Rationalisierung der Virtualisierung von botanischem Belegmaterial und deren Verwendung durch Prozessoptimierung und -automatisierung (Herbar Digital)

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1 Arbeitsgruppe Innovative Projekte (AGIP) Ministerium für Wissenschaft und Kultur des Landes Niedersachsen Geschäftsstelle Postfach Hannover Vorhabensbeschreibung des Forschungsschwerpunktes: Rationalisierung der Virtualisierung von botanischem Belegmaterial und deren Verwendung durch Prozessoptimierung und -automatisierung (Herbar Digital) Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen Fachhochschule Hannover Fachbereich Wirtschaft Ricklinger Stadtweg Hannover Genehmigt durch das Niedersächsische Ministerium für Wissenschaft und Kultur am Az /07

2 Vorhabensbeschreibung Rationalisierung der Virtualisierung von botanischem Belegmaterial und deren Verwendung durch Prozessoptimierung und -automatisierung (Herbar Digital) Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Formale Angaben Antragsteller Kurzbezeichnung des Vorhabens Kooperationspartner Beginn des Vorhabens Dauer des Vorhabens Beschreibung des Forschungsvorhabens Kurzfassung der Vorhabensbeschreibung Vorhabensbeschreibung Arbeitsziele des Vorhabens Automation Bild- und Zeichenerkennung Geschäftsprozessmanagement Organisation und Controlling Stand des Wissens Automation Bild- und Zeichenerkennung Geschäftsprozessmanagement Organisation und Controlling Lebenslauf und bisherige Arbeiten der Antragssteller Prof. Dr.-Ing. August Potthast Prof. Dr. Karl-Heinz Steinke Prof. Dr. Manfred Krause Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen Ausführliche Beschreibung des Arbeitsplans Automation Bild- und Zeichenerkennung Geschäftsprozessmanagement Organisation und Controlling Arbeitsvoraussetzungen Schrifttum Aufstellung der Kosten Finanzierungsplan: Überblick Finanzierung durch die AGIP Finanzierung durch die Kooperationspartner Anlagen o Finanzierungsplan Blatt 1 o Finanzierungsplan Blatt 2 o Kooperationsschreiben der Partner Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 2

3 Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Forschungsstruktur BGBM Berlin-Dahlem... 7 Abb. 2: Technische Infrastruktur... 9 Abb. 3: Der Kreislauf von Herbar Digital Abb. 4: Prinzip-Layout für eine durchgängige Herbar Lösung, 2. Stufe Abb. 5: Beschreibung der notwendigen Hard- und Software-Funktionen für Herbar Digital Abb. 6: Herbar Digital Lösung, 1. Stufe Abb. 7: Komplettbeleg Abb. 8: Maßstab Abb. 9: Aufkleber Abb. 10: Farbtabelle Abb. 11: Pflanze Abb. 12: Barcode Abb. 13: Stempel Abb. 14: Etikett mit Handschrift Abb. 15: Etikett mit Druckschrift und Handschrift Abb. 16: Stempel Abb. 17: Etiketten mit Handschrift Abb. 18: Handgeschriebene Zahl Abb. 19: Acht Richtungen, davon zwei in einem Buchstaben Abb. 20: Handschrift mit einem extrahierten G Abb. 21: Vertikale Projektion Abb. 22: Entwicklung nach trigonometrischen Polynomen Abb. 23: Softwarestruktur Herbar Digital Abb. 24: Herbar-Lager Organisation Abb. 25: ERP-Struktur Abb. 26: IT-Organisation für den BGBM Abb. 27: Scanner-Arbeitsplatz zur Erfassung von Herbar Belegen (Quelle: BGBM) Abb. 28: Bedingungen für die Ermittlung und den Einsatz von Standardoperationen nach Toyota Abb. 29: Prinzipielle Vorgehensweise bei der Zeichenerkennung Abb. 30: Glätten eines Zeichens Abb. 31: Globale Analyse Abb. 32: Formel für Momente Abb. 33: Farbwechsel Abb. 34: Strukturelle Analyse Abb. 35: Kanten und Liniensegmente mit 3x3 Fenstern gewonnen Abb. 36: Kontur über Konturverfolgungsalgorithmus Abb. 37: Mittellinien über Abschälen der Außenhaut mit 3x3 Fenstern Abb. 38: Architekturkonstrukte des Business Engineering (nach Winter/Schelp) Abb. 39: Prozess- und Struktursichten (nach Gadatsch) Abb. 40: Vergleich von Abstraktionsebenen (nach Österle/Blessing) Abb. 41: Prozess der Geschäftsprozessmodellierung mit der Zielsetzung einer anschließenden Systementwicklung (nach Oestereich) Abb. 42: Meilensteine in Software-Projekten (nach Sommerville) Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 1

4 Abb. 43: Lineare und iterative IT-Projektstruktur (nach Beynon/Davies) Abb. 44: Phasen und Disziplinen im Unified Process (nach Baumeister/Ilg) Abb. 45: Bezugsrahmen zum referenzmodellbasierten Business Engineering (nach Fettke/Loos) Abb. 46: Referenzmodell und organisationsspezifisches Geschäftsprozessmodell Abb. 47: Arten von Forschungszielen (nach Braun/Esswein 2006, S. 145) Abb. 48: Modell des prozessorientierten Qualitätsmanagements in ISO 9000: Abb. 49: Life-Cycle-Modell für Standardsoftware (nach Gadatsch) Abb. 50: Prozesskostenrechung im Workflow-Life-Cycle (nach Gadatsch) Abb. 51: Interdependenzen von Strategie, Prozessen und Ressourcen (nach Allweyer) 60 Abb. 52: Einordnung des Rechnungswesens im Betriebsprozess Abb. 53: Grafische Darstellung der Durchlaufzeit, getrennt nach Warte-/Transportzeit 64 Abb. 54: IT-Alignment Ausrichtung der IT an den Geschäftsanforderungen (nach Fechner, hp) Abb. 55: Service-Support-Prozess (nach Skrippek) Abb. 56: ITIL Service Management Modell (nach Olbrich) Abb. 57: Spannplatz mit Vorrichtung und mit einer mobilen Erfassungseinheit Abb. 58: Vorgaben und Untersuchungsschwerpunkte bei der Materialflusssimulation /5/ Abb. 59: Aufbau eines Simulationsmodells für die gesamte Produktionslaufzeit Abb. 60: Reale und virtuelle Werkzeugmaschine Abb. 61: Online-Anfrage Abb. 62: Gestörtes Bild Abb. 63: Weitgehend entstörtes Bild Abb. 64: Originalbild und scharf gerechnetes Bild Abb. 65: Stundenplanprogramm Abb. 66: Unterschrift von Schulz Abb. 67: Geschäftsprozess der Stadtagentur Abb. 68: Ablauf einer CBT-Sitzung als UML-Aktivitätsdiagramm Abb. 69: Soll-Geschäftsprozess Prüfung anmelden Abb. 70: Arbeitsplan Abb. 71: Spiralmodell (nach Krause) Abb. 72: Darstellung der einzelnen Arbeitspakete über die gesamte Projektlaufzeit Abb. 73: Spezifischer Arbeitsplan Bild- und Zeichenerkennung Abb. 74: Spezifischer Arbeitsplan Geschäftsprozessmanagement Abb. 75: Spezifischer Arbeitsplan Organisation und Controlling Abb. 76: Kosten des Forschungsschwerpunktes Herbar Digital Abb. 77: FinanzierungsplanII (Stand ) Abb. 78: Mittel der Kooperationspartner Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 2

5 1 Formale Angaben 1.1 Antragsteller Projektleiter Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen Fachhochschule Hannover Fachbereich Wirtschaft Ricklinger Stadtweg Hannover Tel: (0511) Fax: (0511) Prof. Dr. Manfred Krause Fachhochschule Hannover Fachbereich Wirtschaft Ricklinger Stadtweg Hannover Tel: (0511) Fax: (0511) Prof. Dr.-Ing. August Potthast Fachhochschule Hannover Fachbereich Maschinenbau Ricklinger Stadtweg Hannover Tel: (0511) Fax: (0511) Prof. Dr. rer. nat. Karl-Heinz Steinke Fachhochschule Hannover Fachbereich Elektro- und Informationstechnik Ricklinger Stadtweg Hannover Tel: (0511) Fax: (0511) Kurzbezeichnung des Vorhabens Herbar Digital Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 3

6 1.3 Kooperationspartner Prof. Dr. rer. nat. Walter Berendsohn Direktor Botanischer Garten und Botanisches Museum Berlin-Dahlem, Zentraleinrichtung der Freien Universität Berlin Königin-Luise-Str. 6-8, Berlin Tel.: (030) Fax: (030) Peter Kindereit Pentacon GmbH Enderstraße 94, Dresden Tel.: (0351) Fax: (0351) Dr. Oliver Koch, CMC Vorstand CTI Consulting AG Wilhelmsstraße 2a Kassel Tel.: (0561) Fax: (0561) Dr. Jan Brase Technische Informationsbibliothek (TIB) Welfengarten 1b Hannover Tel.: (0511) Fax: (0351) Beginn des Vorhabens Dauer des Vorhabens 60 Monate Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 4

7 2 Beschreibung des Forschungsvorhabens 2.1 Kurzfassung der Vorhabensbeschreibung Der Bestand von Herbarbelegen im Botanischen Museum Berlin beträgt 3,5 Millionen. Der deutsche Bestand wird auf 22 Millionen fixiert und weltweit werden konservativ geschätzt in etwa 500 Millionen Herbarbelege unter wissenschaftlich kontrollierten Bedingungen verwaltet. Dennoch können kaum empirische Befunde über die Verbreitung, die Entwicklung und die Bestände von Pflanzen auf der Welt abgeleitet werden. Denn dazu müsste dieser Informationspool digital abgebildet, sozusagen virtualisiert, werden. Die methodischen Voraussetzungen werden von der wissenschaftlichen Community der Botaniker durch eine Vielzahl von global vernetzten Forschungsprojekten geschaffen (Federführend in Deutschland: Prof. Dr. Berendsohn, Direktor am Botanischen Museum Berlin). Aber die kritische Masse für empirische Auswertungen ist noch lange nicht erreicht, sie scheitert an den Kosten. Eine Belegerfassung kostet 20 US$, daraus ergibt sich ein Aufwand von 70 Mio. US$ für Berlin, 440 Mio. US$ für Deutschland und geschätzte 10 Milliarden US$ weltweit. Zwar bewegt sich der weltweite Forschungsetat für botanische Belange in Milliardenhöhe, er wird aber berechtigterweise nicht in die Virtualisierung entsprechend des Bedarfs gelenkt, dazu haben andere Bereiche (Bestandssicherung, -erfassung, -analyse usw.) eine höhere Priorität. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, den Prozess der Virtualisierung von Herbarbelegen und deren Verwaltung so zu automatisieren, dass die Kosten um eine Zehnerpotenz auf 2 US$ pro Beleg reduziert werden. Damit würde das zweifelsohne notwendige Gesamtvorhaben in die durch öffentliche Haushalte und Stiftungsetats realisierbare Größenordnung von 1 Mrd. US$ rücken. Durch eine exemplarische Einzelfalllösung wird es möglich, die Arbeitsstrukturen, die verwendete Software und die applizierte Technik so zu generalisieren, dass generelle Referenzlösungen für die Virtualisierung aller wissenschaftlich gepflegten musealen Objekte abgeleitet und definiert werden können. Der Arbeitsplan des Forschungsvorhabens gliedert sich in fünf Abschnitte von Jahres- bzw. der letzte von Halbjahreslänge. Im ersten Abschnitt sind die Rationalisierungspotenziale und -felder zu ermitteln sowie die Tools und Instrumente zu fixieren, welche für den ersten operativen Betrieb zum Einsatz kommen werden. Es folgen drei Abschnitte in denen jeweils ein Automatisierungsschub am Botanischen Museum in Berlin operativ getestet wird, um so in drei Stufen das wirtschaftliche Rationalisierungsziel technisch umzusetzen, zu erproben und zu optimieren. Im fünften Abschnitt wird das gesammelte Wissen und die Erfahrung transponiert, um die Erkenntnisse auf das vielfach größere, aber ähnlich strukturierte Marktsegment der Virtualisierung von musealen Beständen (historisch, naturhistorisch, kunsthistorisch usw.) zu überführen. Entsprechend der vier beteiligten Disziplinen ergeben sich unterschiedliche Ergebnisse des Forschungsvorhabens: Automationstechnisch (Prof. Dr. Potthast) wird eine Einzelfertigung in eine Fließfertigung überführt. Hierbei werden sowohl organisatorische als auch ergonomische sowie fertigungstechnische Aspekte bearbeitet und in eine Produktionsum- Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 5

8 gebung umgesetzt. Es werden drei Innovationsstufen realisiert. Im Zentrum steht die Objektreproduktion durch die Digitalisierung. Hier wird die Erfassung schrittweise automatisiert, beschleunigt und in der dritten Etappe durch die dritte Dimension (3D) erweitert. Synchron hierzu wird die Handhabung von Zuführung und Abführung teilautomatisiert. Aufgrund der äußerst sensiblen, teilweise jahrhundertealten Vorlagen wird eine Vollautomatisierung nicht angestrebt. Die Interpretation der digitalen Belege (Prof. Dr. Steinke) wird durch Methoden der Bild- und Zeichenerkennung automatisiert. Hierbei wird zwischen Pflanze und Etikett differenziert. Die Qualität der Wiedergabe der getrockneten und gepressten Pflanze wird durch die zu modifizierende Standardverfahren der Bilderkennung reguliert. Generierte Muster werden in die erkenntnis-theoretische Diskussionen der botanischen Taxonomisten eingebracht. Alle Verzeichnungen (Name, Barcode, Anmerkungen usw.) der teilweise mit Handschriften versehenen Etiketten werden mit den Mitteln der Zeichenerkennung und des Wissensmanagements soweit erfasst, dass eine Nachbearbeitung der Digitalisierung sich auf ein Minimum reduziert. Die Ergebnisse für die Wirtschaftsinformatik (Prof. Dr. Krause) ergeben sich aus der globalen Analyse und Auswahl der eingesetzten Tools und Softwareinstrumente sowie des Geschäftsprozessmanagements. Es wird ein spezifisches Geschäftsprozessmodell Virtualisierung von Herbarbelegen für das Botanische Museum Berlin erstellt und erprobt, um es dann im Rollout (Deutschland, global) zu modifizieren und es zu einem generalisierten Referenzmodell weiter zu entwickeln, das im Einsetzfall nur eines begrenzten Customizing bedarf. Aus wirtschaftlicher Sicht (Prof. Dr. Dr. Jaspersen) wird ein Rechnungswesen geschaffen, das eine Controllingstruktur integriert mit der die Vorhaben der Virtualisierung von Herbarbelegen geplant, umgesetzt und kontrolliert werden können. Dies bezieht sich zunächst auf die Gegebenheiten des Botanischen Museums Berlin, wird dann auf deutsche und schließlich auf die globalen Großforschungseinrichtungen (Paris, London usw.) übertragen. Mit der Generalisierung des Erfassungs- und Planungsinstrumentariums auf museale Bestände im Allgemeinen, kann die Marktdimension für deutsche Anlagenhersteller erfasst und penetrierbar gemacht werden. 2.2 Vorhabensbeschreibung Das Forschungsvorhaben ist in dem Netzwerk der botanischen Informatikanwendung und der taxonomischen Forschung integriert. Es besteht insbesondere eine Interdependenz zwischen den laufenden und gewonnenen Erkenntnissen aus den Forschungsprojekten des Botanischen Museum Berlin und den selbst generierten Ergebnissen. Das beantragte Forschungsvorhaben leistet einen interdisziplinären Transfer, die botanischen Forschungsergebnisse werden von den entsprechenden Spezialisten erbracht. Ebenso besteht eine Interdependenz zwischen dem Forschungsvorhaben und der Innovation, insbesondere im Handhabungsbereich und der Anlagenplanung. Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 6

9 Das Forschungsvorhaben Herbar Digital ist ein integrales Bestandteil eines Forschungsverbundes. Im Botanischen Garten Botanischen Museum (BGBM) Berlin-Dahlem werden parallel zum AGIP geförderten Projekt vier weitere Forschungsvorhaben betrieben um der Komplexität des Gesamtthemas gerecht zu werden. Die Projekte sind international aufgestellt und integrieren alle digitalen taxonomischen Aktivitäten der relevanten Institute in der Europäischen Union mit den internationalen Arbeiten insbesondere von Russland und den USA. Die vom BMBF geförderten Projekte GBIF-IT und -Mirror (Global Biodiversity Information Facility) haben eine Laufzeit von 2003 bis 2006 bzw. von 2005 bis In Summe werden ca. 800 T verausgabt, von denen der BGBM einen Anteil von ca. 500 T verantwortet. Forschungsschwerpunkt ist die Ausbildung der IT-Infrastruktur. Das Projekt SYNTHESIS (Synthesis of Systematic Resources) wird ebenfalls von dem BMBF gefördert, hat die Laufzeit von 2004 bis 2009 und thematisiert den belegorientierten Informationszugang und die Verarbeitung. Von der gesamten Forschungssumme von einer Mio. hat der BGBM einen Anteil von 350 T. Das Projekt EDIT (European Distributed Institute of Taxonomy) wird von der EU gefördert. Hat eine Laufzeit von 2006 bis 2010 und behandelt die globalen taxonomischen Probleme der Artendefinition im historischen Kontext. Die Forschungssumme beträgt 4,2 Mio., davon verantwortet der BGBM 2,2 Mio.. Es ergeben sich vielfältige Interdependenzen zwischen allen Forschungsvorhaben. Insbesondere die Relationen zum Herbar Digital-Projekt determinieren die zeitliche Struktur und die inhaltlichen Vorgaben für das hier beantragte Vorhaben. Abb. 1: Forschungsstruktur BGBM Berlin-Dahlem Die Ansiedlung der praktischen Durchführung des Forschungsvorhabens an der Zentraleinrichtung Botanischer Garten und Botanisches Museum Berlin-Dahlem der FU-Berlin ergibt sich geradezu zwingend aus der Rolle dieser Institution im nationalen und internationalen sachbezogenen Umfeld. Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 7

10 Mit dem BGBM verfügt die Freie Universität Berlin über eine zu den 11 weltweit bedeutendsten und aktivsten gehörende botanische Forschungssammlung (höchste Gruppe im Ranking der International Association for Plant Taxonomy). Die zum Fachgebiet botanische Systematik zählende wissenschaftliche Arbeit am BGBM stützt sich dabei auf einen der beiden artenreichsten Botanischen Gärten der Erde, eines der 20 größten Herbarien weltweit und die bedeutendste botanische Fachbibliothek im deutschsprachigen Raum. Für Bildungsaufgaben steht außerdem das europaweit einzigartige botanische Schaumuseum zur Verfügung. Das Herbarium, d.h. die wissenschaftliche Sammlung gepresster und getrockneter Pflanzen, umfasst Vertreter aller Pflanzengruppen (einschließlich der Algen und Pilze). Mit rund 3,5 Mio. Sammlungsobjekten aus den letzten 250 Jahren und jährlichen Neuzugängen von durchschnittlich Exemplaren stellt es die bedeutendste botanische naturkundliche Sammlung in der Bundesrepublik Deutschland dar, die jährlich tausende von Herbarbelegen an andere Forschungsinstitutionen ausleiht (und für die Forschung im eigenen Hause empfängt). Der Austausch erfolgt zunehmend auch in digitaler Form. Durchschnittlich 70 längere Gastforscheraufenthalte pro Jahr zeugen von der Bedeutung der Sammlung für die systematisch-taxonomische, ökologische und medizinischpharmazeutische Forschung. Die technischen Voraussetzungen für einen langfristigen Erhalt und Ausbau der Sammlungen sind durch die im Jahre 1987 abgeschlossene, mit ca. 56 Mio. DM finanzierte Renovierung des Museumsgebäudes and Neubau des Herbariums in hervorragender Weise gegeben. Das mit Fahrschrankanlagen ausgestattete Herbarium erstreckt sich auf einer Gesamtfläche von über 4000 m 2. Die Wissenschaftler des BGBM decken fachlich das gesamte Spektrum an taxonomischen Gruppen im Bereich der Botanik einschließlich der Mykologie (Pilze und Flechten) und Phykologie (Algengruppen) ab. Derzeitige Forschungsschwerpunkte liegen neben den monographischen Arbeiten der einzelnen Wissenschaftler bei der Erstellung von Floren (Bestimmungsschlüssel und Beschreibungen der Pflanzen eines Landes oder Gebietes, z.b. Flora von Kuba) und Checklisten (z. B. die der euromediterranen Flora). Die hervorragende Laborausstattung unterstützt die systematische Grundlagenforschung und wird im molekularen Bereich zunehmend zu einem Schwerpunkt (Evolution von Pflanzengruppen, DNA-barcoding). Zu den Forschungsthemen der Biodiversitätsinformatik gehören z.b. taxonomische Konzepte und ihre Darstellung in Informationssystemen. Der BGBM gibt die international renommierte botanische Fachzeitschrift Willdenowia und die Monographienreihe Englera heraus. Der BGBM ist u. a. über die Direktorenkonferenz der naturwissenschaftlichen Forschungssammlungen (DNFS) in die deutsche Forschungslandschaft eingebunden. Auf europäischer Ebene ist der BGBM eine von vier deutschen Institutionen, die zur Mitgliedschaft im Consortium of Large Scale European Taxonomic Facilities (CETAF) zugelassen wurden und wirkt in mehreren Projekten teilweise federführend an der Koordination der Forschung und Infrastruktur der dort zusammengeschlossenen Institutionen mit. Der BGBM ist auch stark an den Aktivitäten der International Association for Plant Taxonomy beteiligt, die u. a. die normgebende Körperschaft für die wissenschaftliche Benennung von Pflanzen darstellt. Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 8

11 Am BGBM hat man frühzeitig die mit der Informationsgesellschaft verbundenen neuen Anforderungen an die Forschungsinstitutionen erkannt und mit dem Aufbau entsprechender Organisationsstrukturen begonnen. Dies führte 1992 zur Einrichtung des Referats 1998 zur Einrichtung der Abteilung für Biodiversitätsinformatik am BGBM mit einer der Aufgabe entsprechenden technischen Infrastruktur (siehe Abb. 2). Neben dem Aufbau und der Betreuung hausinterner Infrastruktur und Informationssystemen waren bei der Entwicklung dieses Bereichs von Beginn an kollaborative Drittmittelprojekte von hoher Bedeutung. Die Mitarbeit an internationalen Standardisierungsbemühungen für Biodiversitätsdaten und Informationsstrukturen im Rahmen der Taxonomic Databases Working Group spielte ebenfalls stets eine große Rolle. Der BGBM konnte sich dabei im Verlauf der letzten 15 Jahre zur europaweit führenden Einrichtung auf dem Gebiet der Biodiversitätsinformatik entwickeln. Abb. 2: Technische Infrastruktur Aufgrund seiner Rolle als internationales botanisches Kompetenzzentrum stellt der BGBM ein breites Spektrum von wissenschaftlichen Informationen über eigene Datenbanken und WWW-Services bereit. Hierfür steht eine eigene EDV Infrastruktur mit mehreren Serverclustern zur Verfügung. Die Zusammenführung von Datenbanken am BGBM selbst, meist in internationaler Zusammenarbeit, ist ein Thema zahlreicher Drittmittelprojekte, so z. B. im Rahmen der starken Beteiligung des BGBM an der Global Biodiversity Information Facility und die Federführung im Bereich der Vernetzung von Sammlungsdatenzugang in Europa. Informationsbereitstellung wird aber auch (z. B. in Form des Virtuellen Herbariums und der Bestandsdatenbank des Botanischen Gartens Bogart ) als Aktivität im Kernaufgabenbereich betrieben. Biodiversitätsinformatik. Dieser Megascience Activity (OECD Forschungsminister) kommt eine wachsende Bedeutung bei der Erschließung und Analyse der Biosphäre zu. Die Herausforderungen bei Handhabung, Zusammenführung, Aufbereitung und Retrieval der mit der biosystematischen Forschung und Inventarisierung verbundenen heterogenen Datenfülle aus mehreren verschiedenen Disziplinen hat schon frühzeitig zu einer engen Zusammenarbeit und Verflechtung mit der Informatik geführt. Die daraus hervorgegan- Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 9

12 gene Biodiversitätsinformatik steht eigenständig neben der molekularen Bioinformatik und der Umweltinformatik und revolutioniert die Analyse der Biodiversität, überführt Grundlagenforschungsergebnisse in den angewandten Bereich und bereitet den Weg für entscheidende und im Zuge der globalen Biodiversitätskrise dringend benötigte Effizienzsteigerungen im taxonomischen Arbeitsprozess. Als Verknüpfungsglied zwischen der molekularen und der ökosystemaren Ebene kommt der organismisch orientierten Biodiversitätsinformatik eine Integrationsfunktion zu, die sowohl in die biologisch- und ökosystemar-funktionellen als auch in die ökonomisch-sozialen Funktionen des Systems Erde einstrahlt. Es handelt sich um einen Forschungs- und Entwicklungsbereich, in dem der BGBM weltweit eine Spitzenposition einnimmt. In der Abteilung Biodiversitätsinformatik sind zurzeit 20 Mitarbeiter beschäftigt. Die Abteilung Biodiversitätsinformatik ist zum Teil federführend an internationalen Projekten beteiligt. Folgende laufende Projekte können auszugsweise genannt werden: BioCASE (A Biological Collection Access Service for Europe): Ein am BGBM koordiniertes Forschungs- und Entwicklungsprojekt bis , finanziert von der EU im 5. Forschungsrahmenprogramm (Forschungsinfrastrukturen), aufbauend auf den beiden ebenfalls am BGBM koordinierten Projekten CDEFD (A Common Datastructure for European Floristic Databases. Concerted Action, ) und BioCISE (A Biological Collection Information Service in Europe Resource Identification, und 4. FRP). Neben der Gesamtkoordination war der BGBM für die Entwicklung des Netzwerksystems und der Metadatenbank verantwortlich. BioCASE wurde teils in GBIF integriert (s.u.), teils von den EU Projekten ENBI und SYNTHESYS weitergeführt. ENBI (European Network for Biodiversity Information): Im Rahmen dieses europäischen Netzwerk-Projekts hat der BGBM die Aufgabe übernommen, mindestens 100 europäische Sammlungsdatenbanken an ein gemeinsames Zugangssystem anzuschließen. Hierfür wird das BioCASE-Netzwerk verwendet, da hier die geforderten komplexen Datenstrukturen unterstützt werden. SYNTHESYS (Synthesis of Systematic Resources): CETAF (Consortium of largescale European Taxonomic Facilities) ist eine Direktorenkonferenz der großen europäischen Forschungssammlungen und damit ein Infrastrukturprojekt (EU, 6. FRP) koordiniert vom Natural History Museum, London, in Kooperation mit 19 europäischen naturhistorischen Museen und botanischen Gärten. Der BGBM koordiniert die biodiversitätsinformatischen Aufgaben im Projekt und ist am deutschen Access to Infrastructures Knoten beteiligt. GBIF-D (Global Biodiversity Information Facility, Deutschland): Koordination des nationalen botanischen Knotens in GBIF-D und wissenschaftliche Gesamtkoordination des deutschen GBIF Knotenssystems (Förderung: BMBF). EDIT (European Distributed Institute for Taxonomy): Ein am 1. März 2006 beginnendes Excellenznetzwerk im 6. Forschungsrahmenprogramm der EU. Der BGBM koordiniert den gesamten Biodiverisitätsinformatikbereich (über 40% des Gesamtbudgets in Höhe von 11,9 Mio. Euro). ABCD (CODATA - Task Group on Access to Biological Collection Data): Eine von W. G. Berendsohn geleitete Kommission, 2001 als Arbeitsgruppe (Working Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 10

13 Group) begonnen, seit 2003 in den Status einer CODATA Task Group erhoben. Ziel ist, einen XML-basierten Standard für biologische Sammlungsdaten zu erarbeiten (verabschiedet im September 2005) und weiterzuentwickeln. Unterstützt vom Committee on Data for Science and Technology (CODATA) des International Council of Scientific Unions und vom TDWG Infrastructure Project, das von der Moore Foundation finanziert wird. Neben diesen auf die Biodiversitätsinformatik und Informationsmobilisierung ausgerichteten Projekten beteiligt sich die Abteilung auch direkt an den zahlreichen, vom BGBM koordinierten oder mitgestalteten weltweiten Florenprojekten und taxonomischen Forschungsvorhaben. Seit etwa 1996 wurden die globalen Bestrebungen zur Verbesserung des Informationszuganges zur Biodiversität in Bestrebungen mit dem Ziel kanalisiert, eine virtuelle Großforschungseinrichtung, Global Biodiversity Information Facility (GBIF) einzurichten. Nach einem dahingehenden Beschluss der Forschungsminister, die einer Empfehlung des OECD Megascience Forum folgte, wurde GBIF im Jahre 2001 ins Leben gerufen. Es handelt sich dabei um eine über ein Memorandum of Understanding von den Mitgliedsstaaten konstituierte und finanzierte Einrichtung. Das Sekretariat befindet sich in Kopenhagen und koordiniert den Aufbau der globalen Informationsinfrastruktur, die den Zugang zu den über die letzten Jahrhunderte in Sammlungen und Literatur niedergelegten Forschungsergebnissen möglich machen soll. Participant Nodes der Mitgliedsstaaten sollen die Informationsmobilisierung auf der nationalen Ebene organisieren, die Datenbereitstellung zu Sammlungen wird weitgehend dezentral über standardisierte WWW- Datenschnittstellen zu den individuellen Datenbanken der Sammlungsinstitutionen hergestellt (data nodes). Schon an der AG für Biodiversitätsinformatik des OECD Megascience Forum war der BGBM aktiv beteiligt und nach der Etablierung von GBIF wurden die in den europäischen und deutschen Projekten entwickelten Techniken und Systeme in das GBIF System eingebracht. Der BGBM hat auch die Federführung im deutschen GBIF Knotensystems sowie die Leitung des botanischen Knotens von GBIF-D übernommen. Der Akzent der im Rahmen des BMBF-geförderten GBIF-D Programms geleisteten Anschubfinanzierung liegt auf der Mobilisierung von vorhandenen Sammlungsdaten. Im Rahmen des deutsche Knotensystem im GBIF-Verbund entsteht eine verteilte wissenschaftliche Informationsstruktur, die einerseits den Spezialinteressen der verschiedenen Subdisziplinen und Benutzergruppen Rechnung trägt, andererseits eine langfristig angelegte Einrichtung für die gemeinsame Präsentation, die Interaktion und die optimale Nutzung der im Rahmen von GBIF einzubindenden deutschen Informationsressourcen schafft. Man ermöglicht dabei unter Nutzung vorhandener institutioneller Ressourcen und unter Wahrung der Autonomie und der Urheberrechte der Erzeuger die Vernetzung und Interoperabilität der angebotenen Datenbestände. Das GBIF-Sekretariat hat die GBIF Biodiversity Data Architecture veröffentlicht (GBIF Data Access and Database Interoperability: GBIF Biodiversity Data Architecture, Version: 0.7 (Draft), Donald Hobern, DADI Programme Officer, GBIF Secretariat, das den derzeitigen Stand der Technik und der Entwicklung des GBIF Netzwerks darstellt. Diese Entwicklung wird durch das Data Access and Data Interoperability Committee (DADI) Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 11

14 vorangetrieben, in dem der BGBM vertreten ist. Mit der Digitalisierung von naturkundlichen Sammlungen beschäftigt sich das DIGIT Komitee unter der Federführung des BGBM. Europäische Initiativen, die Projekte BioCISE, ENHSIN und BioCASE haben die Entwicklung von technischem Protokoll und Datenstandard entscheidend mitbestimmt, wobei große Teile der Entwicklungsarbeit am BGBM geleistet wurden und werden. DADI erkennt auch den von TDWG/CODATA und BioCASE zusammen entwickelten ABCD Standard als Datendefinition und Datenaustauschstandard für Sammlungsdaten an ( GBIF will adopt the TDWG/CODATA ABCD (Access to Biological Collection Data) standard and will encourage providers to deliver data in this format. This will be used for exchanges at all levels of detail from full opulation of the ABCD schema down to exchange of specimen/observation index data. [GBIF Biodiversity Data Architechture 0.4]). ABCD (Access to Biological Collection Data) ist eine Task Group unter CODATA und eine Unterarbeitsgruppe der IUBS Kommission Taxonomic Databases Working Group, die sich unter der Federführung von Berendsohn mit der Entwicklung eines Datenstandards für Sammlungsdaten auseinandersetzt (das Ergebnis wurde als XML Schema vorgelegt). BioCA- SE/ABCD Datenquellen sind fest in das internationale Zugriffssystem von GBIF integriert und ermöglichen bereits heute den Zugang zu Sammlungs- und Observationsdatensätzen, die von Institutionen bereitgestellt werden. Das AGIP Projekt mit seinem Ansatz, die Datenerfassung und die Informationsflüsse im Bereich der biologischen Sammlungen radikal zu rationalisieren, hat potentiell eine e- norme Wirkung im gesamten GBIF/BioCASE System. Durch die starke Vernetzung und den Einfluss des BGBM im internationalen Rahmen ist diese Institution ein idealer Multiplikator für die Projektergebnisse, die unmittelbaren Modellcharakter für die Sammlungsinstitutionen in Deutschland, Europa und weltweit hätten. Das Projekt erhält damit eine Bedeutung, die sich sonst schwerlich erreichen ließe. Der BGBM übernimmt, aus seiner dargestellten und bereits bestehenden Rolle heraus, die gesamte fachliche Anbindung des AGIP Projekts im taxonomisch-wissenschaftlichen Bereich sowie die technische und organisatorische Vernetzung von AGIP mit den nationalen und internationalen Netzwerken. Ziel des Vorhabens Herbar Digital ist es, die Prozeduren zum Erhalt eines digitalisierten Herbarbeleges zu beschleunigen und so zu automatisieren, dass die Einzeldigitalisierung Bestandteil einer Massenverarbeitung wird. Hierzu werden die physischen Erfassungsvorgänge teilautomatisiert, die digitalen Belegdaten ausgewertet, alle Einzelaktivitäten durch spezifische Software unterstützt und die Arbeitsstrukturen reorganisiert. Für die betroffenen Mitarbeiter erfolgt ein komplettes Reengineering. Das Vorhaben hat somit folgende drei Arbeitsphasen zu durchlaufen (vgl. dazu Küchler 2004, S. 56 f.): die Konzeption (Plan), die Umsetzung (Build) und der operative Betrieb (Run). Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 12

15 Da solch eine Umstrukturierung weder technisch noch sozial in einem Ablauf zu vollziehen ist, gliedert sich das Vorhaben in fünf Hauptphasen, in denen drei Automatisierungsniveaus angestrebt werden: Hauptphase I: Gesamtkonzeption mit der Einrichtung einer virtuellen Versuchsanlage an der Fachhochschule Hannover. Hauptphase II: Automatisierungsniveau 1 im BGBM o Konzeption 1 o Umsetzung 1 o Operativer Betrieb 1. Hauptphase III: Automatisierungsniveau 2 im BGBM o Konzeption 2 o Umsetzung 2 o Operativer Betrieb 2. Hauptphase IV: Automatisierungsniveau 3 im BGBM o Konzeption 3 o Umsetzung 3 o Operativer Betrieb 3. Hauptphase V: Auswertung der wissenschaftlichen Ergebnisse und Übertragung auf andere Standorte mittels globaler Standarddefinitionen. Je nach Arbeitsphase und entsprechend der Hauptphasen unterscheiden sich die eingesetzten Methoden, Tools und IT-Standardprodukte als Instrumente. Es gilt folgender Sprachgebrauch: Für die Konzeption bedient man sich mit Instrumenten für die Entwicklung der später einzusetzenden Instrumente. Das sind Entwicklungsinstrumente. Für die Umsetzung und den operativen Betrieb werden Arbeitsinstrumente benötigt wie Standardsoftware oder spezifisch entwickelte Individualsoftware. Für komplexe Inbetriebnahme und den laufenden Betrieb benötigt man noch zusätzliche Instrumente zur Bewertung und zum organisatorischen Controlling, es sind Hilfsinstrumente, wie beispielsweise ITIL (Information Technology Infrastructure Library; vgl. dazu Olbrich 2004, S. 12 ff.). Entsprechend der vier beteiligten Disziplinen ergeben sich unterschiedliche Arbeitsziele des Vorhabens, die jeweils nur mit spezifischen Instrumenten zu konzipieren sind und zu realisieren sind Arbeitsziele des Vorhabens Automation Die einzelnen Arbeitsschritte für eine zukünftige Virtualisierung von botanischem Belegmaterial sind in Abbildung 3 dargestellt. Zurzeit liegen erste Ergebnisse mit einem Scanner im Botanischen Museum von Berlin vor. Das Belegmaterial beinhaltet gepresste Pflanzen, die auf Bögen geklebt sind. Es wird in einem Einzel- oder Musterablauf gescannt und danach manuell im Rechner ausgewertet. Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 13

16 Dabei wird der Herbar Beleg vom Anwender auf eine Arbeitsplatte unter dem Scanner gelegt und ausgerichtet. Dann wird der Scanner für diesen Beleg über einen PC-Rechner eingestellt, anschließend wird der Beleg gescannt und abgespeichert. Teilweise muss vor dem Speichern noch die Helligkeit oder der Kontrast von dem digitalisierten Beleg über dem PC angepasst werden. Abb. 4: Der Kreislauf von Herbar Digital Der gesamte Vorgang dauert zwischen 8 und 15 Minuten. Die reine Zeit des Scannens für eine optimale Erfassung des Herbar Belegs beträgt 3,5 Minuten. Betrachtet man den Vorgang aus fertigungstechnischer Sicht, so existiert für den Arbeitsgang eine hohe Nebenzeit und geringe Hauptzeit, nämlich die Zeit für das Scannen. In der Fertigung wird versucht, die Nebenzeiten so gering wie möglich zu halten. Ein wesentliches Ziel dieses Vorhabens ist es, die maximale Ausnutzung der Hauptzeit des Scanners und somit die Voraussetzungen für einem maximalen Durchlauf der Digitalisierung von Belegen zu erreichen. Die Nebenzeit bezieht sich auf den gesamten Rüstvorgang, dieser muss systematisiert und automatisiert werden. Die Taktzeit des Scanners ist die wesentliche Vorgabe, um die gesamte Prozesskette der Digitalisierung von Belegen zu synchronisieren. In diesem Forschungsvorhaben muss die Arbeitsmethode und Arbeitsplatzgestaltung so entwickelt werden, um den Scanner maximal auszunutzen. Nach dem Scannen soll eine automatische Texterkennung durchgeführt werden, wobei diese Informationen mit an den digitalisierten Belegen gehängt werden. Bedingt durch den geforderten und notwendigen Durchsatz von Belegen pro Tag ist für dieses Vorhaben der Ansatz eines Ganzheitlichen Produktionssystems notwendig. Dies wird durch Fokussierung und strikter Anwendung methodischer Prinzipien zur Zielerreichung und der Ausschöpfung des Mitarbeiterpotenzials bei Imitierung und Durchführung von Verbesserungsmaßnahmen erreicht. Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 14

17 Im Rahmen einer ersten Vorlaufstudie wurde von der Fachhochschule Hannover ein mögliches Konzept für die effiziente Erfassung und Auswertung von Belegen erarbeitet (siehe Abbildung 4). Dieses Konzept gliedert sich für den täglichen Betrieb der Virtualisierung in vier Schwerpunkte: Planung und Durchsatzsteuerung der Belege für einen bestimmten Zeitabschnitt, Vorbereitung der Belege für das automatische Scannen, das Scannen und Abrüsten der Belege, Auswertung der gescannten Daten und Bereitstellung für den Versand. Vor der Realisierung einer derartigen Anlage steht eine umfassende Planung und Absicherung des geplanten Durchsatzes pro Zeiteineinheit. Prinzipiell ist zwischen einer Büro- und Lagerebene zu unterscheiden. Die Büroebene bezieht sich auf die Planung und Auswertung. Auf der Lagerebene findet der eigentliche Fertigungsprozess statt, das Scannen der Belege. Für die hochempfindlichen Belege muss der Rüstvorgang vor dem Scannen aufgabenspezifisch mit einer noch zu entwickelnden Transporteinheit ausgelegt werden. Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 15

18 Abb. 5: Prinzip-Layout für eine durchgängige Herbar Lösung, 2. Stufe In Abbildung 5 sind auf Basis des Prinziplayouts die notwendigen Hard- und Softwaresysteme aufgelistet. Herbar Digital erfordert dementsprechend eine sehr komplexe und angepasste Rechnerlösung. Es ist zu prüfen, inwieweit für dieses Vorhaben Standardsoftware eingesetzt werden kann oder welche Neuentwicklungen notwendig sind. Wichtig sind die Schnittstellen der einzelnen Systeme, um eine durchgängige Lösung zu erreichen. Erweiterungen der Standardsoftware sind unbedingt notwendig. Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 16

19 Abb. 6: Beschreibung der notwendigen Hard- und Software-Funktionen für Herbar Digital Für den Bereich der Automatisierung ist der Scanner mit seinen spezifischen Gegebenheiten der Kernpunkt der Entwicklung, um den die Arbeitsvorgänge systematisch automatisiert werden müssen. Neben der Softwarelösung, einer noch zu konstruierenden Zu- und Abführeinheit müssen noch die beteiligten Mitarbeiter des Herbars in die Lage versetzt werden, niedrige Nutzungsgrade im Bereich des Scanners zu vermeiden und Abläufe zu verbessern. Stabile und effiziente Prozesse sind von der Entnahme der Belege aus dem Lager bis zum Rücktransport der Belege ins Lager erforderlich. Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 17

20 Im ersten Arbeitsschritt des Vorhabens soll der gesamte Vorgang des Scannens automatisiert werden. Die individuellen Einstellungen des Scanners pro Beleg müssen entfallen. Dabei darf die Qualität der gescannten Daten von einem Beleg nicht schlechter werden. Hier müssen durch entsprechende Versuche mit unterschiedlichen Belegen die Einstellparameter aufgenommen und dokumentiert werden. Diese Einstellparameter müssen anschließend dem einzelnen Belegtyp und deren Beschaffenheit automatisch mit dem Rechner zugeordnet werden, so dass diese zeitintensiven Einstellungen entfallen können. Bei einer Serienerfassung sind bei der Vielfalt der Belege die Einstellungen des Scanners ständig zu optimieren. Dies ist ein ständiger Verbesserungsprozess durch den Anwender. Mit der noch zu entwickelnden Steuerungssoftware müssen neue Einstellungen problemlos übernommen werden. Ziel der ersten Realisierungsphase ist es, dass die Belege auf dem Arbeitstisch des Scanners manuell ausgerichtet werden und der Scannvorgang nach dem Lesen des Barcodes der Belege automatisch abläuft. Dabei werden die gescannten Daten automatisch gespeichert und können anschließend direkt von der Texterkennung bearbeitet werden. Erst wenn diese Aufgabe zufrieden stellend gelöst ist, kann mit dem zweiten Automatisierungsschritt im Umfeld des Scanners gestartet werden. Der Anwender muss von dem so genannten Maschinentakt des Scanners entbunden werden. Das Auflegen und Ausrichten der Belege auf dem Scanntisch und die direkte Entnahme der Belege muss vereinfacht werden. Aus der Fertigung wird bei der Fräsbearbeitungen in der Einzel- und Kleinserienfertigung ein Wechseltisch eingesetzt. Von einem Tisch wird das fertige Werkstück entnommen, um das neue Werkstück zu spannen. Parallel zu diesem Vorgang wird das zweite Werkstück bearbeitet. Ist das zweite Werkstück fertig, wird der Tisch gewechselt. Dieses Prinzip soll auch auf den Scanner übertragen werden (Abbildung 6). Bedingt durch das Gewicht und der Größe der Belege vereinfacht sich der Wechseltisch wesentlich. Auch müssen die Belege nicht fest gespannt werden, da keine Bearbeitung stattfindet. Zur einfachen und sicheren Ausrichtung der Belege sollen leichte Holzpaletten eingeführt werden. Zum einen wird auf einer derartigen Palette durch eine mögliche Umrandung der Beleg ausgerichtet und zum anderen lässt sich die Palette mit einer entsprechenden Halterung optimal auf dem Wechseltisch oder dem Transportsumlaufband zentrieren. Die Paletten bieten beim Seriendurchlauf einen optimalen Schutz für die Belege. Es ist aber darauf zu achten, dass der Beleg wieder auf einfache Weise von der Palette entnommen werden kann. Da die Belege unterschiedlich groß sind, müssen verschiedene Paletten vorhanden sein. Für eine optimale Handhabung müssen diese Paletten im Rahmen dieses Forschungsvorhabens entwickelt und getestet werden. Auch muss die Palettengröße automatisch erkannt werden, damit der Scanner optimal angepasst wird. Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 18

21 Abb. 7: Herbar Digital Lösung, 1. Stufe Erst nach erfolgreichem Abschluss jeder Entwicklungsphase erfolgt die Freigabe für den Einsatz im BGBM. Alle Testphasen werden an der FH Hannover durchgeführt. Entscheidend ist das Feedback aus dem BGBM von den eingesetzten Lösungen, um kontinuierliche Verbesserungen während der gesamten Projektlaufzeit durchzuführen. Das Erfahrungswissen des Anwenders bezogen auf den Informationsgehalt eines Belegs und dem Automatisierungsprozess muss umfassend genutzt werden. Die nächste Automatisierungsstufe ist eine automatische Zu- und Abführeinrichtung, um den Durchlauf zu erhöhen und um den Anwender noch mehr vom Maschinentakt des Scanners zu entkoppeln. Die Paletten müssen sich über ein Transportband, Magazine oder andere Lösungen problemlos in den Scannprozess ein- und auslasten lassen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens muss diese Lösung projektiert und gefertigt werden. Die Zu- und Abführeinheit sollte nach Möglichkeit in Leichtbauweise mit Standardelementen erfolgen, um für den Arbeitsplatz Scanner eine angepasste und wirtschaftliche Lösung zu bekommen. Nach einer ersten Projektierung sind umfangsreiche Untersuchungen erforderlich, um die effizienteste Lösung für diese Aufgabe zu bekommen. Auch sollte eine so genannte Mehrmaschinenbedienung untersucht werden, um von einem Rüstplatz zwei Scanner versorgen zu können. Zu beachten sind auch die baulichen Gegebenheiten vom BGBM. Die Optimierung der Gesamtlage, die Gewährleistung einer hohen Verfügbarkeit ist ein weiterer wichtiger Arbeitsschwerpunkt. Mit steigendem Automatisierungsgrad sind die manuellen Arbeitsabläufe in Zusammenarbeit mit den Mitarbeitern des BGBM zu verbessern. In einem weiteren Arbeitsschritt sind die Einsatzmöglichkeiten eines 3D- Scanners zu untersuchen Bild- und Zeichenerkennung Im Rahmen dieser Projektskizze wird die Auswertung mittels digitaler Bildverarbeitung im folgenden Abschnitt näher erläutert. Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 19

22 Die Vorgangsverwaltung der gescannten Pflanzenproben stellt eine wesentliche Komponente des Wirksystems dar. Da die Proben mit einem Barcode versehen sind, kann dieser als Primärschlüssel für einen Datenbankeintrag dienen. Der Barcode kann beim Scannen mit einem Barcode-Leser erfasst werden und als Dateiname benutzt werden. Auf diese Weise ist jedes Digitalbild umkehrbar eindeutig einer Pflanzenprobe zugeordnet. Das Eintragen der Textdaten in die Datenbank kann beim Scannen über ein auf dem Bildschirm angezeigtes Formular geschehen oder zeitlich und örtlich getrennt an einem anderen Arbeitsplatz durchgeführt werden. An diesem Arbeitsplatz wird das gescannte Bild zur Begutachtung dargestellt. Zur Bildverbesserung können jetzt vielfältige Verfahren eingesetzt werden, wie z.b. Tonwertund Farbkorrektur, Helligkeits- und Kontrastnormierungen. Diese Verfahren können von einer Bedienperson gestartet werden, aber auch vollautomatisch ablaufen. Die Information für einen vollautomatischen Ablauf kann aus den Grauwert- und Farbhistogrammen gewonnen werden. Der die Pflanze beschreibende Text kann durch den Bediener vom Bild abgelesen und in ein Formular eingetragen werden. Besser ist natürlich der Einsatz eines Verfahrens zur optischen Zeichenerkennung, welches im Idealfall den maschinengeschriebenen Text auf der Probe komplett richtig liest. Dieser Idealfall wird aber nicht immer erreichbar sein, da die Texte zum Teil auf über den Pflanzenschaft gebogenen Zetteln stehen, mit unterschiedlichsten Uralt-Schreibmaschinen geschrieben sind, zum Teil verwischt oder verblichen sind und im schlechtesten Fall handschriftlich eingetragen sind. In diesen Fällen soll dem Bediener mit Hilfe einer Wissensdatenbank und A-priori-Wissen ein Vorschlag gemacht werden, den er nur noch bestätigen oder aber korrigieren muss. Eine nicht zu unterschätzende Schwierigkeit ist auch die Unterscheidung der unterschiedlichen Objekte auf dem Scan wie Pflanze, Büroklammern, aufgeklebte Zettel, Stempel, Tüten mit abgebrochenen Pflanzenstücken usw. Kann der Bereich, in dem sich die Pflanze befindet, eindeutig identifiziert werden, so sind Merkmalsextraktionsverfahren denkbar, die die Pflanzenprobe beschreiben und evtl. sogar zur Klassifizierung führen können. Die beiden zurzeit in Betrieb befindlichen Scan-Kameras Scan5000 von Schneider Kreuznach haben eine Auflösung von 8192*12000 Pixel. Sie erfassen mit Schwellwertsetzung von Hand und Eintrag der relevanten Daten in ein Formular auf dem Bildschirm den so genannten Beleg in ca. 10 Minuten. Die Bilder werden in 4 unterschiedlichen Formaten erfasst, wobei das größte etwas größer als DIN A3 und das kleinste ca. DIN A4 ist. Der Barcode ist im Normalfall unten rechts aufgeklebt, kann sich aber auch bei Platzmangel oben rechts oder oben links befinden. Er wird möglichst horizontal aufgeklebt. Etwa 30 % aller Belege weisen handschriftliche Notizen auf kleinen Etiketten auf, die sich in der Regel unten links befinden. Bei Platzmangel oder weiteren Bearbeitung des Belegs durch Fachleute sind die Etiketten aber auch an anderen Stellen zu finden. Bei den neueren Belegen sind die Etiketten mit Druckschrift versehen. Das gescannte Bild enthält also unterschiedliche Objekte mit unterschiedlicher Wertigkeit und Verfahrensweise. Der erste Schritt besteht darin, die unterschiedlichen Objekte wie Pflanze, Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 20

23 Etikett, Barcode, Stempel usw. mit automatischen und interaktiven Methoden voneinander zu trennen. Abb. 8: Komplettbeleg Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 21

24 Abb. 9: Maßstab Der Maßstab muss nicht ausgewertet werden. Er dient später den Fachleuten zur Vermessung der Pflanze. Abb. 10: Aufkleber Der Aufkleber muss nicht ausgewertet werden. Es handelt sich bei dem Beleg um einen Typusbeleg ( Urmeter der Pflanzennamen ). Bei solchen wertvollen Belegen ist eine aufwendigere Bearbeitung angedacht, wie z.b. genauere Untersuchung der Handschriften, um evtl. den jeweiligen Schreiber und damit u.a. auch den Fundort herauszufinden. Abb. 11: Farbtabelle Die Farbtabelle kann zur Farbtemperaturbestimmung der Aufnahme ausgewertet werden. Abb. 12: Pflanze Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 22

25 Das wichtigste Objekt ist sicherlich die Pflanze. Die Qualität der Wiedergabe der getrockneten und gepressten Pflanze kann durch zu modifizierende Standardverfahren der Bildverarbeitung mit Hilfe der Farbtabelle verbessert werden. Mittels Verfahren der Mustererkennung können Merkmalsvektoren generiert werden, die in die erkenntnistheoretische Diskussionen der botanischen Taxonomisten eingebracht werden können. Abb. 13: Barcode Der Barcode ist eindeutig dem Beleg zugeordnet und dient auch als Dateiname. Zur Verifikation wäre es wünschenswert, den Barcode oder die darunterstehende Buchstabenund Ziffernfolge automatisch zu lesen und mit dem Dateinamen abzugleichen. Abb. 14: Stempel Der Stempel muss nicht ausgewertet werden. Abb. 15: Etikett mit Handschrift Die automatische Erkennung dieser zusammenhängenden Handschrift scheint ein nahezu unlösbares Problem, insbesondere da hier Pflanzenteile mit Schattenwurf hineinragen. Oftmals befinden sich Stockflecken auf dem alten Papier oder es scheinen von der Rückseite andere Schriftproben durch. Erschwerend kommt hinzu, dass teilweise noch Einträge in Sütterlin geschrieben sind. Selbst der geschulte Mensch, der in der Erkennung von Handschriften zu Höchstleistungen imstande ist, hat mit den vorliegenden Schriftproben Schwierigkeiten und ist manchmal selbst nach langem Rätseln nicht in der Lage, den Text zu lesen. Der Ansatz des automatischen Lesens zusammenhängender Handschrift wird hier nicht weiterverfolgt. Die Handschrift enthält neben der Textinformation aber weitere schreiberspezifische Information, die für die Taxonomie nicht uninteressant ist. Oftmals ist es wichtig, den Finder der Pflanze und damit den Schreiber des ersten Etiketts herauszufinden. So hat z.b. Alexander von Humboldt viele Pflanzen be- Fachhochschule Hannover, Prof. Dr. Dr. Thomas Jaspersen, Prof. Dr. Manfred Krause, 23