DeCOVER
Entwicklung eines Verfahrens zur Aktualisierung von
Landbedeckungsdaten für öffentliche Aufgaben
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Das Ziel von DeCOVER ist die Konzeption von Geoinformationsdiensten für die Aktualisierung und Erstellung raumbezogener Fach- und Planungsdaten zur Landbedeckung. In dem Verbundvorhaben werden dazu innovative und kosteneffiziente Verfahren der Fernerkundung sowie Methoden zur Überführung von Landbedeckungsinformation unterschiedlicher Datenquellen entwickelt. Ziel der DeCOVER-Dienste ist es, den erweiterten und neuen Informationsbedarf der gesetzlich beauftragten Fachbehörden zu unterstützen.
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Aktuelle Landbedeckungsdaten sind für viele öffentliche Aufgaben eine wichtige Informationsgrundlage. Auch an der Schnittstelle zwischen europäischer und nationaler Ebene wächst die Nachfrage an aktuellen und konsistenten Datensätzen im Bereich Landbedeckung/Landnutzung stetig. Diese Entwicklung ist vor dem Hintergrund neuer europäischer Direktiven zu sehen, die Berichtspflichten für Agrar-, Umwelt-, Wasser-, Bodenschutz-, Naturschutz-Anwendungen sowie für die Raumplanung beinhalten (z.B. Wasserrahmenrichtlinie oder Bodenschutzstrategie).
Die derzeit verfügbaren Datensätze, wie z.B. CORINE Land Cover (CLC), das Amtliche Topographisch-Kartographische Informationssystem (ATKISŪ) und die Biotoptypen- und Nutzungstypenkartierung (BNTK), weisen hinsichtlich ihrer Aktualität und Qualität noch erheblichen Verbesserungsbedarf auf. |
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3 Europäische Entwicklung; GMES 1 : |
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Bestehende und zukünftige europäische Direktiven fordern eine räumlich explizite Berichterstattung. Für diesen wachsenden Bedarf an räumlich differenzierter Information zur Überwachung und Berichterstattung stehen den Fachbehörden in Deutschland oft nur unzureichende oder fehlende Werkzeuge zur Informationsbeschaffung zur Verfügung. Im Rahmen von EU-initiierten GMES-Projekten wurden bereits diverse Dienste zur Bereitstellung raumrelevanter Daten zur Überwachung und Berichterstattung unter starker Beteiligung deutscher Bedarfsträger, Forscher und Dienstleister definiert, demonstriert und implementiert. Über die europäischen GMES-Initiativen ist zudem bereits Einigung zur Erstellung eines europaweiten Landbedeckungs-/ Landnutzungsdatensatzes zur Umsetzung europäischer Direktiven erzielt. Dieser Datensatz beinhaltet als europäischer Minimalkonsens zwar lediglich die für die EU-Berichterstattung unbedingt notwendigen Objektklassen, bietet aber eine geometrische Auflösung, um auch den nationalen und teilweise regionalen Bedarf unterstützen zu können2.
Das DeCOVER-Vorhaben ist als nationaler Beitrag in die Europäische Initiative GMES (Global Monitoring of Environment and Security) eingebunden. Als nationale Ergänzung zu den Entwicklungen der Europäischen Initiative GMES wird DeCOVER speziell für deutsche Nutzer:
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DeCOVER soll auch den Aufbau der GDI-DE durch Bund, Länder und Kommunen unterstützen, indem es für die Führung der nationalen Geo-Datenbasis (NGDB) der GDI-DE ausgewählte und validierte Geoinformationen der GDI-DE zur Verfügung stellen wird. Zukünftige DeCOVER Web Services werden alle bestehenden nationalen und internationalen Standards unterstützen. Die Integration in die europäische INSPIRE-Initiative 3 ist über die GDI-DE vorgesehen.
Mittels der Zusammenführung, Analyse und Bündelung der Anforderungen an Geoinformationen können durch das DeCOVER-Vorhaben Synergien und Prioritäten für die Geobasis- und Geofachdaten aufzeigt werden. Somit ist die Ausnutzung mehrerer Vorteile möglich, die von Geodateninfrastrukturen generell erwartet werden, wie eine größere Transparenz über vorhandene Geoinformationen und deren Synergien untereinander, eine Kostenreduktion bei der Datenproduktion, die Vermeidung von Mehrfacherhebung und die Bereitstellung höherwertiger, in diesem Sinne nutzerspezifischer Daten. Die organisatorische Umsetzung der Integration in die GDI-DE wird mit dem GDI-DE Lenkungsgremium und öffentlichen Geodaten-Dienstleistern wie BKG 4 und AdV 5 in Diskussion mit Fachbehörden auf Bundes- und Landesebene abgestimmt. Diesen Prozess unterstützt ein Advisory-Board mit Vertretern des GDI-Lenkungsgremiums, der AdV, des BKG, des BMU 6 , des DLR 7 Raumfahrtmanagements und des DeCOVER-Konsortiums. |
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Die Akzeptanz und der Erfolg des angestrebten DeCOVER-Diensteangebotes ist abhängig vom Nutzen für die öffentlichen Bedarfsträger und steht in Verbindung mit den entstehenden Kosten durch die Inanspruchnahme dieser Dienste.
Den Kern der DeCOVER-Vorhabens bilden daher eine starke Nutzerorientierung zur Erfassung des existierenden Bedarfs und Entwicklungen innovativer Methoden zur Maximierung der Kosten-Nutzen-Effizienz. Das geplante Vorhaben wird folgende, innovative Kernaspekte berücksichtigen: |
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Folgende Abbildung stellt wichtige Prozesselemente des DeCOVER-Projektes dar.
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Im Rahmen des DeCOVER-Vorhabens wird eine intensive Nutzeranforderungsanalyse durchgeführt. Dazu werden zunächst Nutzeranforderungen unterschiedlicher Ressorts auf allen administrativen Ebenen erhoben. In einem Analyseschritt wird durch die Harmonisierung der erhobenen Nutzeranforderungen der gemeinsame Bedarf festgestellt. Die Erhebung der Nutzerinformationen erfolgt über Vor-Ort-Konsultationen und Kurzinterviews mittels eines standardisierten Datenerhebungsbogens. Zudem werden Nutzer über Workshops, dieses Web-Portal und die Bewertung von Ergebnissen aktiv in das DeCOVER-Vorhaben eingebunden. Die Analyseergebnisse bilden die Basis zur Bestimmung benötigter Landbedeckungsinformationen (Objektarten) aus Nutzersicht.
Parallel dazu werden mit Hilfe der Interoperabilitätsanalyse jene Objekte bestimmt, die aufgrund von ähnlichen Eigenschaften großes Potenzial besitzen, um bestehende Datensätze (ATKIS, BNTK, CLC) effizient unterstützen zu können. Mittels der ontologoiebasierten "semantischen Interoperabilität" werden die Objektarten anhand ihrer Eigenschaften beschrieben. Auf Basis dieser Beschreibung ermöglicht die Methode einen Vergleich von Objektarten verschiedener Kataloge anhand eines Ähnlichkeitsgrades. Die Ergebnisse der Interoperabilitäts-Analyse bieten zudem Hinweise zur späteren Entwicklung von Methoden zur Überführung von Objekten in die jeweiligen Zielkataloge. (Diese Überführung kann als Konvertierung eines Vektordatensatzes, der nach einem bestimmten Objektartenkatalog erstellt wurde, zu einem Vektordatensatz, dem ein anderer Objektartenkatalog zu Grunde liegt, verstanden werden.) Unter Berücksichtigung der Kosten-Nutzen-Analyse wird aus den durch Nutzeranforderungsanalyse und Interoperabilitätsanalyse bestimmten Objekten die Definition des DeCOVER-Objektartenkataloges und die Einteilung in Ausgangs- und Ergänzungsobjektarten vorgenommen. |
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Die Entwicklung von Change Detection Methoden dient der möglichst automatischen Ermittlung von Flächen mit Landbedeckungsänderungen. Auf Basis dieser Informationen kann eine zielgerichtete Aktualisierung von Objektarten (der Kataloge ATKIS, BNTK und CLC) erfolgen, die aufgrund technischer Grenzen nicht automatisiert aktualisiert werden können oder wegen wirtschaftlicher Aspekte nicht flächendeckend manuell kartiert werden sollen.
Change Detection Methoden sind auch im Rahmen der Aktualisierungszyklen von DeCOVER-Objekten zu nutzen. Eine der Aktualisierung vorgeschaltete Ermittlung der Objekte mit potentiellem Aktualisierungsbedarf lässt eine Fokussierung der Aktualisierungsklassifizierung auf entsprechende Flächenausschnitte zu. Das Erkennen von Veränderungen der Landbedeckung basiert u.a. auf der Entwicklung von objektbezogenen Methoden (z.B. auf der Basis bestehender Geometrien aus den angesprochenen Daten). |
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Zur Maximierung des Automatisierungsgrades der Klassifikation(en) wird das Potenzial einer gemeinsamen Verarbeitung von Radardaten und optischen Daten untersucht. Dies beinhaltet die Konzeption einer Prozesskette zur radiometrischen und geometrischen Vorprozessierung für die darauf aufbauende gemeinsame Verarbeitung beider Sensorarten. Potenzial wird in der kombinierten Nutzung von textur-, struktur- und spektralbasierten Merkmalen beider Sensorklassen gesehen.
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Mit dem DeCOVER-Ausgangsdienst sollen zwei Komponenten angeboten werden: Änderungsflächen und Ausgangsobjekte.
a) Komponente 1: Ausgangsobjekte Die DeCOVER Ausgangsobjekte weisen mehrere Funktionen auf. Zum einen dienen sie der Herleitung von interoperablen Objekten und damit der Aktualisierung der bestehenden Datensätze ATKIS, BNTK und CLC. Die Aktualisierung basiert auf Methoden zur Objektüberführung, die unter Nutzung der Ergebnisse der Interoperabilitätsanalyse erstellt werden sollen. Die Überführungsmethoden sollen auch auf Grundlage bestehender Daten katalogübergreifende Konsistenzabgleiche und Aktualisierungen interoperabler Objekte zulassen (z.B. zwischen ATKIS und BNTK ohne neue DeCOVER-Daten). Zum anderen sind die DeCOVER Ausgangsobjekte direkt bei der Umsetzung von Direktiven/ Richtlinien durch Behörden verwendbar. Aus der Definition der DeCOVER Ausgangsobjekte kann dabei bei Bedarf z.B. ein Vorschlag zur nationalen Erweiterung von CLC (auf Level 4) entwickelt werden. Weiterhin können aus ihnen die Objekte für einen europaweiten (GMES-) Landnutzungsdatensatzes abgeleitet werden. b) Komponente 2: Änderungsflächen Mit den aus dem DeCOVER-Ausgangsdienst stammenden Änderungsflächen werden flächenbezogene Hinweise auf Änderungen der Landbedeckung gegeben. Der Dienst basiert auf den Methodenentwicklungen zur Erkennung von Landbedeckungsveränderungen mittels des Abgleichs bestehender und neuer Rasterdaten (Satellitenbilder)- bzw. Vektordaten (Objektdatensätze) und soll zielgerichtete Aktualisierungen ermöglichen. Die Anwendung von Methoden zur Generierung von Änderungsflächen ist für alle DeCOVER-relevanten Vektordatensätze denkbar. Der Dateninput besteht je nach tatsächlicher Umsetzung aus bestehenden Daten von ATKIS, BNTK oder CLC, bzw. Daten einer DeCOVER-Klassifikation. |
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Dem Nutzerbedarf an Geofachdaten, der nicht über vorhandene Datenbestände bzw. DeCOVER-Ausgangsobjektarten bedient werden kann, wird durch die Bereitstellung weitergehender Objektarten über DeCOVER Ergänzungsdienste begegnet (die Objektartenkataloge von ATKIS, BNTK und CLC werden nicht erweitert).
Dies geschieht vor dem Hintergrund von Nutzeranforderungen, deren resultierende Objekte durch ihren Detailgrad bzw. Informationsgehalt und den daraus entstehenden Erhebungskosten (inklusive des zusätzlich nötigen SFE-Datenmaterials) nicht in einen bundesweit flächendeckenden Datensatz mit Ausgangsobjekten integriert werden können. Die Objektklassen der Ergänzungsdienste werden so definiert, dass sie hierarchisch in den Objektkatalog des Ausgangsdienstes einzugliedern sind. |
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Die Attraktivität des DeCOVER-Konzeptes aus Nutzersicht ergibt sich - neben der expliziten Nutzerorientierung - aus den potentiellen finanziellen Vorteilen bei der Datenproduktion und -nutzung. Diese ergeben sich durch verschiedene Sachverhalte:
Mittels der angestrebten Überführbarkeit von Objekten kann der Aufwand für die Erhebung von Landbedeckungsdaten reduziert und damit Aktualisierungskosten gesenkt werden. Change Detection-Methoden ermöglichen eine Kostensenkung durch die Fokussierung von Neu-Klassifikationen oder Vor-Ort-Kartierungen auf jene Flächen, die mit hoher Wahrscheinlichkeit Landbedeckungsänderungen aufweisen. Die gemeinsame Nutzung von optischen und Radardaten eröffnet Potenzial zur Informationsverdichtung, mit der verbesserte automatisierte Klassifikationsergebnisse erzielt werden und somit Kosten für manuelle Arbeitsschritte eingespart werden können. Durch die Definition von DeCOVER-Diensten anhand des gemeinsamen Bedarfs unterschiedlicher Ressorts und administrativen Ebenen, können Synergien und somit auch Potenziale zur Kostenminimierung durch Bündelung von Beschaffungsvorgängen und Budgets aufgezeigt werden. Auch Mehrfacherhebungen und mehrfache Vorverarbeitungen von Daten können vermieden werden. Eine Kostenminimierung kann ggf. durch eine Adaption der DeCOVER-Objektarten an Objektartenkataloge europäischen Ursprungs (z.B. GMES) erreicht werden. |
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Basis für die Entwicklung der DeCOVER Dienste ist der bestehende Bedarf auf Kunden-/Nutzerseite vor dem Hintergrund eines öffentlichen Mandates, das durch Direktiven sowie nationale Gesetze und Verordnungen begründet wird. Am Anfang der Dienstentwicklung steht somit eine detaillierte und umfassende Erhebung und Analyse der Nutzeranforderungen. Diese Analyse bildet die Grundlage für die folgende erste Spezifikation und Umsetzung der Dienste. Aus den dabei gesammelten Erfahrungen ergeben sich Anforderungen für die Entwicklung neuer Komponenten (Innovationen). Die Ergebnisse aus der Innovationsphase haben wiederum Auswirkungen auf die Spezifikation und Umsetzung der Dienste. Dieser Prozess wird mit den Nutzeranforderungen in mehreren Zyklen abgestimmt und angepasst.
[ -> Workflow DeCOVER Hauptphase ] Nach der Dienstentwicklung erfolgt eine Demonstration der Entwicklungen innerhalb kleinräumiger Testgebiete, deren Ergebnisse Nutzern zur Beurteilung vorgestellt werden (Demonstration und Akzeptanztest). Dabei werden die Resultate mit den ursprünglichen Nutzeranforderungen verglichen und bewertet. Diese Ergebnisse wirken sich dann direkt auf die weitere Entwicklung aus. Die Definitionen der Dienste sind mit jeder Modifikation in Validierungsprozessen in Bezug auf die Interoperabilität neu abzugleichen. Rückgekoppelt mit den Ergebnissen der verschiedenen Arbeitspakete (AP) wird zudem eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung vorgenommen. Die folgende Abbildung gibt die DeCOVER-Entwicklungslogik schematisiert wieder und stellt die Bezüge zu den einzelnen Arbeitspaketen her. [ -> Workflow DeCOVER Hauptphase ] |
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1)GMES(Global Monitoring for Environment and Security)
ist eine gemeinsame Initiative der Europäischen Kommission
und der europäischen Raumfahrtagentur ESA für Globale
Umwelt- und Sicherheitsüberwachung.
Ziel ist es, eine eigenständige, dauerhaft verfügbare,
kosteneffiziente und nutzerfreundliche Beobachtungskapazität
für politische Entscheidungsträger zu schaffen.
Dabei soll das Potenzial weltraumgestützter
Monitoring-Technologien zusammen mit terrestrischen,
flugzeuggestützten, maritimen und sonstigen Datenquellen
in Verbindung mit einer Kapazität für Datenintegration
und -verwaltung für die Bereiche Umwelt, Klimaschutz und
nachhaltige Entwicklung genutzt werden. zurück
2) GMES Kommunikation der Europäischen Kommission (EC COM (2005) 565) zurück 3) INSPIRE INfrastructure for SPatial InfoRmation in Europe zurück 4) BKG Bundesamt für Kartographie und Geodäsie zurück 5) AdV Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Länder zurück 6) BMU Bundesministerium für Umwelt zurück 7) DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt zurück |