plots in Switzerland, and a forest management plan of a community on the Swiss Plateau are used as test data. Data processing was performed on a Microvax-3600 (VAXNMS) computer and a Tektronix-4336 work-station (UNIX) with the GIS software ARC/INFO ©. In method I complete maps of each time step are stored.
Thus we propose to digitize the first inventory or time step completely. Subsequent layers are generated by copying and modifying the previous cover. In method II only the first inventory is stored completely. Subsequently only the changes from one time step to the next are digitized
and stored. For both methods all layers that fall within a certain time frame are merged into a composite cover.
The latter consists of all line or area elements of a particular set of time steps. Each element is character-ized with time-stamped attributes such as birth, death and identification. For both methods the time required for digitizing is similar. In order to reduce the digitizing time, a variation of method II was applied. Changing objects are digitized with normal digitizing accuracy but not geometricallyfitted to existing elements. In contrasttothe methods with high matching accuracy, no composite covers can be created. However, spatial analysis of the changing elements and statistics on transition fre-quencies can still be performed. All methods that lead to a composite cover allow access to the entire life history of each element considered. This in turn enables the user to evaluate a landscape patch not only by its present land resources but also according to its historical development.
The landscape historical database, for instance, permits the quantification of landscape changes in the scale of 1 :25000 over approximately 100 years. For these spatio-temporal querries the use of a GIS is certainly justified, especially if the results are further used for modeling purposes. Conventional CAD (Computer aided design) programs on the other hand might reveal unsatisfactory results since they are often unable to generate the topological relationships between objects.
Ber. Eidgenöss. Forsch.anst. Wald Schnee Landsch. Nr. 328, 1991