GIS und Fernerkundung

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1 Hauptseminar Dr. M. Herold Wintersemester 2004/ 2005 Analyse und Modellierung räumlicher Daten GIS und Fernerkundung Bearbeitet von: Stephanie Schmidt Ernst-Zielinski-Str Jena 8. Semester

2 Inhalt 1 Einleitung 2 2 Fernerkundung als Datenquelle LIDAR Vor- und Nachteile der Fernerkundung 5 3 Datenprodukte aus Fernerkundungsdaten CORINE CORINE Land Cover CORINE Land Cover Beispiel Leipzig PELCOM 11 4 Integration von GIS und Fernerkundung 12 5 Verknüpfung mit anderen Wissenschaften 15 6 Zusammenfassung 16 Literatur 17 1

3 1 Einleitung Das Geoinformationssystem, nachfolgend GIS genannt, ist ein rechnergestütztes System bestehend aus Hard- und Softwarekomponenten, Daten und Anwendungen. GIS ist eine Anwendung zur Erfassung, Verwaltung, Analyse und Präsentation raumbezogener Information (LINDER 1999:3). Fernerkundung hingegen ist ein Verfahren, welches zur Beobachtung der Erdoberfläche mit allen darauf befindlichen Objekten, der Meeresoberfläche oder der Atmosphäre dient. Informationen werden durch elektromagnetische Strahlung, die ein zu beobachtendes Objekt ausstrahlt, gewonnen (ALBERTZ 1991:1). GIS und Fernerkundung sind wissenschaftliche Nachbardisziplinen. Die Anfänge der Fernerkundung wurden Ende des 19. Jahrhunderts gemacht, als erste photographische Bilder aus einem Fesselballon geschossen wurden. Die Geoinformatik als Wissenschaft mit der Verarbeitung von Geodaten sowie der Anwendung von GIS ist eine eher junge Disziplin, deren Anfänge erst 30 Jahre zurück liegen (BARTELME 1995:7). So dienen heute Daten, die mit Hilfe der Fernerkundung gewonnen werden, als Datenquelle für Geoinformationssysteme. Im folgenden soll in Kapitel 2 die Fernerkundung als Datenquelle etwas genauer betrachtet werden, bevor sich Kapitel 3 mit Datenprodukten aus Fernerkundungsdaten beschäftigt. Kapitel 4 handelt von der Integration von GIS und Fernerkundung. Das letzte Kapitel beschäftigt sich mit der Verknüpfung zu anderen Wissenschaften. 2 Fernerkundung als Datenquelle Fernerkundung ist die Technik, die genutzt wird, um Informationen über die physischen, chemischen und biologischen Eigenschaften eines Objekts zu gewinnen ohne direkten physischen Kontakt zu ihm zu haben (LONGLEY ET AL. 2001:207). Die Fernerkundung dient als Datenquelle für Geoinformationssysteme. Um Daten von Objekten der Erdoberfläche zu gewinnen, gibt es verschiedene Erfassungsmethoden. Die Erdoberfläche kann durch aktive oder passive Sensoren aufgenommen werden. Passive Aufnahmemethoden sind die Photographie und das Abtasten bzw. Scannen. Zu den aktiven Aufnahmemethoden gehören das RADAR- und das LIDAR-Verfahren. Aus der GIS- Perspektive ist Auflösung die wichtigste physische Eigenschaft eines Fernerkundungssystems. Es gibt drei Arten der Auflösung die räumliche, die spektrale und die zeitliche Auflösung (LONGLEY ET AL. 2001:207). In Abbildung 1 sind die räumlichen und zeitlichen Eigenschaften der üblichen Fernerkundungssysteme und deren Sensoren dargestellt. 2

4 Abb. 1: Räumliche und zeitliche Eigenschaften der üblichen Fernerkundungssysteme und deren Sensoren (Quelle: LONGLEY ET AL. 2001:208) Durch die unterschiedliche Auflösung, die mit den Systemen erreicht werden kann, wird auch die Auflösung im GIS und in einem möglichen Produkt beeinflusst. Die oben genannten Instrumente bis auf das LIDAR-Verfahren sind aus dem Grundstudium bekannt. Daher wird dieses Verfahren im Folgenden näher erklärt, ehe auf die Vor- und Nachteile der Fernerkundung eingegangen wird. 3

5 2.1 LIDAR LIDAR, was soviel bedeutet wie light detection and ranging, verwendet das gleiche Prinzip wie RADAR. Es werden Laserstrahlen für die Fernerkundung von Schlüsselobjekten in der Atmosphäre verwendet. Hierzu werden intensive Laserimpulse in die Atmosphäre gesandt. Das rückgestreute Licht, welches von entfernten Teilchen und Molekülen stammt, wird gesammelt und als Funktion der Zeit analysiert. Abbildung 2 verdeutlicht diesen Prozess nochmals (DEUTSCHES ZENTRUM FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT E.V. 2005c). Abb. 2: LIDAR Prinzip (Quelle DEUTSCHES ZENTRUM FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT E.V. 2005c) Die Strahlung, welche vom Laser Radar verwendet wird, ist bis mal kürzer, als von konventionell genutzter Radarstrahlung (NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION 1999). LIDAR macht es möglich, die Erdoberfläche mit einer Auflösung von 15 Zentimetern abzubilden, wobei das Lasersignal Schwierigkeiten hat das Vegetationsdach zu durchdringen und zudem keine Wolken durchdringen kann (CLARKE ET AL. 2002:80). Mit LIDAR kann die Entfernung, die Geschwindigkeit, Kreisläufe und die chemische Zusammensetzung und Konzentration von Zielobjekten gemessen werden. Die Objekte müssen klar als Objekt definiert werden können zum Beispiel als Fahrzeug oder als ein diffuses Objekt wie Wolken oder Rauch ( Somit wird die Fernerkundung durch die Lidarfernerkundung unterstützt und weiterentwickelt. 4

6 2.2 Vor- und Nachteile der Fernerkundung Fernerkundungsdaten stellen eine wichtige Datengrundlage für Geoinformationssysteme dar. Deshalb ist es wichtig die Vor- und Nachteile der Fernerkundung näher zu erläutern, um zu verstehen, weshalb die Fernerkundung zur Gewinnung von Informationen populärer ist, als im Vergleich zu anderen Methoden. Mit Hilfe der Fernerkundung können Gebiete in kürzester Zeit großflächig erfasst werden. Außerdem können Informationen über Gebiete gewonnen werden, ohne selbst vor Ort sein zu müssen. Dadurch wird der Zugang zu Informationen deutlich erleichtert. Ein anderer Vorteil ist die synoptische Betrachtungsweise, das heißt, es können Zusammenhänge besser erfasst und veranschaulicht werden. Durch die Fernerkundung wird Dokumentationsmaterial erhalten, wodurch der Ist-Zustand und der frühere Zustand von Objekten bildhaft dargestellt werden kann. ( Was bedeutet, dass die Datengewinnung zur Aktualisierung von Informationen leicht wiederholt werden kann. Nachteile sind, dass je nach Methode der Fernerkundung die Datengewinnung wetterabhängig ist, da einige Sensoren Wolken nicht durchdringen können. Fernerkundung erfordert Spezialwissen und komplexe Hard- und Software, so dass es nicht jeder anwenden kann. Es treten Beschränkungen im Detaillierungsgrad auf, je nachdem welches Verfahren eingesetzt wird. Zudem sind die Daten vorwiegend auf Oberflächeninformationen beschränkt ( 3 Datenprodukte aus Fernerkundungsdaten Neben gewöhnlichen thematischen oder topographischen Karten oder Digitalen Geländemodellen, die aus Fernerkundungsdaten gewonnen werden können, gibt es eine Reihe von anderen Datenprodukten, die zum Beispiel der Überwachung der Bodenbedeckung gelten. Nachfolgend werden zwei Projekte, die diesem Zweck dienen vorgestellt CORINE und PELCOM. 3.1 CORINE CORINE Land Cover Bevor das CORINE-Programm realisiert wurde, wurde allgemein angenommen, dass über einen längeren Zeitraum die menschliche Aktivität keinen oder nur einen geringen Einfluss auf die Natur hat. Da die Natur die Fähigkeit hat sich Selbst zu regenerieren. Diese Einstellung änderte sich, da Auswirkungen von bestimmten Ereignissen und Methoden zum Beispiel landwirtschaftlicher Praxis zeigten, dass eine Notwendigkeit besteht nach der Bodenbedeckung und den dazugehörigen Komponenten zu schauen sowie Informationen 5

7 darüber zu gewinnen. Eine Folge war, dass Bodenbedeckungsinformationen für die urbane, landwirtschaftliche und infrastrukturelle Entwicklung bereitgestellt wurden aber nur von kleinen Flächen. Das Bewusstsein ernster Umweltprobleme lies die Frage nach einer einheitlichen Bestandsaufnahme der Bodenbedeckung aufkommen. Deshalb wurde 1985 CORINE, namentlich Coordination of Information on the Environment, von der Europäischen Gemeinschaft ins Leben gerufen mit dem Ziel Zusammenarbeit, Abstimmung, Koordinierung und Information über den Zustand der Umwelt und der natürlichen Ressourcen der Gemeinschaft zu fördern. Mit Hilfe des CORINE-Programms sollten alle bisherigen Versuche, die zur Gewinnung von Informationen über die Umwelt gemacht wurden, zusammenbringen (EUROPEAN ENVIRONMENT AGENCY 2005:3-6). CORINE Land Cover ist ein Teilprojekt des CORINE-Programms und dient zur Bereitstellung von einheitlichen und somit vergleichbaren Daten der Bodenbedeckung Europas. Auf europäischer Ebene sind die Europäische Umweltagentur, EEA, und das European Topic Centre for Terrestrial Environment, ETCTE, für das Management und die Koordination des Projektes verantwortlich. Auf nationaler Ebene ist das Umweltbundesamt, UBA, zuständig. In den Jahren 1986 bis 1995 wurde eine europaweite Erfassung mit Landsat-4/5 durchgeführt und liegt als kompletter Datensatz CLC1990 für alle EU-Länder in der Gauß-Krüger- Projektion vor (DEUTSCHES ZENTRUM FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT E.V. 2005b). Während der Bearbeitung des CORINE Land Cover Projektes gab es fünf Phasen. Die erste Phase beschäftigte sich mit der Vorarbeit. Es wurde unter anderem darüber entschieden, welcher Sensor für die Aufnahmen verwendet und zu welchem Zeitpunkt aufgenommen werden sollte. Weiterhin wurde nach Datengrundlagen wie zum Beispiel topographischen oder thematischen Karten geforscht (EUROPEAN ENVIRONMENT AGENCY 2005:26-31). Schließlich bildeten Satellitenbilder, topographische Karten 1: und Luftbilder im Maßstab von 1: die Datengrundlage (MEINEL 1997:9). Die zweite Phase bestand aus der Produktion der Falschfarbenbilder im Maßstab 1: In der dritten Phase wurden die Szenen mit Hilfe des Computers interpretiert und die Qualität der Interpretation überprüft. Anschließend wurden die Szenen digitalisiert. In der letzten Phase wurde die Datenbank auf Fehler untersucht (EUROPEAN ENVIRONMENT AGENCY 2005:26). Mit CORINE Land Cover wird eine Fläche von 2,3 Millionen km 2 in 12 Ländern, Belgien, Dänemark, Deutschland, Griechenland, Spanien, Frankreich, Irland, Italien, Luxemburg, Niederlande, Portugal und Groß Britannien, abgedeckt. Es wurde ein Maßstab von 1: für das Projekt gewählt, da ein kleinerer Maßstab zu ungenau für eine effiziente Nutzung wäre. Die kleinste abzubildende Einheit hat eine Größe von 25 Hektar, damit für eine Repräsentation der wichtigsten Objekte gesorgt wird. Die CORINE Land Cover Nomenklatur hat, wie in Tabelle 1 zu sehen, in der ersten Hierarchieebene fünf Klassen, in der Zweiten 15 Klassen und in der dritten Ebene 44 Landnutzungsklassen. (EUROPEAN ENVIRONMENT AGENCY 2005:4-18). 6

8 1. Bebaute Fläche 1.1. Städtisch geprägte Flächen durchgängig städtische Prägung nicht durchgängig städtische Prägung 1.2. Industrie-, Gewerbe- und Verkehrsflächen 1.3. Abbauflächen, Deponien, Baustellen Industrie/Gewerbeflächen Straßen/Eisenbahnnetze, funktionell zugeordnete Flächen Hafengebiete Flughäfen Abbauflächen Deponien, Abraumhalden Baustellen Städtische Grünflächen Sport/Freizeitanlagen 1.4. Künstlich angelegte nicht landwirtschaftlich genutzte Flächen 2. Landwirtschaft 2.1. Ackerflächen Nicht bewässertes Ackerland Regelmäßig bewässertes Ackerland Reisfelder 2.2. Dauerkulturen Weinbauflächen Obst/Beerenobstbestände Olivenhaine 2.3. Grünland Wiesen und Weiden 2.4. Heterogene landwirtschaftliche Flächen Einjähr. Kulturen in Verbindung mit Dauerkulturen Komplexe Parzellenstruktur Landwirtschaftlich genutztes Land mit Flächen natürlicher Vegetation von signifikanter Größe Land/Forstwirtschaftliche Flächen 3. Wälder und naturnahe Flächen 3.1. Wälder Laubwälder Nadelwälder Mischwälder 3.2. Kraut/Strauchvegetation Natürliches Grünland 3.3. Offene Flächen ohne oder mit geringer Vegetation Heiden und Moorheiden Hartlaubbewuchs Wald/Strauch Übergangsstadien Strände, Dünen, Sandflächen Felsflächen ohne Vegetation Flächen mit spärlicher Vegetation Brandflächen Gletscher/Dauerschneegebiet 4. Feuchtflächen 4.1. Feuchtflächen im Landesinneren Sümpfe Torfmoore 4.2. Feuchtflächen an der Küste Salzwiesen Salinen In der Gezeitenzone liegende Flächen 5. Wasserflächen 5.1. Wasserflächen im Landesinneren Gewässerläufe Wasserflächen 5.2. Meeresgewässer Lagunen Mündungsgebiete Meer und Ozean Tab. 1: Nomenklatur (Quelle: _flaechennutzung/corine/corine_projektbeschreibung.pdf 2005:4) 7

9 In Deutschland weist die Legende 36 von 44 Landnutzungsklassen auf (DEUTSCHES ZENTRUM FÜR L UFT- UND RAUMFAHRT E.V. (2005b). Zur Veranschaulichung ist die CORINE Land Cover Karte von 1990 für Deutschland in Abbildung 3 dargestellt. Abb. 3: CORINE Land Cover für Deutschland von 1990 (Quelle: DEUTSCHES ZENTRUM FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT E.V. 2005b) 8

10 3.1.2 CORINE Land Cover 2000 Im Rahmen von CORINE Land Cover 2000 (CLC2000) der EU erfolgte die Aktualisierung des Datenbestandes zum Bezugsjahr 2000 und die Kartierung der Veränderung gegenüber der Ersterfassung (DEUTSCHES ZENTRUM FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT E.V. 2005a). Die Kartierung Deutschlands wurde als Teil des europäischen Gemeinschaftsprojektes CLC2000 mit der EU, der EEA und 29 europäischen Staaten durchgeführt (UMWELTBUNDESAMT 2004). Das Projekt wurde vom Deutschen Fernerkundungszentrum, DFD, des Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt, DLR, im Auftrag des UBA geleitet. Somit steht nun eine gemeinsame Datenbasis zur Verfügung, die die Bodenbedeckung und Landnutzung sowie deren Veränderung der letzten zehn Jahre aufweist. Als Datengrundlage dienten Landsat-7 Daten, die aus den Jahren stammen. Das Ergebnis sind zwei Datensätze die aktuelle Kartierung der Bodenbedeckung CLC2000 und die Kartierung der Veränderung gegenüber CLC1990 (DEUTSCHES ZENTRUM FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT E.V. 2005b). In Abbildung 4 ist der Datensatz CLC2000 für Europa zu sehen. Abb. 4: CLC2000 Europa (Quelle: EUROPEAN ENVIRONMENT AGENCY Zugriff am ) 9

11 Wie auch im CORINE Land Cover Projekt von 1990 gibt es 44 Landnutzungsklassen, die in einer Gauß-Krüger-Projektion abgebildet sind Beispiel Leipzig In den neuen Bundesländern konnten innerhalb der zehn Jahre von umfangreiche Veränderungen in der Landnutzung und Bodenbedeckung festgestellt und kartiert werden. Die Anzahl der bebauten Flächen besonders an der Peripherie größerer Städte nahm zu. Weiterhin gab es Veränderungen im Zusammenhang mit der Stilllegung und Rekultivierung von Braunkohletagebauten sowie Veränderungen von landwirtschaftlichen Flächen. Die Abbildung 5 zeigt die Interpretationsergebnisse in der Region Leipzig in CLC1990, links oben, und CLC2000, rechts oben, sowie eine Darstellung der Veränderung von CLC2000 gegenüber CLC1990. Abb. 5: Ergebnisse der Interpretation in der Region Leipzig in CLC1990 (links oben) und CLC2000 (rechts oben) sowie eine Darstellung der Änderungen von CLC2000 gegenüber CLC 1990 (unten) (Quelle: DEUTSCHES ZENTRUM FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT E.V. 2005b) 10

12 Zu sehen ist eine Zunahme der Siedlungs-, Industrie- und Gewerbeflächen. Besonders auffällig ist die Veränderung im Süden Leipzigs. Diese Region war geprägt vom Braunkohleabbau, der 1990 noch in großem Umfang betrieben wurde. Mit der Stilllegung begann die Rekultivierung dieser Flächen. In der unteren Abbildung sind neu entstandenen Wasserfläche sowie Rekultivierungsflächen zu sehen. Da diese Flächen nah zum städtischen Raum liegen, stellt die Rekultivierung eine anspruchsvolle Aufgabe an die Stadt- und Regionalplanung (DEUTSCHES ZENTRUM FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT E.V. 2005b). 3.2 PELCOM Ein vergleichbares Projekt zu CORINE Land Cover ist das Projekt PELCOM, Pan-European Land Cover Monitoring, welches im September 1996 begann und im November 1999 endete. PELCOM wurde ins Leben gerufen, um aktuelle und zuverlässige Informationen über Landnutzung und Bodenbedeckung für landwirtschaftliche und umweltwissenschaftliche Studien zu haben. Zudem vertraute die Entwicklung einer vernünftigen Umweltpolitik auf das Erscheinen von Umweltmodellen, die räumliche und temporäre Genauigkeit in den Landnutzungs- und Bodenbedeckungsdaten aufweisen. Ziel dieses Projektes war es eine europaübergreifende Datenbank mit einer Auflösung von einem Kilometer zu schaffen, die periodisch aktualisiert werden kann. Weitere Ziele sind der Aufbau eines Bodenbedeckungsplan für ganz Europa, die Entwicklung einer konsequenten Klassifikationsmethode, die Entwicklung einer Methode zur europaweiten Überwachung von Veränderungen bezüglich der Bodenbedeckung sowie die Anwendung der Bodenbedeckungsdatenbank in verschiedenen klimatischen und umweltwissenschaftlichen Studien ( Es wurden multispektrale und multitemporale NOAA-AVHHR Satellitenbilder und unterstützende Datenquellen wie zum Beispiel das MARS-Archiv oder der NDVI-Index des Jahres 1997 verwendet. Das Projekt fokussiert die Bodenbedeckungskartierung und überwachung, um eine einheitliche und konsistente Datenbank aufzubauen und für nationale und internationale Agenturen nützlich zu sein. In folgender Abbildung 6 ist das Endprodukt des PELCOM- Projekts zu sehen ( 11

13 Abb. 6: The pan-european 1-km land cover database (Quelle: pelcom/pelcom.html) Im Vergleich zu CORINE Land Cover fällt auf, dass weniger Klassen in der Nomenklatur verwendet werden, was sich auf die niedrigere Auflösung im PELCOM-Projekt zurückführen lässt, welche ein weiterer Unterschied zwischen den beiden Projekten darstellt. Zudem wurden die Szenen mit unterschiedlichen Sensoren aufgenommen. Beim Betrachten der Europakarte des jeweiligen Projektes fällt auf, dass CORINE Land Cover einige Länder in der Darstellung ausschließt, während es bei PELCOM keine weißen Flecke in Europa gibt. Der Vorteil von CORINE Land Cover ist die höhere Auflösung und deswegen ist es wohl für genaue Analysen zu bevorzugen. 4 Integration von GIS und Fernerkundung 1989 wurde durch Ehlers, Edwards und Bédard zum ersten Mal das Thema Integration von Fernerkundung mit Geographischen Informationssystemen in der Literatur und Wissenschaftsdiskussion publik gemacht. Geographische Informationssysteme wurden entwickelt, um Attributinformationen über die Erde und deren kartographische Präsentation zu kombinieren und diese räumlich zu analysieren. Parallel zu dieser Entwicklung wurde Fernerkundung dazu benutzt Informationen über die Erde in hoher Auflösung zu gewinnen. Die Integration dieser beiden Technologien wurde nicht zuletzt benötigt, um Ressourcen besser kontrollieren zu können. Zudem wurden 12

14 durch neue Sensoren und Bildverarbeitungstechnologien sehr große Datenvolumen produziert, dessen Management an ihre Grenzen stieß. Das Mittel um dieses Problem zu lösen ist die GIS-Technologie und deren Integration mit der Fernerkundung (EHLERS ET AL. 1989: ). Beide Technologien, Fernerkundung/Bildverarbeitung und GIS, sind Werkzeuge für das Management von räumliche verteilten Informationen. Beide benutzen ähnliche Hardwareplattformen und ähnliche Softwaretools. Jedoch gibt es Unterschiede und Hindernisse. Um Fernerkundung und GIS wirklich miteinander zu integrieren, müssen technische und institutionelle Schwierigkeiten überwunden werden (EHLERS 1993:91-92). Ein technischer Mangel ist die sogenannte Raster/Vektor Dichotomie bzw. Zweiteilung. Sie verhinderte viele Versuche der Integration. Fernerkundung ist rasterorientiert, während GIS vektororientiert ist. Ein anderes Problem ist die Datengleichmäßigkeit. GIS-Daten sind vor der Sammlung und Nutzung klar definiert, während Fernerkundungsdaten vor ihrer Nutzung erst interpretiert werden müssen. Auf institutioneller Seite besteht die Barriere in der Aufteilung der Nutzer in zwei verschiedene Gruppen mit unterschiedlichen Ansprüchen, dennoch benutzen beide Fernerkundung und GIS. Auf der einen Seite gibt es die Entscheidungsträger, die einen Pool an Informationen benötigen, um das Land und Ressourcen verwalten zu können. Auf der anderen Seite gibt es Forscher, die sich mit der Zunahme an Verständnis über die Erde als globales System beschäftigen. Eine dritte potentielle Gruppe ist die Allgemeinheit bzw. die Laien, die ein besonders ausgeklügeltes System benötigen, welches ihnen wichtige und relevante Beziehungen aufzeigt. Um diese verschiedenen Ansprüche zu vereinen, wurde ein Drei-Stufenprozess der Integration aufgestellt (EHLERS ET AL. 1989: ). In der ersten Stufe Separate but Equal, wie in Abbildung 7 dargestellt, existieren zwei simultane Bildschirme und Schnittstellen für GIS-Daten im Vektorformat und für Fernerkundungsdaten im Rasterformat. Diese zwei Systeme sind miteinander verknüpft und benutzen eine Art Datenaustauschformat, so dass die Möglichkeit besteht Daten zu tauschen. Außerdem besteht die Gelegenheit die Ergebnisse der niedrigen Bildverarbeitungsebene in das GIS zu ziehen mit der Erlaubnis Attributwerte zum Thema zuzuordnen und eine Reihe von Statistikanalysen durchzuführen. Weiterhin soll die Möglichkeit bestehen Ergebnisse einer GIS-Overlayanalyse zwischen Bild- und Vektordaten und Ergebnisse einer räumlichen GIS-Analyse in ein Bildverarbeitungsprogramm zu schieben. In der zweiten Stufe Seamless Integration haben beide Systeme, GIS und Fernerkundung/Bildverarbeitung, eine gemeinsame Schnittstelle, sind dennoch separat aber ergänzend zueinander und verknüpft. Seamless Integration sollte folgende Fähigkeiten aufweisen. Es sollte die Kontrolle über Komponenten von Fernerkundungsbildern haben sowie die Fähigkeit GIS-Daten direkt in Bildverarbeitungsprozesse einzugliedern. Ebenfalls sollten inhomogene Dateninputs und hierarchische Entitäten in zusammenhängender Weise untergebracht werden. Weiterhin sollte es in der zweiten Stufe die Möglichkeit geben Fehler zu analysieren und Simulationen von kartographischen und Bildverarbeitungsdaten mit zeitlicher Entwicklung zu erzeugen (LO & YEUNG 2002: ). Einige kommerzielle GIS 13

15 haben schon manche dieser Eigenschaften, aber kein System kann alle Ansprüchen einer Seamless Integration erfüllen (EHLERS ET AL. 1989:1624). Abb. 7: Three stages in the integration of image analysis with GIS technology (Quelle: LO & YEUNG 2002:299. In: EHLERS ET AL. 1989:1621) Die dritte Stufe beschäftigt sich mit der totalen Integration. GIS und Fernerkundung/Bildverarbeitung sind ein System. Die Raster/Vektor Zweiteilung gibt es nicht länger und ist nur auf niedrigen Prozessebenen gültig. Auf hoher Ebene wird die Vektordarstellung genutzt, während auf niedrigeren Ebenen die Rasterdarstellung ausreichend ist. Bei totaler Integration kann die objektbasierte und die ereignisbasierte Darstellung des geographischen Raumes flexibel damit umgehen. Raster- und Vektordaten sind auf unterschiedlichen hierarchischen Ebenen untergebracht. In einem gemeinsamen System wird die Fernerkundung zu einer Inputfunktion (LO & YEUNG 2002:300). Bis heute konnten viele Fortschritte in Richtung Integration von Fernerkundung und GIS gemacht nicht zuletzt durch die schnelle Entwicklung in der Computerindustrie, welche eine Ausdehnung der GIS/Fernerkundungsfähigkeiten bezüglich der Umwandlung von Datenstrukturen zugelassen hat. High-Speed Computer und Netzwerkarbeit erlauben es kompliziertere Daten zu analysieren. Weiterhin können Daten in höherer Auflösung dargestellt werden und es ist einfacher geworden die entsprechenden Programme zu nutzen. Interessant wäre die Kombination von Vektorinformationen mit Bildverarbeitungsklassifikationsmethoden für die Auswahl von Testgebieten. Um totale Integration zu erreichen, wird ein neues Modell benötigt. Dies wird GIS- und 14

16 Fernerkundungsintegration nicht als Raster/Vektor Zweiteilung behandeln (LO & YEUNG 2002: ). 5 Verknüpfung mit anderen Wissenschaften Fernerkundung kann nicht nur für die Aufklärung geographischer Phänomene dienen, andere Wissenschaften wie zum Beispiel die Sozialwissenschaften können ebenfalls einen Nutzen aus Daten der Fernerkundung ziehen. Trotz dieses Nutzens waren Fernerkundungsbilder in den Sozialwissenschaften nicht sehr populär. Auf der einen Seite sind Sozialwissenschaftler nicht sehr interessiert an Variablen und Merkmalen, die aus der Luft gemessen werden können. Sie finden abstrakte Eigenschaften wichtiger als menschliche Artefakte wie Häuser oder Getreidefelder. Die Sozialwissenschaften beschäftigen sich normalerweise mit der Frage, warum Dinge passieren, wenn sie passieren. Auf der anderen Seite setzen sich Sozialwissenschaftler weniger mit dem Thema Fernerkundung auseinander und Wissenschaftler, die sich für die Entwicklung der Fernerkundung interessieren, nicht mit Sozialwissenschaften. Dennoch kann die Integration von Sozialwissenschaften und Fernerkundung nicht nur eine Verschmelzung von Daten, sondern auch von verschiedenen Traditionen, bedeuten (RINDFUSS & STERN 1998:1-3). Ein wichtiger Grund aus Sicht der Sozialwissenschaften Fernerkundungsdaten zu nutzen, ist Informationen über den Zusammenhang, der soziale Ereignisse formt, zu bekommen. Deshalb sollte die Verschmelzung von sozialen und Fernerkundungsdaten eine attraktive Methode sein. Da zudem durch die Fernerkundung Daten zu geringen Kosten besorgt werden können. Mit Hilfe der Fernerkundung können Zusammenhänge zwischen sozialen Phänomenen und soziale Phänomene und deren Auswirkungen gemessen werden. Weiterhin können räumlich hoch aufgelöste Fernerkundungsdaten benutzt werden, um statistische Modelle zu entwickeln mit Hilfe derer Schätzungen der Einwohneranzahl gemacht werden können oder um den menschlichen Einfluss auf die biophysische Umwelt zu messen (RINDFUSS & STERN 1998:4-7). Dennoch treten bei der Verknüpfung von Fernerkundung und Sozialwissenschaften Hindernisse auf, die spezielle Veränderungen der Datensysteme bedeuten. Ein Problem liegt in der Besorgung von georefenzierten sozialen Daten, um diese mit Fernerkundungsdaten zu verbinden und angemessene soziale Daten zu finden, die an Fernerkundungsdaten angepasst werden können. Eine andere Aufgabe ist es, das Level der Auflösung von Fernerkundungsdaten an die Ansprüche von sozialen Daten anzupassen (RINDFUSS & STERN 1998:20-21). Die Verknüpfung von Fernerkundung und Sozialwissenschaften baut ein Spannungsfeld mit verschiedenen Hindernissen auf, welche es gilt von Forschern beider Seiten reduziert zu werden, um eine wirkliche Verknüpfung zwischen den beiden Wissenschaften zu erreichen. 15

17 6 Zusammenfassung Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Geoinformationssysteme und Fernerkundung im Laufe der Zeit zwei von einander abhängige Disziplinen geworden sind, deren Entwicklung rasant und noch nicht beendet ist. Im Hinblick auf Integration von Fernerkundung und GIS stehen noch viele Fragen offen, denen Forscher nachgehen können. Bezüglich der Überwachung von Bodenbedeckung und Landnutzung wurden zwei Projekte entwickelt, die eine gute Unterstützung auf diesem Gebiet sind, deren Weiterentwicklung jedoch keine Grenzen gesetzt sind. Fernerkundung und GIS spielen eine große Rolle in der Analyse von räumlichen und temporären Phänomenen in der Geographie. Andere Wissenschaften sollten aber nicht ausgeblendet werden, da die Fernerkundung vielfältige Seiten aufweist. Deswegen sollte sie sich mit vielen Wissenschaften verknüpfen, da jene einen unterstützenden Nutzen aus den Daten der Fernerkundung ziehen können. 16

18 Literatur ALBERTZ, J. (1991): Grundlagen der Interpretation von Luft- und Satellitenbildern. Eine Einführung in die Fernerkundung. Wissenschaftliche Buchgesellschaft. Darmstadt BARTELME, N (1995): Geoinformatik. Modelle, Strukturen, Funktionen. Springer. Berlin. Heidelberg. CLARKE K.C. & B. O. PARKS, M. P. CRANE (2002): Geographic Information Systems and Environmental Modeling. Prentice Hall. New Yersey. EHLERS, M. (1993): Remote Sensing and Geographic Information Systems. Image-Integrated GIS. In: Vechtaer Studien zur Angewandten Geographie und Regionalwissenschaft. Band 9. S Vechta EHLERS, M. & G. EDWARDS, Y. BÉDARD (1989): Integration of Remote Sensing with Geographic Information Systems. A Necessary Evolution. In: Photogrammetic Engineering & Remote Sensing. Vol. 55. No. 11. S LINDER, W. (1999): Geo-Informationssysteme. Ein Studien- und Arbeitsbuch. Springer. Berlin LO C. P. & A. K. W. YEUNG (2002): Concepts ant Techniques of Geographic Information Systems. Prentice-Hall. New Jersey LONGLEY, P. A. & M. F. GOODCHILD, D. J. MAGUIRE, D. W. RHIND (2001): Geographic Information Systems and Science. Wiley. Chichester. MEINEL, G. (1997): Siedlungs- und Freiraumflächen von Stadtregionen auf Basis von CORINE Land Cover Daten. In: BREUER, T. & C. GLÄßER, C. JÜRGENS (Hrsg.)(1997): Fernerkundung in urbanen Räumen. Regensburg. Band 28. S

19 RINDFUSS, R. R. & P. C. STERN (1998): Linking Remote Sensing and Social Science. The Need and the Challenges. In: MORAN, E. F. & R. R. RINDFUSS, P. C. STERN (Hrsg.) (1998): People and Pixles. Linking Remote Sensing and Social Science. National Research Council. Internetliteratur: DEUTSCHES ZENTRUM FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT E.V. (2005a): Corine Landcover Bodenbedeckungsdaten für Deutschland. Zugriff am DEUTSCHES ZENTRUM FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT E.V. (2005b): Corine Landcover Coordinated Information on the Environment. Zugriff am DEUTSCHES ZENTRUM FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT E.V. (2005c): LIDAR. Weßling Zugriff am EUROPEAN ENVIRONMENT AGENCY (2005): CORINE land cover. Koppenhagen Zugriff am NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION (1999): LIDAR Tutorial. Zugriff am UMWELTBUNDESAMT (2004): CORINE Land Cover Ein europaweit einheitliches Informationsystem zur Bewertung des Umweltzustands. Zugriff am Zugriff am Zugriff am

20 Zugriff am Zugriff am