Prozessierung eines deutschlandweiten ATKIS Basis-DLMs als Grundlage eines Monitors der Siedlungs- und Freiraumentwicklung

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1 Prozessierung eines deutschlandweiten ATKIS Basis-DLMs als Grundlage eines Monitors der Siedlungs- und Freiraumentwicklung Gotthard MEINEL, Maria ENGEL und Arno KLEBER Zusammenfassung Im Rahmen des Forschungsschwerpunkts Monitor der Siedlungs- und Freiraumentwicklung des Leibniz-Instituts für ökologische Raumentwicklung e.v. (IÖR) sollen deutschlandweit Indikatoren zur Beschreibung der Siedlungs- und Freiraumentwicklung in hoher räumlicher Auflösung auf Grundlage von Geobasisdaten in Verknüpfung mit Statistikdaten erstellt werden (MEINEL et. al. 2007). Die Flächenbilanzen werden in Zukunft automatisiert, wiederholt und mit gleicher Methodik auf Grundlage der jeweils aktuellen Geobasisdaten durchgeführt. Das geplante Indikatorensystem soll Grundlagen für die Evaluationen der Flächennutzungsentwicklung hinsichtlich strategischen Zielen und Leitlinien der Siedlungs- und Freiraumentwicklung ermöglich (u. a. Nachhaltigkeitsgrad). Neben der automatisierten Auswertung Topographischer Karten im Maßstab 1: werden Daten des Amtlichen Topographisch-Kartographischen Informationssystems (ATKIS) in der Version Basis-DLM (Maßstab 1:25.000) aufbereitet und analysiert. In dem Beitrag werden der Stand des ATKIS Basis-DLMs für Deutschland dargestellt und existierende Probleme angesprochen. Anschließend werden die Vorverarbeitungsprozeduren für eine automatische Blattschnittentfernung und weitere Fehlerbehebungen dargestellt. Diese umfassen auch die Aufbereitung der verschiedenen Gebietseinheiten, die Grundlage für spätere numerische Ausgaben und Visualisierungen der Flächenbilanzen der Siedlungsentwicklung sind. Da ATKIS je nach Bundesland in Kacheln unterschiedlicher Größe fortgeschrieben wird, ist die Erstellung von Zeitstempeln der Aktualität der Indikatoren für die Gebietseinheiten nötig. Die Modellierung und der Aufbau der Datenbank, die Grundlage für Berechnungen und Abfragen ist, werden erläutert. Auf Basis der bereinigten und homogenisierten Daten wird in einem Auswertteil eine Vielzahl von Indikatoren automatisch berechnet, für die verschiedenen Gebietseinheiten aggregiert und in einer MySQL-Datenbank abgelegt. Diese Datenbank ist Grundlage für spätere Visualisierungen mittels PHP6. 1 Datengrundlage ATKIS Basis-DLM Das Amtliche Topographisch-Kartographische Informationssystem (ATKIS) ist die wichtigste Geobasisinformation in Deutschland. Im Rahmen dieser Arbeit wird nur das Digitale Landschaftsmodell (DLM) in seiner Basisversion (Maßstab 1:25.000) betrachtet. Da sich die Qualität der Daten in den letzten Jahren deutlich erhöht hat und sie inzwischen sukzessiv Grundlage für die Ausgabe Topographischer Karten im Maßstab 1: und 1: wird was eine entsprechende Datenqualität voraussetzt ist es sinnvoll, diese Daten auch zur Grundlage von Flächenbilanzen zu machen. Dieses gilt insbesondere vor dem Hinter-

2 Prozessierung eines deutschlandweiten ATKIS Basis-DLMs 35 grund, dass die derzeitige amtliche Flächenstatistik für eine kleinteilige Bewertung der Nachhaltigkeit der Siedlungsentwicklung wenig geeignet ist (SIEDENTOP et. al., 2007). Das Basis-DLM wurde schrittweise aufgebaut und liegt heute für ca. 90 % der Fläche Deutschlands in der Ausbaustufe 3 vor (MEINEL et. al., 2008). Die Vermessungsämter der Bundesländer sind für die Erstellung und Fortschreibung des Basis DLM verantwortlich, was nicht nur einen unterschiedlichen Erhebungsstand der Daten bedingt. Trotz der Festlegungen des Objektartenkatalogs (OK) sind immer wieder deutliche Abweichungen in den Datenbeständen der Bundesländer zu konstatieren, die eine automatisierte Auswertung der Datenbestände stark erschweren. Dieses ist auch nach Homogenisierung durch das BKG festzustellen, dass nur eine Prüfung der Grenzlinien durchführt, Fehler an die zuständigen Vermessungsämter rückmeldet und eine Exportaufbereitung (Ebenen, Kachelung, Georeferenz, Formate) vornimmt. Das Basis DLM beschreibt die Siedlungs- und Freiraumstruktur in Form verschiedener Flächennutzungsarten auf Baublockebene. Problematisch ist, dass der Gebäudelayer (Objektart 2315) aus den BKG-Lieferungen ab 2008 herausgenommen wurde, was für gebäudescharfe Analysen ein großes Problem darstellt. Derzeit wird auch eine Integration der wichtigsten Metainformationen wie der Aktualität in das Basis-DLM vermisst. Diese ist erst im AAA-Modell geplant, in welches das Basis-DLM sukzessiv ab 2008 überführt wird. 2 Datenaufbereitung Das Basis-DLM kann für alle Bundesländer von der BKG kompakt oder ebenengetrennt, im Coverage- oder Shape-Format, im Blattschnitt 1: oder freier Gebietswahl bezogen werden. Erster Schritt der Datenaufbereitung ist eine Transformation in eine File- Geodatabase (FGDB). Anschließend erfolgt eine Entfernung vorhandener Schnitte durch die Grenzen der Erfassungseinheiten. Dieses ist zur Erreichung eines konsistenten Datenmodells unverzichtbar. Diese Blattschnittberichtigung ist nicht trivial automatisierbar und sollte daher in Zukunft seitens der Datenanbieter (LVAs bzw. BKG) erfolgen. In einem anschließenden Verfahrensschritt erfolgt die Bereinigung des Layers administrative Gebiete, in dem eine Reihe von Fehlern auftreten (fehlende Amtlicher Gemeindeschlüssel AGS, unsaubere geometrische Modellierung für Exklaven, Enklaven usw.). Die Berichtigung erfolgt unter Nutzung der Verwaltungsgrenzen 1: (VG250), Daten der Digitalen Topographischen Karte 1: (DTK10) und Internetrecherchen. Eine Rücksprache mit den LVAs ergab, dass ein Teil der Fehler durch das Exportieren in Fremdformate bedingt ist. Hier wäre in Zukunft eine bessere Kontrolle der Exportprodukte seitens der LVAs wünschenswert, zumal das Shape- und Coverage-Format die wichtigsten Exportformate darstellen. Die Fortschreibung des ATKIS Basis-DLM erfolgt je nach Bundesland im DGK5, DTK10 bzw. DTK25-Blattschnitt und nicht in administrativen Gebietseinheiten. Um nun jeder administrativen Einheit ein einheitliches, eindeutiges Bezugsdatum (mittleres Fortführungsdatum) zuzuweisen, was für die Ausgabe der auf den Daten berechneten Indikatoren notwendig ist, wird die Grundaktualität mit dem größten Flächenanteil innerhalb einer Gebietseinheit gewählt (Verschneidung der Gebietslayer mit den Erfassungseinheiten). Zusätzlich werden jüngstes und ältestes Erfassungsdatum der Erfassungseinheit innerhalb

3 36 G. Meinel, M. Engel und A. Kleber der Gebietseinheiten in einer Datenbank abgelegt. Alle berechneten Indikatoren werden später immer mit dem Zeitstempel ausgegeben, nur so können die Ergebnisse räumlicher Vergleiche richtig bewertet werden. Immerhin haben die Daten derzeit noch einen Aktualitätsspanne von fast 15 Jahren, wobei über 60 % jünger als 5 Jahre sind. Geplante Dichteindikatoren erfordern den Bezug zur Einwohnerzahl der Gebietseinheiten. Da diese im ATKIS-Modell zwar prinzipiell vorhanden, aber unvollständig und teilweise fehlerhaft ist, ist eine Übernahme der Einwohnerzahl aus der offiziellen Gemeindestatistik (Quelle: STA- TISTIK LOKAL) erforderlich. 3 Datenbankdesign Indikatoren des Monitors der Siedlungs- und Freiraumentwicklung werden auf allen Gebietsebenen bestimmt und mit einem Zeitstempel versehen in einer Datenbank abgelegt. Dieses ermöglicht später Abfragen der Veränderung der Indikatorenwerte. Für die geometriefreie Datenspeicherung wurde eine MySQL-Datenbank vom Typ InnoDB favorisiert und nach dem Entity-Relationship-Modell (Abb. 1) ein Relationales Modell entwickelt. Danach besitzt jede Gebietseinheit eine eindeutige autoinkrementell erstellte Identifikationsnummer (ID) und als Unique-Schlüssel eine Kombination von AGS und Bezugsdatum. Abb. 1: Entity-Relationship-Modell

4 Prozessierung eines deutschlandweiten ATKIS Basis-DLMs 37 Das Relationale Datenmodell umfasst die folgenden Relationen: Gebietseinheit mit den Attributen AGS, Name, Fläche, Gebietstyp, Einwohnerzahl Aktualität (mittleres, ältestes und jüngstes Fortschreibungsdatum) und Bemerkungen Indikator mit den Attributen Indikatorbezeichnung, Berechnungsvorschrift und Einheit Kategorie mit dem thematischen Bezug des Indikators (derzeit 8 Themen) Flächenbezug (absolut, relativ zu Gesamtfläche, relativ zu Teilfläche usw.) Indikatorwert mit dem eigentlichen Berechnungswert des Indikators. Jeder Indikator ist über einen dreiteiligen Schlüssel (Indikator-ID) eindeutig identifiziert. Der 1. Teil, bestehend aus einem oder zwei Buchstaben, beschreibt das Thema, zu welcher der Indikator gehört (u. a. S-Siedlung, F-Freiraum, SG-Schutzgebiete, V-Verkehr). Der 2. Teil besteht aus einer Zahl, die die Nummer des Indikators innerhalb einer Kategorie angibt (wird fortlaufend nummeriert). Der 3. Teil beschreibt den Flächenbezug. Ein Indikator kann einen absoluten Wert (A), einen relativen Wert in Prozent bezogen auf die Gesamtfläche (G) oder eine thematische Teilfläche (T), einen absoluten Wert bezogen auf die Gesamtfläche (AG), oder einen absoluten Wert bezogen auf eine thematische Teilfläche (AT) beschreiben. Um eine redundanzfreie und problemlos veränderbare Datenbank zu erhalten, wurde eine Normalisierung aller Relationen in die dritte Normalform vorgenommen. 4 Indikatorberechnung Die Berechnung der Indikatoren für die verschiedenen Gebietseinheiten erfolgt über eine Programmoberfläche. Hier erfolgt die Abfrage und Übergabe von Argumenten, die in einer Selektions-Anfrage an die MySQL-Datenbank dynamisch zusammengesetzt wird: eine zur Ermittlung der zu berechnenden Indikatoren und eine zur Auswahl der Gebietseinheiten. Ergebnis der Abfrage sind zwei Listen (Abb. 2). Für jede selektierte Gebietsebene wird nun jeder gewählte Indikator berechnet. Die Berechnung erfolgt unabhängig von der Auswahl nach ID oder Kategorie über den Flächenbezug. Das Ergebnis der Berechnung wird anschließend, bei Gewährleistung der Integrität, in die Tabelle calc_indikatoren geschrieben. Viele der derzeit über 80 Indikatoren haben dabei je nach Flächenbezug eine ähnliche Berechnungsvorschrift. So nutzen alle Indikatoren, die den relativen Wert bezogen auf die Gesamtfläche darstellen, die gleiche Berechnungsfunktion, es werden nur andere Werte übergeben. Es wurden nun zusätzliche Dictionaries aufgebaut, welche die Indikatornummer als Schlüsselargument enthalten, über das auf weitere, für die Berechnung wichtige Informationen zugegriffen werden kann. Jedes dieser Dictionaries hat dabei, abhängig von der Berechnungsformel, einen ganz eigenen Aufbau. Die Dictionaries für die relativen Werte enthalten neben der Indikatornummer als Schlüssel lediglich die Nummern der absoluten Indikatoren, auf die sie sich beziehen bzw. im Fall G eine Referenz zu dem aus der MySQL-Datenbank gelesene Flächeninhalt der Gebietsfläche. Diese ist bei der Abfrage der zu berechnenden Ebenen aus der Datenbank mit zurückgegeben worden. Gibt es den oder die jeweiligen absoluten Indikatoren schon, werden die Werte direkt aus der Datenbank geholt und der neue Indikator berechnet.

5 38 G. Meinel, M. Engel und A. Kleber Abb. 2: Übersicht Indikatorenberechnung

6 Prozessierung eines deutschlandweiten ATKIS Basis-DLMs 39 Die Berechnung der absoluten Werte der Indikatoren (Flächenbezug) erfolgt für viele Objektarten wie z. B. die Ortslagenfläche, Wohnbaufläche, Industrie- und Gewerbefläche. Aus dem Dictionary wird die zur Berechnung nötige ATKIS Ebene gewählt. Dann werden für alle Einträge dieser Ebene, mit entsprechender Objektart, deren AGS mit der aktuellen AGS der Gebietseinheit übereinstimmt selektiert und die Flächeninhalte der einzelnen Objekte aufsummiert. Zuerst erfolgt dabei die Selektion der entsprechenden Objektarten oder der Attribute. Im Falle, dass der Indikator aus mehreren Attributen zusammengesetzt wird, gestaltet sich die Formulierung der Abfragebedingung allerdings komplexer und zugleich hoch variabel. Daher wurden für diesen Komplex mehrere Dictionaries erstellt. 5 Abfrage und Visualisierung Um die berechneten Indikatoren zu visualisieren, müssen sie aus der Datenbank mittels SQL-Abfragen selektiert werden. Da derartige SQL-Abfragen äußerst komplex sein können, wurde eine Abfrageoberfläche geschaffen. Im einfachsten Fall wird ein berechneter Indikator für eine Gruppe von Gebietseinheiten (z. B. alle Gemeinden eines Bundeslandes) ausgegeben. Das Abfragescript beinhaltet neben dem Verbindungsaufbau zur Datenbank eine SQL-Abfrage. Da die Abfragebedingungen direkt vom Nutzer formuliert werden, wird aus Sicherheitsgründen mit Hilfe eines regulären Ausdrucks verhindert, dass die SQL- Abfrage fehlerhaften Code enthält, der die Datenbank zerstören könnte. Das Ergebnis der Abfrage kann wahlweise als CSV- oder dbase-datei gespeichert werden. dbase-dateien können direkt mit den Ebenen der File-Geodatabase verbunden und visualisiert werden. Die Ausgabe als CSV-Datei ist für Auswertungen in Statistik- und Tabellenkalkulationsprogrammen besser geeignet. (Excel 2007 erlaubt keinen Import von dbase-dateien mehr!). Wurde die Ausgabe als dbase-datei gewählt, besteht die Möglichkeit, durch den Befehl Join das Ausgabeergebnis direkt mit den verschiedenen Gebietseinheiten zu verknüpfen. Die Visualisierung der angehangenen Indikatoren muss dann allerdings manuell erfolgen. 6 Ausblick Die mit dem ATKIS Basis-DLM zur Verfügung stehenden Geobasisdaten ermöglichen prinzipiell eine automatisierte Aufbereitung und Auswertung als Grundlage eines deutschlandweiten Monitors der Siedlungs- und Freiraumentwicklung. Mit Fertigstellung der 3. Erfassungsstufe des Basis-DLM werden in naher Zukunft sicher fehlende Daten oder unvollständige Attribute ergänzt und Datenfehler behoben. Eine vollständig automatisierte Aufbereitung der ATKIS-Daten ist derzeit noch nicht möglich. Ein Teil der Fehler kann mit den erarbeiteten Scripten behoben werden, was aber eine manuelle Kontrolle der Daten nicht überflüssig macht. Entsprechend der Entwicklung des Basis-DLMs müssen die Verarbeitungsscripte laufend angepasst werden. So wurden Linien, die im Basis-DLM 2006 noch als Line gespeichert waren, im Update 2007 als Multiline definiert. Damit waren die Linienlayer nicht mehr über den Geometrietyp identifizierbar. Auch die Vollständigkeit der Datensätze wie erfasste Objektarten und Attribute müssen teilweise manuell überprüft werden. Alle Scripte zur Berechnung, Aufbereitung und Abfrage wurden modular und erweiterbar geschrieben.

7 40 G. Meinel, M. Engel und A. Kleber Prinzipiell ist wegen der großen Datenmenge und des umfassenden Prozessierungsaufwandes zu prüfen, ob die Geoverarbeitungswerkzeuge und deren Schnittstelle zu Programmiersprachen wie Python oder Visual Basic stabiler und schneller werden. Aktuell ist eine Umsetzung mit AML häufig schneller und weniger fehleranfällig. Um die Möglichkeit der Nutzung moderner, plattformunabhängiger, ressourcensparender Datenstrukturen mit Möglichkeit zum Mehrbenutzerbetrieb, wie die File-Geodatabase, zu ermöglichen, wären hier Verbesserung und Erweiterung seitens des Systemanbieter notwendig. Literatur AFIS-ALKIS-ATKIS (AAA) (2008): Dokumentation zur Modellierung der Geoinformationen des amtlichen Vermessungswesens (GeoInfoDok), Hauptdokument, Version 6.0, Stand: (abgerufen am ). ATKIS-Objektartenkatalog. (2003): oar=1000&inf_sprache=deu&c1=1&d1=1&dst_typ=25&dst_ver=dst&dst_land=adv (abgerufen am ). BKG (Hrsg.). (2005): Basis-DLM. (abgerufen am ). MEINEL, G., KNOP, M., & HECHT, R. (2008): Qualitätsaspekte und Verfügbarkeit digitaler Geobasisdaten in Deutschland unter besonderer Berücksichtigung des ATKIS Basis- DLM und der DTK25(-V). In: Photogrammetrie Fernerkundung Geoinformation, 1/2008, S MEINEL, G. & SIEDENTOP, S. (2007): Erhebung und indikatorengestützte Bewertung der Siedlungsstruktur und ihrer Entwicklung Konzept Deutschlandmonitor Siedlungsund Freiraumentwicklung. In: STROBL, J. et al. (Hrsg.): Angewandte Geoinformatik Beiträge zum 19. AGIT-Symposium Salzburg. Wichmann, Heidelberg. MySQL 5.1 Referenzhandbuch: (abgerufen am ) PREISS, N. (2007): Entwurf und Verarbeitung relationaler Datenbanken. München/Wien, Oldenbourg. SIEDENTOP, S., HEILAND, S. & LEHMANN, I. (2007): Nachhaltigkeitsbarometer Fläche Regionale Schlüsselindikatoren nachhaltiger Flächennutzung für die Fortschrittsberichte der Nationalen Nachhaltigkeitsstrategie Flächenziele. (BMVBS, & BBR, Hrsg.): Forschungen, 130. STATISTIK LOKAL (2007): Ausgabe 2007 mit Gemeindedaten für ganz Deutschland. ationen/querschnittsveroeffentlichungen/statistiklokal.psml.