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2024 | Buch

Umweltinformationssysteme - Digitalisierung im Zeichen des Klimawandels und der Energiewende

Tagungsband des 30. Workshops “Umweltinformationssysteme (UIS2023)“ des Arbeitskreises „Umweltinformationssysteme“ der Fachgruppe „Informatik im Umweltschutz‘‘ der Gesellschaft für Informatik (GI)

herausgegeben von: Frank Fuchs-Kittowski, Andreas Abecker, Friedhelm Hosenfeld, Christian Jolk, Umweltbundesamt

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

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Über dieses Buch

Der neueste Stand der Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Umweltinformatik (UI) und umweltbezogener IT-Anwendungsbereiche wird in diesem Tagungsband präsentiert und kritisch diskutiert. Dies umfasst sowohl Konzepte und Anwendungen von Umweltinformationssystemen als auch Technologien, die moderne Umweltinformationssysteme unterstützen und ermöglichen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Moderne Anwendungen im Umweltbereich für Bürger:innen und die Verwaltung

Frontmatter
umwelt.info
Das Nationale Zentrum für Umwelt- undNaturschutzinformationen
Zusammenfassung
Das Nationale Zentrum für Umwelt- und Naturschutzinformationen hat zum Ziel, über das neue Portal umwelt.info öffentlich verfügbare Daten- und Informationsangebote aus dem Kontext Umwelt- und Naturschutz zu bündeln. Dazu bringt das Zentrum ein Netzwerk an Akteuren zusammen, die Daten bereitstellen oder sich für Open Data im Umweltbereich engagieren. Ebenso wird mit umwelt.info ein redaktionell aufbereitetes Informationsangebot bereitgestellt. Durch diesen zentralen Zugriffspunkt soll die Auffindbarkeit von Daten und Informationen mit Umwelt- und Naturschutzbezug verbessert werden. Die Kernaufgaben des Zentrums sind Aufbau, Betrieb und kontinuierliche Weiterentwicklung des Portals sowie Koordination der Zusammenarbeit und Kommunikation mit Datenbereitstellenden und Open-Data-Engagierten aus Verwaltung, Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und der breiten Öffentlichkeit. Für Datenhaltende, andere Portalbetreibende und Nutzer:innen soll umwelt.info die Navigation der zersplitterten deutschen Umweltinformationslandschaft durch eine Metadatensuche erleichtern. Öffentlich verfügbare Umwelt- und Naturschutzdaten und -informationen werden anhand ihrer Metadaten katalogisiert und so leichter auffindbar sein. Die Entwicklung des Vorhabens wird öffentlich als Open-Source-Projekt durchgeführt. Darüber hinaus erhalten Datenbereitstellende beratende Unterstützung bei der Bereitstellung von offenen Daten, was den Open-Data-Gedanken befördert und auch die Wertschöpfung aus den Daten steigert. Der vorliegende Beitrag schildert die Ideen von umwelt.info, erste Entwicklungsschritte und erste Herausforderungen.
Anja Reineke, Clara Baier, Stefan Krämer, Adam Reichold
UmweltNAVI Niedersachsen
Ein individueller und interaktiver Kartenviewer für Umweltdaten auf dem Smartphone
Zusammenfassung
Die mobile App „UmweltNAVI“ Niedersachsen befindet sich seit Anfang 2023 im regulären Betrieb. Mit dieser App erhalten Bürgerinnen und Bürger einen einfachen und verständlichen Zugriff auf Umweltinformationen, die aus dem behördlichen Umfeld sowie aus verschiedenen Citizen Science-Projekten offen herausgegeben werden. Die Hauptfunktionen bestehen aus einer am Standort orientierten Kartendarstellung, einem redaktionell bearbeitbaren Wissensbereich und einer Suche. Begleitet werden die Hauptfunktionen z. B. von einem Quiz, von Benachrichtigungen, einer Möglichkeit, Fotos zu übermitteln, und einem Offline-Modus. Die angezeigten Ergebnisse orientieren sich an den gewählten Interessen. Die Vision, die Konzeptions- und Entwicklungsmethoden sowie die Zwischenschritte und Ergebnisse der Umsetzung werden näher erörtert. Insbesondere wird auf die Aufarbeitung der Daten und die Instrumente zur Bereitstellung der Inhalte eingegangen.
Dirk Weber, Anna Lyubina, Joachim Müller
Mobile Anwendung für Bürger:innen zur Information über Niedrigwasser und Trockenheit
Zusammenfassung
Niedrigwasser und Trockenheit traten in den vergangenen Jahren gehäuft auf und haben negative Wirkungen auf Wirtschaft, Ökosysteme und den Menschen. Da prognostiziert wird, dass solche Ereignisse in Zukunft häufiger und länger auftreten werden, ist es erforderlich, die Bevölkerung für dieses Thema zu sensibilisieren sowie ein Bewusstsein für die Problematik bei der Bevölkerung zu bilden. Für die Bewältigung dieser Herausforderung wurde eine mobile Anwendung für Bürger:innen zur Information über Niedrigwasser und Trockenheit entwickelt. In diesem Beitrag werden die Anforderungen, das Konzept sowie die Implementierung dieser App vorgestellt und diskutiert.
Fabian Bressel, Frank Fuchs-Kittowski, Tim Seegert, Maximilian Deharde, Konstantin Blank, Saskia Schreiber, Bernd Pfützner, Ruben Müller, Andreas Abecker, Moritz Zemann
Informationssystem zur Qualitätssicherung bei der Altlastenbearbeitung realisiert mit nopCommerce
Zusammenfassung
In dem Beitrag wird am Thema Qualitätssicherung in der Altlastenbearbeitung beispielhaft aufgezeigt, wie ein Open-Source Webshop mit einer indexierten Volltextsuche für die Verwaltung von Informationen zu Texten genutzt werden kann, die zu einem Fachthema im Internet (frei) verfügbar sind. Dabei wird zunächst auf die Motivation zur Verwendung eines Webshops für diesen Zweck sowie die Auswahlkriterien für den Webshop eingegangen. Anschließend wird beschrieben, welche Anpassungen an den Programmquellen notwendig sind, wie die Konfiguration des Webshops für diesen speziellen Zweck erfolgt und welche programmtechnischen Erweiterungen notwendig sind, da die Funktionalität eines Webshops allein für die Datenpflege nicht ausreicht. Schließlich wird auf die mit der Nutzung eines Open-Source Webshops verbundenen Herausforderungen eingegangen sowie ein (positives) Fazit gezogen.
Ulrich Hussels, Lorenz Hussels, Axel Lietzow, Hans-Werner Basedow

Innovative GIS-Konzepte in der Landschaftsarchitektur und der Umweltplanung

Frontmatter
Freiraumversorgung als zentraler Baustein von Umweltgerechtigkeit
GIS-Studien als Grundlagen strategischer Freiraumplanung
Zusammenfassung
In Städten und Kommunen kommt dem Vorhandensein und der Qualität einer Blau-Grünen Infrastruktur aufgrund des Klimawandels eine besonders hohe Bedeutung zu. Stadtbäume können aufgrund von Wasserknappheit, Hitzestress sowie sich ausbreitender Krankheiten und Schädlinge die ihnen zugedachten klimatischen und gestalterischen Funktionen immer weniger erfüllen. Gleichzeitig können die verschiedenen Belastungen nicht durch technische Lösungen kompensiert werden. Sinnvoller ist es, dieser Situation mit einer übergeordneten strategischen Freiraumplanung zu begegnen, die die Blau-Grüne Infrastruktur zum einen sichert und weiterentwickelt, zum anderen ihre Wohlfahrtswirkung für alle Bevölkerungsgruppen zugänglich macht sowie die verschiedenen Freiräume und Freiraumfunktionen gerecht verteilt. GIS-basierte Modelle können hier eine gute Planungsgrundlage bilden, indem sie dabei helfen, prioritäre Handlungsräume zu bestimmen und Maßnahmen zu benennen. Neben der Diskussion kommunaler Ziele für die Freiraumentwicklung bedarf es hierfür deren Übersetzung in ein GIS-Modell. Dabei sind verschiedene Annahmen hinsichtlich der Erreichbarkeit oder den Flächenansprüchen zur Freiraumnutzung verschiedener Bevölkerungsgruppen zu treffen. Da es hierzu zwar zahlreiche Praxisbeispiele aus unterschiedlichen Städten gibt (Berlin, Dresden, Frankfurt a. Main, Graz, Hamburg, Hoyerswerda, Leipzig, Magdeburg, Mannheim, München, Nürnberg, Rheine, Wien und Zürich [1, S. 43f]), die im Wesentlichen auf den Werten der Gartenamtsleiterkonferenz aus dem Jahr 1973 fußen, diese aber bislang weder empirisch noch anderweitig wissenschaftlich belegt werden konnten, besteht bezüglich der anzusetzenden Orientierungswerte nach wie vor Forschungsbedarf [1, S. 39ff]. Auch wenn die argumentativ hergeleiteten Orientierungswerte überprüft werden müssen, liefern die GIS-Modelle planerisch relevante Ergebnisse, da die getroffenen Annahmen für alle Flächen und die gesamte Bevölkerung gelten und die Unterscheidung von gut, mäßig oder schlecht mit Freiräumen versorgten Bereichen ablesbar ist. Um aus den Ergebnissen planerische Maßnahmen abzuleiten, bleibt es aber erforderlich, räumliche Restriktionen (z. B. Barrieren) oder Begabungen, wie das Vorhandensein von Flächenpotenzialen in einem synthetischen Entwurfsprozess, zu einem sinnvollen Ergebnis zusammenzuführen. Das GIS-Modell zur Beurteilung der Freirauversorgung stellt somit einen zentralen Baustein der Umweltgerechtigkeit auf kommunaler Ebene dar.
Katharina Deppe, Hans-Peter Rohler, Yunbo Yang
Nutzung von Geoinformationssystemen bei der Analyse des Erholungswertes der Landschaft im Kreis Lippe
Zusammenfassung
Im Rahmen der Voruntersuchung des Erprobungs- und Entwicklungsvorhabens „Grüne Infrastruktur in ländlichen Regionen“ (im Folgenden „E+E-Vorhaben“ genannt) wurde eine Analyse der Erholungsfunktion der Landschaft im Kreis Lippe durchgeführt, bei welcher das räumliche Verhältnis des Erholungspotenzials, welches maßgeblich durch die ästhetische Qualität der Landschaft geprägt wird, gegenüber der Erholungsnachfrage, d. h. dem Naherholungsdruck, untersucht worden ist. Dazu wurden GIS-gestützte Modelle und Analysemethoden entwickelt und angewandt, wobei die Programme „ArcMap“ und „ArcGIS Pro“ sowie „ArcGIS Online“ verwendet wurden.
Für die Analyse des Erholungspotenzials wurde zunächst der ästhetische Gesamtwert der Landschaft ermittelt, wobei ein modifizierter AIGILaP-Ansatz [13] angewandt wurde. Weiterhin wurde die Erholungsinfrastruktur untersucht, sodass sich die Bewertung des Erholungspotenzials aus der Aggregation der Bewertungen des ästhetischen Gesamtwertes einerseits und der Erholungsinfrastruktur andererseits ergab. Zur Ermittlung der Erholungsnachfrage wurden Erreichbarkeitsanalysen für verschiedene Verkehrsmittel (Fahrrad, Elektrofahrrad, Fußgänger, PKW) durchgeführt. Das Erholungspotenzial und die Erholungsnachfrage wurden abschließend überlagert, sodass prioritäre Räume der Erholung im Kreis Lippe identifiziert werden konnten.
Die Nutzung von GIS-basierten Modellen und Analysemethoden ermöglichte die detaillierte Analyse der Erholung im Kreis Lippe, wobei verschiedene Datenbestände mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad verwendet wurden. Dabei erwies sich die rasterbasierte Herangehensweise als sehr effizient, da diese u. a. die Harmonisierung der Datensätze vereinfachte. Von besonderer Bedeutung war zudem die grafische Überlagerung der Ergebnisse des Erholungspotenzials und der Erholungsnachfrage, welche die Identifizierung der prioritären Räume der Erholung ermöglichte. Die Ableitung dieser Räume war für das weitere Vorgehen im Projekt maßgeblich, da in der im Anschluss an die Analyse erfolgten Synthese die prioritären Räume der Themenschwerpunkte Biotopverbund, Kulturlandschaft und Erholung überlagert und räumlich-sachliche Verbindungen, Synergien und Konflikte identifiziert wurden.
Evelyn Behre, Boris Stemmer
Geo-Statistische Analyse von großen Photovoltaikparks in Ländern Europas und angrenzenden Staaten
Zusammenfassung
Photovoltaik ist neben Windkraft eine wichtige Säule für regenerative Energieerzeugung. Neben vielen kleineren PV-Anlagen auf und an Gebäuden sind in den vergangenen Jahren zahlreiche große Photovoltaikparks entstanden. In dieser Untersuchung werden Photovoltaikparks in Europa und ausgewählten, angrenzenden Ländern hinsichtlich ihrer Flächengrößen detailliert betrachtet und miteinander verglichen. Zum Einsatz kommen dafür angewandte Methoden der Geostatistik in einer GIS-Umgebung und es wird nach dem klassischen GIS-Ansatz vorgegangen: Datenerhebung, Datenverarbeitung, Datenanalyse, Datenpräsentation. Die Basisinformationen zu den Photovoltaikparks (Lage und Größe) werden aus dem freien Datenbestand der OpenStreetMap entnommen; die verwendeten Geodaten für administrative Grenzen sind ebenfalls als freie Open-Geodata erhältlich. Die Analyse der Geodaten erfolgt ausnahmslos mit Hilfe freier Open-Source-Software, hier dem Programm QGIS. Das hier vorgestellte Thema ist als praktische Lehreinheit an Hochschulen in Angewandter Geoinformatik konzipiert und erfolgreich eingesetzt worden.
Matthias Möller
Geodaten im Wandel
Von der analogen Karte zur webbasierten, fachbereichs-übergreifenden Anwendung
Zusammenfassung
Die Wismut GmbH ist ein bundeseigenes Unternehmen zur Sanierung der Hinterlassenschaften des Uranerzbergbaues in Sachsen und Thüringen. Seit nunmehr 30 Jahren werden unterschiedlichste Objekte (Grubengebäude, Halden, Betriebsflächen, industrielle Absetzanlagen u. a.) saniert bzw. einer Nachnutzung zugeführt. Vor dem Hintergrund der verbleibenden Sanierungsaufgaben und des schrittweisen Ausscheidens von Stammpersonal besteht die Herausforderung in der Kompensation von Wissensverlusten durch Optimierungen bestehender Workflows und dem Transfer von Wissen an die künftigen Generationen. Ohne bestehende digitale Strukturen, die es auch in Zukunft weiterzuentwickeln gilt, ist dieser Wandel nicht zu meistern. Auf dem Gebiet des Informationsmanagements bedient sich die Wismut GmbH einer Auskunftsplattform namens AL.VIS/W, welche Daten und Informationen zu Umwelt und Technik zusammenführt. Der Beitrag widmet sich den Geodaten, von der Datenentstehung bis zur Bereitstellung im AL.VIS/W, sowie ihrer systematischen Aufarbeitung und Qualifizierung für zukünftige Nutzer.
Jana Götze, Axel Hiller, Andrea Arndt, Kerstin Schröder

GIS-basierte Werkzeuge im Klimaschutz und der Klimafolgenanpassung

Frontmatter
Moordatenbank Schleswig-Holstein
Zusammenfassung
Vorgestellt wird die Moordatenbank Schleswig-Holstein, eine Fachanwendung zur Verwaltung der Sach- und Geodaten aus dem Bereich Moorschutz, die im Auftrag der Naturschutzabteilungen des Ministeriums für Energiewende, Klimaschutz, Umwelt und Natur des Landes Schleswig-Holstein (MEKUN) und des Landesamtes für Umwelt des Landes Schleswig-Holstein (LfU) konzipiert und implementiert wurde.
Die Entwicklung der behördeninternen Web-Anwendung erfolgte auf Basis eines Fachdatenkonzepts sowie einer Analyse der fachlichen und informationstechnischen Anforderungen an die Erfassung, Recherche, Auswertung und Berichterstellung von Moordaten.
Weitere von den Naturschutz-Fachzuständigen bereits eingesetzte Anwendungen wie eine Naturschutz-Maßnahmendatenbank sowie ein Schutzgebietskataster wurden einerseits als Vorlage zur technischen Realisierung herangezogen und andererseits mit der Moordatenbank verknüpft. Dazu zählte beispielsweise die Integration der in Moorgebieten geplanten Maßnahmen aus der Maßnahmendatenbank. Die Umsetzung erfolgte als PHP-Fachanwendung, die in die Auswertungs- und GIS-Plattform Disy Cadenza integriert wurde. Besondere Herausforderungen bestanden in der Überführung der Bestandsdaten in die neue Anwendung, in der Verknüpfung mit bestehenden Geodatenquellen zu Schutzgebieten, zur Biotopkartierung und anderen Lageinformationen sowie in der dynamischen Integration von Maßnahmen der allgemeinen Naturschutz-Maßnahmendatenbank, die durch spezielle nur in der Moordatenbank verwaltete Moor-Maßnahmen ergänzt werden. Für Vernässungsmaßnahmen wurde eine Funktion bereitgestellt, die automatisch die CO2-Einsparungen ermittelt.
Friedhelm Hosenfeld, Johannes Tiffert, Matthias Jugelt, Angelika Bretschneider, Yvette Krummheuer
Lösungsansätze zur Entscheidungsunterstützung bei Niedrigwasser und Trockenheit
Zusammenfassung
Der vorliegende Beitrag skizziert Zielsetzung, Lösungsansatz und erste Ergebnisse der Entwicklung eines Entscheidungsunterstützungssystems für Niedrigwasser und Trockenheit, das prototypisch für das Land Brandenburg entwickelt wird. Dieses soll auf Basis eines kontinuierlich betriebenen, landesweiten Wasserhaushaltsmodells unter Einbeziehung von Wetterprognosen des Deutschen Wetterdienstes wasserwirtschaftliche Kenngrößen, wie Durch- und Abflüsse an Pegeln, sowie räumliche Parameter, wie Bodenfeuchte oder Dürreindex, landesweit berechnen, für die nächsten bis zu 10 Tage vorhersagen und auch in längerfristigen Szenarienrechnungen (90 Tage) analysieren. Die berechneten bzw. prognostizierten Werte werden anschließend für verschiedene Nutzergruppen (Behörden, Verbände, Bürger) aufbereitet und über eine Webplattform (Disy Cadenza) sowie mobile Apps zur Verfügung gestellt. Mobile Apps können auch im Sinne der Citizen Science zur Datensammlung genutzt werden. Dieser Beitrag legt seinen Schwerpunkt auf die Datenbereitstellung über eine Webplattform.
Andreas Abecker, Frank Fuchs-Kittowski, Julian Janßen, Ruben Müller, Bernd Pfützner, Moritz Zemann
Verfügbarkeit, Qualität und Informationsgehalt von Geodaten für eine Fließweganalyse im Kontext Starkregen im ländlich geprägten Raum
Eine vergleichende Datenrecherche für die Bundesländer Nordrhein-Westfalen und Niedersachsen
Zusammenfassung
Starkregenereignisse haben das Potenzial, erhebliche Mengen organischen Materials mit sich zu tragen, und können dadurch für enormen Schlammeintrag und Wassermassen in der Talsohle sorgen. Mit dem Wissen, wo Oberflächenabfluss entsteht und welche Faktoren einen Einfluss auf die Abflussbildung haben, können Maßnahmen geplant werden, die eine Sturzflut noch vor dem Entstehen verhindern oder zumindest abmildern. Für flächendeckende Analysen ist eine entsprechende Datenbasis notwendig. Als relevante Einflussparameter wurden anhand der Literatur folgende Informationen ausgewählt: Klima, Relief, Bodenkunde, Geologie, Landnutzung, Bodenverdeckung und Oberflächenverschlämmung sowie Bodenbearbeitungs(-systeme). Für diese Schlagworte wurde eine Datenrecherche hinsichtlich Verfügbarkeit und Qualität für die Bundesländer Nordrhein-Westfalen (NRW) und Niedersachsen (NDS) durchgeführt. Die Datenrecherche hat ergeben, dass flächendeckend eine Vielzahl an nützlichen Geodaten − vor allem für landwirtschaftliche Flächen − vorhanden sind. Die Informationslage kann dabei zum Zeitpunkt der Recherche in NRW insgesamt als besser bewertet werden. Es wurden nicht nur mehr Datensätze gefunden, sondern teilweise auch solche, die im Vergleich zu NDS deutlich detaillierter sind. Bezüglich der direkten Verfügbarkeit als Download oder Webdienst wurde festgestellt, dass in NDS die Mehrheit der Datensätze zum Zeitpunkt der Recherche nur auf Anfrage und verbunden mit Gebühren erhältlich sind.
Katharina Pilar von Pilchau, Klaus Maas, Verena Weber
Holzbau-GIS: Ein Prototyp zur Darstellung von Treibhausgasminderungspotenzialen auf der städtischen Ebene durch Nutzung von Holz als Baumaterial
Zusammenfassung
Der Beitrag stellt die Funktionalität und technische Architektur eines prototypischen GIS-basierten Entscheidungsunterstützungssystems vor, das dabei helfen soll, Maßnahmen zur Minderung von Treibhausgasemissionen durch Bauen und Sanieren mit Holz als Baumaterial auf der kommunalen Ebene zu bewerten und zu planen. In verschiedenen WebGIS-basierten Ansichten und Dashboards können die möglichen Klimaschutzeffekte durch Bauen und Sanieren mit Holz als Baustoff für eine Stadt, einzelne Gebäude, beliebige Agglomerationen oder auch für bestimmte Bebauungspläne in der Kommune abgeschätzt und ausgewertet werden. Diese möglichen Klimaschutzeffekte ergeben sich in den Kalkulationsszenarien Neubau bzw. energetische Sanierung bspw. durch Einsparungen im Betrieb (Heizung und Warmwasserbereitung), durch CO2-Speicherung im Baumaterial und durch den Ersatz der vergleichsweise klimabelastenden mineralischen Bauweise.
Christoph Mattes, Caya Zernicke, Andreas Abecker, Annette Hafner, Christian Jolk, Harro Stolpe, Moritz Zemann

Moderne Methoden der Lokalisierung und Identifizierung im Outdoor-Bereich

Frontmatter
Augmented Reality Cloud (AR-Cloud)
Begriff, Entwicklungsstand und Herausforderungen sowie Potenziale für die Umweltinformatik
Zusammenfassung
Die AR-Cloud ist eine Weiterentwicklung der AR-Technologie, der das Potenzial zugesprochen wird, das AR-Grundproblem der Lokalisierung zu lösen und somit viele neuartige Anwendungen zu ermöglichen. Ziel dieses Beitrages ist es, einen Überblick über das Konzept und den technischen Entwicklungsstand der AR-Cloud zu geben sowie die Potenziale der AR-Cloud für die Umweltinformatik herauszuarbeiten.
Marie-Claire Büssecker, Simon Burkard, Frank Fuchs-Kittowski
Georeferenzierte Anker zur Lokalisierung in Outdoor Augmented Reality-Anwendungen
Entwicklung eines Frameworks zur automatischen globalen Lokalisierung in geodatenbasierten AR-Szenarien
Zusammenfassung
Mobile Anwendungen mit Augmented Reality-Technologie haben ein großes Potenzial für realitätsnahe Vor-Ort-Visualisierungen von virtuellen Geodaten im Außenbereich (GeoAR), beispielsweise zur Darstellung der optischen Auswirkungen von geplanten Bauprojekten im Landschaftsbild. Eine wichtige Voraussetzung für wirklichkeitsgetreue AR-Visualisierungen ist eine präzise globale Lokalisierung des mobilen AR-Endgeräts (Smartphone, Tablet). Existierende Geo-Lokalisierungsmethoden sind jedoch entweder zu ungenau oder erfordern einen hohen Ressourcenaufwand oder manuellen Aufwand und technische Expertise bei der Lokalisierung des AR-Systems in der realen Welt. Sofern die Visualisierungen jedoch an festen, vorab definierten Standorten stattfinden, können georeferenzierte AR-Anker (GeoAR-Anker) eingesetzt werden, um eine automatisierte und nutzerfreundliche Lösung der AR-Lokalisierung zu ermöglichen. Dieser Beitrag präsentiert ein Software-Framework zur Erstellung und Erfassung von derartigen GeoAR-Ankern, auf deren Basis auf einfache Art und Weise geodatenbasierte Outdoor AR-Szenarien – auch für Nutzergruppen ohne technische Expertise und Vorwissen – realisiert werden können.
Simon Burkard, Marius Poppel, Maximilian Deharde, Frank Fuchs-Kittowski
Markierungsfreie Rückverfolgung von Baumstämmen von der Ernte bis ins Sägewerk
Zusammenfassung
In diesem Beitrag präsentieren wir Ergebnisse einer Studie zur kamerabasierten, markierungsfreien Rückverfolgung von Baumstämmen vom Zeitpunkt der Ernte bis ins Sägewerk. Die Identifikation eines Baumstammabschnitts erfolgt lediglich durch die Analyse von Bilddaten der Stirnfläche. Zur weitgehend automatischen Erzeugung der Bilddaten wurden unterschiedliche Kamerasysteme entwickelt und in den Produktionsablauf integriert. Die erste Bildaufnahme erfolgte im Wald durch ein Vollernter-integriertes Kamerasystem, die zweite mittels handgehaltener Kamera an einem Polter und die dritte im Sägewerk nach der Anlieferung der Baumstammabschnitte. Insgesamt wurden 639 Stirnflächen jeweils an allen drei Stationen aufgenommen. Aus jedem Bild wurden automatisch in zwei Schritten mehrere stirnflächenindividuelle Merkmale extrahiert. Im ersten Schritt wurde ein Convolutional Neural Network (CNN) zur Extraktion großflächiger Merkmale im Bild verwendet. Im zweiten Schritt wurde die Mikrostruktur durch einen regelbasierten Bildverarbeitungsalgorithmus analysiert. Zur Identifikation einer Stirnfläche wurden zunächst die CNN-generierten Merkmale verglichen. Die zehn Kandidaten, die einer gesuchten Stirnfläche am ähnlichsten sind, wurden weiter in ihrer Mikrostruktur verglichen und so die gesuchte Stirnfläche identifiziert. Die dazu notwendige Ausrichtung der Stirnflächen im Bild erfolgte manuell. Die Aufnahmen von 574 Stirnflächen wurden für das Training des CNNs verwendet. Die Aufnahmen der übrigen 65 Stirnflächen wurden für die Tests der Identifikation herangezogen. Bis auf eine Stirnfläche konnten alle eindeutig identifiziert werden. Die Studie leistet einen wesentlichen Beitrag zur Frage, ob sich Baumstämme anhand von Fotos, die im Produktionsablauf automatisch erzeugt werden, markierungsfrei identifizieren lassen.
Catherine Last, Christoph Eberz, Debayan Sen, Martin Huber, Tobias Schmid-Schirling, Udo Hans Sauter, Daniel Carl

Effizienter Umgang mit strukturierten Umweltdaten

Frontmatter
Eine offene Architektur zur Luftqualitätsprognose
Zusammenfassung
Die kontinuierliche Überwachung der Luftqualität im urbanen Raum spielt eine zentrale Rolle, um eine hohe Lebensqualität in der Stadt sicherzustellen und gesundheitliche Risiken zu minimieren. In diesem Beitrag wird eine auf KI basierende Luftqualitätsprognose betrachtet und Herausforderungen abgeleitet, die bei der Integration von Vorhersage-Modellen in größere Systeme auftreten. Darauf aufbauend wird ein Ansatz vorgestellt, der den offenen Standard OGC SensorThings API nicht nur für die Verwaltung von Sensormess- und -metadaten nutzt, sondern auch den vollständigen Lebenszyklus eines KI-Modells vom Training bis hin zur Inferenz abbildet. Es wird aufgezeigt, wie die Softwarekomponenten FROST® und PERMA® zur Datenverwaltung, bzw. zur Sensordatenverarbeitung genutzt werden können.
Philipp Hertweck, Hylke van der Schaaf
Erste Konzepte zur automatisierten semantischen, geographischen und zeitlichen Verschlagwortung umweltbezogener Textdokumente
Zusammenfassung
„Umweltsuche 4.0“ ist ein Teilprojekt des Projektes „Umweltinformation 4.0“, welches seinen Ursprung in der landesweiten Digitalisierungsstrategie digital@bw des Bundeslandes Baden-Württemberg hat. Es hat die semantische Anreicherung und anschließende Verlinkung von Umweltdaten und -informationen zum Ziel. Inhalte aus unterschiedlichen Umwelt-Datenquellen sollen miteinander verknüpfbar gemacht werden. Um dies zu erreichen, sollen indexierte Inhalte in Suchmaschinen weiter angereichert werden, um diese Inhalte in Form einer facettierten Suche zugänglich zu machen und damit die Benutzerfreundlichkeit von Suchanwendungen zu erhöhen.
Aus dem Teilprojekt „Umweltdaten 4.0“ entstammt die Anforderung, Metadaten für Umwelt-Datenquellen automatisiert zu generieren und abzulegen. Aus der Summe beider Teilprojekte wird damit eine symbiotische Implementierung als Microservice-Dienst, welcher Volltext-Inhalte per REST-Schnittstelle entgegennimmt und ein Klassifikationsobjekt in einem standardisierten Ausgabeformat zurückgibt, angestrebt.
Der erste Abschnitt dieses Beitrags zeigt zunächst den Projektkontext auf und erläutert die Motivation, bevor im zweiten Abschnitt die Vorarbeiten zum Training der Modelle aufgezeigt werden. Der dritte Abschnitt gibt Einblicke in die generellen Konzepte zur semantischen, geografischen und zeitlichen Verschlagwortung der Umweltinhalte sowie einen Ausblick auf weitere Verfahren, welche im Rahmen des Forschungsprojektes evaluiert werden. Ebenso wird erläutert, wie der entwickelte Microservice-Dienst im Kontext der beiden Teilprojekte „Umweltsuche 4.0“ und „Umweltdaten 4.0“ integriert werden kann. Zum Abschluss fasst der vierte Abschnitt die Ergebnisse noch einmal zusammen und gibt einen Ausblick auf weitere, zu erwartende Ergebnisse im Rahmen des Projektes.
Nicolas Doms, Thorsten Schlachter, Lisa Hahn-Woernle
Fachsysteme, Schemaevolution, Datenharmonisierung
Perspektiven für ein neuartiges und effektives Datenmanagement
Zusammenfassung
Dieser Beitrag berichtet über aktuelle Herausforderungen des kommunalen Datenmanagements, welche im Projekt envVisio-GI analysiert und bewertet wurden. Im Zuge einer immer umfassenderen Digitalisierung entstehen immer mehr heterogene Daten, die miteinander in Bezug gesetzt werden müssen. Insbesondere Aufgaben, die auf die Daten mehrerer Ressorts angewiesen sind (z. B. Lärmkartierung, Mobilitätsplanung) stehen vor dem Problem, diese Daten miteinander zu verarbeiten. Spezialisierte Fachsysteme, in denen die Daten erhoben und Fachaufgaben bearbeitet werden, sind für Aufgaben der Datenharmonisierung häufig nicht ausgelegt. Eine weitere Herausforderung stellt die Bereitstellung der Daten für die Weiternutzung in anderen Kontexten dar, z. B. als Open Data, oder um Berichtspflichten zu erfüllen. Die begrenzten Ressourcen der Kommunen und anderer Behörden verlangen nach einer möglichst unaufwändigen Umsetzung. Als ein diesen Herausforderungen zugrunde liegendes Problem identifiziert dieser Beitrag die Schemaevolution, d. h. die Notwendigkeit, das Schema einer bereits in Betrieb befindlichen Datenhaltung anzupassen. Dieses häufig in der Softwareentwicklung auftretende Problem kann die beschriebenen Schwierigkeiten, vor denen Kommunen und andere Behörden stehen, erklären. Die Verschiebung des Fokus weg von anwendungsorientierter Datenhaltung hin zu einer generalisierbaren Datenverwaltung und -bereitstellung eröffnet neue Perspektiven. Das innerhalb des Projekts envVisio-GI entwickelte Data Warehouse Simplex4Data verfolgt zwei Strategien, um das Problem der Schemaevolution handhabbarer zu machen: Einerseits wird eine Systemlandschaft geschaffen, die Daten erhebende Fachapplikationen und ein Daten harmonisierendes und bereitstellendes Data Warehouse trennt. Das ermöglicht die Konzentration auf unterschiedliche Funktionen. Andererseits ermöglicht das Metadaten-gesteuerte, generische Datenmodell des Simplex4Data einen flexibel erweiterbaren und umfassend dokumentierten Datenpool. Die konkreten Auswirkungen dieser Strategien werden anhand der Import-Komponente des Simplex4Data aufgezeigt.
Janik Großmann, Heino Rudolf
ROBUST-Kommunikationsplattform
Dezentrale, verteilte Kommunikationsplattform für das Erdbebenfrühwarnsystem ROBUST
Zusammenfassung
Starke Erdbeben mit großer Intensität stellen eine ernste Gefahr für das Leben und den Besitz von Menschen dar. Erdbebenfrühwarnsysteme sollen den Menschen in gefährdeten Gebieten wertvolle Sekunden geben, um ihr Leben und Vermögen zu retten. Basis eines effizienten Warnsystems ist eine Kommunikationsinfrastruktur, die für eine extrem schnelle und verlässliche Kommunikation zwischen den Komponenten des Warnsystems sorgt. In diesem Beitrag wird die verteilte, dezentrale Kommunikationsplattform für das Projekt ROBUST vorgestellt. Hierfür werden zunächst die zentralen Herausforderungen und Anforderungen wie Ausfallsicherheit, Echtzeitfähigkeit und zielgruppenspezifische Informationsverteilung, die an eine solche Kommunikationsplattform gestellt werden, sowie die Konzeption der Kommunikationsplattform, die auf einem Abonnenten-Verfahren zwischen autonomen, dezentralen Peers (Nodes) beruht, um Herausforderungen bewältigen und die Anforderungen erfüllen zu können beschrieben. Zudem wird auch die technische Umsetzung und praktische Realisierung sowie Evaluation der Kommunikationsplattform dargestellt.
Michael Jendreck, Janine Hellriegel, Jonas Allmann, Stefan Pfennigschmidt, Ulrich Meissen, Frank Fuchs-Kittowski
Metadaten
Titel
Umweltinformationssysteme - Digitalisierung im Zeichen des Klimawandels und der Energiewende
herausgegeben von
Frank Fuchs-Kittowski
Andreas Abecker
Friedhelm Hosenfeld
Christian Jolk
Umweltbundesamt
Copyright-Jahr
2024
Electronic ISBN
978-3-658-43735-0
Print ISBN
978-3-658-43734-3
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-43735-0