Aufbau eines digitalen Naturdenkmalkatasters mit GPS, GIS und Datenbank

Inhaltsverzeichnis

0. Zusammenfassung

1. Aufgabenstellung

2. Methodischer Ansatz

3. Durchführung
3.1 GPS
3.1.1 Gerät und die Software
3.1.2 Datenerhebung
3.1.3 Datenübertragung
3.1.4 Probleme und Lösungsversuche
3.2 GIS
3.2.1 System/Software
3.2.2 Projekterstellung
3.2.3 Kontakt zur Datenbank
3.2.4 Probleme und Lösungsversuche
3.3 Datenbank
3.3.1 Software
3.3.2 Datenbankaufbau
3.3.3 Kontakt zum GIS-Programm
3.3.4 Probleme und Lösungsversuche

4. Auswertung

5. Anlagen

0. Zusammenfassung

Die Betreuung von ca. 170 Gehölz-Naturdenkmälern, kurz „ND´s“ im Oberbergischen Kreis, Nordrhein-Westfalen, NRW soll erleichtert und die Datenverwaltung verbessert werden.

Zu diesem Zweck wurden in einem ersten Schritt die einzelnen Objekte vor Ort fotogra­fiert und mit einem Global Positioning System (GPS) differentiell vermessen. Dabei ergab sich als grundlegendes Problem das Vorhandensein von Hindernissen zwischen GPS-Empfänger und Satelliten bzw. Korrektursignalempfänger und Korrektursignalquelle (hier: ebenfalls ein Satellit). Dadurch war bei einigen Objekten ein differentielles bzw. dreidimensionales Einmessen nicht möglich.

In einem zweiten Schritt wurden die erhobenen Daten aus der GPS-Software exportiert und mittels GI-Software aufbereitet. Hier traten zwei grundlegende Herausforderungen auf: Erstens konnte aufgrund der Zweiteilung des Oberbergischen Kreises in den zweiten und dritten Gauss-Krüger-Streifen kein gemeinsamer View für alle Objekte inklusive Ras­terkarten im Maßstab 1:5.000 erstellt werden, da gleichzeitig die Möglichkeit der Ras­terdaten-Transformation fehlte. Immerhin war ein Überblick-View im Maßstab 1:25.000 möglich. Und zweitens war es nicht möglich, über einen Hyperlink gezielt den Datensatz des einzelnen Objektes in der Datenbank aufzurufen. Hier konnte lediglich ein allgemeiner Hyperlink auf die gesamte Datenbank erstellt werden.

Der dritte Schritt bestand aus dem Aufbau, Befüllen und Testen der Datenbank. Das we­sentliche Problem hier bestand in der Umkehrung desjenigen bei der Daten-Visualisie­rung in ArcView: Ein direktes Aufrufen einzelner Objekte aus der Datenbank heraus mittels Hotlink war nicht möglich. Es konnte nur das gesamte ArcView-Projekt gestartet werden.

In weiteren Schritten wurden bzw. werden die Ergebnisse im Intra- und Internet veröf­fentlicht sowie Baumkontrolleuren bzw. –pflegern zur Verfügung gestellt.

Die grundsätzliche Erfassung der ND´s mittels GPS, ihre Visualisierung in einer GI-Soft­ware sowie der Anschluss an eine Datenbank sind gelungen. Damit können diese Grundlagen bei zukünftiger, externer ND-Betreuung weitergegeben werden. Im Detail verbleiben noch deutliche Verbesserungsmöglichkeiten. Ebenso muss ein quantitativer bzw. qualitativer Vergleich mit bisherigen, analogen Standortangaben verschoben wer­den.

1. Aufgabenstellung

Im ca. 900 km2 großen Zuständigkeitsbereich meines Arbeitgebers (Untere Land­schaftsbehörde, Oberbergischer Kreis, Nordrhein-Westfalen, BRD) befinden sich etwa 170 Naturdenkmäler (ND) gemäss § 22 Landschaftsgesetz Nordrhein-Westfalen (LG NW) in der momentan rechtskräftigen Fassung. Im Rahmen der fortschreitenden Landschaftsplanung werden noch zahlreiche ND´s hinzukom­men.

Bei diesen ND´s handelt es sich um Einzelgehölze, Gehölzreihen oder -gruppen, also kartographisch gesehen um punkt-, linien- oder flächenförmige Objekte.

Durch die Ausweisung als ND übernimmt der Oberbergische Kreis die Verkehr­sicherungspflicht, d.h. er haftet für etwaige Sach- und Personenschäden verur­sacht durch die Bäume. Um dieser Pflicht nachzukommen bzw. um Schäden vor­zubeugen, werden die ND´s – möglichst jährlich – auf ihren Zustand hin kontrol­liert. Ggf. werden dann Sicherungsmaßnahmen (baumchirurgische Maßnahmen vom Schnitt bis hin zur Fällung) veranlasst.

Die Kontrolle wurde bisher teilweise von Zivildienstleistenden oder Praktikanten durchgeführt, die die ND´s mittels gedruckten, analog erstellten Karten auf­suchten. Dabei hat sich häufig herausgestellt, dass die Standortangaben in den Karten so sehr von der Realität abweichen, dass die o.g. Personen die ND´s nicht oder schlecht finden. Häufig genügt eine Abweichung von wenigen Metern, um ein ND zu verfehlen. Dies ist z.B. der Fall, wenn ein Kontrolleur aufgrund einer solchen Abweichung das Objekt auf der EINEN Seite eines Gebäudes sucht, das Objekt sich aber in Wirklichkeit auf der ANDEREN Seite befindet.

Zukünftig soll die Kontrolle eventuell grundsätzlich an Externe (Unternehmen) vergeben werden. Gleichzeitig erweitert sich fast jährlich bei der Ausschreibung der baumchirurgischen Maßnahmen der Kreis der Bewerber bzw. der zum Einsatz kommenden Firmen. Beide Zielgruppen werden zunehmend nicht aus dem Ober­bergischen Kreis kommen. Dadurch fehlt eine detaillierte Ortskenntnis. Deshalb sind genaue Standortangaben – sei es in gedruckter oder anderer, z.B. digitaler Form - wichtig.

Außerdem soll die Verwaltung der ND-Daten vereinheitlicht bzw. erweitert wer­den und der Zugriff auf ND-Daten vereinfacht werden. Dies bedeutet, dass in Anlehnung an bereits vorhandene und eingesetzte Systeme bzw. Programme (z.B. eine Datenbank für die Eingriffsregelung gemäß §§ 4-6 LG NW) alle ND-Daten digital erfasst, verwaltet, visualisiert und ggf. ausgewertet werden.

Schließlich können Teile der Ergebnisse im Rahmen der Bürgerinformation bzw. zur Umsetzung des Umweltinformationsgesetzes auf der Homepage des Oberber­gischen Kreises veröffentlicht werden.

2. Methodischer Ansatz

Vor dem in Kapitel 1 geschilderten Hintergrund bietet sich als erster Schritt die Erfassung der genauen Positionen langfristig aller Objekte mittels GPS an. Die Anforderung an die Genauigkeit liegt im Bereich von einer Abweichung < 5 m. Trotz seit Mai 2000 abgeschalteter „selective availability“ (absichtliches militäri­sches Störsignal der GPS-Satelliten) wird diese Genauigkeit zuverlässig nur durch ein differentielles GPS erreicht.

Die Daten sollen in einem zweiten Schritt in ArcView visualisiert werden. Diese Visualisierung dient vorrangig der Informationsgewinnung am Arbeitsplatz-PC. Gleichzeitig werden die gewonnenen Erkenntnisse in die digitale Herstellung ge­druckter Karten einfließen. Langfristig wird davon ausgegangen, dass die analoge bzw. ausgedruckte Karte durch GIS-Pads ersetzt wird.

Die Visualisierung soll sich auch auf Arbeitsplätze ohne ArcView-Lizenz erstre­cken. Dazu ist ein Zwischenschritt nötig: Ich werde aus dem bzw. den ArcView-Projekten ArcExplorer-Projekte machen, die dann über die Freeware ArcExplorer allgemein aufrufbar sind.

Im dritten Schritt sollen alle Daten in eine Datenbank eingegeben werden. Diese Datenbank muß aber zuvor erst erstellt werden. Anschließend wird sie mit samt den Daten – als Runtime-Version - über das Intranet bzw. das vorhandene Netz­werk allen MitarbeiterInnen der Unteren Landschaftsbehörde zur Verfügung ge­stellt.

Viertens sollen die Ergebnisse zukünftig den Kontrolleuren und Baumpflegern zwecks Auffinden und Datenverwaltung übergeben werden bzw. zum Pflichtbe­standteil bei einer Auftragsvergabe gemacht werden. Im Idealfall würde dies be­deuten, dass auch ein nicht-ortskundiger Kontrolleur oder Baumpfleger das ge­suchte ND mittels GPS aufsucht, eine Kontroll- bzw. Pflegemaßnahme durchführt und den Datensatz des entsprechenden ND um die neuen Daten ergänzt.

Fünftens sollen die Ergebnisse langfristig auf den Amts-Seiten der Homepage des Oberbergischen Kreises veröffentlicht werden. Angaben wie Eigentümer-Adressen sind aus Datenschutz-Gründen natürlich davon ausgenommen.

Am Rande dieses Projektes soll eventuell einerseits ein Ausdruck und anderer­seits ein – statistischer – Vergleich mit den alten, analogen Standortangaben er­folgen.

In der schematischen Übersicht sieht das Projekt wie folgt aus:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Projekt-Ablaufschema

3. Durchführung

3.1 GPS

3.1.1 Gerät und die Software

Bei dem eingesetzten GPS-Gerät handelte es sich um den Geoexplorer XRS der Firma Trimble samt Controller und Korrekturdatenempfänger mit externer An­tenne. Als Korrektursignal dient ein UKW-Signal, dass von dem geostationären Satelliten OmniSTAR ausgesendet wird.

Die dazugehörige Software zum Überspielen der erfassten Daten vom Controller auf den PC im Büro und zum Exportieren in ArcView-shapfiles bzw. in das dbf-Format ist das Pathfinder Office 2.51.

Das ganze System wurde für eine Arbeitswoche (13.-17.11.2000) bei einem Vermessungsbüro ausgeliehen. Das Ausleihen diente gleichzeitig als Entschei­dungshilfe bezüglich einer eventuellen Anschaffung eines eigenen GPS-Systems für die im folgenden beschriebene sowie weitere Arbeiten (z.B. Flächenermittlung von landwirtschaftlich extensivierten Flächen zum Zweck der flächenabhängigen Ausgleichszahlung).

Von Seiten des Verleihers wurde die GPS-Einheit so vorbereitet, dass

- mindestens 3 Messungen mit den nötigen 4 GPS-Satelliten und mit dem OmniSTAR-Signal pro Objekt zu erfassen waren,
- zwischen den Messungen 5 Sekunden vergingen,
- der pdop, ein dimensionsloser Wert für die Gunst oder Ungunst der räumlichen Satellitenverteilung <= 10 sein musste,
- je eine Datei für Einzelgehölze, Gehölzreihen und Gehölzflächen zur Verfügung stand. Darin konnten einzelne Arten vor Ort eingegeben werden.

3.1.2 Datenerhebung

Mit der GPS-Einheit, einer digitalen und einer konventionellen Kamera wurden die einzelnen ND´s aufgesucht. Häufig waren noch einige Gehminuten zwischen Kfz-Stellplatz und dem eigentlichen Objekt nötig. Auf dem Weg zum Objekt wurde die GPS-Einheit eingeschaltet, damit schon die Verbindung zu den Satelliten herge­stellt wurde. Am ND angelangt wurde eine Position gesucht, bei der möglichst viele GPS-Satelliten und der OmniSTAR-Satellit empfangen wurden. Sodann wurde die Mindestanzahl von Messsignalen registriert und gespeichert. Wurde die Mindestanzahl von GPS-Satelliten und bzw. oder das OmniSTAR-Signal nicht empfangen, versuchte ich eine nur zweidimensionale bzw. nicht-differentielle Messung zu erhalten. Des weiteren notierte ich mir Auffälligkeiten am Objekt und in dessen Nähe wie z.B.

- größere Beschädigungen,
- Materiallager oder Versiegelungen im Traufbereich,
- Beweidung

um diese Angaben später eventuell in die Datenbank aufzunehmen. Schließlich fotografierte ich jedes Objekt, vorzugsweise mit einer Digital-Kamera (Olympus C- 820 L mit 114.000 Pixeln pro Bild) wegen der schnelleren Übertragung auf den Büro-PC. Wenn deren Speicher voll war ( maximal 14 Fotos in HQ) oder die Lichtverhältnisse zu schlecht oder die Batterien leer waren, kam eine Minox 35 GT (35mm-Objektiv, Lichtstärke 1:2,8) zum Einsatz.

Gelegentlich waren vor, während oder nach den o.g. Arbeitsschritten Gespräche mit den ND-Eigentümern nötig, um den Zweck meiner Anwesenheit und Tätigkeit zu erklären. Allerdings hatte ich – soweit postalisch bekannt – die Eigentümer ca. 2 Wochen zuvor schriftlich benachrichtigt.

Bei diesem Vorgehen und in Abhängigkeit vom ausreichenden Tageslicht (ca. 8:30 h bis 15:30 h) im genannten Zeitraum (13.-17.11.2000) konnte ich die Daten von 80 Objekten erheben.

3.1.3 Datenübertragung

Zu der GPS-Einheit gehörten entsprechende Schnittstellen, Anschlusskabel an einen PC und die Software Pathfinder pro 2.51. Nach der täglichen Vor-Ort-Erhe­bung wurden die Daten damit auf den PC gespielt. Dort konnten die Ergebnisse im o.g. Programm direkt angeschaut werden. Noch interessanter und wichtiger war die Möglichkeit, die Daten als ArcView-shapefiles oder Database-Datei zu exportieren.

3.1.4 Probleme und Lösungsversuche

Satellitenverbindung: Dort, wo das einzumessende Objekte von anderen vertika­len Objekten umgeben war, war es oft schwierig, vereinzelt sogar unmöglich, die nötigen vier GPS-Satelliten bzw. OmniSTAR zu empfangen. Hier musste ich mich, wie bereits erwähnt, auf nicht-differentielle bzw. zweidimensionale Messungen beschränken. Allerdings stellte sich später beim Übertragen und Auswerten der Daten heraus, dass die nicht-differentiellen bzw. zweidimensionalen Messungen nicht gespeichert worden waren. Die Ursache bleibt mir verborgen.

Bei linien- oder flächenförmigen Objekten entschied ich mich, aufgrund der o.g. Probleme die Anfangs- und Endpunkte bzw. die Eckpunkte der Objekte in der Rubrik „Einzelgehölz“ einzumessen, um dann später daraus in ArcView Linien bzw. Flächen per Hand zu digitalisieren. So erhielt ich zwar eine ausreichend ge­naue Lage der Objekte, konnte aber insbesondere zur Flächengröße keine ver­lässlichen Aussagen machen. Dies war akzeptabel, da die Bestimmung von Flächengrößen kein Ziel dieser Arbeit darstellte.

GPS-Anzeige: Der Controller bot während der Messung keine Möglichkeit, die er­fassten Werte (hier: Rechts- und Hochwerte) zu sehen. Also war nicht zu erken­nen, ob zwischen den einzelnen registrierten Werten große Schwankungen be­standen.

Batteriekapazität: Sowohl die Akkus der GPS-Einheit als auch die der Digital-Kamera litten unter der kühlen Witterung. Für die GPS-Einheit stand mir ein zweiter Satz Akkus zur Verfügung, der auch fast täglich benötigt wurde. Die Ladezeit über Nacht schien ausreichend. Bei der Kamera hatte ich keine Reserve-Akkus, so dass ich gegen Ende des Arbeits-Tages, wie bereits erwähnt, oft auf die Minox zurückgreifen musste.

Speicherkapazität der Digital-Kamera: Bei der Einstellung „high quality“ hatte ich Speicherplatz für maximal 14 Fotos. Ein weiterer Speicherchip war nicht vorhan­den. Dies war ein weiterer Grund für das Zurückgreifen auf die Minox. Allerdings mussten die konventionellen Fotos erst entwickelt und abgezogen sowie gescannt werden. Dabei ergab sich die Schwierigkeit, dass Fotos im Hochformat mit dem Bearbeitungsprogramm „Imaging“ um 90° gedreht werden mussten. Anschließend reichten sie über die obere und untere Bildschirmfenster-Begrenzung. Da das genannte Programm aber keine stufenlose Verkleinerung zulässt, gerieten die Bilder in der nächsten Verkleinerungsstufe recht klein. Na­türlich können sie bei Programm- bzw. Bildaufruf vergrößert werden, aber als ge­planter Hyperlink von der Datenbank liefern sie dem Benutzer zunächst eine un­befriedigende Ansicht.

Insgesamt wurden alle Fotos recht dunkel aufgrund der Witterung. Auch die Nachbearbeitung in Imaging (Veränderung der Helligkeit, des Kontrastes und des Gamma-Wertes) brachte keine wirklich zufriedenstellenden Ergebnisse.

Handling: Die Unterbringung von Kontrollsignalempfänger, schweren Bleiakkus und Antenne in bzw. an einer Hüfttasche war bei häufigem An- und Ablegen der Einheit unpraktisch und insgesamt ergonomisch unkomfortabel. M.E. ist hier eine Rucksack-Lösung, wie sie andere Hersteller anbieten, wahrscheinlich komfortab­ler.

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