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

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problematik
1.2 Zielsetzung
1.3 Vorgehensweise

2 Grundlagen und Begriffsdefinition
2.1 Geoinformationssysteme
2.1.1 Termini
2.1.2 Architekturen
2.1.3 Anwendungen
2.1.4 Datenerfassung
2.1.5 Datenspeicherung in den spezifischen Formaten
2.2 Umgebungsmodelle für Fahrsimulationen

3 Die Nutzung von GIS für die Entwicklung geospezifischer Umgebungsmodelle Stand der Technik

4 Analyse von GIS
4.1 Methodisches Vorgehen
4.2 Aufstellung der Bewertungskriterien
4.2.1 Bewertungskriterien
4.2.2 Reifegrade
4.3 Identifikation von GIS
4.4 Charakterisierung von GIS
4.5 Gegenüberstellung von Anforderungen und GIS

5 Zusammenfassung

6 Ausblick

Anhang
A1 Datenformate
A2 GIS-Steckbriefe
OpenStreetMap-3D
OpenStreetMap
Google Maps
Google Earth
Bing Maps
GEOviewer
SRTM-Höhendaten
Digitales Oberflächenmodell am Beispiel NRW
Digitales Geländemodell am Beispiel NRW
3D-Gebäudestrukturen (3D-GS)
Straßeninformationsbank NRW
NAVTEQ Maps & Traffic
Getmapping
Intermap
3D-Stadtmodelle/Landmarks der GTA Geoinformatik GmbH
A3 Gegenüberstellung von Anforderungen und GIS

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 FAS¹. 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 Fahrzeugund 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 Repräsentationsformen 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.

1.1 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 Daten³ wie beispielsweise Höheninformationen und Verkehrsinformationen auch eine stetig steigende Verfügbarkeit an 3D-Daten auf, sodass diese Systeme eine Datenund Informationsquelle für geospezifische Umgebungsmodelle bilden können.

Da die Anwendung von GIS auf eine Reihe verschiedener Frageund 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 OpenDRIVE⁴ Formats erfolgen soll, sind entsprechende Anforderungen 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. Eineübersichtüber GISAnwendungen sowie unterschiedliche Vektorund 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. Abgerundet wird das Kapitel mit der Ableitung von Anforderungen an die Repräsentationsformen, 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.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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.

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 britische]n 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 Informationstechnologie⁵. Aufgrund der Tatsache, dass GIS und Geoinformationen⁶ 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 Datenformate 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,ökonomischeökologische Gegebenheiten beschreiben “ [Bar00, S. 13] sind zunächst die funktionalen Komponenten eines GIS erfasst.

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 ist⁷.

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:

Hardware: Computersystem einschl. Prozessor, Speichermedien, Peripheriegeräte und Vernetzung.
Software: Programmsysteme einschl. Softwarewerkzeuge zur Erfassung, Verwaltung, Analyse und Präsentation der Informationen.
Daten: Quantitative und qualitative Informationen, die zusammen einen (fachbezogenen) Ausschnitt der realen Welt darstellen.
Anwender: Benutzer mit ihren Anforderungen und Fragestellungen bzw. Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten.

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

Erfassung: Datenoder Informationserfassung und -speicherung (d.h. Input).
Verwaltung: Datenverwaltung (d.h. Management).
Analyse: Datenauswertung und Datenanalyse (d.h. Analysis).
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 Datenübernommen und nutzbar gemacht werden können, hängt im Wesentlichen von der vorliegenden GIS-Architektur ab.

2.1.2 Architekturen

Einen ersten Anhaltspunkt zur Unterscheidung von GIS bietet die Betrachtung der zugrundeliegenden 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 einerüberschaubaren 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 Datenaufbauüber Analyse, Modellierung bis hin zur Ausgabe für die Druckvorstufe gegeben⁸. 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.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

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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 erfolgtüber ein DBMS⁹, welches „… gro ß e 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 kommuniziertüber verschiedene internetbasierte Kommunikationstechniken wie HTML, JavaScript, JavaApplets oder Flash. Unterschiede innerhalb dieser Kategorie beruhen auf dem Installationsort der 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 Earth¹⁰ 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.].

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

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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 Grundlagen und Begriffsdefinition Seite 13

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.].

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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 verwunderlich, dass jeder Versuch einer Abschätzungüber die Anzahl an Anwendungsbereichen, in denen GIS eingesetzt werden, nur unvollständig sein kann. Dennüber 60% der in der Welt verfügbaren Daten haben einen gewissen Raumbezug vgl. [GDI08], was die Vielzahl der möglichen Anwendungsbereiche wiederspiegelt. Eine möglicheübersichtüber 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.

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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.

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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 Bundund 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 eGovernment¹¹ 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].

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Bild 2-9: Als Unterstützung für Planung und Entscheidungsfindung werden GISMethoden zur Untersuchung der Erreichbarkeit von wichtigen Orten wie z.B.ärzten eingesetzt. Die Ergebnisse werden dann bei der Konzeption einesöffentlichen 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-GISAnwendungen gezeigt.

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Bild 2-10: Links: Das Bild zeigt eine Web-GIS-Anwendung auf Google Maps Basis, welche der Sammlung und Verbreitung von geospezifischen Informationenüber 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 Darstellung 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 zurüberwindung 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 Funkantennen helfen.

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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. Bürgerund Touristeninformationen sollen die gesammelten Daten auch Analysefunktionen ermöglichen, z.B. bei der Straßenund 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.

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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 Georeferenzierung¹² und die Generierung eines 3D-Modells einer keltischen Wallburg¹³ (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.

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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)

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 aufbauendübungsszenarien 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 RoboCup¹⁴ „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 GISDaten 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.

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Bild 2-15: Im Rahmen eines Environmental Monitorings findet eine Echtzeitdatenerfassung und -visualisierung von Umwelteinflüssen statt. I NMARSAT und die San Diego State University entwickeln ein GIS zur Unterstützung der Waldbrandbekämpfung 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 dreidimensionalen Raum demonstriert. Zum Einsatz kommt verschiedene GISund Visualisierungssoftware.

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Bild 2-16: Die schematische Darstellung veranschaulicht den integrativen Einsatz von GIS-Komponenten wie bspw. eines Werkzeugs zur Simulation des Waldwachstums [Fis04]

Mit den bisher exemplarisch aufgezeigten Anwendungsbereichen von GIS wird deutlich, wie umfangreich das Feld ist und wie sehr sich die einzelnen GIS-Anwendungen voneinander unterscheiden. Doch ein zweckmäßiger und damit sinnvoller Einsatz von GIS ist im Wesentlichen nur dann gegeben, wenn das GIS auf sorgfältig ausgesuchte Daten zugreifen kann. Die Ausführungen in den nächsten beiden Kapiteln beschäftigen sich mit Datenerfassungsmethoden und Datenformaten.

2.1.4 Datenerfassung

Im Folgenden sollen einige Grundkonzepte zur Geodatenerfassung skizziert werden. Generell können Geodaten durch eine direkte Messung für einen bestimmten Zweck, wie z.B. für eine bestimmte Aufgabenstellung und die Nutzung in einem spezifischen GIS gesammelt werden (primäre Datenerfassung) oder sie können aus anderen Untersuchungen oder Systemenübernommen werden (sekundäre Datenerfassung) [LGM+11, S. 230ff.].

Primäre Datenerfassung

Die Aufnahme von Luftbildern lässt sich als charakteristisches Beispiel für eine direkte Erfassung von Rasterdaten (siehe Kap. 2.1.5) via Fernerkundung aufzählen. Zu unterscheiden sind hierbei Luftbilder, welche aus Flugzeugen aufgenommen wurden und Satellitenbilder. Die primäre Datenerfassung von Vektordaten (siehe Kap. 2.1.5) besteht hauptsächlich aus der Gewinnung von Daten aus GPS¹⁵ und der Vermessungskunde, zu der auch das Laserscanning (siehe Bild 2-17) gehört. Zudem sei angemerkt, dass eine eindeutige Differenzierung nicht immer möglich ist.

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Bild 2-17: Links: Prinzip des Laserscanning. Vom Flugzeug aus werden Laserpulse ausgesendet und das von einem Objekt zurückgestreute Licht erfasst. Aus der Laufzeit der Signale und der Lichtgeschwindigkeit wird die Entfernung zum Objekt berechnet ( www.usgs.gov ). Rechts: Visualisierung einer LiDAR Laserscannung von Houston [Lan03]

Sekundäre Datenerfassung

Mit Hilfe von Scannern und Digitizern (siehe Bild 2-18) werden bei der sekundären Datenerfassung Rasterund Vektordaten aus Kartenmaterial, Photographien und anderen auf Papier ausgedruckten Dokumenten erstellt. Während sich dieser Prozess bei der Erstellung von Rasterdaten noch einfach gestaltet, sind manuelle Eingriffe bei der Generierung von Vektordaten, z.B. mit dem Verfahren der Photogrammetrie¹⁶, unumgänglich.

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Bild 2-18: Digitizer für die manuelle Erfassung von Vektordaten aus Kartenmaterial ( www.gtcocalcomp.com )

2.1.5 Datenspeicherung in den spezifischen Formaten

Dieses Kapitel soll eineübersicht der in GIS verwendeten Datentypen bieten. Viele mehr oder minder standardisierte und verbreitete Geodatenformate existieren parallel. Einige dieser Formate wurden vom OGC¹⁷ offiziell eingeführt, andere haben sich aufgrund der weiten Verbreitung als Quasiindustriestandard im Laufe der Zeit etabliert. Eine kurzeübersichtüber oft verwendete Datenformate ist in Anhang (A-1) zu sehen.

Tabelle 2-1: Ausschnitt aus der vollständigenübersichtstabelle von Datenformaten, welche sich im Anhang (A-1) befindet

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Grundsätzlich lassen sich Geodaten in Grafikdaten und Sachdaten unterscheiden. Sachdaten sind alphanumerische Textdaten¹⁸, während sich Grafikdaten nochmal in Vektorund Rasterdaten unterteilen [Bay03, S. 23].

Vektordaten

Vektordaten sind strukturierte Geodaten, die Informationenüber Koordinaten, Verbindungen, räumliche Eigenschaften und Darstellungsregeln enthalten. Als Grundlage sind Punkt-, Linienund Flächenelemente zu betrachten, die durch XYKoordinaten (bei zweidimensionaler Darstellung) definiert und zwischen denen Beziehungen gebildet werden. Im Zuge der Objektbildung können z.B. vier in einem Rechteck verbundene Punktelemente zu einem neuen in sich geschlossenen Objekt führen (vgl. Bild 2-19). Diese Objekte können mit zusätzlichen Eigenschaften, den sog. Attributinformationen wie z.B. Name, Wert oder Bedeutung verknüpft werden. Weiterhin können Vektordaten einzeln modifiziert und visualisiert werden. Dadurch sind sie für unterschiedliche Anwendungsgebiete verwendbar¹⁹.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2-19: Links: Eine Ebene mit Linienelementen (Vektordaten) stellt Flurstückeüber einem Luftbild (Rasterdaten) dar ( www.satimagingcorp.com ). Rechts: Verschiedene Vektorelemente bilden die Ansicht eines Katasters ab ( www.norbit.de )

Die Verwendung von Vektordaten bringt in Anlehnung an SCHILCHER u.a. folgende Vorund Nachteile [Sch10, S. 6f.]:

Vorteile

Höhere Punktgenauigkeit
Weniger Speicherplatzbedarf
Freie Skalierbarkeit ohne Informations
verlust Unabhängigkeit vom Darstellenden Gerät
Effizienter Zugriff und höhere Performance
Einfache Generierung der Topologie (Knoten, Kanten, Flächen)
Homogene Datenbestände bei Transformationen
Leichte Verbindung zu Sachdaten (Attributierung, Objektdefinition)

Nachteile

Hohe Rechenzeiten bei Flächenanalysen (Verschneidungen)
Hoher Erfassungsaufwand im großmaßstäbigen Bereich (Zeit und Kosten)

Rasterdaten

Rasterdaten bestehen aus einer durch die Auflösung bestimmten Menge von Rasterpunkten, den sog. Bildelementen oder Pixeln. Jedem Bildelement können ein oder mehrere Zahlenwerte zugeordnet werden. Diese Zahlenwerte können Informationen bezüglich der Helligkeit, der Farbe, der Höhe und zahlreicher anderer Eigenschaften abbilden. Die Summe der Bildelemente bildet ein Gesamtbild ab, wobei dessen Auflösung von dem jeweiligen Ausgabegerät abhängen kann. Weiterhin sind die Rasterpunkte in der Regel quadratisch geformt und von einheitlicher Größe. Da kein Zusammenhang zwischen den verschiedenen Bildelementen z.B. Nachbarzellen besteht, kann weder eine Strukturierung nach Objekten noch der Zugriff auf den Objekten beigefügten Attributinformationen erfolgen. Insofern eignen sich Rasterdaten vor allem für die Verwendung als räumliche Bezugsgrundlage und Hintergrundinformation wie z.B. Luftbilder und weniger für Analysezwecke²⁰.

Auch Rasterdaten bieten unterschiedliche Vorund Nachteile:

Vorteil

Zeitliche Veränderungen (Vegetation, Waldschäden, usw.)
Einfache Datenstruktur (Pixelmatrix)
Überlagerungen bei Visualisierungen
Einfache Overlayoperationen

Nachteile

Unklare Grenzdefinition (Punkt/Pixel)
Nicht skalierbar
Begrenzte Auflösungsgenauigkeit (Pixel entspricht nicht genau einem Objekt)
Großes Datenvolumen
Begrenzte Einsatzfähigkeit im Bereich parzellenscharfer Flächenanalysen

GIS können bei der Darstellung auch auf eine Kombination aus Vektorund Rasterdaten aufbauen und so die einzelnen Vorteile effizient nutzen (siehe Bild 2-20).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2-20: Wie die graphische Darstellung verdeutlicht, ergänzen sich oft Grafikdaten zur Abbildung der realen Welt ( http://ifgi.uni-muenster.de )

Mit dem Ende dieses Kapitelsüber die Datenspeicherung in den spezifischen Datenformaten soll die Schaffung eines grundlegenden Verständnisses von GIS zum Abschluss gebracht werden. Im letzen Teil des Kapitels 2 werden im Folgenden Umgebungsmodelle für Fahrsimulationen betrachtet.

2.2 Umgebungsmodelle für Fahrsimulationen

Nachdem Kapitel 2.1 ein grundlegendes Verständnis von GIS ermöglicht hat, soll dieses Kapitel die Grundlagen von Umgebungsmodellen von Fahrsimulationen kurz erläutern. Darüber hinaus sollen auf Basis des Standardisierungsformats OpenDRIVE Anforderungen an das Umgebungsmodell abgeleitet werden. Diese dienen der Erarbeitung von Bewertungskriterien für GIS in Kapitel 4.2.

Heutzutage werden Fahrsimulatoren von Unternehmen und Forschungseinrichtungen als methodisches Werkzeug für unterschiedliche Zwecke, wie z.B. verkehrswissenschaftliche Fragestellungen oder Erprobung neuer FAS, eingesetzt. Aspekte wie „ungefährliche“ Testdurchführung in einem Verkehrsumfeld oder gezielte Anpassung einer Situation zur Untersuchung einer Fragestellung sind nur einige der Vorteile von Fahrsimulationen.

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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 akustische Informationen, die den Fahrer vor potentiellen Gefahren warnen [Itw10-ol].

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

³ Auch Geodaten: Datenüber 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-, Grafikoder anderen Abfrageund Auskunftssystemen genutzt werden [ABC10-ol].

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

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-, raumund zeitbezogenen Charakter hat [Bar00, S. 13].

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

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

⁹ Datenbank-Managementsystem. Grundlagen und Begriffsdefinition Seite 11

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

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 entsprechender Interaktionsmöglichkeiten mittels elektronischer Medien [Net10-ol].

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

¹³ Eine Wallburg ist eine Wallanlage aus urund frühgeschichtlicher Zeit.

¹⁴ RoboCup ist eine internationale Initiative zur Förderung der Forschung und interdisziplinären Ausbildung in den Bereichen Künstliche Intelligenz und autonome mobile Systeme.

¹⁵ Global Positioning System.

¹⁶ Die Photogrammmetrie bezeichnet Messverfahren, um Lage und Geometrie räumlicher Objekte aus fotographischen Abbildungen zu ermitteln [Don08, S. 85ff.].

¹⁷ Seit den 90ern ist eine zunehmende Standardisierung im GIS Bereich festzustellen. So haben sich aus Mangel an Interoperabilität von GIS-Anwendungen bis heute 403 Softwarehersteller, Datenbankanbieter, Universitäten, Regierungsorganisationen usw. zum Open Geospatial Consortium (OGC) zusammengeschlossen. Das Ziel der OGC ist es, mit Hilfe von Protokollen und Spezifikationen einheitliche Zugriffsmethoden für Geodaten zu definieren und diese in Form von Standards frei zugänglich zu machen vgl. z.B. [Mit08, S. 234]. Geodaten sollen nicht wie bisher „… aus einem Anbietersystem extra hiert, konvertiert,über eine Schnittstelle auf eine Austauschdatei transferiert und im Zielsystem genau denselben Vorgang, nur umgekehrt …“ [Bar00, S. 356] ausgetauscht werden, sondern innerhalb einer Netzwerkumgebung gespeichert werden.

¹⁸ Während Grafikdaten die Geometrie eines Objektes (beim Kataster z.B. Gebäude oder Flurstück) beschreiben, dienen Sachdaten für Angaben bezüglich einer Person (z.B. Eigentümer eines Gebäudes) oder der Adresse eines Flurstücks. Textdaten sollen hier nicht näher behandelt werden. Für eine weiterführende Ausführung siehe z.B. [KZ08, S.100f.].

¹⁹ Weiterführende Informationen in [Sch10], [Wup10-ol] oder [Bay03].

²⁰ Weiterführende Informationen in [Sch10], [Wup10-ol] oder [Bay03].