GIS in Geowissenschaften und Umwelt

Die digitale geologische Karte stellt ein eigentliches Geographisches Informationssystem dar. Die konsequente Strukturierung der geologischen Information erlaubt eine problemorientierte Auswahl der benötigten Information. Die Datenbankstruktur und das Datenkonzept, auf welchem die Karte basiert, werden diskutiert. Anhand von Beispielen werden die verschiedenen Möglichkeiten der Erstellung einer digitalen thematischen Karte (Vor-und Nachteile, Erfahrungen, Schwierigkeiten) erläutert. Die mit der Karte erstellte Benutzeroberfläche und verschiedene Anwendungsmöglichkeiten werden gezeigt.

1995 wurde mit Blatt Toggenburg der Geologischen Karte der Schweiz 1: 100 000 das erste Projekt einer digitalen geologischen Karte abgeschlossen. Derzeit ist die geologische Übersichtskarte der Schweiz 1: 500 000 in Bearbeitung.

Die Vielzahl von Umweltdaten, wie sie heute in der Bearbeitung von Projekten (z.B. Umweltverträglichkeitsuntersuchungen, Altlastenerkundungen) anfallen, ist nur unter Einsatz einer modernen Informationstechnologie zu verarbeiten. Ein frühzeitig in den Projekt-und Planungsablauf integriertes leistungsfähiges Geographisches Informationssystem (GIS) trägt wesentlich zur Kosten-und Zeitoptimierung aller Einzelschritte bei.

Ein wesentlicher Vorteil der angewandten geographischen Informationsverarbeitung liegt in der Zusammenführung unterschiedlicher analoger Daten in einer gemeinsamen georeferenzierten Datenbank. Der Zugriff auf diese Daten ist jederzeit möglich, die Ergebnisse lassen sich transparent und für jedermann nachvollziehbar darstellen. Somit wird auch die Öffentlichkeitsarbeit durch die GIS-Anwendung wesentlich unterstützt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten Geographischer Informationssysteme werden zunehmend an Bedeutung gewinnen. Dabei ist davon auszugehen, daß eine Vielzahl raumbezogener Daten [beispielsweise Amtliches Topographisches Informationssystem (ATKIS) oder Automatisierte Liegenschaftskarte (ALK)] die digitale Grundlage vieler Projekte bilden. Der Einsatz und die Anwendung von GIS ist somit als wesentlicher Teil des Projektmanagements zu sehen.

Der vorliegende Artikel zeigt eine Auswahl verschiedener Anwendungen eines Geographischen Informationssystems auf das Wattenmeer. Das Wattenmeer an der europäischen Nordseeküste erstreckt sich von Dänemark über Deutschland bis zu den Niederlanden. Die gesamte Fläche umfaßt etwa 8 000 km², wobei zu Dänemark ca. 10%, zu Deutschland 60% und zu den Niederlanden 30% gehören. Es besteht aus Inseln, Dünen, Stränden, Salzwiesen und einem System von Prielen. Das Gebiet wird zweimal täglich überflutet und fällt wieder trocken. Innerhalb dieses einmaligen Ökosystems haben sich verschiedene Tiere und Pflanzen so an die dort herrschenden Bedingungen angepaßt, daß sie nur dort überleben können. Kleine Störungen in diesem System können erhebliche Folgen für die Existenz bestimmter Tiere und Pflanzen haben. Potentielle Bedrohungen für das Wattenmeer sind Landwirtschaft, Deichbau, Fischerei und Tourismus. Die Einleitung von Schadstoffen über die Atmosphäre sowie über die angrenzenden Ästuare Elbe, Weser und Ems stellen die größten Gefahren dar.

Im Mittelpunkt dieser Untersuchung stehen Fragen zur naturbedingten Küstengefährdung und zur anthropogenen Valourisierung des Litoralökosystems. Als Methode wurde für einige Untersuchungselemente u.a. auch ein Geographisches Informationssystem (GIS) entwickelt und versuchsweise eingesetzt. Auf diese Weise ist es möglich, neben den klassischen Geländearbeiten und der Analyse von Sekundärinformationen umfangreiche raumbezogene Datensätze zu aggregieren und zügig auszuwerten. Die Arbeit zeigt neue Möglichkeiten auf, durch den Einsatz und die Optimierung eines Küsten-GIS unterschiedliche Planungs-und Entwicklungsstadien zu analysieren und zu prognostizieren. Durch die Weiterentwicklung zu einem Fachinformationssystem könnte eine Umsetzung ausgewogener und verantwortbarer Konzepte für die intensiv genutzten Küstenzonen der Ostsee im Rahmen eines „Integrated Coastal Zone Management Systems” ermöglicht werden. Planungen und erste weiterführende Ansätze werden derzeit auf unterschiedlichen Ebenen von Umweltbehörden, Ministerien und wissenschaftlichen Einrichtungen vorangetrieben.

Die für die Planung von Deponien benötigten Zeiträume sind in der Vergangenheit immer unkalkulierbarer geworden und haben oftmals zu Entsorgungsengpässen und -notständen geführt. Hauptgrund für diese Entwicklung ist die Problematik der Standortfmdung und -festlegung. Regelmäßig versuchen betroffene Gemeinden und Bürger den Planfeststellungsbeschluß über die Frage der Standortfindung gerichtlich anzufechten, indem sie die Vorgehensweise, die zur Standortfestlegung geführt hat, kritisch hinterfragen. Damit dieser Auswahlprozeß durchschaubar und nach Möglichkeit auch nicht anfechtbar wird, müssen die einzelnen Teilschritte einen hohen Grad an Transparenz und Nachvollziehbarkeit aufweisen. Im folgenden wird anhand eines Beispiels beschrieben, wie in Niedersachsen solche Prozesse mit Hilfe eines Geographischen Informationssystems (GIS) transparent und handhabbar gemacht werden. GIS werden für die Standortsuche von Deponien auch in anderen Bundesländern (Buhmann et al. 1996) und in der Schweiz gezielt eingesetzt.

Im schweizer Kanton St. Gallen (Bezirke Gaster und See) werden neue Standorte für Abfalldeponien gesucht. Die Deponieplanung muß dabei auf zahlreiche Einschränkungen Rücksicht nehmen, welche sich aus Raumplanung, Gewässerschutz, Natur-und Landschaftsschutz ergeben. Die überaus zahlreichen Plangrundlagen wurden mit GIS erfaßt und mit bestehenden digitalen Daten ergänzt. Für die zu beurteilenden Regionen wurde so eine umfassende geographische Datenbasis geschaffen.

Ausgehend von diesen Daten wurden durch eine Negativausscheidung diejenigen Gebiete bestimmt, in welchen ein Deponiestandort überhaupt noch möglich ist. Zur Bewertung verschiedener Standorte (Geologie, Gewässerschutz, Natur-und Landschaftsschutz, Emissionen, Verkehrserschließungen, Deponietechnik) wurde eine zusätzliche umfassende Datenbank angelegt. Zusammen mit den Negativzonen kann das Resultat dieser Bewertung kartographisch dargestellt werden.

In den Jahren 1989 bis 1992 wurde vom Bundesministerium für Forschung und Technologie der Bundesrepublik Deutschland ein Pilotprojekt zur „Modellhaften Entwicklung eines kommunalen Umweltinformationssystems“ in der niedersächsischen Landeshauptstadt Hannover gefördert. Die Ziele des Forschungsvorhabens reichten von der Entwicklung, Anpassung und Verbesserung von Methoden zur Datenerhebung (Datenebene), einer darauf aufbauenden Zustandsbeschreibung der Umwelt (Zustandsebene) bis hin zu einer Bewertung dieser Befunde (Wirkungsebene) als Grundlage für umweltrelevante Maßnahmen der Kommune (Maßnahmenebene). Zu diesem Zweck wurde das Forschungsvorhaben als interdisziplinäres Projekt angelegt, das unterschiedliche Bausteine zu den Bereichen „Luft“, „Wasser“, „Boden“, „Biotope“ und „Raum“ integriert

Mit dem Konzept der Critical Loads (CCE 1993) werden — auf Grundlage der Parameter Deposition bzw. Verwitterung pro Fläche und Zeit — Eintragsraten für das betrachtete System definiert, deren Überschreitung zu Systemveränderungen führt. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse bieten die Möglichkeit, Reduktionen von Schadstoffausstößen besser wissenschaftlich begründet vornehmen zu können. Da dieses Konzept darauf abzielt, die betrachteten (Öko,-)Systeme nach dem Stand des Wissens vor Veränderungen (harmful effects) zu bewahren, ist es als Mittel für die Gewährleistung eines wirkungsbezogenen, nachhaltigen Schutzes unserer Umwelt gut geeignet.

In diesem Beitrag wird an einem Beispielgebiet im nördlichen Niedersachsen die EDV-gestützte Vorgehensweise zur Erstellung von schadstoffunspezifischen Grundwassergefährdungskarten vorgestellt. Dabei wurde das „Konzept zur Ermittlung der Schutzfunktion der Grundwasserüberdeckung“ der geologischen Landesämter und der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (Hölting et al. 1995) umgesetzt, modifiziert und auf seinen Einsatz in der Altlastenbearbeitung hin untersucht. In diesem Verfahren wird die Schutzfunktion der Grundwasserüberdeckung auf die Verweilzeit des Sickerwassers reduziert und mit sechs Parametern über Punktzahlen ermittelt. Ein Parameter ist die petrographische Ausbildung der tieferen Grundwasserüberdeckung. Dieser Parameter wurde durch Verfahren der Geostatistik (Variogramm und Kriging-Verfahren) berechnet, was zu einer Glättung der Daten führte. Diese Vorgehensweise und die Tatsache, daß die Grundlagenkarten in unterschiedlichen Basismaßstäben vorliegen, führten dazu, daß die ermittelte Schutzfunktion der Grundwasserüberdeckung lediglich als Richtgröße angesehen werden kann.

Da es sich bei den Altablagerungen fast ausnahmslos um Grubenerfüllungen handelt und somit die Schutzfunktion des Bodens nicht zum Tragen kommt, wurde auch die Schutzfunktion der Grundwasserüberdeckung ohne Bewertung des Bodens berechnet.Der Vergleich mit Erstbewertungsverfahren für Altablagerungen zeigt hier eine gute Übereinstimmung.Punktbezogene Berechnungen der Gefährdung können jedoch nur als bedingt gültig angesehen werden, da standortspezifische und substanzspezifische Größen bei der Berechnungsmethode nur unzureichend berücksichtigt werden.

Die Anwendungsbereiche der vorgestellten Karten werden im vorsorgenden Boden-und Grundwasserschutz als Grundlage für ein ökologisches Schutzgebietsmanagement und als Grundlage für Flächennutzungsplanungen gesehen.

Geographische Informationssysteme (GIS) finden zunehmend Verwendung in Wissenschaft und Praxis. Die Diskussion um ihren Einsatz wird dominiert von den Anforderungen an Aktualität, Präzision und Flächendeckung der Daten. Soweit Zeitreihen Thema sind, geht es meist um deren Aufbau für die Zukunft unter Nutzung moderner Datenquellen wie Sensoren, Meßstationen und Fernerkundung („Monitoring”).

In Projekten der Entwicklungshilfe begleiten technische, soziale, kulturelle und klimatisch bedingte Probleme den Aufbau von Geographischen Informationssystemen und erschweren die nachhaltige Nutzung solcher Systeme. In der folgenden Abhandlung werden mögliche Hintergründe und Ursachen vorgestellt. Die angerissenen Probleme sind vielschichtig und nicht immer eindeutig übertragbar.