Methoden

Heutigen und zukünftigen Herausforderungen in den Geowissenschaften kann auf Dauer nicht nur mit der digitalen, GIS-gestützten Verschneidung und Analyse manuell erstellter, analoger Karten oder herkömmlichen Verfahren zur digitalen Bildanalyse begegnet werden. Vor dem Hintergrund praxisorientierter, meist umweltschutzrelevanter Fragestellungen sind neue Konzepte und Software-Lösungen erforderlich. Defizite liegen vor allem bei qualitativ hochwertigen Verfahren zur Auswertung vorhandener digitalen Geobasisdaten und bei der flächenhaften, quantitativen Modellierung von umweltrelevanten Kenngrößen des Landschaftshaushaltes bzw. bei der Erstellung qualitativ hochwertiger Geofachdaten vor. 

Die scilands GmbH arbeitet daher - z.T. in Kooperation mit Hochschulen und anderen Forschungseinrichtungen - an der Entwicklung innovativer Verfahren, die sich jenseits der Möglichkeiten herkömmlicher GIS- und Bildverarbeitungssoftware bewegen.

Beispiel für qualitativ hochwertige Verfahren zur Erstellung von Geofachdaten

Vergleich verschiedener Algorithmen in der Ablfussmodellierung [Abb unten links]

Am Beispiel von Abflußmodellen, die z.B. für die Ermittlung von Einzugsgebietskenngrößen benötigt werden, soll exemplarisch der Qualitätsunterschied zwischen herkömmlicher GIS-Software und den Methoden, die von uns eingesetzt werden, demonstriert werden. Die nebenstehende Abbildung zeigt die nach verschiedenen Verfahren berechneten Einzugsgebiete für einen Kegel. Der Kegel wird durch ein Digitales Höhenmodell mit 100 x 100 Höhenwerten repräsentiert.

Teilabbildung a) zeigt das zu erwartende (anzustrebende) Bild: Von der Kegelspitze nimmt die Einzugsgebietsgröße kegelabwärts in konzentrischen Kreisen kontinuierlich zu.

Teilabbildung b) zeigt das Ergebnis eines sog. "Single Flow Direction" Algorithmus. Der gesamte Abfluß einer Rasterzelle wird jeweils nur an eine(!), tieferliegende Rasterzelle weitergegeben. Deutlich sind die starken Unter- und Überschätzungen in die Richtungen der 8 Nachbar-Rasterzellen bzw. Richtungen des Rasters zu erkennen. Ein "Single Flow" Algorithmus dieser Art wird übrigens unseres Wissens bis heute vom Marktführer für GIS-Software verwendet.

Teilabbildung c) zeigt das Ergebnis eines sog. "Multiple Flow Direction" Algorithmus. Der gesamte Abfluß einer Rasterzelle wird hier jeweils an max. 3 tieferliegende Rasterzellen weitergegeben - dies ergibt schon ein besseres Bild.

Teilabbildung d) zeigt das Ergebnis eines "Multiple Flow Direction" Algorithmus, bei dem der gesamte Abfluß einer Rasterzelle jeweils auf alle 8 tieferliegende Nachbar-Rasterzellen weitergegeben wird. Verglichen mit a) ein ausgezeichnetes Resultat. Bei der Erstellung von Geofachdaten bzw. in unserem "Werkzeug" SAGA (s.u.) werden von uns selbstverständlich nur Algorithmen dieser Qualität verwendet.

Schwerpunkte unserer Methodenentwicklung:

Hochwertige Verfahren zur Erstellung und Korrektur von Digitalen Geländemodellen (DGM)

Vielfach genügen vorhandene Digitale Geländemodelle nicht den Qualitätsanforderungen der Geowissenschaften. Wir haben deshalb Methoden entwickelt, mit denen qualitativ hochwertige Digitale Geländemodelle erstellt bzw. qualitativ unzureichende Digitale Geländemodelle verbessert werden können (siehe Erstellung von Digitalen Geländemodelen (DGM).

Neue Konzepte zur Erstellung praxisorientierter Geofachdaten über den Boden

Die einzelnen Bodenmerkmale (bodenphysikalische und -chemische Kennwerte, Kennwerte des Bodenwasserhaushalts) werden dabei mit innovativen Methoden als Kontinuum regionalisiert. Für die jeweilige Fragestellung werden anschließend die erforderlichen Kenngrößen zur Berechnung der Zielgrößen (z.B. pflanzenverfügbares Bodenwasser, Sickerwasserrate, Nitratauswaschungsgefährdung, Erosionsgefährdung) herangezogen (siehe Boden [3_2]).

Innovative Verfahren zur Erstellung weiterer Geofachdaten

Ähnlich wie bei der Erstellung von Geofachdaten über den Boden (s.o.) werden auch zu den Themen Relief, Hydrologie, Klima und landschaftsökologische Prozesse innovative Methoden entwickelt.

Unser Werkzeug: Die GIS Software SAGA

In Kooperation mit dem Geographischen Institut der Universität Hamburg wird das Programm SAGA (System zur Automatischen Geowissenschaftlichen Analyse) entwickelt. SAGA ist ein vollwertiges Geographisches Informationssystem (GIS). Es arbeitet vorwiegend rasterorientiert (wobei natürlich die Verarbeitung von Vektordaten mit eingeschlossen ist). Ein besonderes Merkmal ist der modulare Aufbau. Das Programm besteht aus einem GIS-Rahmenprogramm, in das Rechenmodule (externe Run-Time-Libraries) geladen werden. Dadurch ist es möglich, die Funktionalität des Programms beliebig zu erweitern, ohne das Rahmenprogramm (Executable) zu verändern.

Das Programm SAGA ist speziell dafür konzipiert worden, die entwickelten innovativen Methoden effizient und mit hoher Performance zu realisieren.

Neben den Modulen zur Erstellung von Geofachdaten wurden auch eine Reihe von maßgeschneiderten Softwarelösungen implementiert, die einige Standardprobleme bei der räumlichen Datenverarbeitung lösen. Leider sind die hierfür von herkömmlicher GIS-Software angebotenen Lösungen oft unbefriedigend. Zu nennen wären z.B. die Raster-Vektor-Konvertierung oder das fachlich korrekte Generalisieren von Kleinflächen.

Selbstverständlich verfügt SAGA über Schnittstellen zu anderen Programmen. So werden z.B. Austausch von Raster-, Vektor- und Attributdaten gängige Dateiformate verwendet.

[Abb. unten Mitte: beispielhafter Screenshot von SAGA 1]

[Abb. unten rechts: beispielhafter Screenshot von SAGA 2]

 

SAGA ist keine kommerziell vertriebene Software. SAGA (GIS-Rahmenprogramm mit diversen Rechenmodulen) steht unter Public-License Bedingungen allgemein zur Verfügung. Da SAGA ein offenes System ist, können von den Anwendern eigene Rechenmodule über ein Application Programmers Interface (API) erstellt und eingesetzt werden.

Module

Ein großer Vorteil von SAGA ist die individuelle Erweiterbarkeit: Sie können ihr SAGA durch spezielle Module an ihre Bedürfnisse anpassen. Lassen Sie in Zukunft von uns Ihre Module realisieren!

Steckbrief SAGA

• Lizenz GNU Public Licence (GPL)
• Betriebssystem Win (64 und 32 Bit), Linux
• Modularer Aufbau, damit individuell erweiterbar
• zahlreiche Modulsammlungen in der freien Version vorhanden
• leicht zu bedienende graphische Benutzeroberfläche
• Import von verbreiteten Datenformaten für Raster- und Vektordaten
• 3D-Ansichten, Höhenprofile und viele Funktionen zur Datenanalyse
• Einbindung anderer GPL-Projekte wie GDAL und Proj4
• mehr zu SAGA und download unter www.saga-gis.org