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Digitale Aufbereitung historischer Forstkartenwerke für die Integration in aktuelle Planungsinstrumente zum ökologischen Waldumbau

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Academic year: 2022

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für die Integration in aktuelle Planungsinstrumente zum ökologischen Waldumbau

Jana SCHMIDT, Linda KOLATA, Katrin EBNER und Ulrike SEILER

Zusammenfassung

Die Bearbeitungsschritte zur Aufbereitung und Einbindung von historischen Forstkarten- werken in ein Geographisches Informationssystem (GIS) werden in diesem Beitrag vorge- stellt. Es werden erste Ergebnisse präsentiert, die im Rahmen der laufenden Bearbeitung eines grenzübergreifenden Projektes zur Erfassung raumbezogener historischer Informatio- nen für die Pflege- und Entwicklungsplanung naturnaher Wälder in der Sächsisch- Böhmischen Schweiz bis 2012 erstellt werden (http://www.tu-dresden.de/geo/hwe-hvl).

Die historischen Forstkarten besitzen ein hohes Informationspotenzial für Fragestellungen zum ökologischen Waldumbau. Sie sind in ihrer analogen Form jedoch kaum nutzbar. Zur Generierung der historischen Karten in einem GIS bedarf es geeigneter Verfahren, in deren Ergebnis digitale georeferenzierte Rasterdaten entstehen. Des Weiteren ist eine Methode zur Generierung dieser Dateninhalte im Vektorformat erforderlich, die eine hohe Passge- nauigkeit der Daten garantiert. Die dafür geeignete Methode des Rückwärtigen Editierens (WALZ &NEUBERT 2002) setzt die Erstellung eines aktuellen Vektordatensatzes, auf dessen Grundlage die historischen Rasterdaten schrittweise erfasst werden, voraus. Dieser Daten- satz wurde über die Anbindung von Sachdaten zur Forsteinrichtung an die Forstgrundkarte erstellt. Die Ergebnisse werden nach Abschluss der Bearbeitung in das Forst-GIS und die Walddatenbank Sachsen eingebunden und stehen den Forstverwaltungen zur Verfügung.

1 Historische Forstdaten als Planungsinstrument?

Der aktuelle Zustand von Wäldern lässt sich am besten verstehen, wenn man den Waldbe- stand und seine Entwicklung im historischen Kontext betrachtet. Historische Forstkarten geben einen guten Einblick in die frühere Nutzung, die Verbreitung von Baumarten und deren räumliche und zeitliche Veränderungen. Zusammen mit schriftlichen Aufzeichnun- gen lassen sich darin wichtige Erklärungsansätze finden, sowie qualitative und quantitative Aussagen zu den erfolgten Veränderungen treffen. Die Werkzeuge eines GIS ermöglichen die komplexe Verarbeitung, Analyse und Präsentation von Daten aus vergangener Zeit und die räumlich-thematische Zusammenführung mit heutigen aktuellen Daten. Die daraus gewonnenen Informationen können wichtige Erkenntnisse für mittel- und langfristige Ent- wicklungstendenzen innerhalb der Waldbestände liefern. Besonders bei den Planungen zum ökologischen Waldumbau stellen sie ein wichtiges Hilfsmittel dar (SEILER 2008).

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2 Inhalte des Forstkartenwerkes

Die Gesamtheit aller im Zusammenhang einer Forsteinrichtung erstellten Materialien be- zeichnet man als Forsteinrichtungswerk, deren zentraler Bestandteil ist das Forstkarten- werk. Es vereint in sich eine Vielzahl verschiedener thematischer Karten, wie Bestandskar- ten, Hauungs- und Kulturpläne. Ergänzt wird dieses Kartenwerk durch schriftliche Auf- zeichnungen, wie Forstbeschreibungen, Wirtschaftsbücher und Vermessungsregister.

Die Bestandskarten enthalten seit der ersten Forsteinrichtung zu Beginn des 19. Jh. die räumliche Ordnung der Wälder, die sich in Abteilung, Unterabteilung und Teilfläche glie- dert. Die Teilfläche stellt seit jeher die einheitlich zu bewirtschaftende Fläche im Wald dar und ist mit einer eindeutigen numerischen Signatur gekennzeichnet. Für diese Flächen wurden Bewirtschaftungsmaßnahmen, Baumarten- bzw. Holzartengruppen und die Alters- angaben erfasst. Der Maßstab wurde bis 1840 in sächsischen Postmeilen (1 sPm = 9062,08 m), danach als deutsche Postmeile (1 dPm = 7500 m) angegeben, bis 1871 das dezimale metrische System für die Längenangaben in Deutschland eingeführt wurde. Diese variierenden Maßstabsangaben verdeutlichen die Schwierigkeiten, die bei einer flächenge- nauen Analyse analog vorliegender Karten unterschiedlichen Alters auftreten.

Die schriftlichen Aufzeichnungen zur Forsteinrichtung können über die Flächensignatur der Teilflächen (Bestandsadresse) räumlich eindeutig zugeordnet werden. Bei der digitalen Erfassung des historischen Forstkartenwerkes erfolgt daher zuerst die Generierung der Forstbestandskarten mit den enthaltenen Bestandsadressen. Danach können die schriftli- chen Informationen in den digitalen Datenbestand integriert werden.

3 Aufbereitung der historischen Forstbestandsdaten 3.1 Voraussetzungen

Grundlage für die Anwendung von GIS-Werkzeugen ist die digitale Aufbereitung der ana- log vorliegenden Karten mit Hilfe der in Abbildung 1 dargestellten Arbeitsschritte.

Die Auswahl der zu scannenden Karten erfolgte nach umfangreichen Recherchen des Kar- tenbestandes im Sächsischen Hauptstaatsarchiv in Dresden. Insbesondere die Abgabever- zeichnisse des Forsteinrichtungsamtes und seiner vorangegangenen Institutionen enthalten sehr gut dokumentierte Karten und Unterlagen zur Wald- und Forstentwicklung in Sachsen.

Scannen Georeferenzieren Mosaikieren

analoge historische Forstbestandskarten

digitale Rasterbilder Forstbestandskarten im Rasterdatenformat Rasterbilddaten ohne

räumlichen Bezug für jedes Forstrevier ein Kartenblatt

ein Kartenmosaik pro Zeitschnitt

Datengrundlagen

digitale historische Forstbestandskarten Generierung im GIS

Abb. 1: Arbeitsschritte und Ergebnisse der Datenaufbereitung (SEILER 2008)

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3.2 Vorgehen

Die ausgewählten Karten wurden seitens des Sächsischen Hauptstaatsarchivs zur Verfü- gung gestellt und im Digitalisierungszentrum der Sächsischen Staats- und Universitätsbi- bliothek Dresden mit einer Auflösung von mindestens 300 dpi gescannt. Die folgenden Arbeitsschritte wurden für erste Vorarbeiten anhand eines Ausschnittes bereits umgesetzt.

Für die Einpassung der Rasterbilddaten in das Gauß-Krüger-Koordinatensystem wurden die gescannten Daten georeferenziert. Die Bildpunkte wurden in die Matrix des georeferenzier- ten Ausgabebildes anhand eines polynomialen Interpolationsverfahrens übertragen. Für die Neuberechnung der Farbwertmatrix wurde die Resamplingmethode Nearest Neighbor ge- wählt. Die Originalfarbwerte bleiben dabei im georeferenzierten Ausgabebild ohne Glät- tung oder Reduzierung erhalten.

Die Rasterdaten eines Forsteinrichtungsjahres lagen auf separaten Kartenblättern vor und wurden zu einem Kartenmosaik zusammengefügt (vgl. Abb. 2). Bei guter Passgenauigkeit ist eine Verschneidungsfunktion (Overlay) vorzuziehen, bei der es nicht zur Interpolation der Bildkanten kommt, da dies den Verlust wichtiger Karteninformationen bedeuten kann.

Abb. 2: Kartenmosaik (Kartengrundlagen: Sächsisches Hauptstaatsarchiv, Dresden;

Bearbeitung nach SEILER 2008)

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3.3 Erstellen des aktuellen Ausgangsdatensatzes

Zur Generierung der Rasterdateninhalte im GIS sollte die Methode des Rückwärtigen Edi- tierens (WALZ & NEUBERT 2002) verwendet werden. Als Grundlage dafür war zunächst ein aktueller Vektordatensatz aus der Forstgrundkarte und den relevanten Sachdaten der Wald- datenbank Sachsen des Staatsbetriebes Sachsenforst zu erstellen. Die Auswahl der Sach- daten erfolgte anhand der Inhalte der historischen Karten. Es konnten die Angaben zur Altersklasse und zu den jeweiligen Baumarten des Bestandes direkt übernommen werden.

Für die Ermittlung der bestandsbildenden Baumart wurden die Flächenanteile der im Be- stand auftretenden Baumarten und die Einordnung in die Bestandsschichten verwendet. Vor der Anbindung der Sachdaten an die Forstgrundkarte wurden deren Objektgeometrien mit- tels Topologieberechnung überprüft und korrigiert. Es ist für eine fehlerfreie und effiziente Geodatenverarbeitung erforderlich, dass keine Lücken oder Überlappungen zwischen den Objekten existieren. Des Weiteren wurden die in der Forstgrundkarte und den abgefragten Sachdaten enthaltenen Flächensignaturen miteinander verglichen. Die Anbindung der Sachdaten erfolgte über diese als Bestandsadressen bezeichneten Signaturen, die als Schlüsselfeld genau einen Datensatz mit einem Kartenobjekt verknüpfen sollten.

4 Generierung der Karteninhalte im GIS – Ausblick 4.1 Methodik

In der weiteren Projektumsetzung wird das Vorgehen bei der Erfassung der historischen Karteninhalte im GIS auf der Methode des Rückwärtigen Editierens (WALZ & NEUBERT, 2002) basieren. Aus diesem Grund werden in diesem Abschnitt erste Vorbetrachtungen und Einschätzungen zur gewählten Methode hinsichtlich Effizienz und Genauigkeit der Daten- erfassung wiedergegeben.

Für die Erfassung, Verwaltung und Bearbeitung der Vektordatensätze sollte eine Personal Geodatabase erstellt und für jeden Erhebungszeitpunkt ein Feature Dataset angelegt wer- den. Dabei kann der räumliche Bezug sowie der Datenbereich, welcher in den Datasets abgelegt werden soll, aus dem aktuellen Vektordatensatz (vgl. 3.3) importiert werden. Die zu generierenden Karten beinhalten ausschließlich flächenhafte Elemente und keine Linien oder Punkte, sodass für die Erfassung ein Polygon Feature Class ausreichend ist. Ein Fea- ture Dataset enthält außerdem, das an den Blattschnitt der Topographischen Karte 1: 10.000 angepasste Rasterbildmosaik des betreffenden Erhebungszeitpunktes.

Ausgehend von einem aktuellen Vektordatensatz wird bei der Generierung der Karteninhal- te, eine Kopie des Ausgangsdatensatzes an das nächst ältere Rasterbildmosaik geometrisch und inhaltlich angepasst. Alle Erhebungszeitpunkte werden bei diesem Vorgehen schritt- weise erfasst (vgl. Abb. 3). Es entsteht eine zeitliche Reihe von Vektordatensätzen, die die Inhalte der historischen Forstkarten enthalten. Diese Zeitreihe kann für eine Vielzahl von thematisch-räumlichen Analysen verwendet werden.

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Abb. 3: Generierung der Karteninhalte im GIS (Bearbeitung nach SEILER 2008)

4.2 Einschätzung der Datenerfassung

Für die Generierung raum-zeitlicher Daten im GIS stehen mehrere Methoden zur Verfü- gung, die sich hinsichtlich der Datenerfassung grundlegend unterscheiden. Bei der Methode des Rückwärtigen Editierens (WALZ &NEUBERT 2002) werden lediglich die Veränderun- gen zwischen den Zeitschnitten erfasst, wie etwa der veränderte Grenzverlauf von Be- standsflächen. Für Flächen, deren Zustand sich nicht verändert hat, können die Objekte und Daten unverändert übernommen werden. Die Verwendung der Methode ist damit wesent- lich effektiver als die Neudigitalisierung der einzelnen Zeitschnitte, zumal die Passgenauig- keit der erzeugten Datenebenen entsprechend gewährleistet ist. Sowohl der Zustand zu einem bestimmten Erhebungszeitpunkt als auch die Veränderungen eines beliebigen Kar- tenobjektes können lage- und flächengenau abgefragt werden. Bei der Methode der Ände- rungserfassung werden dagegen lediglich die Objekte erfasst, die sich zwischen beiden Erhebungszeitpunkten verändert haben. Ein historischer Zustand kann somit nur über die Vereinigung von Ausgangsdatensatz und mehreren Änderungsdatensätzen erstellt werden.

Die Betrachtung von Entwicklungsverläufen einzelner Kartenobjekte, ausgehend vom ältes- ten bis zum heutigen Erhebungszeitpunkt in sich überlagernden Datenebenen, ist nicht möglich.

4.3 Fehlerquellen

Der Mangel an geometrischer Exaktheit in älteren Karten, resultierend aus der Aufnahme- technik und der Darstellungsform der Objekte, kann bei der Datenaufbereitung nur teilwei- se korrigiert werden. Bei der Erfassung der Karteninhalte bietet die gewählte Methode die Möglichkeit, den geometrisch exakteren Linienverlauf aus jüngeren Zeitschnitten zu über- nehmen und bestehende Ungenauigkeiten dadurch ebenfalls zu korrigieren. Das Erkennen und Unterscheiden von Lageabweichungen und tatsächlichen Veränderungen zwischen zwei Erhebungszeitpunkten erfordert ein gewisses Maß an Interpretationsaufwand, sodass das Einbeziehen von weiteren Datenebenen durchaus notwendig sein kann. Nicht eindeuti- ge Linienverläufe oder Signaturen können durch einen visuellen Abgleich mit jüngeren Zeitschnitten besser eingeschätzt werden. Der subjektive Einfluss des Bearbeiters kann jedoch nicht vollständig ausgeschlossen werden.

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5 Informationspotenzial der digitalen Daten – Anwendungen

Für die Beurteilung der Anwendungsmöglichkeiten der historischen Waldbestandsinforma- tionen ist die ursprüngliche Aufgabe von Waldinventuren, in deren Ergebnis die analogen Forsteinrichtungswerke entstanden, zu berücksichtigen. Diese Inventuren dienten der Be- reitstellung von Informationen über den Wald als Rohstoffquelle. Die Erfassung erfolgte unter ökonomischen Gesichtspunkten und beschränkte sich auf die Merkmale der Waldflä- che, die zur Bewirtschaftung der Holzressourcen notwendig waren. Dieser Aspekt steht bei heutigen Inventuren nicht mehr im Mittelpunkt, vielmehr sind es Angaben, die den Zustand und die Entwicklungsdynamik des Waldökosystems beschreiben. Aus diesen thematischen Abweichungen der Inventuren ergeben sich entsprechende Einschränkungen, sodass die inhaltliche Tiefe aktueller Erfassungen nicht erreicht werden kann. Die praktische Bedeu- tung der historischen Bestandsdaten liegt daher weniger in der Ergänzung aktueller Inven- turen, sondern vielmehr in den daraus abgeleiteten Informationen über frühere Waldzustän- de und deren Entwicklungen. Die Kenntnisse über frühere Waldzustände, die insbesondere Aussagen zur inneren Struktur der Wälder beinhalten, sind für verschiedene Anwendungs- bereiche wie beispielsweise für naturschutzfachliche Fragestellungen von großer Bedeu- tung. Es sind Aussagen zu Waldstrukturveränderungen bzw. zum Entwicklungsverlauf eines intensiv bewirtschafteten Waldes zu einem sich zunehmend selbst regulierenden Öko- system in Form von zusammenfassenden Darstellungen möglich. Die Daten können gene- rell in der forstlichen Rahmenplanung, zu deren grundlegenden Aufgaben die funktionsge- rechte Walderhaltung und Entwicklung gehören, eingesetzt werden.

Danksagung

Die Arbeit wurde mit der Übergabe der historischen Forstkarten durch das Sächsische Hauptstaatsarchiv in Dresden sowie den Bestandsdaten für das aktuelle Forstjahr 2010 vom Staatsbetrieb Sachsenforst maßgeblich unterstützt. Für die Bearbeitung des Projektes sind finanzielle Mittel seitens des Freistaates Sachsen und der Europäischen Union (EFRE) im Rahmen des grenzübergreifenden Förderprogramms Ziel3/Cíl3 zwischen dem Freistaat Sachsen und der Tschechischen Republik zur Verfügung gestellt worden.

Literatur

SEILER, U. (2008): Monitoring der Waldentwicklung mittels Bearbeitung historischer Forstkarten im GIS – am Beispiel naturnaher Waldbestände im Nationalpark Sächsische Schweiz. Diplomarbeit, TU Dresden, 98 S. + Anlagen.

WALZ, U. &NEUBERT, M. (2002): Auswertung historischer Kartenwerke für ein Land- schaftsmonitoring. In: STROBL, J. et al. (Hrsg.): Beiträge zum 14. AGIT Symposium Salzburg. Heidelberg, S. 397-402.

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