Leitungsinformationssysteme

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1 Weiterbildungskurse Leitungsinformationssysteme Von: Romano Hofmann Dipl. Geomatiking. ETH / Pat. Ing.-Geometer Geozug Ingenieure AG Planung. Vermessung. Geoinformation Obermühle Baar romano.hofmann@geozug.ch Veranstaltungsort: 1

2 Leitungsinformationssysteme Autor / Referent: Romano Hofmann, Geozug Ingenieure AG, 6340 Baar 1. Zusammenfassung Für einen Betreiber von Werkleitungen ist es entscheidend, den Überblick über sein Leitungsnetz nicht zu verlieren. Daher wird seit langer Zeit festgehalten, wo sich die Leitungen oder andere Netzelemente befinden. Wurden diese früher meist von Hand auf Plänen eingezeichnet, geschieht diese Dokumentation heute normalerweise in komplexen Leitungsinformationssystemen kurz meist LIS oder auch NIS (Netzinformationssysteme) genannt. Dies erlaubt weitergehende Analysen und Statistiken, welche für den Unterhalt und die Planung des Netzes hilfreich sind. Die moderne Technik erlaubt immer mehr die Nutzung der verwalteten Information in drei oder sogar vier Dimensionen direkt vor Ort mittels mobilen, direkt mit dem Internet verbundenen Geräten. In einem LIS werden neben der wenn möglich direkt im Feld eingemessenen Lage der Objekte auch weitere Informationen zum Leitungsnetz verwaltet. Welche Informationen dies genau sind, wird im sogenannten Datenmodell beschrieben. Der Bund, die Kantone und die Fachverbände geben auf Ihre Bedürfnisse abgestimmte, standardisierte Datenmodelle vor, um die Vergleichbarkeit von verschiedenen Datensammlungen sicherzustellen. Die Werkbetreiber und die von ihnen beauftragten Datenverwalter sind angehalten, sich an diese Vorgaben zu halten. 2. Systemaufbau 2.1 Begriffe Um Missverständnisse zu vermeiden, lohnt es sich, die wichtigsten verwendeten Begriffe und Abkürzungen genau zu definieren: - Geodaten Daten mit einer räumlichen Ausdehnung oder einem Raumbezug - GIS Geographisches Informationssystem; Software zur Erfassung, Verwaltung, Analyse und Präsentation (= EVAP ) von Geodaten - LIS / NIS Leitungsinformationssystem / Netzinformationssystem; Spezialfall eines GIS für die Erfassung, Verwaltung, Analyse und Präsentation von Leitungs- bzw. Netzinformationen in verschiedenen Medien (Wasser, Abwasser, Strom, Gas, etc.) - Leitungskataster Gesamtheit der Leitungsdaten, welche in einem LIS verwaltet werden - CAD Computer Aided Design = Rechnergestütztes Zeichnen; Software zum technischen Zeichnen bzw. für den Entwurf und die Konstruktion von technischen Lösungen 2

3 2.2 Vom Plan zum Informationssystem Ein Leitungsinformationssystem soll in erster Linie Auskunft geben über die geographische Lage der Leitungsobjekte und der weiteren Bauteile (Hydranten, Schieber, etc.). Dies ist vor allem für die Planung von Bautätigkeiten entscheidend. Für diesen Zweck wurden die Leitungen früher auf Basis der Grundbuchpläne eingezeichnet. Später wurden diese Katasterpläne vielerorts digitalisiert und auf digitale CAD-Zeichnungen übertragen. Im CAD werden die Objekte auf verschiedenen Ebenen zeichnerisch dargestellt. Die Darstellung kann für jedes Zeichnungsobjekt separat bestimmt und angepasst werden. Dies bringt zwar eine grosse Flexibilität bei der Darstellung von Plänen, ist jedoch auch eine grosse Fehlerquelle. Ein CAD ist auch ein gutes Werkzeug für die Projektierung neuer Anlagen. Allerdings lassen sich aus dem darstellungsorientierten CAD keine statistischen oder räumlichen Analysen erstellen, da ein CAD keine Sachdaten verwalten kann. Um dies zu ermöglich, wurden unterdessen die meisten Leitungskataster GIS-mässig aufbereitet. Bei dieser Aufbereitung werden die Geometrie- mit den zugehörigen Sachdaten verknüpft und gemeinsam in einer Datenbank als geometrische Objekte abgelegt. Die Darstellung der Objekte im GIS wird in Abhängigkeit der Sachdaten gesteuert, d.h. zwei Objekte mit den gleichen Eigenschaften werden auch gleich dargestellt. Grundsätzlich kann dafür jede erfasste Objekteigenschaft verwendet werden. So können neben den klassischen auch einfach neue Planwerke erzeugt werden, welche beispielsweise Leitungen nach Alter einfärben oder die Strichstärke in Abhängigkeit des Leitungsdurchmessers verändern. Beispiele für Darstellungsmöglichkeiten in einem GIS: Links: nach Alter eingefärbtes Leitungsnetz (je dunkler, desto neuer); Rechts: Strichstärke in Abhängigkeit des Innendurchmessers dargestellt. 3

4 2.3 Datenerfassung Um eine möglichst gute Datenqualität zu erhalten, werden sämtliche relevanten Objekte (Leitungen, Schieber, Hydranten, etc.) direkt nach ihrer Erstellung aufgenommen. Bei unterirdischen Objekten sollten diese Messungen wenn immer möglich im noch offenen Graben vorgenommen werden. Vermessen werden Einzelpunkte mit Lage (in Schweizer Landeskoordinaten) und Höhe (Meereshöhe). Gleichzeitig werden weitere Informationen zu den Objekten (z.b. Dimension, Material, Eigentum, Baujahr, etc.) erfasst. Feldaufnahme mit Satellitenmesssystem im offenen Graben Für die Aufnahme gibt es je nach Anforderung verschiedene Methoden: - Aufnahme mit Satellitenmesssystemen (GPS, Galileo, etc.): o Genauigkeit ca. 2-5 cm o Schnell und günstig; benötigt nur 1 Person o Nicht überall verfügbar (Abdeckung der Satelliten durch Gebäude, Wald, etc.) o Durch die Ergänzung des klassischen GPS-Systems (USA) durch weitere Systeme (GLONASS (Russland, in Betrieb), Galileo (EU, im Aufbau), Compass (China, im Aufbau)) wird die Verfügbarkeit der Satellitenmesstechnik in den nächsten Jahr stark verbessert. - Aufnahme mit Tachymeter: o Genauigkeit ca. 1-2 cm o Relativ aufwändig; benötigt 2 Personen - Einmessen mit Messband: o Genauigkeit abhängig von den Rahmenbedingungen, meist ca. 50 cm 1 m o Nur Distanzen messbar Koordinaten müssen berechnet bzw. konstruiert werden 4

5 o Höhe nicht bestimmbar Sollte für moderne Leitungsinformationssysteme nur in Ausnahmefällen verwendet werden! - Nivellement: o Messungen sehr einfach und sehr genau o Schlussendliche Genauigkeit ist jedoch abhängig von der Genauigkeit der vorhandenen Höhenfixpunkte, meist ca cm o Nur Höhe bestimmbar Die so gemessenen Punkte werden ins GIS-System übernommen. Auf dieser Basis werden nun die geometrischen Objekte (Leitungen, Hydranten, etc.) gebildet und mit den erfassten Eigenschaften attributiert. Objekte können auch aufgrund anderer Informationen erfasst werden (z.b. Reparaturstelle auf der Leitung x 10.3m vom Schieber y entfernt). Wichtig ist bei der Erfassung die Bildung der korrekten Topologie. Mit Topologie wird die räumliche Beziehung von zwei (oder mehreren) Objekten bezeichnet. Wenn zwei Leitungen sich beispielsweise kreuzen, lässt sich aus dem Plan nicht erkennen, ob die beiden Leitungen in Realität miteinander verbunden sind oder ob sie sich auf unterschiedlicher Höhe kreuzen. Dies kann im GIS-System abgebildet werden, indem die Leitungsobjekte im Kreuzungspunkt unterbrochen oder ohne Unterbrechung durchgängig erfasst werden. Die korrekte Erfassung der Topologie ist eine Voraussetzung dafür, dass in einem Leitungsnetz später auch Netzverfolgungsanalysen oder ähnliche Auswertungen möglich sind. Beispiel für Topologie: Kreuzung von zwei Strassen. Links: Abzweigen ist nicht möglich (d.h. es besteht keine topologische Verknüpfung durchgängige Erfassung beider Strassen); Rechts: Abzweigen ist möglich (d.h. es besteht eine topologische Verknüpfung im GIS werden die Strassen im Kreuzungspunkt unterbrochen). Das Endprodukt der Datenerfassung ist eine strukturierte Sammlung von Geometrieund Sachdaten in einer Datenbank. Dieses Produkt wird im Allgemeinen Leitungskataster (oder auch Werkskataster) genannt. Daraus können nun weitere Produkte, wie beispielsweise (Kataster-, bzw. Werk-)Pläne, Statistiken oder Analyseresultate erzeugt werden. 5

6 2.4 Datenverwaltung Die Struktur der verwalteten Daten wird in einem Datenmodell beschrieben. Im Datenmodell wird folgendes festgelegt: - Welche Objekte werden erfasst? - Hat ein Objekt eine Geometrie und wenn ja, welche (Punkt, Linie, Fläche, Textgeometrie)? Auch reine Sachobjekte ohne Geometrie sind möglich (z.b. Leitungseigentümer). - Welche Attribute (= Eigenschaften) hat ein Objekt? - Welchen Typ hat ein Attribut (z.b. Text, Zahl, Auswahlliste von Werten, Datum, etc.) und gibt es Einschränkungen (z.b. das Attribut Baujahr ist eine vierstellige Zahl und muss zwischen 1900 und 2013 sein)? - Welche Attribute müssen immer erfasst werden, welche sind optional? - Muss ein Attribut (oder eine Kombination von Attributen) eindeutig sein ( Identifikatoren )? - Haben verschiedene Objekte eine logische Beziehung und wenn ja, welche? (z.b.: Eine Schadensstelle gehört immer zu genau einer Leitung; eine Leitung kann keine, genau eine oder mehrere Schadensstellen haben.) Eine Erfassung von nicht vorgesehenen Objekten oder Attributen ist ohne Anpassung des Datenmodells nicht möglich. Da Änderungen am Datenmodell im Normalfall mit grossem Aufwand verbunden sind und im Extremfall auch alle bereits zuvor erfassten Datensätze umformatiert werden müssen, ist es sehr wichtig, dass ein Datenmodell möglichst stabil und langlebig ist. Daher muss ein Datenmodell bei seiner Erstellung gründlich durchdacht werden, damit es den Bedürfnissen der Benutzer möglichst gut entspricht. Dabei ist die Zusammenarbeit zwischen dem Fachexperten (z.b. Brunnenmeister), welcher seine Bedürfnisse und seine Objekte detailliert kennt, und dem GIS- Experten, welcher die Möglichkeiten der Datenmodellierung und der später möglichen Auswertungen beherrscht, sehr wichtig. Es ist sehr hilfreich, wenn der Fachexperte ein Grundwissen über GIS und der GIS-Experte ein Grundwissen über das zu modellierende Werk hat. Zwei Datenmodelle zum gleichen Thema (oder sogar zum gleichen Objekt) können komplett unterschiedlich aussehen, da das Datenmodell immer auf den vorgesehenen Zweck ausgerichtet werden soll. Beispielsweise hat das Objekt Patient im Datenmodell eines Arztes ganz andere Attribute, als das Objekt Mitarbeiter im Datenmodell eines Personalverantwortlichen, obwohl es sich in Realität um die gleiche Person handeln kann. 2.5 Datenverwendung Aus den so erfassten und verwalteten Daten lassen sich verschiedenste Produkte (meist ohne grossen Aufwand) erstellen. - Darstellungen / Pläne (z.b. Werk- oder Katasterpläne, Eigentumsplan, etc.) - Statistiken / Auswertungen (z.b. Anzahl Überflurhydranten, Schieberverzeichnis, etc.) - Geometrische Analysen (z.b. Gesamte Leitungslänge, von Hydranten abgedecktes Gebiet, etc.) 6

7 Durch Kombination mit anderen Datensätzen (z.b. mit der amtlichen Vermessung oder anderen Leitungskatastern) lassen sich weitergehende Analysen erstellen. Die Möglichkeiten für solche Analysen sind praktisch unendlich und können somit nicht abschliessend aufgeführt werden. Hier können ein innovativer Fachexperte und ein versierter GIS-Experte gemeinsam äusserst nützliche neue Information erzeugen. Beispiel einer geometrischen Analyse mit Kombination von zwei verschiedenen Datensätzen (Leitungskataster Wasser und amtliche Vermessung): die dunkel eingefärbten Gebäude liegen ausserhalb des von Hydranten abgedeckten Gebiets. Die Analyse ist dynamisch, d.h. es kann direkt am GIS ein neuer Hydrant platziert werden und es lässt sich sofort erkennen, ob damit alle Gebäude abgedeckt werden. 3. Aktuelle Fragestellungen im LIS-Umfeld 3.1 Standardisierte Datenmodelle Damit Daten zwischen verschiedenen GIS-Systemen ausgetauscht werden können, müssen die verwendeten Datenmodelle eindeutig beschrieben werden können. Dafür wurde in der Schweiz die Datenbeschreibungssprache INTERLIS (Schweizer Normen SN und SN ) entwickelt. Ein in INTERLIS beschriebenes Datenmodell sollte von jedem in der Schweiz verwendeten GIS-System gelesen und die im entsprechenden Transferformat mitgelieferten Daten importiert werden können. Wenn zwei an einem Austausch beteiligte Systeme unterschiedliche Datenmodelle verwenden, ist eine meist aufwändige Umformatierung der Daten notwendig. Unterscheiden sich die Datenmodelle grundlegend, ist unter Umständen ein Austausch der Daten nicht möglich! Um dies zu verhindern, werden vom Bund, den Kantonen oder von Fachverbänden standardisierte Datenmodelle erstellt, welche von allen Beteiligten genutzt werden sollten. Im Fachbereich Wasser werden die Datenmodelle in der Norm SN Geodaten zu Ver- und Entsorgungsleitungen des SIA ( SIA 405 ) beschrieben. Darin werden grundsätzlich zwei Datenmodelle unterschieden: 7

8 - WI-Modell ( Werkinformation ): beschreibt alle für einen Werkbetreiber relevanten Objekte und Informationen und soll somit als Grundlage für die Verwaltung des Leitungskatasters und für den Austausch zwischen Werkleitungsbetreibern bzw. zwischen den katasterführenden Stellen dienen. - LKMap: beschreibt die für die Darstellung eines werkübergreifenden Katasterplans relevanten Objekte und Informationen (= Teilmenge des WI- Modells) und soll somit zur Abgabe in werkübergreifende Datensammlungen (z.b. Geodatenportale der Kantone) dienen. Ein modernes Leitungsinformationssystem sollte die Daten grundsätzlich in diesen standardisierten Datenmodellen verwalten oder zumindest in der Lage sein, die Daten so zu exportieren. Es ist erlaubt, die Modelle gemäss den eigenen Bedürfnissen mit weiteren Objekten oder Attributen zu erweitern. Eine Änderung der grundsätzlichen Struktur der Objekte ist jedoch nicht vorgesehen! 3.2 Auswirkungen der neuen Geoinformationsgesetzgebung Seit dem 1. Juli 2008 ist das Geo-Informationsgesetz (GeoIG) des Bundes in Kraft. Es bezweckt, dass Geodaten in der Schweiz einer möglichst breiten Nutzergruppe möglichst einfach, günstig und in der erforderlichen Qualität zur Verfügung stehen. Die Kantone sind verpflichtet, entsprechende kantonale Geoinformationsgesetze zu erstellen, was in den meisten Kantonen unterdessen geschehen ist. Mit diesen kantonalen Gesetzen werden in den meisten Kantonen die Gemeinden (und somit auch die Werkleitungsbetreiber) verpflichtet, einen digitalen Leitungskataster in einem Leitungsinformationssystem zu führen und die Daten daraus in den standardisierten Modellen regelmässig dem Kanton abzugeben. Die Daten werden auf kantonalen Geodatenportalen veröffentlicht und somit einer breiten Gruppe von Benutzern zugänglich gemacht. Es stellen sich bei dieser Verwendung natürlich einige Fragen, welche zwischen den kantonalen GIS-Fachstellen (als Betreibern der Portale) und den Gemeinden bzw. Werkleitungsbetreibern (als Datenherren) geklärt werden müssen. - Wer darf Zugriff haben auf die abgegebenen Daten? - Muss der Datenherr über den Zugriff informiert werden? - Bestimmungen zu Datenschutz bzw. Datensicherheit? - Wer übernimmt die anfallenden Kosten (z.b. für Umformatierung von Daten in die geforderten Modelle)? - Wer übernimmt die Garantie für die Richtigkeit und Vollständigkeit der Daten? Mit diesen Fragen müssen sich in naher Zukunft sämtliche Werkleitungsbetreiber befassen. Daher ist es sinnvoll, wenn im Betrieb ein Basiswissen bezüglich GIS vorhanden ist. Auch sollte sich (bzw. der katasterführenden Stelle) frühzeitig die Frage gestellt werden, ob der Leitungskataster den gestellten Anforderungen genügt oder ob Erneuerungsmassnahmen getroffen werden müssen. 8

9 3.3 WebGIS Die in einem LIS verwalteten Daten können heute sehr einfach mittels WebGIS über das Internet zur Verfügung gestellt werden. Der Werkleitungsbetreiber (oder ein anderer berechtigter Benutzer) hat somit jederzeit und praktisch überall Zugriff auf den aktuellen Stand seiner Daten. Dank der meist relativ einfachen Bedienung und der anpassbaren Funktionalität erhält jeder Benutzer genau diese Information, die er gerade benötigt. Während bis vor wenigen Jahren WebGIS in erster Linie zur Darstellung des Katasterplanes und zur einfachen Abfrage von Eigenschaften der Objekte verwendet wurden, können mit der neuesten Generation von WebGIS auch komplexere Aufgaben erledigt werden: - Einfache GIS-Analysen - Aufruf von Dateien oder externen Programmen (z.b. Hydrantendatenbank, Ausführungspläne, Fotos, etc.) - Datenerfassung über das Internet - Integration von beliebigen, weiteren Datensätzen über Web-Services (werden von den Kantonen vermehrt angeboten) - Offline-Funktionalität für die Verwendung ohne Internet Die meisten Kantone bieten unterdessen die auf den Datenportalen veröffentlichten Datensätze auch als Web-Service an (oder planen, dies in naher Zukunft zu tun). Diese Datensätze (z.b. Gewässerschutzzonen, Zonenplan, andere Leitungskataster, etc.) können problemlos in ein WebGIS integriert werden. Somit entfallen aufwändige Datentransfers und es ist sichergestellt, dass immer die aktuellen Daten verwendet werden. Es gibt verschiedene solcher Web-Services, welche durch das Open Geospatial Consortium (OGC) weltweit verbindlich definiert werden. In der Praxis sind vor allem zwei der definierten Web-Services von Bedeutung: - Web Map Service (WMS): Bezug einer fertigen Karte; es können keine Änderungen an der Darstellung bzw. an der Objektauswahl gemacht werden und es können keine Informationen zu den Objekten abgefragt werden. - Web Feature Service (WFS): Bezug der Geometrie-Objekte in einzelnen Ebenen; es wird keine Darstellung übertragen (d.h. die Darstellung muss im WebGIS gesteuert werden); die Geometrie und die Informationen zu den Objekten stehen für Auswertungen zur Verfügung. 9

10 Details zu einem Schieber (Screenshot aus einer WebGIS-Lösung für gemeindliche Werkleitungsbetreiber) Trotz der Vorteile der Nutzung von Daten über das Internet soll auch die Bedeutung des Papierplanes nicht unterschätzt werden. Dieser bleibt weiterhin notwendig und wichtig. Die Web-Technologie eröffnet aber in Ergänzung zum Plan diverse neue Möglichkeiten. 10

11 4. Ausblick Die Entwicklung der Technik im GIS-Bereich und vor allem auch im Bereich der Internet-Technologie geht sehr schnell voran. Mit der Schweizer Geoinformationsgesetzgebung ist die Grundlage geschaffen, dass die vorhandenen Daten auch gewinnbringend genutzt werden können. Dank dieser beiden Faktoren technische Entwicklung und besser Verfügbarkeit von Geodaten werden schon bald weitere Einsatzmöglichkeiten für Geodaten zur Verfügung stehen. 3D- / 4D-Kataster: Die Höhe wird seit jeher in Leitungsinformationssystemen verwaltet. Mit 3D-GIS lassen sich daraus 3-dimensionale Ansichten erzeugen. Werden zusätzlich noch Informationen aus der Planung oder der Geschichte des Leitungsnetzes ergänzt, können auch zeitliche Abläufe sichtbar gemacht werden. 3D-Visualisierung von Objekten aus einem Leitungsinformationssystem Mobile Anwendungen: Die modernen WebGIS-Anwendungen können mit den stetig zunehmenden Datenübertragungsraten der Mobilfunknetze auch auf tragbaren Geräten genutzt werden. Mit den immer mehr aufkommenden Tablet-PCs mit integriertem GPS- Empfänger können die Daten somit überall genutzt werden. Dies eröffnet eine grosse Bandbreite von neuen Möglichkeiten. Insbesondere stehen somit die Funktionen von WebGIS auch den Feldequipen direkt vor Ort zur Verfügung. Verknüpfung von Daten: Durch die Kombination der immer einfacher und aktueller zur Verfügung stehenden Datensätze kann neue Information erzeugt werden. Beispielsweise könnte das LIS ergänzt werden mit Daten aus Hydraulikberechnungen oder aus der Erneuerungsplanung. Die Möglichkeiten sind praktisch unbegrenzt. 11