Studienarbeit Nr. 587

Analyse und Bewertung bestehender Geoinformationssysteme als Datenbasis für die Entwicklung von Umgebungsmodellen

am: 21. Januar 2011

HEINZ NIXDORF INSTITUT

Universität Paderborn Fachgebiet Produktentstehung Prof. Dr.-Ing. Jürgen Gausemeier Fürstenallee 11 D-33102 Paderborn

Zusammenfassung

Interaktive Fahrsimulationen sind heutzutage ein wesentlicher Bestandteil der Fahrzeugentwicklung. Im Vorfeld einer Prototypenanfertigung können damit Fahrzeugsysteme simulierend erprobt werden. Dennoch ist für die Akzeptanz von Fahrsimulationen die Lücke zwischen den Simulationsergebnissen und den Ergebnissen realer Versuchsfahrten ausschlaggebend. Geospezifische Umgebungsmodelle sind realen Umgebungen nachempfunden und haben das Potential zur Schließung dieser Lücke sowie zur Verringerung der Entwicklungskosten von Umgebungsmodellen.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit Geoinformationssysteme als Datenbasis für geospezifische Umgebungsmodelle nutzbar sind. Unter Zuhilfenahme eines Standardisierungsformats wurden Anforderungen an die Umgebungsmodellierung abgeleitet und darauf aufbauend Bewertungskriterien für Geoinformationssystemen aufgestellt. Zudem erfolgte eine Bestimmung der Eignung von Geoinformationssystemen für Basisdaten nach einem aufgestellten Reifegradmodell. Dadurch konnte eine Charakterisierung des Geoinformationssystems sowie der Datenbasis vollzogen werden. In Form von Steckbriefen wurden die Ergebnisse schließlich festgehalten und katalogisiert.

Summary

Nowadays driving simulations are a crucial element in the automotion development process. Simulations enable the testing of different systems in advance of building prototypes. Despite the technological improvements in that field still a gap exists between the simulation results and the result made in the real world. Geo-specific driving simulation environments are based on real world and contain a potential for filling that gap and furthermore increase the efficiency in generating simulation environments.

The present work examines the ability of geographic information systems to provide data for generating geo-specific simulation environments. An open file format for the logical description of road networks was used to determine the needs for a simulation environment. Based on the needs, criteria for evaluation of geographic information systems were defined. A maturity model for assessing the principal suitability of geographic information systems in providing the necessary data for geo-specific driving simulation environments was established. Finally a portfolio of geographic information sys- tems was build up including a profile of each geographic information system.

Inhaltsverzeichnis Seite 1

Inhaltsverzeichnis   

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1  Einleitung  3

1.1  Problematik.  4

1.2  Zielsetzung  4

1.3  Vorgehensweise  4

2  Grundlagen und Begriffsdefinition  7

2.1  Geoinformationssysteme  7

2.1.1  Termini  7

2.1.2  Architekturen  9

2.1.3  Anwendungen  14

2.1.4  Datenerfassung  22

2.1.5  Datenspeicherung in den spezifischen Formaten  24

2.2  Umgebungsmodelle für Fahrsimulationen  27

3  Die Nutzung von GIS für die Entwicklung geospezifischer  

Umgebungsmodelle  - Stand der Technik  33

4  Analyse von GIS  43

4.1  Methodisches Vorgehen  43

4.2  Aufstellung der Bewertungskriterien  45

4.2.1  Bewertungskriterien  45

4.2.2  Reifegrade  48

4.3  Identifikation von GIS  58

4.4  Charakterisierung von GIS  60

4.5  Gegenüberstellung von Anforderungen und GIS  64

5  Zusammenfassung  67

6  Ausblick  69

Seite  2 Inhaltsverzeichnis  

Anhang   

A1  Datenformate  A-1

A2  GIS-Steckbriefe  A-5

OpenStreetMap  -3D  A-6

OpenStreetMap   A-8

Google  Maps  A-10

Google  Earth  A-12

Bing  Maps  A-14

GEOviewer   A-16

SRT  -MHöhendaten  A-18

Digitales  Oberflächenmodell am Beispiel NRW  A-20

Digitales  Geländemodell am Beispiel NRW  A-22

3D-Gebäudestrukturen  (3D-GS)  A-24

Stra  ßeninformationsbank NRW  A-26

NAVTEQ  Maps Traffic  A-28

Getmapping   A-30

Intermap   A-32

3D-Stadtmodelle/Landmarks  der GTA Geoinformatik GmbH  A-34

A3  Gegenüberstellung von Anforderungen und GIS  A-37

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1 Einleitung

Automobilhersteller sind seit jeher von der Notwendigkeit geprägt, bestimmte Funktionen und Fähigkeiten von Fahrzeugen zu verbessern und zu optimieren. Dies kann im Zuge der Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit, dem Angebot von kundenbegeisternden Produkten oder der Umsetzung von gesetzlichen Bestimmungen erfolgen. Systeme, die Merkmale wie Energieeffizienz, Komfort und Sicherheit positiv beeinflussen, spielen dabei eine wesentliche Rolle. Ein Beispiel für solche Systeme sind FAS ¹ . Diese nehmen die Umgebung eines Fahrzeugs während der Fahrt wahr und führen Aktionen teilweise selbständig durch.

Sowohl die Entwicklung als auch die Erprobung von FAS mit Hilfe von realen Prototypen ist aufwendig und kostspielig. Machen sich Komplikationen während der Entwicklung und Produktion erst spät bemerkbar, so wird deren Beseitigung umso teurer. Probleme, die erst nach Serieneinführung eines Systems auftreten, stellen für Unternehmen oft ein hohes finanzielles Risiko dar, da Rückrufaktionen und Nachbesserungen durchgeführt werden müssen.

Fahrsimulatoren sind heutzutage ein unverzichtbarer Bestandteil in der Fahrzeug- und Fahrzeugsystementwicklung. Diese Simulationstechnologien bieten ein adäquates Mittel zur Erprobung von FAS und zwar im Vorfeld einer möglichen Prototypenentwicklung und einer späteren Serieneinführung.

Interaktive Fahrsimulationen basieren auf dem Zusammenwirken von Simulationsmodellen zur Laufzeit. Diese Modelle beschreiben beispielsweise das Verhalten des Eigenfahrzeugs, des Rad-Straße-Kontaktes, des Fremdverkehrs oder der Akustik. Ein weiterer wichtiger Bestandteil ist das Umgebungsmodell. Beim Umgebungsmodell werden zum einen Straßenverläufe und Verkehrseigenschaften in Form logischer Repräsentations-formen beschrieben und zum anderen die Umgebung in Form eines 3D-Modells visuell repräsentiert.

Eine mögliche Verifizierung der Simulationsergebnisse mit Ergebnissen realer Versuchsfahrten würde helfen, die Akzeptanz und gleichzeitig den Verbreitungsgrad von Fahrsimulationen weiter zu erhöhen. Somit ist es nötig, geospezifische Umgebungsmodelle für Simulationen zu entwickeln. Diese sind realen Umgebungen wie beispielsweise einzelnen Streckenabschnitten oder gesamten Stadtlandschaften nachempfunden.

¹ FAS (Fahrerassistenzsysteme): In modernen Kraftfahrzeugen werden Fahrerassistenzsysteme (FAS) für die Unterstützung des Fahrers beim Führen des Kraftfahrzeugs, aber auch im Komfortbereich und im Infotainment eingesetzt. Diese Systeme unterstützen den Fahrer durch visuelle, haptische und akusti- sche Informationen, die den Fahrer vor potentiellen Gefahren warnen [Itw10-ol].

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1.1 Problematik

Als äußerst problematisch hat sich die Entwicklung entsprechender geospezifischer Umgebungsmodelle herausgestellt. Die Beschaffung und Integration der notwendigen Quelldaten erfolgt großenteils manuell und der damit verbundene Aufwand ist enorm. Ein vielversprechender Ansatz zur Reduktion von Zeit und Kosten für die Entwicklung geospezifischer Umgebungsmodelle ist die Nutzung bestehender Geoinformationssysteme (GIS) ² als Datenbasis.

Aktuelle GIS weisen neben einer breiten Basis an georeferenzierten Daten ³ wie beispielsweise Höheninformationen und Verkehrsinformationen auch eine stetig steigende Verfügbarkeit an 3D-Daten auf, sodass diese Systeme eine Daten- und Informationsquelle für geospezifische Umgebungsmodelle bilden können.

Da die Anwendung von GIS auf eine Reihe verschiedener Frage- und Problemstellungen erfolgen kann, ist auch gleichzeitig die verfügbare Datenbasis sehr umfangreich und unterschiedlich. Eine Bewertung bereits bestehender GIS für die Entwicklung geospezifischer Umgebungsmodelle ist somit der erste Schritt für eine erfolgreiche Umsetzung dieses Vorhabens.

1.2 Zielsetzung

Ziel der Arbeit ist ein Katalog bestehender GIS inklusive der zugrundeliegenden Basisdaten und deren Bewertung als Quelldaten für Umgebungsmodelle. Dafür sollen sämtliche frei verfügbare GIS prägnant beschrieben und die zugrunde liegenden Basisdaten charakterisiert werden. Das Ergebnis ist ein Bewertungschema, welches GIS Daten den einzelnen Repräsentationsformen von Umgebungsmodellen zuordnet und bewertet. Letztendlich sollen Handlungsempfehlungen für gegebenenfalls auftretende Lücken in der Datenbasis erstellt werden.

1.3 Vorgehensweise

Ausgehend von einer Recherche werden GIS identifiziert. Da die Umgebungsmodellerstellung auf Basis des OpenDRIVE ⁴ Formats erfolgen soll, sind entsprechende Anforde-

² GISdienen der Erfassung, Bearbeitung, Organisation, Analyse und Präsentation geografischer Daten. Für eine umfangreichere Definition siehe Kapitel 2.

³ Auch Geodaten: Daten über Gegenstände, Geländeformen und Infrastrukturen an der Erdoberfläche, wobei als wesentliches Element ein Raumbezug vorliegen muss. Sie beschreiben die einzelnen Objekte der Landschaft [Sch10, S. 3]. Geodaten können in CAD-, GIS-, Datenbank-, Grafik- oder anderen Abfrage- und Auskunftssystemen genutzt werden [ABC10-ol].

⁴ OpenDRIVE ist ein quelloffenes Format zur Beschreibung der logischen Struktur eines Straßennetzes. Das übergeordnete Ziel von OpenDRIVE ist einerseits der Versuch zur Standardisierung der Straßennetzbeschreibung und andererseits die Erleichterung des Austauschs von Daten zwischen unterschiedli- chen Fahrsimulatoren.

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rungen zur Erfüllung der OpenDRIVE Spezifikation abzuleiten. Ausgehend von diesen Anforderungen sollen Bewertungskriterien für die GIS und der zugrundeliegenden Daten erstellt werden. Nachdem die Kriterien für eine Kategorisierung herangezogen wurden, soll anschließend die Erfüllbarkeit von OpenDRIVE Anforderungen festgestellt werden.

In Kapitel 2 werden zunächst die Grundlagen von GIS näher vorgestellt. Eine generelle Erläuterung der relevanten Fachbegriffe, wie sie in der einschlägigen Literatur zu finden ist und für das Verständnis der Thematik benötigt wird, bildet die Einführung in das Kapitel. Anschließend werden unterschiedliche GIS-Systemarchitekturen gegenübergestellt und zwecks Begriffserklärung näher behandelt. Eine Übersicht über GIS-Anwendungen sowie unterschiedliche Vektor- und Rasterdatenformate soll dem Leser eine Einordnung der Thematik erleichtern. Der zweite Teil dieses Kapitels behandelt Umgebungsmodelle für Fahrsimulationen. So wird die OpenDRIVE Spezifikation als standardisiertes Austauschformat für Umgebungsmodelle erläutert und vorgestellt. Ab-gerundet wird das Kapitel mit der Ableitung von Anforderungen an die Repräsentati-onsformen, welche sich aus der Spezifikation ergeben.

In Kapitel 3 werden Ansätze zur Nutzung von GIS in der Entwicklung von geospezifischen Simulationsmodellen aufgelistet. Hierbei soll aufgezeigt werden, inwieweit es bereits themenverwandte wissenschaftliche Arbeiten und andere Versuche gibt, die das Ziel der Nutzung von GIS-Daten für Simulationsmodelle verfolgt haben. Fragestellungen, aufgetretene Probleme sowie vorhandene Lücken sind als Ausgangsbasis für die Ableitung eines erforderlichen Handlungsbedarfs zu berücksichtigen.

Die Ergebnisse einer umfassenden Recherche von GIS-Anwendungen und deren bereitgestellte Daten sollen in Kapitel 4 vorgestellt werden. Dabei ist zunächst eine Aufstellung der Bewertungskriterien für GIS notwendig. Ein Reifegradmodell zur Eignungsbewertung von GIS für Umgebungsmodelle ist danach zu entwickeln. In einem finalen Schritt werden die identifizierten GIS durch Steckbriefe beschrieben, die Stärke der Leistungserbringung durch Reifegrade ermittelt und hinsichtlich der Erfüllung von OpenDRIVE Anforderungen bewertet.

Bild 1-1: Vorgehensmodell im Rahmen dieser Arbeit

Zum Abschluss werden in Kapitel 5 die wichtigsten Ergebnisse zusammengefasst. Im Weiteren erfolgt in Kapitel 6 ein Ausblick auf zukünftige Arbeiten im Rahmen dieses Themengebietes.

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2 Grundlagen und Begriffsdefinition

Untersuchungsbereich dieser Arbeit ist die Eignung von GIS als Datenbasis zur Generierung von geospezifischen Umgebungsmodellen für Fahrsimulationen. Im Folgenden soll zunächst eine Basis für ein besseres Verständnis der Inhalte geschaffen werden.

In Kapitel 2.1. werden zunächst Geoinformationssysteme erklärt. Anschließend sollen in Kapitel 2.2. die Aspekte von Umgebungsmodellen für Fahrsimulationen behandelt werden.

2.1 Geoinformationssysteme

Ihren Ursprung haben GIS in der 1957 ersten automatisch produzierten Karte von schwedischen und britischen Wissenschaftlern. Seit diesem Zeitpunkt lässt sich die Entwicklung von GIS nach LONGLEY, GOODCHILDE, MAGUIRE, RHIND in die Epochen „Innovation“ (ab 1957), „Commercialization“ (ab 80er) und „Exploitation“ (seit Ende 90er) einteilen [LGM+11, S. 19f.] und ist geprägt vom Fortschritt in der Informationstechnologie ⁵ . Aufgrund der Tatsache, dass GIS und Geoinformationen ⁶ eine zunehmend steigende wirtschaftliche Bedeutung erlangen, sind sie heute Gegenstand zahlreicher Forschungsvorhaben und Untersuchungen. Dennoch sind vor allem Anwendern viele Aspekte dieses Feldes nicht bekannt. An dieser Stelle soll der Versuch unternommen werden, dem Leser ein möglichst abgerundetes Bild dieser Thematik zu bieten. Im Folgenden werden grundlegende Begriffe, Architekturen, Anwendungsfelder und Daten-formate von GIS behandelt.

2.1.1 Termini

Der Bedarf und das Interesse an Geodaten und -informationen ist durch fachliche, kommerzielle und private Nutzung in den letzten Jahren stark gestiegen [Hoe09, S. 31]. Zur sinnvollen Verwertung der Geodaten bedarf es eines Geoinformationssystems (GIS). Mit „…der Erfassung, Speicherung, Analyse und Darstellung aller Daten, die einen Teil der Erdoberfläche und die darauf befindlichen technischen und administrativen Einrichtungen sowie geowissenschaftliche, ökonomische ökologische Gegebenheiten beschreiben“ [Bar00, S. 13] sind zunächst die funktionalen Komponenten eines GIS erfasst.

⁵ Für einen weiterführenden Einblick in die historische Entwicklung von GIS vergleiche auch z.B. [DZ01, S. 23ff.].

⁶ Der Begriff Geoinformation ergibt sich durch Spezialisierung auf Information, die orts-, lage-, raum- und zeitbezogenen Charakter hat [Bar00, S. 13].

Eine weitere Definition, wonach ein GIS „…ein rechnergestütztes System, das aus Hardware, Software, Daten und den Anwendungen besteht“ [Bil99a, S. 4] betrachtet statt der funktionalen, die im GIS enthaltenen strukturellen Komponenten. Trotz dieser auf den ersten Blick eindeutigen Begrifflichkeiten gibt es keine Einheitlichkeit der Definitionen in der Literatur, was auf unterschiedliche Betrachtungsweisen und Schwerpunktsetzungen zurückzuführen ist ⁷ .

Im Folgenden sollen die in den Definitionen vorkommenden Begriffe in Anlehnung an DE LANGE näher erläutert und so handlicher gestaltet werden [Lan06, S. 320]. Die vier strukturellen Komponenten eines GIS bilden die Art und Beschaffenheit des Systems ab und lauten:

x Hardware: Computersystem einschl. Prozessor, Speichermedien, Peripheriegeräte

und Vernetzung.

x Software: Programmsysteme einschl. Softwarewerkzeuge zur Erfassung, Verwal-tung, Analyse und Präsentation der Informationen.

x Daten: Quantitative und qualitative Informationen, die zusammen einen (fachbezo-

genen) Ausschnitt der realen Welt darstellen.

x Anwender: Benutzer mit ihren Anforderungen und Fragestellungen bzw. Anwen-

dungen und Einsatzmöglichkeiten.

Die vier funktionalen Komponenten eines GIS beschreiben den Arbeitsablauf und lauten:

x Erfassung: Daten- oder Informationserfassung und -speicherung (d.h. Input).

x Verwaltung: Datenverwaltung (d.h. Management).

x Analyse: Datenauswertung und Datenanalyse (d.h. Analysis).

x Präsentation: Wiedergabe der Information (d.h. Output bzw. Präsentation).

Zur Lösung der in Kapitel 1.1 aufgestellten Problematik soll eine Fokussierung auf die von GIS verwendeten und lieferbaren Daten, wie sie in Kapitel 2.1.4. beschrieben werden, erfolgen. Wie diese Daten übernommen und nutzbar gemacht werden können, hängt im Wesentlichen von der vorliegenden GIS-Architektur ab.

⁷ Für weitere Definitionen vergleiche auch [Lan06, S. 321].

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2.1.2 Architekturen

Einen ersten Anhaltspunkt zur Unterscheidung von GIS bietet die Betrachtung der zu-grundeliegenden Systemarchitektur. Obwohl eine klare Abgrenzung von Systemarchitekturen schwierig ist, lassen sich durch die Kombination von Komponenten eines GIS drei grundlegende Architekturen aufzählen [Jae07, S. 8], die im Folgenden in Anlehnung an [Bay03, S.16f.] erläutert werden.

Desktop-GIS

Ein GIS, welches sich der Desktoparchitektur zuordnen lässt, ist oft als Einzelarbeitsplatzsystem oder kleines Netzwerk mit einer überschaubaren Anzahl an Arbeitsplätzen konfiguriert. Der Funktionsumfang umfasst typischerweise die Bereiche Datenerfassung, -verwaltung und -auskunft und ist auf kleinere Datenmengen beschränkt. Als Beispiele seien die Produkte ArcView, ArcEditor und ArcInfo der ArcGIS Desktop Reihe des weltweit umsatzstärksten GIS-Softwareherstellers ESRI genannt [LGM+11, S. 191]. ArcGIS Desktop ist in drei unterschiedlichen Ebenen vorliegend und gewährleistet dadurch skalierbare Funktionalitäten. Während sich der Funktionsumfang bei ArcView (siehe Bild 2-1) auf die einfache Erstellung, Verwaltung und Darstellung bzw. Ausgabe von Daten mit Raumbezug beschränkt, sind mit ArcInfo umfassende Möglichkeiten vom Datenaufbau über Analyse, Modellierung bis hin zur Ausgabe für die Druckvorstufe gegeben ⁸ . Die Software greift dabei auf Daten auf dem Rechner oder auf Daten auf einem Server zurück. Eine Darstellung der Architektur ist in Bild 2-2 zu sehen.

Bild 2-1: Beispiel für ein Desktop-GIS. Eine ArcView Anwendung gibt Auskunft über Krankenhäuser (www.esri.com)

⁸ Eine Vergleichsmatrix über verschiedene Funktionalitäten der ArcGIS Desktop Produkte bietet [ESR10a-ol].

Bild 2-2: Skalierbarkeit der ESRI ArcGIS 9 Desktop Produkte. Links: Einzelplatzsystem mit ArcGIS Desktop und einer Geodatenbank, die mit anwendungsspezifischen Daten gefüllt ist. Rechts: ArcGIS Desktop mit einem Spatial Database Server und mehrbenutzerfähiges Datenbanksystem für zeitgleiche Nutzung in einer Unternehmensabteilung (www.esri.com)

Web-GIS

Eine Web-GIS-Architektur basiert auf dem Client-Server Prinzip [Hoe09, S. 32]. Der Vorteil dieser Architektur liegt in der gleichzeitigen Nutzung von GIS-Daten, welche auf einem Zentralrechner bzw. Server gespeichert sind und von verschiedenen Arbeitsplatzrechnern bzw. Clients abgerufen werden können. Die Datenhaltung erfolgt über ein DBMS ⁹ , welches „…große Datenmengen verschiedener Nutzer aus den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen…“ [Bay03 S. 17] verwalten kann. Der modulare Aufbau (siehe Bild 2-4) erleichtert die individuelle Abstimmung des Systems im Hinblick auf eine bestimmte GIS-Aufgabenstellung. Der Server kommuniziert über verschiedene internetbasierte Kommunikationstechniken wie HTML, JavaScript, JavaApplets oder Flash. Unterschiede innerhalb dieser Kategorie beruhen auf dem Installationsort der

⁹ Datenbank-Managementsystem.

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Clientsoftware. Wird die Software auf dem Server vorgehalten und bei Anfrage durch den Client eine Applikationslogik in den Browser geladen, wie z.B. Google Maps, so handelt es sich um einen „thin client“ [KZ08, S.38f.]. Demgegenüber zeichnet sich ein „thick client“ durch eine fest installierte Clientsoftware aus. Google Earth ¹⁰ ist als „thick client“ zu bezeichnen, da ein spezielles Programm installiert sein muss, um die Anwendung auszuführen. Der Begriff Web-GIS wird in der Literatur nicht einheitlich behandelt und so finden sich zahlreiche andere Definitionen wie z.B. Online-GIS, Internet-GIS, Net-GIS oder Distributed-GIS, die Synonym angewandt werden. Eine weiterführende Betrachtung und eine entsprechende Begriffserklärung bietet DICKMANN in [Dic04, S. 23f.].

Bild 2-3: Web-GIS-Anwendung des geoService der Stadt Aachen. Es bietet eine Übersicht über bestehendes Planungs- und Umweltschutzrecht sowie den Zugriff auf Luftbilder und Stadtkarten (www.aachen.de)

¹⁰ Google Earth kann mittlerweile auch über ein Plug-in direkt in den Browser geladen werden.

Bild 2-4: Web-GIS-Architektur auf Basis des Client-Server Prinzips. In Anlehnung an [KZ08, S. 11,], [Jae07, S. 9], [ESR10b-ol], [RSM+02]

Mobile-GIS

Architekturen dieser Kategorie zeichnen sich durch eine Funknetzverbindung mit einem Netzwerk aus. Ähnlich der Web-GIS-Architektur greifen die Clients mit dieser Verbindung auf einen Server zu, können aber auch autark betrieben werden [Bay03, S. 17]. Das macht sie zu einem mobilen Client, welcher „…ohne zusätzliche Ressourcen betrieben werden…“ [KZ08, S. 293] kann. Durch kapazitive Einschränkungen der Speichergröße und Verarbeitungsgeschwindigkeit der Clients ergibt sich eine geringere Leistungsfähigkeit im Vergleich zu anderen Architekturen. Der grundsätzliche Aufbau ist in Bild 2-5 dargestellt. In Verbindung mit einem Satellitenpositionierungssystem können sie bei Kartierungen und Bestandsaufnahmen eingesetzt werden. Zum mobilen

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Einsatz kommen verschiedene technische Geräte wie z.B. Notebooks, Tablet-PCs, PDAs, Smartphones oder Navigationsgeräte, wie sie für die Navigation im Fahrzeug eingesetzt werden [KZ08, S. 293ff.].

Bild 2-5: Schaubild einer Mobile-GIS-Architektur [Tso04]

Bild 2-6: Beispiele für Mobile-GIS-Anwendungen: Links: Leica Viva Uno als mobiles GIS für die Datenerfassung für Versorgungseinrichtungen, Verkehrswege oder den Einsatz in der Landwirtschaft (www.leica-geosystems.ch). Rechts: Apple iPhone mit einer Google Maps Mobile Anwendung (www.iphonespies.com)

2.1.3 Anwendungen

So unterschiedlich die GIS-Architekturen sich darstellen, so zahlreich sind auch die Anwendungen, bei denen GIS eine bedeutende Rolle spielen. Daher ist es nicht ver-wunderlich, dass jeder Versuch einer Abschätzung über die Anzahl an Anwendungsbereichen, in denen GIS eingesetzt werden, nur unvollständig sein kann. Denn über 60% der in der Welt verfügbaren Daten haben einen gewissen Raumbezug vgl. [GDI08], was die Vielzahl der möglichen Anwendungsbereiche wiederspiegelt. Eine mögliche Übersicht über das Anwendungsspektrum von GIS ist in Bild 2-7 dargestellt. Zusätzlich werden im weiteren Verlauf einige charakteristische Anwendungsbereiche kurz vorgestellt, bevor auf die Besonderheiten von 3D-GIS-Anwendungen eingegangen wird.

Bild 2-7: Anwendungsspektrum von GIS am Beispiel der Vorträge auf der 26. Internationalen ESRI-Anwenderkonferenz in San Diego, USA, 2006 [Jae07, S. 8]

Umwelt

Der Einsatz von GIS in diesem Fachbereich soll den Anwendern die Analyse von verschiedenen Einflüssen auf die Umwelt erleichtern. Komplexe ökologische Zusammenhänge und eine Vielzahl von zu berücksichtigenden Parametern machen hier die Notwendigkeit von GIS aus. Denn nur diese Informationssysteme sind in der Lage, fachspezifische ortsbezogene Daten miteinander zu verknüpfen, um dadurch Planungen oder Modelle zu ermöglichen. Bild 2-8 zeigt zwei Beispielanwendungen.

Bild 2-8: Links: GIS für die Untersuchung der Wasserqualität in Trinkwasserreservoirs in der Metropolregion Istambul, Türkei [CTA+08]. Rechts: GIS zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Luftverschmutzung und der Häufigkeit von Asthmafällen in Bronx, New York [Maa07]

Verwaltung

Neben der Anwendung von GIS auf Bund- und Länderebene ergeben sich vor allem auf kommunaler Ebene verschiedene Tätigkeitsbereiche, die GIS zu einem wertvollen Werkzeug bei Verwaltungsaufgaben und der Informationsbereitstellung machen [LGM+11, S. 46f.]. Weiterhin lassen sich durch den Einsatz von GIS steigende Ansprüche von Bürgern im Rahmen eines eGovernment ¹¹ Systems begegnen. Auch können Entscheidungsträgern auf Grundlage der Präsentationsfunktion eines GIS entscheidungsrelevante Informationen zur Verfügung gestellt werden [Bay03, S. 12ff.]. Vor allem im Bezug auf Verbesserung von Prozessen und Dienstleistungen sind GIS ein nicht zu unterschätzendes Hilfsmittel (vgl. Bild 2-9). Diese können zur Erfassung des Bestandes an Infrastruktur, der Planung von Transportrouten oder der Verfolgung von Kriminalität eingesetzt werden. Weitere Einsatzmöglichkeiten ergeben sich in der Verwaltung und Auskunftserteilung zu Liegenschaften, der Bauleitplanung oder der Auswertung von statistischen Daten. Für weitere Details vergleiche auch [BSS02].

¹¹ eGovernment unterstützt die Beziehungen, Prozesse und die politische Partizipation innerhalb der staatlichen Stellen aller Ebenen (Bund/Land/Gemeinden) sowie zwischen den staatlichen Stellen und all ihren Anspruchsgruppen (z. B. Bürgerinnen / Unternehmen / Institutionen) durch Bereitstellung ent- sprechender Interaktionsmöglichkeiten mittels elektronischer Medien [Net10-ol].

Bild 2-9: Als Unterstützung für Planung und Entscheidungsfindung werden GIS-Methoden zur Untersuchung der Erreichbarkeit von wichtigen Orten wie z.B. Ärzten eingesetzt. Die Ergebnisse werden dann bei der Konzeption eines öffentlichen Personennahverkehrs berücksichtigt [YSE+07]

Transport

Im Anwendungsbereich „Transport“ können GIS bei der Unterstützung der Navigation von Fahrzeugen, der Bereitstellung von Kartenmaterial zur Verkehrsführung, dem Einsatz von Notdiensten, der Untersuchung von Unfallvorkommen usw. verwendet werden [Bil99b, S. 281]. Neben [CJB00] oder [HJW05] werden in Bild 2-10 zwei Web-GIS-Anwendungen gezeigt.

Bild 2-10: Links: Das Bild zeigt eine Web-GIS-Anwendung auf Google Maps Basis, welche der Sammlung und Verbreitung von geospezifischen Informationen über LKW-Parkplätze dienen soll. Aktuelle Informationen werden von Logistikunternehmen zwecks Routenplanung aufgegriffen [AGP+08]. Rechts: Web-GIS-Anwendung zur Visualisierung von Echtzeitverkehrsinformationen [Gol07]

Noch bis vor wenigen Jahren waren dreidimensionale GIS-Anwendungen nur selten zu finden. Der Grund dafür lag u.a. in der Tatsache, dass sich den Kosten der Erfassung dreidimensionaler Daten kein adäquater Nutzen bot [CZ05]. Daher bestand bei dreidimensionalen GIS oft das Problem der ungenügenden Datenbasis. Nur in den seltensten Fällen (z.B. Grundriss eines Gebäudes) wurden die für eine dreidimensionale Darstel-

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lung relevanten Höhendaten bei der Datenerhebung berücksichtigt [Har09, S. 20]. Diese Problematik greift BILL schon in [Bil99b, S. 338] auf und stellt mit der Methode des Laserscannings und der Photogrammmetrie (vgl. Kapitel 2.1.4) zwei (semi) automatische Konzepte zur Überwindung vor, welche z.B. in [CZ05, S. 4ff.] und [CZ05, S. 26ff.] näher erläutert werden.

Aktuelle Publikationen zeigen jedoch, dass im Bereich 3D-GIS die Entwicklung voranschreitet und, dass zahlreiche Fragestellungen und Probleme nur mit 3D-GIS gelöst werden können [LGM+11, S. 340ff.]. Dazu gehört u.a. die Durchführung von Simulationen im dreidimensionalen Raum. Gleichzeitig können moderne Simulationstools auf georeferenzierte und dreidimensionale Daten zugreifen. Es existiert mittlerweile eine große Anzahl an Publikationen, die sich mit dieser Thematik näher beschäftigen. So werden Grundlagen und Anwendungen z.B. in [CZ05] behandelt, während bei weitergehenden Studien die Publikationen der Serie „Lecture Notes in Geoinformation and Carthography“ hinzugezogen werden können. Einige Anwendungsbeispiele werden im Folgenden aufgezeigt.

Telekommunikation

Einen beispielhaften Fall für die Anwendung von GIS im Telekommunikationsbereich beschreibt [CZ05, S. 392ff.]. Mobilfunknetzbetreiber sind bestrebt, flächendeckende dreidimensionale Stadtmodelle zu erhalten. Diese werden bei der Planung eines Mobilfunknetzes mit Hilfe von Funkausbreitungsmodellen (siehe Bild 2-11) eingesetzt. Dabei soll die Erkennung von Funkschatten und Reflexion elektromagnetischer Wellen durch Gebäude zu einer hohen Netzabdeckung führen. Zum Einsatz kommen dabei empirische und deterministische Ausbreitungsmodelle. Diese sind aber teilweise nicht in der Lage, bestimmte Informationen wie Geländeprofil oder Gebäudeformen zu berücksichtigen. Darauf folgt eine mangelnde Simulationsfähigkeit im Blick auf Effekt wie Mehrwegausbreitung oder Abschattung.

GIS können an mehreren Stellen der Funknetzplanung eingesetzt werden und in Kombination mit komplexen Wellenausbreitungsmodellen die Analyse unterstützen. Über die Erzeugung eines dreidimensionalen Stadtmodells hinaus geht z.B. die Nutzung von GIS beim Datenaustausch von Eingangsdaten, die Ausbreitungsberechnung oder die Darstellung von räumlichen Verteilungen, die zur optimalen Standortsuche von Funkan- tennen helfen.

Bild 2-11: Der Einfluss der Bebauung auf die Netzabdeckung eines Mobilfunknetzes wird in einer Ausbreitungsberechnung ermittelt [CZ05, S. 513]

Stadtplanung

Dreidimensionale Modelle werden in zunehmendem Maße für die Zwecke der Stadtplanung im Blick auf die Entwicklung von Städten und von räumlichen und sozialen Strukturen verwendet. Das Aufzeigen von Verdeckungen oder Veränderungen des Stadtbildes in einem dreidimensionalen Modell verbessern die Erfahrbarkeit beim Nutzer [Wos07, S. 3].

Die Berücksichtigung der Interoperabilität von Datensätzen sollte bereits bei der Datenerfassung eine wesentliche Rolle spielen, denn neben dem Präsentationsaspekt für z.B. Bürger- und Touristeninformationen sollen die gesammelten Daten auch Analysefunktionen ermöglichen, z.B. bei der Straßen- und Grünflächenplanung. Zahlreiche Schriften (vgl. [Mal08], [Fit09], [MK06]) befassen sich mit diesem Anwendungsfeld, welches auch vor allem durch die Entwicklungen im Bereich von Web-GIS vorangetrieben wird.

Bild 2-12: Verschiedene Web-GIS-Anwendungen werden auf ihre Eignung zur Unterstützung bei der Stadtplanung untersucht [Hoe09]

Archäologie

GIS können bei archäologischen Untersuchungen von Bedeutung sein. In [MB09] verwenden die Wissenschaftler ein GIS für die Georeferenzierung ¹² und die Generierung eines 3D-Modells einer keltischen Wallburg ¹³ (Vorgehensweise siehe Bild 2-13) sowie der umgebenden Landschaft. Dies ermöglicht zum einen geographisch anspruchsvolle (zeitliche) Simulationen und zum anderen weiterführende Analysen für die Gewinnung neuer Erkenntnisse. Es lassen sich z.B. die Gründe für eine Siedlung an einem bestimmten Ort bestimmen.

¹² Georeferenzierung kann als räumliches Metakonzept betrachtet werden, womit räumliche Referenzin-formation einem Datensatz mitgegeben wird. Hierzu gehören die Wahl des geodätischen Bezugssystems und die Festlegung der Passpunkte, die zur Überführung verwendet werden sollen [Geo10-ol].

¹³ Eine Wallburg ist eine Wallanlage aus ur- und frühgeschichtlicher Zeit.

Bild 2-13: Vorgehensweise im Rahmen des "Celtic Hillfort" Projektes zeigt Arbeitsschritte, GIS-Einsatz und Resultate [MB09]

Bild 2-14: Kommunen und Gemeinden veröffentlichen georeferenzierte 3D-Modelle (hier Bamberg) und historische Karten für Analysezwecke (www. stadtplanungsamt.bamberg.de)

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Management von Naturkatastrophen

Im Management von Naturkatastrophen kommt der Simulation eine wichtige Rolle zu. So kann im Vorlauf einer Katastrophe der mögliche Schaden abgeschätzt und darauf aufbauend Übungsszenarien geschaffen werden. Bild 2-15 zeigt Anwendungen, mit denen sich zudem das tatsächliche Ausmaß nach einer Katastrophe bestimmen [CZ05, S. 305ff.] lässt.

Um die Entstehung von Methoden für die unmittelbare Hilfe nach einer Katastrophe zu begünstigen, werden im Rahmen des RoboCup ¹⁴ „Rescue Simulations“ durchgeführt. Ziel dabei ist u. a. die Erprobung von Rettungsrobotern in einer konstruiert verwüsteten Stadt [Rob10-ol]. In [SYT08] beschreiben die Entwickler ein GIS-Daten integrierendes Verfahren, um durch ein fünfstufiges Programm „map files“ zu erstellen. Diese GIS-Daten können Informationen zu Gebäuden oder Straßenzügen liefern und dienen dem Vergleich der Umgebung vor und nach der Katastrophe. Zweck soll die Einleitung von Maßnahmen für besonders betroffene Orte sein.

Bild 2-15: Im Rahmen eines Environmental Monitorings findet eine Echtzeitdatenerfassung und -visualisierung von Umwelteinflüssen statt. INMARSAT und die San Diego State University entwickeln ein GIS zur Unterstützung der Wald-brandbekämpfung durch zeitnahe Bereitstellung von Informationen wie Wetter oder Bodenkondition (www.siovizcenter.ucsd.edu)

Forstwirtschaft

In [Fis04] wird untersucht, inwieweit eine dreidimensionale Visualisierung von Waldstrukturen in ein GIS integriert werden kann. Das Ziel ist die Prognose von denkbaren Waldentwicklungen mit Hilfe von Modellen. Der GIS-Ansatz besteht dabei in der Erfassung des IST-Zustandes von Waldstrukturen durch die Nutzung und Aufbereitung forstlicher Daten. Die zeitliche Entwicklung wird anschließend in einem dreidimensio-

¹⁴ RoboCupist eine internationale Initiative zur Förderung der Forschung und interdisziplinären Ausbil- dung in den Bereichen Künstliche Intelligenz und autonome mobile Systeme.