Das Flussgebietsinformationssystem Saale RIS

Das Flussgebietsinformationssystem Saale RIS
Klaus Bongartz *, Peter Krause, Michael Rode und Ugo Taddei
Zusammenfassung: Die hier vorgestellte Studie - als Teil des Gesamtprojektes “Integriertes Flussgebietsmanagement am Beispiel der Saale” – hat das Ziel (1) ein Flussgebietsinformationssystems, als einheitliche Datenbasis für alle Projektarbeiten des
Verbundprojekts zu entwickeln (2) Regionalisierungsansätze für die integrierte Modellierung auf allen Skalen weiterzuentwickeln die dann als Grundlage für eine Parametrisierung und Anwendung von Modelkomponenten für die quantitative hydrologische Modellierung dienen. Die übergeordnete Zielsetzung des Gesamtprojektes ist die
Entwicklung ganzheitlicher und nachhaltiger Bewertungsansätze, wie sie im Bereich
der wasserwirtschaftlichen Planung durch die Europäische Wasserrahmenrichtlinie
gefordert werden.
Abstract: This study is part of the joint research project “Development of an integrated methodology for the sustainable management of river basins - The Saale River
Basin example” - and deals with (1) the development of a river basin information system as a homogeneous database for integrated modelling, and (2) the improvement of
a catchment disaggregation approach adapted for integrated modelling as well as the
parameterisation and application of quantitative hydrological model components. The
ultimate objective of the project is to contribute to the holistic assessment and benchmarking approaches for water resource planning, as required by the European Water
Framework Directive.
1 Einführung
Im Forschungs- und Entwicklungsprojekt “Integriertes Flussgebietsmanagement am
Beispiel der Saale”, das der Lehrstuhl für Geoinformatik gemeinsam mit dem Umweltforschungszentrum Leipzig – Halle bearbeitet, werden Methoden zum nachhaltigen
Management von Flusseinzugsgebieten entwickelt und angewendet. Eine Herausforderung hierbei liegt in der Definition von geeigneten Distributionskonzepten, welche im
hydrologischen Sinne die physiographische Heterogenität des Einzugsgebietes widerspiegeln und in der makroskaligen Modellierung einsetzbar sind. Zu diesem Zweck
wird das skalenübergreifende Konzept der Hydrological Response Units (HRUs) an-
gewendet und im Hinblick auf die prozessorientierte, flächenbasierte Ableitung und
Simulation vertikaler und lateraler Prozesse weiterentwickelt. Basierend auf dem
HRU-Ansatz werden geeignete Modellierungsansätze unter besonderer Berücksichtigung der lateralen Flüsse herausgearbeitet. Die methodischen Fortschritte werden im
Einzugsgebiet der Saale (Ao: 23179 km2) angewendet und durch einen genesteten Modellierungsansatz, der eine Multi-Response-Validierung sowie eine Quantifizierung
der Unsicherheiten erlaubt, überprüft. Die integrierte Modellierung eines heterogenen
Einzugsgebietes, das zudem stark durch vielfältige menschliche Tätigkeiten überprägt
wird, kann nur dann erfolgreich durchgeführt werden, wenn verschiedene Modellierungsansätze in einem Modellsystem gekoppelt werden. Zusätzlich wird das System
durch eine spezifisch entwickelte Datenbank ergänzt. Auf dieser Grundlage werden
Anwendungen erarbeitet, die es ermöglichen: (i) Informationen unter Partnern via Internet darzustellen und auszutauschen und (ii) die Modellkompartimente mit Eingabedaten zu versehen sowie die Ergebnisse für die weitere Verwendung durch andere Projektpartner bereitzustellen.
2 Problemstellung
Ein Problem des Verbundprojektes, für das in diesem Arbeitspaket Lösungsansätze
erarbeitet werden, ist die Interdisziplinarität und die räumliche Verteilung der Projektpartner in Magdeburg, Halle, Leipzig und Jena. Es musste also eine Möglichkeit
geschaffen werden für diese verteilten Projektpartner eine zentrale Datenbank aufzubauen, die sowohl Geometriedaten des Einzugsgebietes als auch Zeitreihen in unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Auflösungen verwalten kann (Abb.1).
Abb.1: Schematische Darstellung des Flussgebietsinformationssystems
Schließlich sollte das Datenmodell so aufgebaut sein, dass Daten für verschiedene
wissenschaftliche Fragestellungen möglichst redundanzfrei in dieser Datenbank abgelegt werden können. Die Daten sollten einen gewissen Grad an Homogenität aufweisen und für alle Partner über das Internet visualisierbar und leicht zugänglich sein.
2.1 Datenauswahl
In Abstimmung mit der Projektkoordination und den anderen Partnern vom UFZ wurde der Untersuchungs- und Modellierungszeitschritt und -raum für alle Projektarbeiten auf tägliche Werte für die Periode 1960 bis 2000 festgelegt. Dies bedeutete, dass in
erster Linie Stationen in Frage kamen, die möglichst vollständige Messreihen über
diesen Zeitraum zur Verfügung stellen. Die in die Datenbank eingelesenen Stationen
sind mit ihren Messvariablen in der Tabelle unten aufgeführt. Die Beschaffung der
Durchfluss- und Grundwasserpegeldaten gestaltete sich aufgrund der Aufteilung der
Kompetenzen in vier verschiedenen Bundesländern mit jeweils mehreren zuständigen
Fachbehörden als sehr zeit- und arbeitsintensiv
Tabelle: Stationsdaten in der Datenbank
Stationsart AnMessgrößen
zahl
Niederschlag (bei 25 Stationen), Temperatur, Windstärke, relative Feuchte, Sonnenscheindauer, Schneehöhe, WasseräquivaKlima37
lent und Art der Schneedecke, bei 6 Stationen zusätzlich Glostationen
bal/diffuse Strahlung
NiederNiederschlag, sowie bei 105 Stationen zusätzlich Schneehöhe
schlag441
und Art der Schneedecke
stationen
Abflusspe161 Durchfluss, Wasserstand
gel
Grundwas567 Grundwasserstand
serpegel
2.2 Datenprüfung
Die von den Fachbehörden gelieferten Daten wurden in einheitliche Datensätzen konvertiert. Hierbei wurde das Augenmerk auf die Vereinheitlichung der Datenformate
der vier beteiligten Bundesländer gelegt. Zusätzlich wurde eine zeitliche Aggregierung
der Tageswerte in Monats- bzw. Jahreswerte durchgeführt. In einem nächsten Schritt
erfolgte die Prüfung der Daten auf Homogenität und Konsistenz. Für die Abflusspegeldaten wurden zusätzlich Doppelsummenanalysen und Verteilungstests sowie deskriptive Statistiken errechnet, um die Konsistenz und Plausibilität der Daten einschätzen zu können. Schließlich wurden für alle Pegel im Einzugsgebiet Stammdatenblätter
angefertigt, die sämtliche pegelrelevanten Daten in Form von Tabellen und Grafiken
enthalten. Nach der Datenprüfung wurden die Daten zum Einlesen in die Projektdatenbank vorbereitet. Dazu musste zunächst ein Datenmodell, das alle vorhandenen
Daten und Metainformationen abbildet, entwickelt und innerhalb eines relationalen
Datenbank-managementsystems (RDBMS) implementiert werden. Ein RDBMS eignet
sich sehr gut zur sicheren und effizienten Verwaltung großer Datenmengen sowie zur
Abbildung von Metainformationen und Zeitreihen, ist aber hinsichtlich der Datentypen
und Funktionen meist beschränkt auf numerische Standardtypen. Geodaten lassen sich
wenn überhaupt nur unbefriedigend abbilden. Die klassischen GeoInformationssysteme (GIS) hingegen wurden entwickelt, um die Beziehungen zwischen den Objekten implizit über die geographische Lage herzustellen; ihr Bezug zu
thematischen Eigenschaften wird über explizite Relationen ausgedrückt. Für die effiziente Verwaltung von großen Zeitreihen sind sie allerdings meist nur begrenzt geeignet. Gerade im Kontext der räumlich distributiven und zeitlich dynamischen hydrologischen Modellierung, bei der sowohl Zeitreihen als auch GIS-Daten eine wichtige
Rolle spielen, ist es wünschenswert, die Vorteile von GIS und Datenbanken in der Datenbankarchitektur zu berücksichtigen. Das Datenmodell der Saaledatenbank setzt diese Anforderung über die GIS-Integration um.
3 Die Projektdatenbank
Folgende Anforderungen an die Projektdatenbank konnten aufgrund der Projektziele,
der Datenmengen/-strukturen sowie der zu erwartenden Anwendungen formuliert und
entsprechend umgesetzt werden:
¾
Es sollte eine Datenbank aufgebaut werden, die die Basis für alle späteren
Analysen, Modelle, Präsentation usw. bilden kann:
- Mehrschicht-Architektur (Abb. 2) trennt Datenverwaltung und - speicherung
strikt von den Anwendungen
- Standardschnittstellen (SQL, OpenGIS, XML) zur Kommunikation zwischen
Datenbank und Anwendungen
¾
Die Datenbank soll netzfähig sein:
- Web- und Applikationsservers als Zwischenschicht zwischen Datenbankmanagement- und Anwendungsebene
¾
Die Integration aller relevanten Datentypen soll innerhalb eines Datenmodells möglich sein: Die Verwendung von nutzerdefinierten Datentypen und
Funktionen erlaubt es, OpenGIS-konforme Geodatentypen in gewöhnlichen
RDBMS, in diesem Fall IBM DB2 UDB®, zu verarbeiten. Hierzu wird die
Software g.server® (www.geotask.ch) verwendet. Sie implementiert sämtliche
Open-GIS-Typen und Funktionen (OGC 1999) und übernimmt die Metadatenverwaltung der GIS-Daten innerhalb der Datenbank. Der Im-/Export der Geodaten aus oder in ein proprietäres GIS erfolgt über die bidirektionale universelle
Schnittstelle FME® (http://www.safe.com).
Abbildung 2: Architektur der Projekt-Datenbank und Kommunikation mit anderen
Anwendungen
¾
Flexible Erweiterbarkeit und Übertragbarkeit soll gewährleistet werden:
- Vermeidung von Redundanzen durch Normalisierung des Datenmodels
- Speicherung primärer Messdaten wobei die Beschreibung ihrer Eigenschaften
(Herkunft, Erhebung, Verarbeitungsmethoden, etc.) in relational verknüpften
Metadatentabellen abgelegt wird.
- sekundäre Daten werden als Views abgelegt, oder direkt während der Abfrage
nach Bedarf erzeugt
- abgeleitete Daten werden aus Performancegründen als materialisierte Views in
der Datenbank abgelegt und regelmäßig mit Hilfe von automatischen Prozeduren aktualisiert Das Datenmodell stützt sich auf verschiedenen Standardisie-
rungsvorschläge für Metadaten (FGDC 1994, ISO/TC211, CEN; in CEO 1997)
und hat sich bereits bewährt.
¾
Wenig Wartungsaufwand, Anwenderfreundlichkeit und eine lange Lebensdauer sind anzustreben
4 Das Flussgebietsinformationssystem Saale-RIS
4.1 Systemerstellung
Neben den oben genannten Anforderungen an die Datenbank wurden folgende zusätzliche Anforderungen an das Flussinformationssystem gestellt, die derzeit umgesetzt werden:
¾
Es soll ein Visualisierungssystem aufgebaut werden, das eine XMLSchnittstelle bietet: Dies vereinfacht den Datenaustausch zwischen Komponenten
anderer Schichten, wie z.B. XML-fähigen Modellsystemen und Browsern. Außerdem ergibt sich hieraus, die Möglichkeit Scalable Vector Graphics (SVG, W3C;
2001) für die Web-basierte, kartographische Darstellung einzusetzen.
¾
Die neu erzeugten Datentypen sollen, so weit wie möglich, aktuellen Standards entsprechen: Da die GIS-Daten innerhalb der Datenbank OpenGISkonforme Geodatentypen sind, bot sich zur Datenbeschreibung die Geography
Markup Language (GML, OGC (2001), die ebenfalls den OpenGIS Standard implementiert, an.
¾
Erweiterbarkeit und Übertragbarkeit soll gewährleistet werden: Das System
soll zwecks Wiederverwendbarkeit so allgemein wie möglich konstruiert sein. Daher wurde einen objektorientierten Ansatz (Booch 1994) gewählt.
¾
Berücksichtigung von verteilten und lokalen Systemen:
¾
-
Möglichkeit der Kopplung zwischen dem Informationssystem und lokalen An-
-
wendungen, wie z.B. Modellen, in Form von Schnittstellen implementiert werden.
Das Visualisierungssystem soll in privaten und öffentlichen Anwendungsbereichen genutzt werden können:
- Implementierung von Werkzeugen für Datenanalyse und –verarbeitung, aber für
die attraktive Darstellung von Rohdaten und Simulationsergebnissen für die Öffentlichkeit (vgl. MacEachren 1994)
Berücksichtigung der Besonderheiten von geographischen Daten
- Berücksichtigung räumlicher Aspekte (Uhlenküken et al. 2000)
Für die Umsetzung der oben angeführten Anforderungen bietet sich ein objektorientierter Ansatz für GIS an (Worboys 1994; Gärtner et al. 2001). Hierzu werden die Datentypen der Saale-DB durch eine objektorientierte Analyse (Booch 1994) in Form
von Klassen in der Programmiersprache Java (Arnold & Gosling 1996) umgesetzt.
Aufbauend auf GML wird ein eigens entwickelter XML-Dialekt, die Hydrology Markup Language (HyML), zur Beschreibung der Metadaten sowie deren geographischer
Attribute implementiert. Die Visualisierung der Daten erfolgt durch eine eigenständige, objektorientierten Klassenbibliothek, die auf SVG und VisAD (Visualization for
Algorithm Development, Hibbard, 1998) basiert. Während SVG als ein zweidimensionales Vektorformat für das Internet konzipiert wurde, ist es mit VisAD möglich auch
andere Datenmodelle zu visualisieren. Das Spektrum reicht hierbei von einfachen 2D
Vektor und Rastermodellen, bis hin zu animierten, dreidimensionalen Datensätzen,
wie zum Beispiel zur Visualisierung des Outputs von Klimamodellen.
4.2 Systemarchitektur
Die Komponentenbibliothek für das Flussgebietsinformationssystem und die hydrologische Modellierung wird in drei Hauptpakete eingeteilt: (i) Die Hydrology Markup
Language und die (ii) Visualisierungsbibliothek die unabhängige Systeme darstellen
und die Basis für das dritte Paket das Informationssystem (CRISHNA) bildet. Abb. 3
zeigt die gesamte Systemstruktur.
Abb. 3: Struktur der Komponenten für das Flussgebietsinformationssystem
Die Darstellung der Geometrie wird mit Hilfe der Visualisierungsbibliothek durchgeführt. Neben den eigentlichen Datenmodulen sind zusätzlich auch Module für Datenbankenverbindung, Web-Kommunikation (Servlets) und graphische Benutzerschnittstelle implementiert. Generell besteht eine Komponente der Klassenbibliothek aus Me-
tadaten einerseits und den geometrischen Eigenschaften auf der anderen Seite. Die
gesamten Daten können als HyML exportiert werden. Weiter kann die geometrische
Eigenschaft einer Komponente auch direkt in einem Display, das von der Visualisierungsbibliothek bereitgestellt wird, dargestellt werden. Alternativ dazu kann die Komponentengeometrie auch durch SVG beschrieben werden, wobei die Generierung der
SVG Objekte durch eine XML-Transformation (Extensible Stylesheet Language
Transformation, XSLT; W3C 1999) durchgeführt wird. Nicht-geometrische Daten, die
ebenfalls Bestandteile von HyML sind, werden für die Darstellung durch eine XSLT
zum Beispiel in HTML konvertiert.
4.3
Momentane
Funktionalität
des
Web-basierten
StationsdatenInformationssystems
Der Zugang über Internet (http://lossa.geogr.uni-jena.de:8080/saale/) zu den hydrologischen und meteorologischen Stationsdaten in der Projektdatenbank kann auf zwei
Arten erfolgen:
Kartenbasierter Zugang: Eine Übersichtskarte des Saale-Einzugsgebietes (Abb. 4),
momentan mit den Themen Bundesländer, Flussnetz, Seen und Städte, bereitgestellt
über SVG (Scalable Vector Graphics), dient zur räumlichen Orientierung im Gebiet.
Hierauf sind alle Messstationen, deren Daten in der Datenbank gespeichert sind, als
Punkte überlagert eingetragen. Durch die Verwendung der SVG-Technologie ist es
möglich, interaktiv in der Karte zu navigieren (zoom, pan, fullview), sowie alle graphischen Objekte mit Hyperlinks oder auch Javascript-Funktionen zu belegen. Informationen über die Objekte der einzelnen Layer (z.B. der Name einer Stadt oder eines
Grundwasserpegels) werden in einem Textfeld unter der Karte über Event-Handler
bereitgestellt (Abb. 4). Über Mausklick auf ein beliebiges Objekt werden zusätzliche
Informationen, die in der Datenbank über das betreffende Objekt vorliegen, abgefragt
und im Browser dargestellt. mit den Informationen über die Station selber sowie Informationen über die in der Datenbank vorhandenen Datensätze. Zusätzlich besteht die
Möglichkeit Daten direkt aus der Datenbank abzulesen, wobei unterschiedliche zeitliche Aggregationsstufen (täglich, monatlich , jährlich) gewählt werden können. Das
Zeitfenster lässt sich dabei beliebig durch den Benutzer wählen. Das Abfrageergebnis
kann beispielsweise als Diagramm dargestellt werden. Durch die Verwendung der
zeitlichen Aggregation ist der Benutzer in der Lage sich einen schnellen Überblick
über die Datenqualität einer bestimmten Station zu verschaffen. Um die Dynamik der
Messvariable einschätzen zu können, kann die tägliche Originalauflösung für einzelne
Ereignisse oder hydrologische Jahre betrachtet werden.
Abb. 4: Snapshot des Messstations-Informationssystems für das Saaleprojekt
Neben der Diagrammdarstellung lässt sich aus der Datenbankabfrage auch eine Zeitreihentabelle im ASCII-Format erzeugen, die im Browserfenster dargestellt wird, und
für weitere Analysen in anderen Programmen verwendet werden kann. Diese Funktionalität ist aus datenrechtlichen Gründen durch ein Passwort geschützt.
Zugang über Stationslisten: Neben der Kartenvisualisierung in der beschriebenen
Webanwendung mittels SVG-Technologie kann der Zugang zu den Messstationsdaten
außerdem über eine alphabetisch sortierte Listenauswahl erfolgen, die über die Links
im oberen Bereich des Hauptframes thematisch sortiert sowie am linken Rand detailliert angezeigt wird (Abb. 4). Im Gegensatz zur Kartenauswahl erfolgt in diesem Fall
die Navigation durch Anklicken des Stationsnamens, was im weiteren dann wieder zu
den Stammdaten der betreffenden Station und von dort aus zu den Daten führt.
5.Ausblick
In Zukunft wird das Informationssystem noch um ähnliche Funktionalitäten für Modellierungsanwendungen erweitert. Ein generisches Display soll hierbei die kartenbasierte Auswahl von Stationen und GIS Informationen ermöglichen. Stationsdaten wer-
den hierbei direkt in einem Dialogfenster dargestellt. Hierdurch wird die Visualisierung von mehreren Zeitreihen auf einem einzigen Display möglich. Der Export der
Daten durch HyML und nachfolgenden Transformation durch entsprechende XSLTDateien sind derzeit in Bearbeitung.
6.Literatur
Arnold, K, Gosling, J (1996): The Java programming language. - Addison-Wesley,
Reading, ISBN 0-201-63455-4.
Booch, G. (1994): Object-oriented Analysis and Design. With Applications. – Benjamin/ Cummins, California.
CEO (1997): Recommendations on Metadata – Describing the data, services and information. User’s Guide, Centre for Earth Observation Programme of the EU,
Version 1.1, May1997.
Gärtner, H., Bergmann, A. , Schmidt, J. (2001): Object-oriented modeling of data
sources as tools for the integration of heterogeneous geoscientific information. –
Computers & Geosciences 27: 975-985.
Hibbard, W. (1998): VisAD: Connecting people to computations and people to people.
- Computer Graphics 32, No. 3, 10-12.
MacEachren, A.M (1994): Visualization in Modern Cartography. Setting the Agenda.
In MacEachren, A.M. [Hrsg.]: Visualization in Modern Cartography. - Pergamon
Press, Oxford, ISBN 0-08-042416-3.
OGC (2001): Geography Markup Language (GML) 2.0. OpenGIS Implementation
Specification, 20 February 2001.OGC Document Number: 01-029.
http://www.opengis.net/gml/01-029/GML2.html
OGC (1999): OpenGIS Simple Features Specification For SQL, Rev. 1.1. OpenGIS
Project Document 99-049, Open GIS Consortium, Inc.,
http://www.opengis.org/techno/specs/99-049.pdf
Pachepsky, Y.A., Rawls, W.J., Oldak, A., Jackson, T.J. (2001): Scaling in soil parameters used in pedotransferfunctions. Proceedings of the EGS General Assembly, Nice, 2001.
W3C (2001): Scalable Vector Graphics (SVG) 1.0 Specification. W3C Recommendation 04 September 2001. http://www.w3.org/TR/2001/REC-SVG-20010904/.
Uhlenküken, C., Schmidt, B. & Streit, U. (2000): Visual exploration of highdimensional spatial data. Requirements and deficits. - Computers & Geosciences,
26: 77-85.
W3C (1999): Extensible Stylesheet Language Transformation (XSL). W3C Recommendation 16 November 1999. http://www.w3.org/TR/xslt
Worboys, M.F. (1994): Object-oriented approaches to geo-referenced information. –
Int. J. Geographical Information Systems, Vol. 8, No. 4: 385-399.