Datenbeschaffung fuer die digitale Kartographie

Inhalt

Abbildungen

1 Einleitung

2 Die Arten der Datenerfassung
2.1 Primärdaten
2.2 Sekundärdaten
2.3 Tertiärdaten

3 Primärdatenerfassung
3.1 Photogrammetrie
3.2 Erfassung mittels Satelliten

4 Sekundärdatenerfassung
4.1 Topographische Karten
4.2 Bildkarten
4.3 Thematische Karten

5 Sonstige Datenquellen
5.1 Öffentliche Einrichtungen
5.2 Private/Kommerzielle Datenanbieter
5.3 Websites von Datenanbietern

6 Digitalisierung
6.1 Manuelle Eingabe am Rechner
6.2 Digitalisierbrett
6.4 Scanner
6.5 Nachbearbeitung

7 Fazit

8 Literatur

Abbildungen

Abbildung 1: Aufnahmeprinzip des Luftbildes nach Schmullius (2003b:22)

Abbildung 2: Aufbau des Landsat-Satelliten nach Schmullius (2003a:8)

Abbildung 3: Topographische Karte aus Kovacs (o. J.)

Abbildung 4: Luftbildkarte von Berlin aus Albertz (2001:179)

Abbildung 5: Webseite des Alfred-Wegener-Instituts

Abbildung 6: Webseite der Firma ESRI

Abbildung 7: Arbeit am Digitalisierbrett aus Kilian (2003)

Abbildung 8: Einzugsscanner von Hanjin Information Systems & Telecommunication (2002)

1 Einleitung

Das Fundament für die Erstellung von Karten ist die Datenbeschaffung. Diesem Arbeitsbereich muss also mindestens die gleiche Aufmerksamkeit wie der Verarbeitung und der Ausgabe der Daten gewidmet werden. Um präzise Karten zu erstellen ist es erforderlich, dass das Datenmaterial ebenso präzise Werte bereitstellt. Die heutigen modernen Methoden der Datenerfassung (u.a. Fernerkundung, GPS) sind in der Lage, ausreichend genaue Informationen zu liefern. Trotzdem entbindet dies den Kartenautor nicht davon, die ihm zur Verfügung stehenden Daten intensiv auf deren Qualität und Nutzen zu überprüfen. Die Anforderungen an ihn sind also nicht gesunken, sondern eher im Gegenteil gestiegen. Wie u.a. in Krämer (2000) oder Beck-Bornholdt & Dubben (2001) zu lesen ist, gibt es in der Wissenschaft dutzende Beispiele, wo aufgrund mangelhafter Sorgfalt mit dem Datenmaterial Fehlannahmen erzeugt bzw. reproduziert wurden.

2 Die Arten der Datenerfassung

Nach Radvanszky et al. (2000:10) und Hochschild (2003:5) wird allgemein in drei Arten der Datenerfassung unterschieden: Primär-, Sekundär-und Tertiärdaten. Die Differenzierung basiert auf der Herkunft der Daten und spiegelt sich sowohl im Erfassungsaufwand als auch in der Qualität wider. Es herrscht ein fließender Übergang zwischen den Arten – eine klare Abgrenzung ist bei vielen Sachverhalten nicht möglich. Im Folgenden wird näher auf die Eigenheiten der Datenerfassungsarten eingegangen.

2.1 Primärdaten

Diese Daten werden nach Bill (1999:171) direkt am Objekt erhoben. Jedoch gibt es in der Wissenschaft unterschiedliche Ansichten darüber, ob auch die Daten zum Primärtypus gehören, die eine andere Person für den Auftraggeber erfasst, diese aber in keiner Weise bearbeitet hat (Beispiel: Hilfswissenschaftler nimmt Bodenproben für den Professor auf). Klassische Exempel für die Primärdaten sind Messungen, Befragungen, Kartierungen sowie Experimente. Als „klassisch“ werden sie deshalb bezeichnet, weil sie schon seit Jahrhunderten durchgeführt werden. Neuere Methoden der Primärdatenerhebung sind die Photogrammetrie, das GPS (Global Positioning System) und die Fernerkundung. Diese fortschrittlichen Erfassungsverfahren liefern Daten in unübertroffener Qualität und Genauigkeit. Die Kehrseite der Medaille besteht jedoch darin, dass die Kosten für den Erwerb dieser Informationen oftmals beträchtlich sind. Es ist noch nicht abzusehen, ob und wann in Zukunft diese Daten ähnlich wie bei GPS auch für den End-User-Bereich erschwinglich sein werden.

2.2 Sekundärdaten

Sekundärdaten sind „fremde“ Daten, d.h. sie wurden schon bearbeitet. Wie können Daten bearbeitet werden? Die von Hake et al. (2002:168ff.) und Schliep (2000:7f.) angegebenen „Sieben Regeln der Generalisierung“ listen die Möglichkeiten auf: Vereinfachen, Vergrößern, Verdrängen, Zusammenfassen, Auswählen, Typisieren, Betonen. Typische Vertreter der Gattung Sekundärdaten sind die Topographischen und Thematischen Karten sowie diverse Arten von Statistiken (u.a. Tabellen, Diagramme). Das Problem bei dieser Art von Daten besteht in ihrer markantesten Eigenschaft: Sie wurden schon bearbeitet. Der Autor der Sekundärdaten, also die Person, welcher die Primärdaten bearbeitet hat, ging sicherlich nach bestem Wissen und Gewissen an die Sache. Aber wie genau dies erfolgte, bleibt dem Nutzer von Sekundärdaten häufig verborgen. In der Regel lassen sich die Bearbeitungsschritte nicht rekonstruieren. Das kann dazu führen, dass unbemerkt Fehldaten übernommen werden können und diese bei der eigenen Bearbeitung der Sekundärdaten fortgeführt werden. Bei der Nutzung von Sekundärdaten ist also höchste Aufmerksamkeit geboten. Nicht ohne Grund soll der ehemalige britische Premierminister von Großbritannien, Sir Winston Churchill, gesagt haben: „Ich glaube nur Statistiken, die ich selbst gefälscht habe.“ (Drösser 2002).

2.3 Tertiärdaten

Die Tertiärdaten folgen nicht den Hierarchiestufen der beiden vorangegangenen Datentypen, also dass Primärdaten bearbeitet werden und dann automatisch zu Sekundärdaten werden. Die Bearbeitung von Sekundärdaten führt nicht automatisch zu den Tertiärdaten. Doch was sind nun Tertiärdaten? Es handelt sich hierbei um abgeleitete oder modellierte Daten. Diese Weiterbearbeitung kann aus den beiden o.g. Datentypen erfolgen. Tertiärdaten haben eine starke Ähnlichkeit mit Sekundärdaten und werden deshalb oftmals als eine Einheit angesehen. Die Art und Weise der Bearbeitung gibt aber Anlass, diese Daten in eine eigene Gattung zu überführen. Beispiele für Tertiärdaten sind Temperatur- und Niederschlagsverteilungen sowie Bevölkerungsschwerpunkte. Hierbei werden mathematische Methoden der Interpolation und Gewichtung angewendet. Dazu zählen nach Wolf & Jacobs (2002:4) und Bullinger (2000:21ff.) Verfahren wie „Inverse distance weighted“, „Kriging“ oder „Nearest neighbour“, welche topologische Eigenschaften der Objekte ausnutzen.

Zur Veranschaulichung ein praktisches Beispiel: Rund um Jena befinden sich sechs Niederschlagsstationen. An einem beliebigen Tag fällt die Meßstelle Jena-Zentrum aus. Bei „idealen“ Bedingungen kann man über mathematische Verfahren die restlichen Stationen entsprechend ihrer Entfernung zur defekten Meßstelle gewichten (je weiter weg, desto geringer ist die Gewichtung) und daraus die Niederschlagswerte im Zentrum berechnen.

Das Problem besteht aber darin, dass sich die Prozesse der Natur nur schwer in mathematische Modelle pressen lassen. Ein „Ausreißer“ kann die Idealbedingungen zerstören und jegliche Rechnung wertlos machen. Im Beispiel könnte dies ein heftiger, lokaler Regenguß über Jena-Lobeda sein. Eine Interpolation würde der Meßstelle im Zentrum wahrscheinlich eine Niederschlagsmenge zuordnen, den die Station in der Wirklichkeit nicht annäherungsweise erhalten hat. Die Erfassung von Tertiärdaten leidet also darunter, dass isolierte Extremwerte die interpolierten Ergebnisse relativ schnell „verfälschen“ können.

3 Primärdatenerfassung

In Kapitel 2.1 wurden die Methoden der Primärdatenerfassung genannt. Die Photogrammetrie und Fernerkundung werden im folgenden Teil näher beleuchtet.

3.1 Photogrammetrie

Die Photogrammetrie beschäftigt sich bei allen ihren Techniken mit der lagegemäßen Auswertung von Bildern. Es wird dabei versucht, eine möglichst exak­­te Zuweisung von Koordinaten im Bildsystem zu solchen im Landeskoordinatensystem herzustellen (siehe Blascke & Lang (1998)). Das Grundverfahren beruht nach Hake & Grünreich (1994:264) auf der unterschiedlichen Reflektion der natürlichen (z.B. Sonnenlicht) oder künstlichen Strahlung (z.B. Radar) einzelner Objekte. Die reflektierte Strahlung wird nach Strahler & Strahler (1999:625) mit einem Sensor erfasst. Es werden durch die Strahlungsdifferenzen auf einem Informationsträger Helligkeits- oder Ladungsunterschiede und damit auch das Bild an sich erzeugt. Um den Begriff „Sensor“ näher zu beschreiben sind hauptsächlich Messkammern und Abtastsysteme von Relevanz. Als Sensorträger dienen zum einen das Flugzeug, die so genannte Aerophotogrammetrie, und zum anderen der Satellit in seinen verschiedensten Varianten. Die Flughöhen einer Befliegung bewegen sich nach Löffler (1994:22) zwischen 1.000 m und 10.000 m. Nur in Ausnahmefällen steigt man bis auf 25.000m auf. Die Pionierphase der Photogrammetrie fand im Bereich des Militärs statt, lange vor der Erfindung des Flugzeuges. Schon im 19. Jahrhundert wurden mit Ballonen Befliegungen durchgeführt. Zu den Anfangszeiten der Flugzeug-Ära hatte die militärische Nutzung noch Vorrang. Auch als die zivile Nutzung Einzug hielt, blieb das Flugzeug aufgrund besserer Auflösungen bis in die 2. Hälfte des 20. Jahrhunderts dem Satelliten überlegen. Die Probleme der heutigen Photogrammetrie sind nach Hochschild (2003:22) die durch das Luftbild bedingte Zentralperspektive und die damit verbundene Abweichung der Aufnahmerichtung von der Lotposition außerhalb des Nadirpunktes. Dies führt zum einen zu unterschiedlichen Maßstäben und zum anderen zu immensen Verzerrungen, insbesondere wenn das Relief ungleichmäßig geformt ist. Diese Verzerrungen werden durch Entzerrungsmaßnahmen begradigt. Anwendung findet dabei u.a. die Differentialentzerrung, welche sowohl die Abweichungen von der Zentralperspektive als auch vom Relief ausgleicht. In Hake & Grünreich (1994:269ff.) und Konecny (1984:275ff.) wird diese Methode eingehend beschrieben. Zum Einsatzzweck der Photogrammetrie: Sie findet hauptsächlich in der Raumordnung und Landesplanung Verwendung. Der Maßstab bewegt sich zwischen 1:5.000 und 1:25.000, je nach Anwendungszweck. Mehrere Luftbilder können zudem zu großflächigen Übersichtskarten zusammengefügt werden. Nach Löffler (1994:109) kann ein Orthophoto als gewöhnliches Luftbild zu Interpretationszwecken eingesetzt werden, aber zusätzlich auch als maßstabsgetreue Karte, die so genannte Orthophotokarte. Dazu wird in Kapitel 4.2 noch näher eingegangen.

In der Abbildung 1 ist das Aufnahmeprinzip des Luftbildes zu erkennen. Das Flugzeug fliegt nicht so, dass alle Bilder wie bei einem Puzzle bündig aneinander liegen. Es wird überlappend aufgenommen ­­-- mit ca. 60 % in der Längsrichtung und ca. 20 – 30 % in der Quer-Richtung. Dies ist die Grundlage der stereos­­kopische­n Betrachtung und Auswertung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Aufnahmeprinzip des Luftbildes nach Schmullius (2003b:22)

3.2 Erfassung mittels Satelliten

„Die Entwicklung der modernen Fernerkundung ist untrennbar mit der Satellitentechnologie verbunden, wenn auch der Einsatz von modernen Sensoren nicht unbedingt an Satelliten gebunden ist.“ (aus Löffler 1994:23). Im Gegensatz zum Flugzeug ist ein Satellit für langfristige Einsätze bestimmt, die sich je nach Projektplanung im Rahmen von 5 – 10 Jahren bewegen. Satelliten umkreisen die Erde zwischen in Radien von 230 km bis 36.000 km. An der unteren Grenze sind Spionagesatelliten aus dem militärischen Bereich und Einzelmissionen aus dem zivilen Bereich angesiedelt. In diesen unteren Umlaufbahnen ist die Atmosphäre ein Problemfaktor. Sie bremst die Satelliten in nicht unerheblichen Maße ab, so dass diese ihren Treibstoff aufgrund von Kurskorrekturen relativ schnell aufbrauchen. Am anderen Ende der Bahnensphäre befinden sich bzw. stehen die geostationären Satelliten. „Stehen“ ist der richtige Begriff, denn sie sind ortsfest und umkreisen die Erde in 24 Stunden -- sie fliegen mit der Erddrehung mit. Eingesetzt werden diese Satelliten zu Telekommunikationszwecke und für Wetterbeobachtungen (z.B. Meteosat-Satellit). Mit einer Auflösung von 5 km scheiden sie für genauere Erdbeobachtungen jedoch aus. Interessanter für die digitale Kartographie sind die Bahnen im Sektor von 700 – 900 km. In diesem Bereich bewegen sich die meisten Satellitenprojekte, welche sich eine komplette Erfassung der Erde auf die Fahne geschrieben haben. Die eben erwähnten Projekte bewegen sich auf nach fast-polaren Bahnen, die nahe dem Nord- und Südpol verlaufen. Die Satelliten umkreisen meistens die Erde in einem Winkel von 98° zur Äquatorebene und können alle Gebiete bis 81° Nord oder Süd erfassen. Ein weiteres Schmankerl ist die damit verbundene sonnensynchrone Bahn. Das bedeutet, dass die Satelliten jeden Bereich der Erde zur gleichen Sonnenzeit (nicht Ortszeit -- diese ist aufgrund der Zeitzonenpolitik nicht immer identisch) überfliegen. Dies hat den Vorteil, dass man äquivalente Aufnahmen hat, gleiche Gebiete also über Jahre hinweg beobachten kann. Der Satellit Landsat ist mit einem Äquator-crossing von 9:30 Uhr angegeben. Die Zone Mitteleuropas wird 10:15 Uhr überflogen. Die Überflugszeiten sind eine Angelegenheit der jeweiligen Philosophie der Projektherren. Bekannte Projekte sind Landsat (USA, inzwischen in der siebten Generation), SPOT (Frankreich, zweite Generation), IKONOS (USA, anno 1999 gestartet) und QuickBird (USA, zweite Generation). Zu widerlegen ist aber der Begriff „Satellitenphoto“, der landläufig für Aufnahmen benutzt wird. Ein Satellit schießt kein Photo in dem Sinne, wie es mit handelsüblichen Fotoapparaten üblich ist. Satelliten besitzen i.d.R. Scanner, mit denen sie die Erdoberfläche abtasten. Ein Scanner nimmt die von der Erde kommende Strahlung auf. Dies geschieht zeilenweise und pixelbasiert. Ein Satellitenscanner erzeugt also wie ein End-User-Scanner Rasterdaten. Im Unterschied zu diesem scannt ein Satellit die Erde in unterschiedlichen Kanälen ab. Abbildung 2 zeigt den Landsat-Satellit und seine Bestandteile. Der Landsat 7 verfügt über sieben Spektralkanäle. Die ersten drei Kanäle sind für die sichtbaren Farben rot, grün und blau bestimmt. Ein Satellitenbild in Echtfarbe wird demnach aus diesen drei Kanälen zusammengesetzt. Weiterhin verfügt Landsat 7 über Kanäle für das nahe, mittlere (2x) und thermale Infrarot. Die Auflösung bei diesem Satelliten beläuft sich auf 30 m, ein Pixel dieses Scannerbild ist also 30x30 m groß. Die ganze Bildszene ist 185x185m groß. Der Maßstab des Bildes beträgt 1:200.000. Die Aufnahmedauer einer solchen Szene beläuft sich auf 25 Sekunden und für einen Umlauf benötigt der Landsat 99 Minuten. Um die gesamte Erde vollständig abzudecken, werden nach Kronberg (1985:131) 16 Tage benötigt.

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