Entwicklung Anwendung,

cht h ler

Jörg Schaller

Lehrstuhl für Landschaftsökologie,

Technische Universität München-Weihenstephan

COMPUTERSYSTEME FÜR ÖKOLOGISCH ORIENTIERTE PLANUNGEN

0. Zusammenfassung

Die Berücksichtigung komplexer ökologischer Probleme bei Planungen er- fordert die Verwendung von großen Datenmengen und aufwendigen Datenmani- pulationen. Der Einsatz der elektronischen Datenverarbeitung wird daher notwendig. In den Vereinigten Staaten und in Europa sind schon viele Programmsysteme zur Lösung ökologisch-planerischer Fragestellungen zur Anwendung gekommen.

Die Erhebung, Speicherung und Verarbeitung flächenbezogener Daten mit dem Computer erfordert bestimmte Regeln bei der Datenerfassung und Aus- wertung.

Bei der Datenerfassung muß jeder Variable der Flächenbezug in Form von Koordinaten zugeordnet werden.

Die Auswertung der Daten erfolgt ebenfalls flächenbezogen, d.h. die Va- riablen werden zusammen mit ihren Flächenbezügen ausgewertet.

Für flächenbezogene Datenverarbeitungen kann man unterschiedliche Pro- grammsysteme zur Datenspeicherung und Auswertung unterscheiden:

- Punktsysteme - Netzwerksysteme - Parzellensysteme - Rastersysteme

- flächenumgrenzende Systeme

- bzw. Kombinationen aus diesen Systemen.

Alle Systeme sind für bestimmte Anwendungen besonders gut geeignet oder besonders wirtschaftlich. Ein bewertender Systemvergleich ist nur im Bezug zur jeweiligen Aufgabenstellung möglich. Für die Aufgabenstellun- gen im Bereich ökologischer Planungen sind überwiegend die Raster- und flächenumgrenzenden Systeme in Anwendung, wobei die Entwicklung zum flächenumgrenzenden Softwaresystem geht.

Für die Verarbeitung flächenbezogener Informationen ist vor allem für die anspruchsvolleren Softwaresysteme sog. Grafik-Hardware notwendig.

D.h. neben der Standardausrüstung einer Rechenanlage sind Spezialgerä- te wie Digitalisiergerät, grafischer Schirm, Scanner etc. zur Datenauf- nahme und entsprechende Angabegeräte wie Plotter, Mikrofilmplotter, elektrostatischer Plotter, Diabelichtungsgeräte etc. notwendig.

Für die Bearbeitung komplexer Probleme wird die Konzeption eines Infor- mationssystems vorgestellt, das den Anforderungen für die ökologische Planungspraxis im Bereich der Datenaufnahme, Kommunikation mit dem Sy- stem, Datenmanipulation und Datenausgabe den wesentlichen Anforderungen entspricht. Die einzelnen Systemkomponenten und notwendigen Bausteine im Programmsystem sind kurz beschrieben bzw. grafisch und tabellarisch zusammengestellt.

1. Einführung

Mit der Berücksichtigung komplexer ökologischer Zusammenhänge sind neue Planungsmethoden und Modelle erforderlich geworden. Die Verfeinerung der Erhebungsmethoden und die Entwicklung der Planungsmodelle führt zu

202 J. Schaller

hohen Datenmengen und aufwendigen Manipulationen, die in vielen Fällen mit Handbearbeitung nicht mehr bewältigt werden können. Die fortschrei- tende Entwicklung der Computertechnologie (Hardware) und die laufende Verbesserung und Verfeinerung der Anwendungsprogramme (Software) für Planungszwecke macht es kaum mehr möglich, auch nur annähernd vollstän- dig über den derzeitigen Stand der Anwendung zu berichten. In den USA haben Universitäten, Regierungsstellen, Planungsbüros und private Bera- tungsfirmen eine Vielzahl von Programmen entwickelt, die schon für die verschiedensten Fragestellungen im Planungsbereich angewendet wurden.

In Deutschland steht die Entwicklung und Anwendung noch am Anfang, wird aber mit großer Geschwindigkeit nachvollzogen. Einige Beispiele seien genannt: Für die Raumplanung, Landesplanung und den Städtebau sind Pla- nungsinformationssysteme entwickelt worden, die schon an konkreten Fäl- len ihre Anwendung gefunden haben (vgl. Planungsinformationssysteme für die Raumplanung, Städtebaul. Beiträge 2/73 und ORL-Informationsra- ster ETH, Zürich, 1972). Für die Landschaftsplanung liegt die Konzep- tion eines Landschaftsinformationssystems vor (vgl. KOEPPEL, 1975). Die flächenbezogenen Daten zur Agrarleitplanung in Bayern liegen in Form ei- ner Datenbank BALIS (Bayerisches allgemeines landwirtschaftliches Infor- mationssystem) vor (vgl. DÖRFLER, FINGER, RINTELEN, SITTARD, 1976).

Erste integrierende ökologische Planungsansätze wurden bereits mit Com- puterunterstützung durchgeführt (vgl. AULIG, 1978; BACHFISCHER, 1978;

FELDE et al., 1978; FRIEDRICH, 1979; SCHALLER et al., 1979; STILLGER, 1979) .

Für den Fachbereich Naturschutz ist mit der Biotopkartierung erstmalig in Bayern ein systematischer Schutzgebietskataster aufgebaut worden, der ebenfalls über EDV ausgewertet wird (vgl. SCHALLER, SITTARD, 1976).

2. Grundsätzliches zur Erhebung, Speicherung und Verarbeitung flächenorientierter Daten

Durch die "Auflösung" der Daten über die planungsrelevanten Flächen müs- sen je nach geforderter "Schärfe" große, flächenbezogene Datenmengen verarbeitet werden. Die hierzu notwendigen Datenerfassungs- und Auswer- tungsverfahren (Manipulationen) sind in der folgenden Tabelle zusammen- gefaßt (SCHALLER, WEIHS, 1977) (s. Tabelle 1).

Aus den Auswertungsanforderungen ergeben sich ganz bestimmte Bedingungen bei der Konzeption der Computersoftware zur Datenspeicherung und Auswer- tung. Auch die Möglichkeiten der Datenaufnahme werden dadurch bestimmt.

Für die Erfassung ökologischer Daten muß allgemein gefordert werden, diese planungsbezogen, detailliert und möglichst genau aufzunehmen, d.h.

die Verwendung von aggregierten Daten - wie z.B. nicht nachvollziehbare landschaftsökologische Raumeinheiten - ist wenig sinnvoll, da für plane- rische Auswertungen der Daten vor allem die Verknüpfung und Überlage- rung von Einzelmerkmalen relevant sind (vgl. KOEPPEL, 1975).

Die erforderliche Genauigkeit bei der Datenerfassung wird bestimmt durch die gewünschten Anforderungen bei der Auswertung. Dabei ist zu berück- sichtigen, daß sowohl in raster- wie in flächentreuen Systemen die Daten- menge mit zunehmender Genauigkeit überproportional ansteigt.

Grundsätzlich sollte aber die Datenaufnahme so genau wie möglich, also flächenscharf erfolgen, da eine Aufrasterung oder "Vergröberung" der Daten über die Fläche jederzeit möglich ist.

Flächenbezogene Verarbeitungsprogramme

FERRIS und FABOS (1974) analysierten im Rahmen eines Landschaftspla- nungsmodelles (METLAND) die anwendbaren Computersysteme für die Land- schaftsplanung und identifizierten fünf Typen der Datenspeicherung, die alle mit Koordinatenangaben arbeiten:

ökologische Planungen 203

- Punktsysteme - Netzwerksysteme - Parzellensysteme - Rastersysteme

- flächenumgrenzende Systeme.

Für die Herstellung einer Kompatibilität zwischen den Systemen ist nur die Einigung und Umrechnung auf eine gemeinsame Koordinatenbasis notwen- dig. Jedes der angesprochenen Systeme ist für bestimmte Anwendungen be- sonders gut geeignet oder besonders wirtschaftlich. Ein bewertender Sy- stemvergleich ist daher nur für die jeweilige Aufgabenstellung möglich, d.h. das zweckmäßigste System muß für den jeweiligen Anwendungsfall ausgesucht werden. Die jeweiligen Merkmale dieser Systeme, ihre Vor- und Nachteile und Anwendungsmöglichkeiten sind in folgender Tabelle (s. Tabelle 2) gegenübergestellt (nach FERRIS, FABOS, 1974).

Aus ihr wird ersichtlich, daß die flächenumgrenzenden Systeme (Polygon- Speicherung) zukunftsweisend sind, da sie hinsichtlich der Genauigkeit der Datenaufnahme und damit der Genauigkeit der Auswertungsmöglichkei- ten den Rastersystemen überlegen sind. Dabei darf aber nicht übersehen werden, daß die Rastersysteme für die Lösung bestimmter besonderer Fra- gestellungen (Abstandssuche, Überlagerungsmodelle etc.) verfahrenstech- nisch und von der Rechenzeit sehr günstig sind. Je nach Fragestellung muß die Möglichkeit mit beiden Systemen zu arbeiten, gegeben sein.

Da Aussagen für ökologische Planungen vor allem aus der Überlagerung und Verknüpfung von Flächeninformationen gewonnen werden (STEINITZ, PARKER, JORDAN, 1976; FELDLE, R. et al., 1978) kommen vor allem raster- und flächentreue Systeme zur Anwendung.

Rastersysteme eignen sich besonders für die flächenbezogene Darstellung und Auswertung statistischer Daten für regionale Planungen (vgl. STAAK, 1966; FEHL, 1967; DHEUS, 1970 u.a.). Diese in der Regel nach Gemeinden erhobenen Daten werden in ein homogenes Rasterfeld mit einer den Aus- wertungszwecken angepaßten Rastergröße (in der Regel 1 x 1 km) flächen- bezogen aufgelöst, d.h. homogen über die Gemeindefläche verteilt. Bei Variablenverknüpfungen und flächenbezogenen Überlagerungen zur Bewer- tung bestimmter Fragen können durch die in der Realität nicht vorhande- ne Homogenität des Flächenbezugs erhebliche Fehler auftreten. Für die Verarbeitung ökologischer Grundlageninformationen (Bodengüten, Wasser- läufe, schutzwürdige Flächen, einzelne Flächennutzungen etc.) ist es daher notwendig, sowohl für regionale wie für örtliche Planungen flä- chenscharfe Systeme anzuwenden, da sie mit genauen Flächenabgrenzungen arbeiten.

Da auch hier für die Auswertung unterschiedlicher Bezugsräume (Gemein- den, Wassereinzugsgebiete, Böden etc.) verwendet werden, tritt das Pro- blem der Homogenität der Raumstruktur auf. Die Homogenität wird durch die Wahrscheinlichkeit, daß eine Elementareinheit einer Raumstruktur (auf die Größe der Elementareinheit soll hier nicht eingegangen werden) die entsprechende Ausprägung hat, ausgedrückt. Dies führt zu erhebli- chen Schwierigkeiten, wenn z.B. mehrere Flächensysteme überlagert wer- den (Verschneidung) und so sich die Variablen logisch summieren (Bil- dung der Kleinsten Gemeinsamen Geometrie KGG). Hat z.B. jedes Flächen- system eine unterstellte Homogenität von 0,9, so haben zwei übereinan- dergelagerte Systeme nur noch eine Homogenität von 0,81, drei Systeme 0,73 etc. Das heißt, man kommt sehr schnell bei vielen Überlagerungen zu irrelevanten Aussagen für die KGG (vgl. BACHHUBER et al., 1979).

Generationen der Softwareentwicklung

Durch die fortschreitende Entwicklung und Verfeinerung der Computerpro- gramme für Planungszwecke dürften diese in Zukunft immer breitere An- wendung finden.

Tabelle 1:

Ziel

D A T E N E R F A S S U N G

Verfahren Beispiel

Datenaufnahme Tabellarische Erfassung manuelle Digitalisierung

teilautomatische Digitalisierung automatische Digitalisierung

Ablochbelege Digitalis iergeräte

Foliendigitalisierung (MBB) Datenaufbere itung Umsetzen nicht-vektorieller

Daten in vektorielle Daten

Aufbereitung digitaler Fernerkundungsdaten Plausibilitäts-

kontrolle

Raster oder flächenbezogen qualitativ oder quantitativ

qualitativ: formale Kontrolle auf vorgegebene logische Be- dingungen

quantitativ: z.B. auf Voll- ständigkeit (Karten-Rand- Abgleich etc.)

Zuordnung "Geogra- phischer" Koordina- ten

Umrechnung der "Maschinen- koordinaten" in ein "geogra- phisches" Koordinatensystem

Maschinen-Koordinaten in Gauß-Krüger-Koordinaten Umrechnung von

Koordinaten

Abbildung eines Koordinaten- system in ein anderes

U.T.M. in Gauß-Krüger- Koordinaten

Datei-Aufbau Speichern der Daten in ein geeignetes Datenbanksystem

Rechenanlage abhängig (Her- steller-gebunden): IMS, SESAM, FIDAS, ISIS, GOLEM, STAIRS...

Rechenanlage unabhängig:

IDBMS, ADABAS, TOTAL * Datei-Verwaltung

Umset z -Programme

Klassifizierung von Charakteristika I so 1 iniendef ini t ion

Trendflächen- bestimmung

Zusammenfassen einzelner Daten- bestände (Rand-Korrektur) Fort Schreibung, Ergänzung und Korrektur der Datenbestände Umwandlung von Rasterdateien in Liniendateien oder umgekehrt Quantitative Charakteristika werden in "Klassen" gruppiert Eindeutige Bestimmung von Iso- linien aufgrund vorgegebener Meßpunkte (z.B. Fourrier-Ana-

lyse)

Bestimmung von Flächen aus einer vorgegebenen Punktmenge mit Hil- fe von Stützwerten. Die Trend- flächen sind nicht eindeutig be~

stimmt (z.B. Ausgleichsrechnung)

Datenbank- System abhängig, z.B. über Bildschirm je nach Auswertung und Auf- gabenstellung kann die eine oder andere Datei zweckmäßi- ger sein

Festlegung von Klassen, z.B.

bei Niederschlagsmengen Bestimmung von Höhenlinien, flächenbezogenen Verteilun- gen

Bestimmung von Höhenlinien, flächenbezogenen Verteilun- gen

Ziel

D A T E N - A U S W E R T U N G Verfahren

Darstellung der erfaßten Flächen, Linien und Punkte (Kartenmerkma- le) raster- oder linienbezogen in einem vorgegebenen Ausschnitt und maßstabunabhängig von der Datenaufnahme

Beispiel

Ausgabe über bestimmte Merk- male (z.B. Vegetation) und Kategorien (z.B. Grünland) über Plotter, Bildschirm oder Drucker

Kartendarstellung

Tabellendarstellung Darstellung der Flächencharak- terisierung (z.B. Flächeninhalt, Umfang) nach vorgegebenen Glie- derungskriterien (Flächen, Li- nienstatistik)

Flächenberechnung von Merk- malen untergliedert nach Ka- tegorien, Berechnung von Grenzlinien (Ufer-Waldrand- längen etc.)

ökologische Planungen 205 Tabelle 1: Fortsetzung

Ziel Verfahren Beispiel

Logische Definition von iMerkmalen und Kategorien

Bestimmung neuer Merkmale und/

oder Kategorien mittels logi- scher (boul1scher) Bedingungen, die sich auf bereits vorhandene Merkmale und Kategorien bezie- hen

Zusammenfassung von Merkmalen und Darstellung von Konflikt- bereichen: Wenn die Kategorie Naturschutz- und Erholungs- gebiet erfüllt ist, dann weise diese Fläche aus Typisierung von

Flächen

Redundanzbest im- mung

Distanzberechnun- gen

Optimierungs- rechnungen

Bestimmung "typischer" Flächen aufgrund vorgegebener Merkmale und Kategorien mit Hilfe geeig- neter (flächenbezogener) Sta- tistikprogramme

Untersuchung und Validierung er- faßter Daten (Kategorien) in bezug auf bestimmte Fragestel- lungen, manuelle oder automati- sche Klassifizierung

Bestimmung von Entfernungen zwischen einzelnen Merkmalen und Kategorien mit oder ohne bestimmte Nebenbedingungen Anwendung verschiedener Ver- fahren aus dem Operation - research, Entwicklung fall- bezogener Verfahren

Definition "typischer Bio- tope" Gebiete etc. mit Hilfe der partiellen Typologie Auswertung der aus der Luft oder Satellitenbeobachtung gewonnenen Scanner-Daten : z.B. Definition eines Spek- tral -Bereiches, der die Er- kennung von Wasser-Flächen ermöglicht

Distanzberechnung zwischen Orten, Bestimmung kürzester Wege, Reichweitenuntersu- chungen

Transportprobleme, Standort- untersuchungen , Re ichwe i ten- untersuchungen

FABOS und CASWELL ( 1 9 7 7 ) sprechen von drei Generationen der S oftware- entwicklung der g r a f i s c h e n D a t e n v e r a r b e i t u n g für Planungszwecke ( v g l . T a b e l l e 3 ) .

Da je nach A u f g a b e n s t e l l u n g r a s t e r - oder f l ä c h e n s c h a r f e Programmsysteme zur Anwendung kommen werden (vgl. FABOS, F E R R I S , 1 9 7 5 ) , ist es notwen- dig, ein I n f o r m a t i o n s s y s t e m zu verwenden, das entsprechende S c h n i t t s t e l - lenprogramme zur Verwandlung von Polygonen in R a s t e r und umgekehrt ent- h ä l t .

Hardware - Ein- und A u s g a b e g e r ä t e

Zur V e r a r b e i t u n g f l ä c h e n b e z o g e n e r Daten ist die A u s s t a t t u n g der Rechen- anlagen mit entsprechenden Ein- und A u s g a b e g e r ä t e n n o t w e n d i g . Standard- mäßig ist mit j e d e r Rechenanlage ein L o c h k a r t e n l e s e r , ein Bandgerät und Bildschirm zur Dateneingabe sowie mit einem Z e i l e n d r u c k e r zur D a t e n a u s - gabe versehen. Die S o f t w a r e der 1. G e n e r a t i o n war auf diese Hardware- a u s s t a t t u n g z u g e s c h n i t t e n , d . h . d i e Dateneingabe e r f o l g t e weitgehend über L o c h k a r t e , die D a t e n a u s g a b e am Z e i l e n d r u c k e r . K a r t o g r a f i s c h e D a r - stellungen werden in Form von R a s t e r k a r t e n e r z e u g t , die der sonst für Schriftzeichen vorgesehene Z e i l e n d r u c k e r durch Ü b e r e i n a n d e r d r u c k e n von E i n z e l s y m b o l e n e r z e u g t . Der k o n v e n t i o n e l l e L i s t e n a u s d r u c k des Z e i l e n - druckers hat einige N a c h t e i l e ( u n h a n d l i c h , schlecht zu lesen, k o p i e r e n , archivieren e t c . ) . Ausnahme b i l d e n hier die neuen L a s e r - D r u c k e r , die k l e i n f o r m a t i g drucken und verschiedene D r u c k z e i c h e n und D r u c k f o r m a t e verwenden können.

Tabelle 2: Gegenüberstellung der Typen von flächenbezogenen EDV-Programmen

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CD

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Kl 0

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3

I— 1

rH 0 INI CTJ PM

0 0

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c/) 0 t/)

Koordinaten- und Informations- speicherung Information wird auf einen Punkt bezogen

-

- Linear verkettete Punktsysteme. Die

"Punktquellen" sind die Knoten und die - Kettenglieder zei- gen die Knotenbe- ziehungen. Daten- mittelpunkt liegt auf der Linie Analog zu Netzwerk- -

System, Datenmittel- punkt liegt aber auf der Fläche.

Knotenpunkte werden - digitalisiert

Information wird für ein einheit- liches Raster ge- wählter Größe ge- sammelt. Meist geodätischer Flä- chenbezug (Gauß- Krüger-Koordina- ten) . Daten werden Zelle für Zelle gesammelt. Jede Zelle erhält einen - Wert für jede Va- riable. Prozen- tuale Anteile je- der Variablen in der Zelle können zugeordnet, aber

Datenausgabe Vor- und Nachteile Anwendungen und

Isopleten- oder Konturkarte (Ver- bindung wertglei- cher Punkte)

Computer-algorhyth- - misch erzeugte Kar- te (lineare Inter- polation zwischen unregelmäßigen Punkten) Summentabellen Kartendarstellung nicht relevant

(keine Flächen) Flußrichtung kann mit verschiedenen Darstellungen ge- kennzeichnet werden.

Tabellenausgaben graphischer Output - in Kartenform Grunds tücksdaten in Tabellenform Verschiedene Schraf- furen der Flächen differenziert nach Inf ormat ions inhal t

-

-

Darstellung in iso- - pleter Form als Konturkarte

(Plotter)

Rasterkarte aus d.

L ine -Printer

verschiedene Schraf — füren bei der Kon- turkarte möglich interaktive graphi- - sehe Ausgabe

Flächenstatistik in Tabellenform

- _

Anwendungs- möglichkeiten billig, einfache Luftverunreinigung Entwicklung Wasserreinhaltung Digitalisierung Lärmschutz, Immis- erf orderlich sionen

Information eines Meßstellennetze größeren Gebietes meteorologische wird auf einen Anwendungen Punkt reduziert

Entwicklungskosten Der Systemtyp ist höher als bei Fluß-bzw. Trans- Punktsystemen port- oder sämt- Beschränkt auf li- liehen ähnlichen neare Daten, dafür Systemen angepaßt.

aber hervorragend USA: Wasserquali- geeignet tätsdatenbank

Flüsse - Lineare Daten

Wie beim Raster- - Vorwiegend für System Daten nur Stadtplanung für eine definier- verwendet, um te Flächeneinheit Daten auf Be- verwendbar, zirke, Blöcke Überlagerung etc. zu loka- versch. Parzellen lisieren nicht möglich, je- - EDV-Kataster doch Überlagerung Grundstücks- vers eh. Merkmale datenbank wird jeder Parzelle zur Zeit ent- Aggregat ion zu wickelt größeren Parzel-

len möglich (Sta- tistik)

Kosten in der Ent- wicklungsphase größer als bei Rastersystemen

Einfache Abstands- Wird derzeitig am findung häufigsten für al- Relativ einfache le möglichen For- Handhabung der schungs-u.Planungs- Merkmale multip- aufgaben angewendet ler Variablen - Verwendung für Einfache Aggre- Flächendatenbanken gierung, Gewich- - Anwendung für Pla- tung, Überlagerung nungsmodelle Einfache Speicher- (Überlagerungen) Systeme, Abrufbar — Landschaf t sdaten- keit, Überlagerung bank (Koeppel) u.graph. Display - Alpendatenbank Wenig Daten in Ra- (Karl)

sterform gesammelt - ORL Informations- Hoher Zeitaufwand ras t er

bei Datenaufnahme

(me thodenabhäng ig)

Tabelle 2: Fortsetzung

Koordinaten- und Datenausgabe Informations-

speicherung nicht innerhalb der Zelle lokali- siert werden

Vor- und Nachteile - Schwierigkeit der

opt. Rastergrößen- findung

- Keine flächen- scharfe Darstel- lung

- Zordnungsprobleme - Bei Änderung des

Koordinatensystems neue Datenaufnahme erforderlich

Anwendungen und Anwendungs- möglichkeiten

flächtentreu auf- genommen

Speicherung in Form von Linien u. Flächencharak- teristik mit ge- nauester Auflö- sung geographi- scher Bezugssy- steme (GK-Koord.) g Zuordnung der In-

<D formation über

^ gewählten Flä- w chenpunkt

- Jede graphische Darstellung mög- lich wie:

- Darstellung als Konturkarte mit verschiedenen Schraffüren frei wählbar nach In- formationsinhalt - Oberlagerungen

und Abruf thema- tischer Karten möglich

- Interaktive Daten ausgäbe

- Flächenstatistik in Tabellenform oder als Diagramm

Exakt und reali- stisch

Karten jeder Kom- plexität können erfaßt werden Endgültige Karten- ausgabe korrekt wie Vorlage

Alle Daten werden in der feinstmögli- chen Auflösung er- faßt

Aufwendige Software- entwicklung für komplizierte Daten- manipulation Graphische Flächen- überlagerung nur durch Mehrfachplot- ten möglich

Hohe Datenmengen für Linienbe- schreibung notwen- dig

Flächenverschnei- dung noch nicht optimal gelöst Information muß pro Flächeneinheit nur einmal gespei- chert werden

scape Planning Model

- Regniap - Agrarleitpla-

nung

- Biotopkartie- rung

- Landschafts- planung Dieses System ist aufgrund seiner Exaktheit und uni- versellen Anwend- barkeit zukunfts- weisend und wird bald für viele Zwecke angewendet werden, da schon benutzerfreundli- che Softwarepakete u. Datenbanksyste- me entwickelt wor- den sind.

Quelle: SCHALLER, WEIHS (1977)

208 J. Schaller

Tabelle 3: Generationen der Softwareentwicklung

Beispiele:

1. Generation Rastersysteme GRID, SYMAP, IRIS, KARIN, IMGRID, Inf. Raster-ORL, Alpendatenbank, Landschaftsdatenbank etc.

2. Generation flächenumgrenzende COMLUP

Systeme Agrarleitplanung Überlagerung ist hier Biotopkartierung nur durch Mehrfach- GRIPS etc.

plotten oder durch den Zwischenschritt der Aufrasterung möglich

3. Generation Polygonsysteme mit PIOS (ESRI) direkter Flächenver- CGIS

schneidung und Infor- LDB 377 (in Entwicklung) mationsüberlagerung ISPLAN "

im Rechner ohne Auf- rasterung

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an FABOS und CASWELL, 1977

Bei kartografischen Ausgaben ergeben sich bei der üblichen Anwendung von Zeilendruckern Flächenverzerrungen durch das Höhe-Breite-Verhältnis der Druckzeichen. Der Vorteil des Listendrucks liegt in der Verfügbar- keit: Zeilendrucker sind schnell und faktisch standardmäßig immer mit dem Computer verbunden.

Für grafische Ein- und Ausgaben, die für die Anwendung bei integrieren- den ökologischen Planungen flächenscharf erfolgen sollen, ist sog. Gra- fik-Hardware erforderlich. Im Gegensatz zum Lochkartenleser und Zeilen- drucker ist die Verfügbarkeit der Grafik-Hardware nicht standardmäßig gegeben. Auch ist die erforderliche Hardware noch entsprechend teuer.

Die Datenein- bzw. -ausgäbe entspricht aber in vielen Fällen bedeutend besser den Anforderungen. Die wichtigsten Ein- und Ausgabegeräte sind in der folgenden Tabelle 4 zusammengestellt.

3. Konzeption eines computerunterstützten Informations- und Planungssystems für ökologische Planungen

Die integrierte Anwendung von Fachdaten, die zum Teil in Fachdatenban- ken gespeichert sind, erfordern ein flexibles Datenaufnahme- und Verar- beitungssystem, das in der Lage ist, Daten unterschiedlichster Prove- nienz, Auflösung (Maßstab) und Speicherungsart aufzunehmen und zu ver- arbeiten. Anhand der vorhandenen konkreten Forschungsaufgaben und Pro- jekte (Agrarleitplanung, Biotopkartierung, ökologische Modelluntersu- chung Ingolstadt) wurde in enger Zusammenarbeit mit EDV-Fachleuten und Fachanwendern ein Informationssystem konzipiert, das in einer ersten Ausbaustufe auf seine Leistungsfähigkeit getestet wird.

Trotz der allgemein kritischen Betrachtung von Planungsinformationssy- stemen wird hier eine Konzeption vorgestellt, die die speziellen Anfor- derungen ökologischer Planungen an ein Informationssystem erfüllen soll, Neben verfahrenstechnischen Problemen (Benutzerfreundlichkeit) resul- tiert die Hauptkritik an EDV-Informationssystemen meist aus der Daten- basis, die entweder zu alt (Updating), zu ungenau oder nicht planungs-

Tabelle 4: Hardware - Ein- und Ausgabegeräte (Übersicht der gängigsten Typen)

Eingabegeräte

Lochkarten- leser

Lichtstift

Automatische einrichtungen,

Technische Beschreibung

Automatisches Ein- lesen von Lochkar- ten, Information wird auf Band oder Platte gespeichert

Am Terminal ange- schlossenes griffei- förmiges Instrument mit Fotozelle und dazugehöriger Optik

Instrument, das Be- sehe Ströme um- setzt, die auf sum- miert werden und mitte Iten Stand- ortkoordinaten über ein Faden- kreuz auf dem Bildschirm dar- stellen

Platte oder Unter- lage werden auf elektromagnetischem oder mittels Ultra- schall Positions- stimmt und auto- matisch auf Loch- karten, Band oder Floppy-disk über- tragen, z.T. mit Stand-alone Pro- zessor verbunden

-Kartenvorlage wird matisch abgetastet kontinuierlich gespeichert

Anwendung

Lochkarten werden von Hand einge- legt

Eingabe von Koordinaten auf dem Bildschirm, Genauigkeit ab- hängig von der Genauigkeit des Terminals

mit der Hand be-

eine Lupe mit Fadenkreuz wird auf dem Tablett von Hand geführt.

Punktmarkierung oder durch Knopf- druck. Auch Zu- gabe weiterer Informationen durch Wahlknöpfe

Hochzeichnung Information auf z.T. notwendig

Ausgabe- geräte

Drucker verschiedene Typen

Zeichengeräte Tromme Iplotter

plotter

Diageräte

Elektrosta-

Terminals Datensicht- geräte

Technische Be schre ibung

Zeilendrucker mit 132 Zeichen pro Zeile Laserdrucker

Zu bezeichnendes Papier oder Folie wird über eine Zahntrommel be- wegt. Senkrecht zur Papie be- wegung wi d der Zeichenst ft ge- führt (Ku i, Tuschesti te) , viele Bau ormen

in allen Richtun- zu bezeichnende Material wird flach auf der ebenen Viele Bauformen

einer Kathoden- strahlenröhre ge- zeichnet und über ein Objektiv auf einen Mikrofilm ab-

z.B. Dicomed Dia- belichtung

Auf elektro- werden Stäube an- Xerox-Verfahren gedruckt

Speicherröhren- systeme u. Refresh- Röhrensysteme unter- scheiden sich durch Speicherung des auf- gebauten Bildes in der Röhre oder durch einen Bildwiederhol- speicher. Je nach Bauform einfache Datensichtgeräte bis zu interaktiven gra- fischen Systemen

Anwendung

Ausgabe von Listen, Aus- druck von Rasterkarten mit Zeichen- kombinationen Für alle zeich- nerischen Dar- stellungen ver- wendbar. Mehr- farbiges Zeich- nen durch ver- schiedene Stifte möglich . Lang- sam und wartungs- intensiv

plotter

von Mikrofilm auf Folie oder Papier

Ausgabe von Farbdias

Ausgabe wie Normalpapier

Dialog mit Bildschirm, interaktives Arbeiten mit Lichtstift.

( Eingabe , löscfaung oder AMtäenanmg von gespeichertes:

Information!.)

Quelle: Eigene Darstellung nach BALZER, 1975 und SCHALLER, J., WEIHS, E., 1977

210 J. Schaller

relevant ist, bzw. auf unzulänglicher, d.h. der Problematik der Anwen- dung nicht genügend angepaßter Hard- und Software. Das beste Informa- tionssystem kann natürlich nur so gut sein, wie die Daten, die eingege- ben und verwendet werden, und wie die Qualität der Manipulationen, d.h.

die Datenverknüpfung mit problembezogenen Methoden. Deshalb ist neben der Entwicklung von neuen Planungsmethoden und Verknüpfungsmodellen die Hauptaufgabe auch in der Überprüfung der Eingabedaten auf Planungsrele- vanz zu sehen.

Die derzeitige Kritik an Planungsinformationssystemen (vgl. FEHL, 1976) setzt m.E. am falschen Punkt an. Nicht Informationssysteme für die Pla- nung an sich sind falsch, sondern es ist sinnlos, Planungsinformations- systeme ohne konkrete Anwendung oder Fragestellung zu entwickeln. Dabei steht aber außer Zweifel, daß ein bestimmtes methodisches Instrumenta- rium (Programme, Modelle) vorhanden sein sollten, um ein Informations- system auf die jeweilige Fragestellung ausrichten zu können. Eine sog.

Landschaftsdatenbank (LDB) darf daher keine Datensammlung ohne Frage- stellung sein, die evtl. sogar landesweit einen sog. "Datenfriedhof"

bildet, der mit großem Aufwand gepflegt aber nicht angewendet wird.

Sie sollte vielmehr eine Methodenbank darstellen, die in der Lage ist, unterschiedliche Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen zu verarbeiten und zu verknüpfen, um hier die Grundaufgabe des ökologisch orientierten Planers maschinell zu unterstützen. Auch die Auswahl der zur Verknüpfung herangezogenen Daten muß beim Planer liegen und darf nicht von der LDB vorgegeben werden.

Die Variablenauswahl und die Methode ihrer Verknüpfung zur Lösung be- stimmter Planungsprobleme ist das Arbeitsfeld des ökologisch orientier- ten Planers. Da er in der Regel kein Programmierer ist, kommt der Ent- wicklung anwenderfreundlicher Kommunikationssysteme höchste Bedeutung

Grundsätzliche Anforderungen an das Informationssystem

Der wichtigste Teil jedes Programmes oder Programmsystems sollte die Benutzerschnittstelle, d.h. die Kommunikationsstelle zwischen Benutzer und Rechner sein. Auf diesem Gebiet ist noch viel Arbeit zu leisten, da die Anwenderfreundlichkeit der Programme noch sehr zu wünschen übrig läßt.

Eine optimale Benutzerschnittstelle besteht aus vier Komponenten:

- Das Benutzermodell versetzt den Anwender in die Lage, die logischen Funktionen und logischen Verknüpfungen der Funktionen zu verstehen.

(Jede Funktion stellt ein Objekt dar; die Verknüpfungen sind Aktio- nen, die sich auf die Objekte beziehen. Die Menge der Aktionen defi- niert so die funktionalen Möglichkeiten des Programmes.)

- Die Möglichkeit der Einflußnahme auf den Ablauf des Benutzermodells, z.B. mit Hilfe einer Sprache oder Menuetechnik. (Jedes Sprachelement (Anweisung, Kommando) bezieht sich auf die Objekte des Benutzermo- dells und ihre Funktion ist es, die Aktionen durchzuführen. Dabei sind die Elemente der Anweisung Operanden, die die Aktion auf ein oder mehrere Objekte näher beschreibt. Der Aufbau einer Anweisung unterliegt festen Regeln (Syntax). Wichtig dabei ist die Einfachheit des sprachlichen Gerüstes, d.h. Sprachelemente stammen aus dem Wort- schatz des Anwenders (haben gleiche Bedeutung - Genauigkeit und die Konsistenz der Syntax).)

- Rückkopplung, d.h. der Rechner unterstützt den Benutzer, das Programm ablaufen zu lassen (z.B. Meldungen, Erläuterungen, Hinweise auf Feh- ler und Möglichkeiten zu deren Beseitigung).

- Informationsdarstellung, die dem Benutzer die Effekte seiner Manipu- lationen auf die Daten zeigt (z.B. in Form von Tabellen, Grafiken).

ökologische Planungen 211

Keine dieser vier Komponenten darf vernachlässigt werden, da die Benut- zerschnittstelle einen wesentlichen Einfluß darauf hat, wie ein Pro- gramm oder Programmsystem akzeptiert bzw. eingesetzt wird.

Das vorgeschlagene Informationssystem beruht auf dem Datenpool der Landschaftsdatenbank. Der Anwender hat die Möglichkeit, die für seine Zwecke relevanten Daten zu extrahieren (numerische, grafische Daten), um sie in normierter Form zu verarbeiten. Die Verarbeitung (Mathematik, Statistik, grafische Aufbereitung usw.) ist vom Anwender beliebig aus- zuwählen, sowohl in ihrer Anzahl wie in ihrer Reihenfolge.

Die so verarbeiteten Daten können dann entsprechend ausgegeben werden (Drucker, Plotter, alphanumerischer Schirm, grafischer Schirm, Mikro- film).

Sie können auch in die Landschaftsdatenbank geschrieben werden.

Zur Steuerung des Systems sind mehrere Ansätze möglich:

- formale Sprache: der Anwender formuliert seine Wünsche im Klartext (Anwendersprache).

- Bildschirmformat: der Anwender kreuzt in einem Formular seine Wün- sche an.

- Frage/Antwort Spiel: der Anwender antwortet mit ja/nein auf Fragen des Systems, bis sein Problem voll definiert ist.

Die folgende Tabelle 5 gibt Aufschluß über die wichtigsten Prozeduren, die das zentrale Informationssystem Landschaftsdatenbank bewältigen muß. Die meisten der aufgezeigten Prozeduren sind bereits realisiert und ablauffähig.

Die Tabelle wurde im Rahmen der Anwendung Landschaftsdatenbank für die landschaftsökologische Modelluntersuchung im Raum Ingolstadt erstellt (Quelle: FELDLE et al., 1978; DANGERMOND, 1978a,b).

Jede in der Tabelle vorgestellte Prozedur hat eine Eingabe und eine Ausgabe. Dabei ist besonders wichtig, daß jede Ausgabe als Eingabe ei- ner anderen Prozedur zu verwenden ist. (Ausnahmen: Druck- und Plotbe- stände, die zur Hardcopyerstellung bei der Ausgabe dienen.) Wesentlich in diesem Informationssystem ist, daß die Operationen, die vom Anwen- der durchgeführt werden, nach ihrer Validität überprüft werden.

Zum Beispiel dürfen zwei topografische Karten mit unterschiedlichen Maßstäben nicht zusammengefaßt werden. Ein entsprechender Hinweis be- nachrichtigt den Anwender, der dann die entsprechende Korrektur einlei- ten kann. Neben der Prüfung der Eingaben zur Durchführung einer Proze- dur muß noch geprüft werden, ob die vorgesehene Reihenfolge der Proze- duren legal ist oder nicht. Diese Validitätsmerkmale müssen dem Rech- ner z.B. in Form einer Entscheidungsmatrix mitgeteilt werden.

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ZENTRALES INFORMATIONSSYSTEM LANDSCHAFTSDATENBANK TABELLE 5 (A)

STEUERUNG DES SYSTEMS

*;r—>

1p

1p

kp

AUFBE- REITUNG

AUS- GABE

DRUCKER

PLOTTER GRAPH. SCHIRM

SCHNITTSTELLE ZU ANDEREN SYSTEMEN

ZEICHEN UND SYMBOLERKLÄRUNG

LDB/N LANDSCHAFTSDATENBANK (objekbezogene Fachdaten = Numerisch/alphanumerisch) LDB/G LANDSCHAFTSDATENBANK (flächenbezogene Fachdaten = Geometrisch) LDB/T LANDSCHAFTSDATENBANK (textbezogene Fachdaten = T?ext)

GF GRAPHISCHER BESTAND (_Flächen scharfe Geometrie + entspr. Variablengruppe) GR GRAPHISCHER BESTAND (Rasterbezogene Geometrie + entspr. Variablengruppe) N BESTAND MIT NUMERISCHEN/ALPHANUMERISCHEN GRÖSSEN

P _PLOTBARER BESTAND

D DRUCKBARER BESTAND (MIT VORSCHUBZEICHEN)

Bestände Platte

S—-'!

- Vs __ / Druck- bestände

Plot- bestände LADEN DER LANDSCHAFTSDATENBANK MIT BASISINFORMATIONEN

Die Method< Geometrieerfassung sind vielfältig:

- Digitalisiertisch (z.B. Calkomp) - KARTOSCAN

- Manuelle Eingabe von Koordinaten - Fernerkundung (Scanner) - Tektronix/IGS

Geometrie mit Nummerierung des Beschriftungs- punktes (z.B. Flächei nummer)

BESCHREIBUNG DER VARIABLENGRUPPE (AUSGABE IST DER SOG. "FILE A")

CH

•iablengruppe

Die Eingabe geht über alphanumerischen Schirm (Festes Bildschirmformat) oder Lochkarte (Freies Format) '

Variablen- -2. -312 412

600 3.0 0.2 .312 639 SATZNUMMER, VARIABLE

ZUORDNUNG DER VARIABLENGRUPPEN ZU DEN GEOMETRIEN (AUSGABE IST DAS SOG. "FILE 2")

Die Zuordnung der Variablengruppe zur Geometrie geht über alphanumerischen Schirm oder Lochkarte - Voraussetzungen sind Bestand Bl (Geometrie) und Bestand (B3) (Variablengruppe).

Ausgegeben wird ein graphischer Bestand, der in der LDB geladen werden kann.

Dies ist allerdings nur eine Art, wie Informationen in die LDB geladen werden können: z.r Bestand Bl direkt in die LDB/G, Bestand B3 in die LDB/N und Bestand B2 in die LDB/G uncYoder LDB/N als Verkettungsmerkmal beider Informationen

(numerisch und geometrisch).

VARIABLENGRUPPE

1) Nummer des Beschri f- tungspunktes 2) Satznumme

LDB-EXTRAKTION

FUNKTION/PROZEDUR Auswahl bestimmter Variablen (auch Flächengrößen bei flächen- scharfen Geometrien)

- nach logischen Beziehungen der Variablen

- nach Lokalisierung der Geometrien (z.B. Fenster)

Auswahl bestimmter Variablen mit entspr. Geometrie nach logischen Beziehungen der Variablen

GF oder GR

Auswahl bestimmter Geometrien (Linie/Punkt/Fläche)

GF oder GR

Auswahl nach geometrische!

reichen (Fenster)

GF oder GR

Textauswahl

(GOLEM/PASSAT) ADASCRIPT

AUFBEREITUNG, GRAFISCHE DARSTELLUNG VON GRAFISCHEN BESTÄNDEN

(Kartographie)

""Betextung, Positionierung, Fenster, Schraffur der Flächen nach Werten de:

Variablen

Linien-Punkt-Darstellung Legende/Layout

grafische Aufbereitung z.B. Schraffur der Raster

Aggregation der Geometrien na Werten der Variablen

(z.B. Flächenzusammenlegung)

Umwandlung flächenscharf in Raster

Umwandlung Raster in flächenscharf

Verschneidung zweier geometrischer Systeme (flächenscharf) mit Über- nahme aller oder bestimmter Variablen

FUNKTION/PROZEDUR

Verschneidung zweier geometrischer Systeme (Raster) mit Übernahme alle oder bestimmter Variablen

Überlagerung zweier geometrischer Systeme (flächenscharf) mit Übernahme aller, bzw. bestimmter Variablen

Überlagerung zweier geometrischer Systeme (Raster) mit Übernahme aller, bzw. bestimmter Variablen

O

x,y Raster manuelle Eingabe Z Höhe der Klassen nach x,y Säule Höhe der Säule Z

Digitales Geländemodell

Bestand mit Koord. der Eckpunkte, der geschlossc Polygone usw.

Darstellung architektonischer Elemente

Zusammenfügen der Geometrii

Koordinatentransformation:

Translation Rotation Zooming

Umrechung von Koordinatensystemen

Kartenrandabgleich

LDB EXTRAKTION

GRAFISCHE DARSTELLUNG NUMERISCHER GRÖSSEN

Interpolationsverfahr Punkt auf Fläche

(Isolinien)

Dreidimensionale Darstellung von punktuellen Daten (x, y, z) - mathematische Funktionen

0

Kurven Histogramme Kreisdiagramme, usw.

Berechnen von Trendflächen

MATHEMATISCHE MODELLE, STATISTIKEN, TABELLENGENERATOR Statistische Auswertungen Häufigkeiten

Mittelwerte, Std. Abweichungen Regression

Faktoranalyse (SPSS, BMDP)

stat>

Tabellen 1

stat . ^Daten

wie Häufigkeiten, Mittelwerte, Faktorwerte

Mathematische Modelle MPSX

Input/Output Modell CSMP

GPSS DYMOSIS, usw.

Tabelle Ergebnisse^

Aggregierte Daten Gleichungskoeffizi Zur Weiterverarbei-

Aufbereitung der Date Tabellengenerator Edit für Texte, usw.

O

Ausgabe eines Plotbestandes

Ausgabe Druckbestand

Update der LDB

(z.B. speichern aggregierte Geometrien und entspr. Sta- tistiken)

Update der LDB

Speichern von Texten/Dokumente

o

216 J. Schaller

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