Umweltanalyse - Lösungsansätze mit Geographischen Informationssystemen

 

Umweltanalyse 01


Die Entwicklung des Geographischen Informationssystems ArcGIS wurde überwiegend durch die Bearbeitung von Fragestellungen im Umweltbereich initiiert. Dort besitzt das System nach wie vor einen deutlichen Schwerpunkt und bietet das notwendige Instrumentarium zur Entwicklung von Lösungsansätzen. Unter dem Begriff 'Umweltanalyse' werden an dieser Stelle eine Vielzahl an Algorithmen, Modellen, Simulationen und Funktionen zusammengefaßt, die im Umweltbereich eine wichtige Rolle spielen.

Unser Ansatz liegt hier in der Entwicklung und im Einsatz von Programmen, Applikationen und Systemen, welche die Bearbeitung umweltrelevanter Fragestellungen unterstützen und zum Teil erst ermöglichen. Vor allem im Bereich der Raumplanung (Umweltverträglichkeitsprüfung, Landschaftsplanung, Beweissicherung u.a.) ist ein entsprechendes Instrumentarium ausgesprochen hilfreich. Hier bildet ArcGIS die Basis, auf der weitere Programme aufsetzen.

Auch hier spielt die Zusammenarbeit mit unseren Partnern eine wichtige Rolle in der Projektrealisierung. Ähnlich wie in anderen Bereichen sehen wir uns hier ebenfalls vorwiegend als der spezialisierte GIS-Dienstleister, der in engem und direktem Zusammenspiel mit den Fachplanern eines Ingenieur- oder Planungsbüros Lösungsansätze herbeiführt. Die jahrelange Projekterfahrung unter Einsatz von ArcGIS erlauben eine effiziente Verfahrensoptimierung der jeweiligen Projekte.
 


LÄRM ...

Planungshilfen in der Umweltverträglichkeitsprüfung


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Die modellhafte Berechnung einer Lärmausbreitung ist häufig zentraler Bestandteil von Umweltverträglichkeits-Studien und -Prüfungen, deren Ziel die Planung von Trassenführungen für Verkehrswege darstellt. Die Ermittlung der Lärmzonen basiert auf komplexen Algorithmen, die über entsprechende Normen (DIN18005, RLS90) beschrieben sind. Die Simulation im Modell muß diesen Normen genügen. ArcGIS selber beinhaltet keine entsprechenden Programme, so daß wir einen von ESRI entwickelten Aufsatz, das Programmpaket SLAERM, für die Rechenläufe nutzen.

 

Laerm 02

 

Im Ergebnis werden Lärmwerte in db(A) im Raum ermittelt, die klassifiziert zu Lärmzonen zusammengelegt werden. Die normgerechte Berechnung ist möglich für

  • Verkehrslärm Straße
  • Verkehrslärm Schiene
  • Verkehrslärm Luft an Flughäfen
  • Lärm von Einzelemittenten (Freizeit, Gewerbe, Industrie)

Eine flächenscharfe Verschneidung der Lärmzonen mit digital vorliegenden Einwohnerdaten ergibt ein Bild von der effektiven Belastung durch Dauer- oder Einzelschallpegel.

In der Simulation lassen sich damit relativ schnell die Effekte von Lärmschutzwänden, unterschiedlichen Trassenvarianten, Geschwindigkeitsbeschränkungen, Fahrbahnbelägen und den verschiedenen Methoden zur Verkehrssteuerung errechnen und in der Planung berücksichtigen. Status Quo und diverse Variantenvergleiche sind durch den Aufsatz in ArcGIS auch für sehr große Untersuchungsgebiete realisierbar. Beim Fluglärm ist die Optimierung von An- und Abflugzonen möglich.


Laerm 01


Auszugsweise einige realisierte Projekte:

  • Umweltverträglichkeitsstudie für das Verkehrsnetz 'Würmtal' mit integrierter Lärmberechnung für Schiene und Straße nach RLS90
  • Lärmuntersuchung für den Flughafen München
  • Umweltverträglichkeitsstudie zum Neubau der Ortsumgehung B20 Furth im Wald mit Lärmberechnung Straßenverkehr

 

BODENEROSION ...

Anforderungen in der Landwirtschaft


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Ein schwerwiegendes Problem stellt in der Landwirtschaft der erosive Bodenabtrag durch Wasser dar. Dieser läßt sich durch verschiedene Rechenverfahren abschätzen, um auf der ermittelten Basis Empfehlungen für Änderungen in der Fruchtfolge, der Bewirtschaftung, der Intensivierung und anderen Bereichen abzuleiten. Je nach Qualität und Umfang der Abschätzung können ArcGIS-eigene Algorithmen, hier vor allem aus dem Modul GRID, oder aufgesetzte Programmpakete wie beispielsweise SEROS zum Einsatz gelangen.


Bodenerosion 03


Ein Standard in der Ermittlung des Bodenabtrags stellt die Deutsche Allgemeine Bodenabtragsgleichung (DABAG) dar. Auf ihr basieren die Algorithmen im Programmpaket SEROS. Gröbere Abschätzungen lassen sich durch einfachere Modelle mit Funktionen aus den ArcGIS-Modulen TIN und GRID errechnen. Mit den genannten Rechenverfahren wurde für ein relativ großes Untersuchungsgebiet im Tertiär-Hügelland um Freising der Schwarzbrache-Abtrag ermittelt. 


WASSERABFLUSS ...

Hydrologie und Hydrographie

 


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ArcGIS stellt in seinen Modulen TIN und GRID Funktionen und Rechenalgorithmen zur Verfügung, deren Ergebnisse Aussagen zum Abflußverhalten von Oberflächenwasser und Grundwasser ermöglichen. Die Werte bilden den Input für Erosions-, Sedimentations- und Grundwassermodelle, die wiederum bei der Bewertung von Standortfaktoren und Abschätzung möglicher Risiken eine Rolle spielen. Hier sind vor allem die Objekt- und Landschaftsplanung zu nennen.


Hydrologie 11


Im Einzelnen lassen sich ermitteln

  • Einzugsgebiete von Gewässern und lokalen Punkten
  • Fließrichtungen des Oberflächenabflusses
  • Akkumulation von Einzugsgebietsgrößen
  • Berechnung von Abfluß- und Erosionsrinnen
  • Zeitangaben über den Abflußverlauf
  • Partikelwanderung im Grundwassermodell
  • Entfernungen zu Wasserscheide / Vorfluter

 


SIMULATION ...

Abschätzung von Risiken

 
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Ein entscheidenter Vorteil in der Rechner- und GIS-gestützen Raumplanung liegt in der Möglichkeit, mit vergleichsweise geringem Aufwand eine Vielzahl verschiedener Varianten simulieren zu können, um deren jeweiliges Risikopotential einzustufen. Je genauer und besser die Datengrundlage und damit das digitale Abbild der Realität im Rechner, umso besser die Aussage der Simulation. ArcGIS bietet für diese Vorgehensweise ideale Rahmenbedingungen gerade in der sensiblen Raum- und Umweltplanung. 


VERNETZUNG ...

Bindeglieder für Flora und Fauna

 
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Einen hohen Stellenwert von Planungen im Umweltbereich besitzt neben der Schaffung und Ausweisung von Biotopen deren gegenseitige Vernetzung, um Flora und Fauna die Möglichkeit zu bieten, ihren Genpool über das lokale Biotop hinauszutragen. ArcGIS erlaubt die Feststellung der im Untersuchungsgebiet vorhandenen Netzstrukturen und eine Abschätzung über die Zerschneidungswirkung geplanter Eingriffe, z. B. eines Straßenneubaus. Des weiteren lassen sich Planungen zur Optimierung gegebener Netzstrukturen und zur Ersteinrichtung eines Netzwerks vergleichsweise einfach realisieren.

 


NACHBARSCHAFTSANALYSEN ...

Räumliche Beziehungen ermitteln

 
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Nachbarschaftsanalysen werden ebenfalls in der Umwelt- und Raumplanung wirksam, wenn beispielsweise die Frage beantwortet werden muß, welcher Einflußfaktor in welcher Entfernung zum Objekt mit welcher Reichweite wirksam wird. Grundlegende GIS-Funktionalitäten gelangen hier zum Einsatz, die zum Standardrepertoire von ArcGIS zählen, z. B. Pufferung, flächenscharfe Verschneidung, die Ermittlung von Entfernungen, das Auffinden von die Mobilität hemmenden Barrieren und eine Anzahl weiterer Funktionen.

Einen besonderen Part nimmt das ArcGIS-Modul GRID ein, mit dessen Hilfe gerade der Bereich der dynamischen Ausbreitungsprozesse in einer Nachbarschaft simuliert werden kann. Typische Fragestellungen sind z.B.

  • die Ausbreitung von Schadstoff-Emissionen Verkehr
  • die Simulation von Feuerausbreitungen oder Leckagen
  • die mögliche Entwicklung einer Epidemie
  • das Wanderungs- und Habitatverhalten von Tieren
  • die Bestimmung von Minimum-Kosten-Pfaden
  • die Ermittlung optimaler Objekt-Standorte

 


GELÄNDEMORPHOLOGIE ...

ein zentraler Einflußfaktor jeder Planung

 
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Raumbezogene Planungen sind kaum ohne Berücksichtigung der jeweiligen Geländemorphologie vorstellbar. Dessen Einfluß auf biotische und abiotische Elemente führte bereits frühzeitig zu einer Integration grundlegender Funktionen in ArcInfo. Die Module TIN und GRID erlauben das Erzeugen einer digitalen Geländeoberfläche im Vektor- (Trianguliertes Netzwerk) oder Raster- (GRID) Modell und dessen Auswertung in der Geometrie oder Datenbank. Die Modellergebnisse bilden den Input für Berechnungen zur Bodenerosion, zum Wasserabfluß, zu Ausbreitungsprozessen und vielen anderen Anwendungen.

Gelaendemodell

Unmittelbare Ergebnisse der Geländemodellierung sind z. B. Aussagen zur

  • Geländehöhe einschließlich 3D-Modell
  • Hangausrichtung (Exposition), Abflußrichtung
  • Hangneigung, Hangform
  • Beleuchtungssimulation, Energiebilanzierung
  • Oberflächendistanz
  • Sichtbarkeitsbeziehungen

 


FERNERKUNDUNG ...

Digitale Daten via Satellit


Satellit 04


Die Fernerkundung ist eine außerordentlich wichtige Quelle zur schnellen Gewinnung aktueller Daten vorwiegend zur Landnutzung der Erdoberfläche und anderer Faktoren (Temperatur- und Wetterdaten, Strömungsverhältnisse ...). Satelliten wie LANDSAT oder SPOT liefern digitale Daten mit Bodenauflösungen im Bereich von wenigen Metern, die direkt in das System ArcGIS eingearbeitet werden können. In aller Regel handelt es sich hier um Rasterformate, deren sinnvoller Einsatz bei größeren Untersuchungsgebieten gegeben ist.

Eine Interpretation der Daten ist in Grenzen mit ArcGIS möglich, in praxi werden jedoch eher speziell ausgerichtete Fernerkundungssysteme wie ERDAS für diese Zwecke herangezogen. Die dort gängigen Formate können in ArcGIS eingelesen und weiterverarbeitet werden. Die analytische Verarbeitung erfolgt entweder im Rastermodell oder nach entsprechender Klassifikation und Konvertierung auf der Vektorebene. Da es zunehmend einfacher und kostengünstiger wird, aktuelle Satellitenaufnahmen zu erhalten, wird ihr Anteil im Planungsbereich weiter zunehmen.

 


Digitale Daten aus dem Luftbild


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Neben Satellitenaufnahmen spielt das Luftbild in der Planung eine wesentliche Rolle, hier vor allem auch bei kleinräumigen Untersuchungsgebieten, bei denen die Bodenauflösung eines Satelliten für bestimmte Fragestellungen nicht ausreicht. Den Standard bilden CIR-Luftbilder (Color-Infra-Rot Aufnahmen) im Maßstabsbereich zwischen 1:10.000 und 1:15.000, daneben Luftbilder in Echtfarbe. Der technische Fortschritt erlaubt mittlerweile auch die direkte Gewinnung digitaler Orthophotos aus dem Luftbild, was die Planung und Analyse in vorgegebenen Koordinatensystemen deutlich erleichtert.


ENERGIE ...

und Umwelt


Projektbegleitung 03


Planungen im Umweltbereich sind häufig mit energetischen Fragestellungen gekoppelt. Bei faunistischen und vegetationskundlichen Untersuchungen und Analysen wirken sich Energiebilanzen auf das Ausbreitungs- und Habitatverhalten aus, in der Standortsanalyse sind Energiekosten von zentraler Bedeutung, die spezifischen Einstrahlungsverhältnisse bei bestimmten Sonnenständen beeinflussen Klima und Wasserbilanzen usw. Auch hier bildet ArcGIS mit seinen diversen Raster- und Vektor-basierten Funktionen speziell in den Modulen GRID und Spatial Analyst die Grundlage für die energetische Bilanzierung.