Semantische Modellierung von geomorphologischenObjekten in einem Geoinformationssystem (GIS) unter besonderer Berücksichtigungvon Wänden und steilen Hangbereichen

Abstract

Die vorliegende Arbeit ist im Graduiertenkolleg "Das Relief - eine strukturierte und veränderliche Grenzfläche" an der Universität Bonn entstanden. Sie befasst sich mit der formalen semantischen Modellierung und geometrischen Repräsentation von Wänden und steilen Hangbereichen aus der Sicht der Geoinformation. Im Fokus stehen die Fragen, wie geomorphologisches Fachwissen auf Grundlage internationaler Standards formalisiert und die im Rasterformat nicht zu fassenden Geometrien dieser z. T. überhängenden Formen repräsentiert werden können. Dabei muss der diskursive Formalisierungsgrad innerhalb der Geomorphologie dem Formalisierungsanspruch der Geoinformation angepasst werden. Wände und steile Hangbereiche stellen ein bedeutendes Naturgefahrenpotential für alpine Gebiete der gesamten Welt dar. Mit Felswänden verbundene Prozesse, wie Felsstürze oder Steinschlag, bedrohen Siedlungen und Tourismus. Die Erforschung dieser Landformen ist Aufgabe der Geomorphologie und nimmt dort wegen ihrer schnell ablaufenden Prozesse eine besondere Stellung ein. Eine auf Rasterdaten basierende Repräsentation ermöglicht allerdings keine ausreichende Analyse dieser Bereiche des Georeliefs, z. T. überhängende Wände sind mit klassischen Luftbildern nicht zu erfassen. Methoden zur terrestrischen Erhebung, etwa mittels Photogrammetrie, sind in der Geomorphologie wenig verbreitet. Auch liegen keine weiterreichenden formalen semantischen Modellierungen der betrachteten Objekte, ihrer funktionalen Beziehungen und anderer, grundlegender Konzepte der Fachwissenschaft vor. Eine geeignete geometrische Repräsentation und eine formale Semantik auf Grundlage internationaler Standards sind aber Voraussetzung für den weltweiten Austausch von Informationen innerhalb der Geomorphologie. Hier wird eine formale semantische Modellierung der grundlegenden Konzepte der Geomorphologie, insbesondere aber von Wänden und steilen Hangbereichen vorgelegt. Dafür wurde das geomorphologische Wissen gesichtet und in die formale Sprache UML überführt, die eine Implementierung des Modells in ein Datenbankmanagementsystem ermöglicht. Als geometrische Repräsentationsform, die einen Austausch von Daten garantiert, wurde der ISO 19107 "Spatial Schema" gewählt. Zur nachhaltigen Speicherung der modellierten Konzepte und geometrischer Repräsentationen kommt das objekt-relationale Datenbankmanagementsystem Oracle Spatial zum Einsatz. Zur Erfassung von z. T. überhängenden Wänden werden die Möglichkeiten der terrestrischen Photogrammetrie unter Verwendung einer handelsüblichen Kamera aufgezeigt. Hierfür wurde eine Möglichkeit geschaffen, die Photos zu orientieren und Neupunkte auf ihnen zu kartieren. Eine semantische Modellierung geomorphologischer Konzepte auf Grundlage internationale Standards ist durchführbar und weist weitreichende Vorteile auf. Diese sind neben einer differenzierten Betrachtungsmöglichkeit vor allem die Repräsentation von 3D-Geometrien. Weiter können auf Klassenkonzepte basierende semantische Modellierungen in DBMS überführt und die modellierten Phänomene damit informationstechnisch verarbeitet werden. Methoden der terrestrischen Photogrammetrie ermöglichen es, mit der hier entwickelten Software "GeoSamt" die besonderen Stellen des Reliefs aufzuklären.

<strong>Semantic modelling of geomorphological objects within a geoinformation system (GIS) with emphasis on walls and steep slopes</strong><br /> This thesis was written within the research training Group “Landform - a structured and variable boundary layer”. It occupies itself with formal semantic modelling and geometric representation of walls and steep slopes for financial geoinformational purposes. The main focus is on the questions of how to formalise specific knowledge of geomorphology on the basis of international standards and how to represent the geometries of partially overhanging forms, which cannot be captured in raster format, with concepts of geoinformation. Therefore, the semantic gap between geomorphology and geoinformation has to be considered. Walls and steep slopes are a major threat in alpine regions all over the world. Processes associated with rockwalls, such as rockfall, threaten settlements and the tourist infrastructure. It is the task of geomorphology to investigate these landforms. Because of their special processes and their significance within the concept of the sediment cascade, the investigation of these landforms is of special interest. A representation based on raster data does not, however, render a sufficient analysis of these parts of the georeliefs possible, as partially overhanging walls cannot be captured from above. Methods of terrestrial data capture, e.g. photogrammetry, are scarcely used in geomorphology. Moreover, far-reaching formal semantic modelling of the objects in question, their functional relations and other basic concepts of geomorphology do not yet exist. However, a suitable geometric representation and formal semantics based on international standards are prerequisites for the analysis of objects, their genesis and their interaction in a GIS. They are therefore vital for interdisciplinary investigation of land surfaces and the interchange of information. The present work introduces a formal semantic model of basic geomorphological concepts, focussed on walls and steep slopes. For this task, the specific existing geomorphological knowledge was screened and transferred into UML, which enabled an implementation of the model in a database management system. The ISO 19107 „Spatial Schema” was chosen as a geometric form of representation that guarantees an easy data exchange. The object-relational database management system Oracle Spatial was used for the persistent storage of the modelled semantic concepts and the geometric representation. In order to capture partly overhanging walls, the facilities of terrestrial photogrammetry were documented, using a consumer camera. For this the possibility to orientate the photos and to map new points was created. Semantic modelling of geomorphological concepts based on international standards is feasible and offers a number of advantages. Apart from rendering a differentiated investigation possible, these are especially the representations of 3D geometries. Furthermore, semantic modelling based on class concepts can be transferred into the DBMS and thus the modelled phenomena can be processed. Methods of terrestrial photogrammetry combined with the software „GeoSamt“ - which was developed for this work - allow a thorough investigation of the specific parts of the relief.