Umweltinformationssysteme – Wie verändert die Digitalisierung unsere Gesellschaft?

Die Naturschutzverwaltung von Rheinland-Pfalz schließt in diesem Jahr die Neuentwicklung ihres Landschaftsinformationssystems (LANIS) ab. Die Modellierung aller relevanten Objektarten wurde mit UML als Objektartenkatalog dokumentiert. Dazu gehören auch die Objektarten Eingriffsverfahren, Kompensationsfläche und Ökokonto als Grundlage für die seit 2018 per Landesverordnungen geregelte Führung des landesweiten Kompensationsverzeichnisses im Sinne des § 17 Abs. 6 des Bundesnaturschutzgesetzes (BNatSchG).

Auf der Basis eines im Landschaftsinformationssystem der Naturschutzverwaltung (www.​naturschutz.​rlp.​de) veröffentlichten Anwendungsschemas wurde 2018 eine prozessunterstützende E-Government Anwendung eingeführt, mit der Private sowie die Landes- und Bundesbehörden als Zulassungsstellen zusammen mit den eingebundenen Naturschutzbehörden das geforderte Kompensationsverzeichnis effektiv aufbauen und fortschreiben können.

Der Beitrag beschreibt die rechtlichen, organisatorischen und technischen Rahmenbedingungen für die Anwendungseinführung und stellt den der Anwendung zugrunde liegenden Workflow vor, der sich unmittelbar aus den begleitenden Verordnungen der Landesregierung ableitet.

Da auch bundesweit agierende Akteure (bspw. Deutsche Bahn, Zulassungsbehörden des Bundes) mit eigenen IT-Systemen mit dem Kompensationsflächenkataster interagieren sollen, wird die moderne Schnittstellenarchitektur betont, die sich aus dem Modell automatisiert ableiten lässt.

Vorgestellt wird die Intranet-Web-Anwendung für das Geotopkataster Schleswig-Holstein, die für die Abteilung Geologie und Boden (Geologischer Dienst) des Landesamtes für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes Schleswig–Holstein zur Unterstützung ihrer fachbehördlichen Aufgaben des Geotopschutzes entwickelt wurde. Die Umsetzung erfolgte als PHP-Fachanwendung, die in die Auswertungs- und GIS-Plattform Disy Cadenza integriert wurde, um einerseits die Auswertungsfunktionalitäten und die GIS-Funktionen zur Geometrieerfassung- und -darstellung in Cadenza zu nutzen und um andererseits eine auf die fachlichen Anforderungen zugeschnittene Sachdatenerfassung zur Pflege der Geotopdaten anzubieten. Mit der Neuentwicklung als Web-Anwendung zur Ablösung einer Microsoft Access-Anwendung wurde auch das Datenmodell optimiert. So ist mit dem neuen Geotopkataster die Verwendung unterschiedlicher Geometrietypen (Polygone, Linie, Punkte) möglich. Zahlreiche Schlüssellisten unterstützen die Datenharmonisierung und eine standardisierte Datenqualität.

Ganz aktuell wird jedem sehr bewusst, wie sich unser Zusammenleben durch die Digitalisierung der Prozesse in der Gesellschaft verändert, und jeder erahnt, wie es sich noch verändern wird. Eine wesentliche Voraussetzung ist ein Datenmanagement mit standardisierten Formaten, sodass alle angeschlossenen Geräte die Daten entsprechend ihrer Bestimmung umformen können und Kommunikation möglich wird. Diese Formate müssen so konzipiert sein, dass die Nutzung der Daten einfach und performant erfolgen kann.

Mit ein bisschen Fantasie ergeben sich unglaubliche Möglichkeiten, wenn Umwelt beschreibende Informationen weiterverarbeitbar angeboten werden. Genau das will INSPIRE (Richtlinie 2007/2/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 14. März 2007 zur Schaffung einer Geodateninfrastruktur in der Europäischen Gemeinschaft (INSPIRE). In: ABl. der EU, L 108, S. 1–14 (2007).) erreichen. Bei den Datenformaten stützt sich INSPIRE auf Geo-Normen (insbesondere (ISO 191xx-Serie – Standardnormen der International Organization for Standardization zur Bereitstellung von Geodaten (2005).)), was zu einer Vielzahl von komplizierten und spezialisierten Strukturen führt. Der Widerstand der datenhaltenden Stellen, ihre Daten mit riesigem Aufwand und hohen Kosten INSPIRE-konform aufzubereiten, ist enorm.

Einfache und performante Strukturen für die Bereitstellung von Umweltdaten werden gebraucht: Mit dem envVisio-Ansatz arbeitete der Autor eine völlig neue und innovative Methode zum Management mit Umweltdaten aus. In seinem Buch „Umweltdatenmanagement. – Eine Geo-Inspiration“ (Rudolf, H.: Umweltdatenmanagement: Eine Geo-Inspiration. Bernhard Harzer Verlag GmbH Karlsruhe (2018).) werden diese hergeleitet. Im folgenden Beitrag sollen die modelltheoretischen Hintergründe diskutiert werden, die die Möglichkeiten der Geo-Normen für die Umweltdatenbereitstellung einschränken und auf deren Kenntnis diese neuartige Methode aufgestellt wurde. Anwendungsmöglichkeiten werden vorgestellt. An Beispielen aus dem Projekt zum Aufbau der Datenföderierung im Landesamt für Natur-, Umwelt- und Verbraucherschutz LANUV Nordrhein-Westfalen wird die Effizienz des Ansatzes präsentiert.

In order to analyse and understand ecosystem responses with respect to different environmental challenges a wide range of data is needed. Based on the results of a scientific gap analysis, LTER CWN focuses on a prioritisation of observation parameters completing the existing observation programmes at five LTER sites in Austria. The resulting data needs to be made available in an open and standardised manner following the information management principles of existing European scale initiatives like eLTER, LTER Europe or ILTER. One of the challenges for the LTER CWN Data Management is to integrate a number of heterogeneous systems at the level of the participating partners, who run the monitoring activities and facilitate the data flow from the observation sites to the central data provision. The resulting data files are automatically ingested into a central database that ultimately provides time series data of each parameter and for each site through an OGC-SOS service to the public under an open access data policy. This article provides an overview of the information architecture and tools used in order to ensure for the data to be Findable Accessible Interoperable and Reusable (FAIR).

Um Hochwasserereignisse frühzeitig zu erkennen, ist eine kontinuierliche Überwachung des Wasserstandes von Gewässern unerlässlich. Zur Beobachtung von kleinen Gewässern stehen Kommunen allerdings oft keine Mittel zum Betrieb von kostenintensiven Pegelanlagen zur Verfügung. Ziel dieses Beitrags ist es, kostengünstige bildbasierte Messverfahren auf Micro-Controller-Hardware zu entwickeln und zu vergleichen, die den Wasserstand an festen Standorten automatisiert messen können. Auf der Basis von Testaufnahmen an mehreren Messstandorten kann gezeigt werden, dass die entworfenen Messverfahren den Wasserstand automatisiert, robust und mit wenigen Zentimetern Abweichung ermitteln können. Ihre Einsatzmöglichkeiten sind dabei stark von den individuellen Bedingungen einer Messstelle abhängig. Ein Detektionsverfahren mittels Analyse des optischen Flusses erzielte auf Grundlage des vorhandenen Testmaterials und im Rahmen einer Nutzwertanalyse die besten Ergebnisse hinsichtlich Messgenauigkeit und Robustheit.

Der Beitrag beschreibt das „Integrated Water Governance Support System (iWaGSS)“, welches die verschiedenen Ergebnisse, Daten und Modelle aus dem gleichnamigen Forschungsprojekt zusammenführt, um südafrikanischen Entscheidungsträgern der Wasserwirtschaft eine Informationsplattform zu bieten, auf deren Basis zielorientiert und transparent wasserwirtschaftliche Maßnahmen, hier am Beispiel des Olifants Flusseinzugsgebiets, geplant und durchgeführt werden können. Wesentlich ist dabei die Harmonisierung und Zusammenführung von Datenquellen unterschiedlicher südafrikanischer Behörden in einem GIS-Portal und deren Nutzung als Basis für weitere im Forschungsprojekt durchgeführte wasserwirtschaftiche Analysen (GIS-basierte Kontaminationsrisikobewertung, Echtzeit Online-Monitoring, 1D hydrodynamische Modellierung, Stauraummodellierung, Einsatz moderner Drohnentechnologie in der Wasserwirtschaft) sowie ihre Integration zu einem Frühwarnsystem vor potentiellen Wasserverschmutzungen. Innovative Anwendungsfälle sind bspw. die Verursachersuche bei Gewässerverunreinigungen, quasi automatische Open Data-Bereitstellung und die Datenbereitstellung für Zwecke der Long Term Ecological Research.

DEUS verfolgt die Zielsetzung, weltweit flächendeckende hochauflösende Umwelt-Mess- und Informationssysteme als Teil von Smart-City Services aufzubauen. Dazu entwickelt und betreibt DEUS modulare Sensoreinheiten gemeinsam mit unterschiedlichen KMU Partnern und Universitäten wie auch anderen Forschungseinrichtungen. Der Beitrag widmet sich der Erläuterung der flächenmäßigen Detektion von Luftgüte im urbanen Raum unter Nutzung von stationären, modularen Sensoren in Kombination mit mobilen Sensoren. Schwerpunkt ist eine Gegenüberstellung mit den bisher als State of the Art geltenden „Referenzstationen“ und sogenannter „Lower-Cost“ Sensorik. In dem anbieteroffenen System fließen Informationen verschiedener Anbieter zusammen und werden an Verkehrsteilnehmer weitergegeben.

In der Landwirtschaft sind Daten zur Entfernung zwischen Feldkante und aquatischen oder terrestrischen Lebensräumen für verschiedene Fragen relevant, zum Beispiel für die Ermittlung von Abstandsauflagen bei der Anwendung von Pflanzenschutzmitteln (PSM) oder für die modellbasierte Risikoabschätzung der PSM-Anwendung. Dieser Beitrag stellt den Webservice „getDist4agri“ vor, der entwickelt wurde, um auf Grundlage existierender Geodatenbestände maschinenlesbare Abstandsinformationen zwischen Landwirtschaftsflächen und abstandsrelevanten Strukturen wie Gewässern, Hecken oder Wohnsiedlungen zu erzeugen.

Trotz bestimmungsgemäßer und sachgerechter Pflanzenschutzmittelanwendung kann es aufgrund von ungünstigen Umweltbedingungen, wie undurchlässigen Böden oder Flächen mit starker Hangneigung in Kombination mit hohen Regenmengen, zu einem erhöhten Risiko durch Pflanzenschutzmitteleinträge in Gewässern kommen. Die Landwirtschaftskammer NRW hat in Zusammenarbeit mit dem Julius Kühn-Institut und dem Land NRW das webbasierte Beratungswerkzeug H₂Ot-Spot Manager NRW entwickelt. Der H₂Ot-Spot Manager unterstützt die zielgerichtete risikomindernde Pflanzenschutzberatung, indem ein nutzerfreundliches und fachlich validiertes Werkzeug zur Unterstützung des vorbeugenden Gewässerschutzes zur Verfügung steht. Das von einer Pflanzenschutzmittelanwendung ausgehende Umweltrisiko kann mit Hilfe anerkannter Modelle analysiert werden. In der Beratung können mit diesen flächenbezogenen Ergebnissen das Problembewusstsein für Risiken durch Pflanzenschutzmittelanwendungen geschärft, Risikominderungsmöglichkeiten aufgezeigt und Handlungsempfehlungen zur Eintragsvermeidung von Pflanzenschutzmittel gegeben werden. Dies unterstützt den Landwirt dabei, seiner Sorgfaltspflicht nachzukommen und in sensiblen Gebieten eine gewässerschonende Bewirtschaftung durchzuführen.

Vorgestellt wird ein Verfahren zur Bestimmung der Kronentransparenz von Bäumen im Rahmen der jährlich stattfindenden Waldzustandserhebung. Es handelt sich um eine offline Bildanalyse  innerhalb einer Android-App mithilfe einer regelbasierten Klassifikation. Die Regeln für die Klassifikation werden aus einem testdatenbasierten Entscheidungsbaum abgeleitet. Es können neue Regeln in die App importiert werden, wenn neue Entscheidungsbäume gefunden werden. Das Verfahren ist eine Kombination aus maschinellem Lernen und Fachkenntnis des Nutzers. Dieser trifft die Vorauswahl des Boniturbereichs und kann die Ergebnisse der Bildanalyse sofort im Feld überprüfen. Die mobile Android-App ermittelt den Kronenumriss, berechnet die Kronentransparenz und ermöglicht den Vergleich mit einem Referenzbaum.

Das Biodiversity Warehouse ist ein Framework zur Bereitstellung benutzerfreundlicher, webbasierter Anwendungen für die Sammlung und Publikation von internationalen Biodiversitätsdaten (insb. Artbeschreibungen, Verbreitungsdaten und Taxonomie). Es erlaubt die kollaborative Nutzung durch Biologen und biologische Laien („Citizen Science“), indem Funde auf einfache Weise eingepflegt und Auswertungen unterschiedlicher Art durchgeführt werden können. Die technische Entwicklung und der Betrieb der Anwendung werden durch ein studiengangs- und fakultätsübergreifendes Projekt, hauptsächlich durch Studierende, durchgeführt. In diesem Beitrag werden sowohl die Funktionalität und der Nutzen des Biodiversity Warehouse als auch die Architektur und dessen Betrieb beschrieben.

Eine optimale Kommunikation und der Austausch von Informationen zwischen den Beteiligten ist ein Schlüsselelement für die Bewältigung komplexer Krisen- oder Katastrophenfälle. Vermeintlich kleine Brände können große Umweltschäden verursachen. Am Beispiel eines Brandes in einer Recyclinganlage werden präventive und reaktive Maßnahmen vorgestellt, die nur mit einer vollständigen digitalen Vernetzung möglich wären. Mit der zunehmenden Anzahl und Bedeutung heterogener Informations- und Kommunikationstechnologie-Systeme (IKT-Systeme) ist eine Weiterentwicklung der Vernetzung und Informationslogistik zwischen den Beteiligten erforderlich, um sich umfassend über die Situation zu informieren und schnelle, aber präzise Entscheidungen zu treffen. Dies erfordert eine effektive Architektur für die Vernetzung zwischen heterogenen IKT-Systemen. Dieses Papier schlägt aufbauend auf einem Praxisbeispiel einen Entwurf für eine Architektur zum Informationsaustausch in Krisensituationen oder Katastrophen vor. Dabei wird ein neuartiger, dezentraler Ansatz für den Informationsaustausch zwischen heterogenen IKT-Systemen konzipiert, der von den zugrunde liegenden Kommunikationstechnologien und der Heterogenität der angeschlossenen Systeme abstrahiert.

Die für Umweltinformationssysteme bewährte Methodik der Datenerfassung durch verteilte Sensoren benötigt ein robustes Netzwerk sowie eine robuste Systemarchitektur. Unterstützt durch Innovationen im Bereich der künstlichen Intelligenz, dem Mobilfunk und IoT, können großräumige mobilfunk-basierte Umweltinformations- und Überwachungssysteme entwickelt werden. Diese Systeme umfassen verteilte dezentrale Sensornetzwerke, bestehend aus einer großen Anzahl performanter bidirektional kommunizierender Sensoren, welche mobil oder statisch konstant Daten erfassen und versenden können. Allerdings produzieren der kontinuierliche sensorgetriebene IoT-Data-Stream sowie die Verarbeitung massenhaft erzeugter Daten eine große Last für Mobilfunknetzwerke. Deren Rand- und Zugangsnetzwerke müssen in der Lage sein immense Datenmengen aufnehmen und weiterleiten zu können. Die zentralen Systemkomponenten der Applikationen müssen nahe Echtzeit neue Daten aufnehmen und analysieren. Hier entstehen neue Anforderungen an bestehende System- und Netzwerkarchitekturen, um sowohl Daten-Flaschenhälse zu vermeiden, als auch die Systemverfügbarkeit zu den Services zu gewährleisten. Dieser Beitrag präsentiert daher am Beispiel eines bestehenden Microservice-basierten Warnsystems für den Katastrophenschutz eine neue Referenzarchitektur, welche durch topologische Neuanordnung einzelner Services die eigentliche Applikation durch die Domäne des Telekommunikationsanbieters erweitert, um so durch 5G Technologien den neuen Anforderungen hoher Netzwerkbelastungen gerecht zu werden.

Aktuelle, umfassende und verlässliche Informationen über umweltrelevante Eigenschaften von chemischen Stoffen sind für alle Bereiche des Umweltschutzes und zur Gefahrenabwehr von großer Bedeutung. Um solche Informationen einheitlich verfügbar zu machen, wird seit nunmehr 25 Jahren das „Informationssystem Chemikalien des Bundes und der Länder“ ChemInfo, ehemals der „Gemeinsame Stoffdatenpool Bund und Länder“ GSBL, betrieben. Dieses System stellt in einem breiten Merkmalskatalog validierte Informationen zu fast 290.000 chemischen Stoffen zur Verfügung. Referenzen zu mehr als 240 Gesetzen und Verordnungen, die diese Chemikalien regeln, werden angeboten. Die Informationen werden deutschlandweit u. a. von Behörden, Einsatzkräften und der interessierten Öffentlichkeit genutzt. In einem fünfstufigen Entwicklungsprozess wird das alte Informationssystem GSBL bis Ende 2020 technisch komplett modernisiert und zu einem anwendungs- und nutzerorientierten Chemikalieninformationssystem entwickelt.

Die Autoren sehen ein großes, noch kaum erschlossenes Anwendungspotenzial für die neue Technologie der geodatenbasierten mobilen Augmented Reality (GeomAR) in der öffentlichen Verwaltung bzw. in der Umweltinformatik. Um ein Bewusstsein für solche Möglichkeiten zu schaffen und die Fantasie zum Konzipieren neuer denkbarer Anwendungen anzuregen, wird im vorliegenden Beitrag zunächst der Begriff erläutert, danach beispielhaft existierende Anwendungen aus der Fachliteratur dargestellt, schließlich prototypische und hypothetische Anwendungen aus dem eGovernment im Umweltbereich diskutiert und schließlich noch ein Ordnungsrahmen für GeomAR-Anwendungen vorgeschlagen.

Mithilfe von geodatenbasierter mobiler Augmented Reality (GeomAR) ist eine realitätsgetreue Abbildung von Geodaten unmittelbar in der Kameraansicht der realen Umgebung möglich. Dadurch besteht ein enormes Potenzial, Arbeitsprozesse mit Geodaten vor Ort einfacher, effizienter und effektiver zu machen. GeomAR-basierte Visualisierungen werden jedoch zurzeit kaum mit generischen und praxistauglichen Werkzeugen unterstützt. Zentrale technische Herausforderungen bei der Entwicklung derartiger GeomAR-Anwendungen liegen in einer präzisen Lokalisierung mobiler Geräte in einem globalen Referenzsystem (Geo-Lokalisierung) sowie in der korrekten Simulation möglicher Verdeckungen von dargestellten virtuellen 3D-Inhalten durch Gelände, Vegetation oder Gebäude. In diesem Beitrag werden allgemeine Anforderungen an eine generische Plattform für die Umsetzung von Geodaten-basierten mAR-Anwendungen durch eine systematische Anforderungsanalyse abgeleitet und ein Grobkonzept einer solchen Plattform entworfen. Zur Lösung der technischen Herausforderungen stellt die Plattform manuelle Kalibrierungsfunktionalitäten zur präzisen Geo-Lokalisierung mit Hilfe von 3D-Geomodellen zur Verfügung.

Während mobile Erweiterte Realität (mAR) bisher überwiegend auf handelsüblichen Mobilgeräten (Smartphones, Tablets) oder auf speziellen AR-Brillen umgesetzt wird, wäre es auch möglich, unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) zur Realisierung von mAR einzusetzen. Aus der Kombination dieser beiden innovativen Technologien ergäbe sich eine Vielzahl neuer Anwendungen, bei der das Kamerabild des UAVs durch AR-Informationen in Echtzeit erweitert und auf einem separaten Bildschirm dargestellt wird. Da aber Wissen über die Einsatzmöglichkeiten und die technische Umsetzung von AR-UAVs bislang nicht bekannt sind, wird das Potenzial der Kombination aus mAR und UAV bisher nicht genutzt. Daher werden in diesem Beitrag zum einen potenzielle AR-UAV-Anwendungsbereiche auf Basis einer systematischen Literaturanalyse identifiziert sowie zum anderen unterschiedliche Software-Architekturen, mit denen AR-UAV-Anwendungen software-technisch umgesetzt werden können, auf Basis von verschiedenen Tracking-Technologien entworfen und bewertet, um es insgesamt zu ermöglichen, das Potenzial von AR-UAVs stärker auszuschöpfen.