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Geo-Visualisierung

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Openstreetmap und Kartierung natürlicher geographischer Formen

external linkOpenstreetmap hat sich zu einem erstaunlich erfolgreichen Projekt entwickelt, was die Kartierung von Dingen betrifft, welche entweder von Menschen geschaffen oder von ihnen geprägt wurden. In Hinblick auf derartige Objekte übertrifft Openstreetmap die meisten anderen Datenquellen – sowohl was die Qualität als auch was die Aktualität der Daten betrifft. Bei geographischen Formen, welche nicht in erster Linie das Produkt menschlicher Aktivitäten, sondern welche natürlichen Ursprungs sind sieht dies anders aus. Ich möchte hier ein wenig den Hintergrund dieses Phänomens beleuchten und erläutern, in wie fern die Kartierung der Natur sich von der Kartierung menschlicher Kultur unterscheidet.

Um das klarzustellen – Openstreetmap ist, wie der Name bereits sagt, in erster Linie ein Projekt der Kartierung von Kulturgeographie. Aber es sollte offensichtlich sein, dass man die natürliche, physische Geographie dabei nicht gut ignorieren kann, denn unser tägliches Leben wird, selbst in einer Großstadt, stark von physischer Geographie beeinflusst. Openstreetmap trägt dieser Tatsache Rechnung indem man physisch geographische Aspekte in den Attributen (keys) berücksichtigt (external linkKey:natural, external linkKey:waterway). Die Verwendung dieser Attribute und die Qualität der physisch geographischen Informationen sind jedoch eine andere Sache.

OSM Beispiel aus dem Osten Freiburgs

Wenn ich als Beispiel meinen Wohnort nehme – external linkFreiburg. Die Kulturgeographie ist mit einem erstaunlichen Detailreichtum kartiert bis zu den einzelnen Häusern. Man kann auch erkennen, dass die Karte physisch geographische Informationen wie zum Beispiel über Flüsse enthält. Ein näherer Blick zeigt jedoch, dass die Genauigkeit dieser Daten sich stark unterscheidet. Die Daten über Straßen und Häuser dürften recht genau sein (die Erfassung der Straßen erfolgt auf Basis von GPS-Daten und die der Häuser vermutlich auf Grundlage von Luftbildern). Aber es ist erkennbar, dass die Erfassung der Flüsse nicht dem selben Standard genügt. Im zuvor verlinktem Bereich scheint der Dreisam ein Fluss erheblicher Größe zu sein, während die Brugga den Eindruck eines unbedeutenden Baches erweckt. In der Realität ist der Dreisam an dieser Stelle gerade einmal doppelt so groß wie die Brugga. Des weiteren endet die Brugga in Openstreetmap 100m stromaufwärts bevor sie nach einer erheblichen Lücke fortgesetzt wird (und zwar mit angegebener Breite). Wenn man weiter im ländlichen Bereich nach der Kartierung des Bewuchses schaut, ist zu sehen, dass der Wald ein recht einheitlicher Qualität erfasst ist, jedoch ohne Unterscheidung nach Laub- und Nadelwald.

Diese Beispiele deuten darauf hin, dass die physische Geographie in Openstreetmap in dem Maße erfasst wird, in dem sie für gängige menschliche Aktivitäten von Bedeutung ist. Die Größe eines Flusses hat zwar eine gewisse Bedeutung, jedoch ist diese viel geringer als beispielsweise bei Straßen und Häusern. Dies führt mich zu:

These 1: Im Mittel erfasst Openstreetmap geographische Daten proportinal zu ihrer Bedeutung für menschliche Aktivitäten.

Gegenden, in denen eine große Zahl von Menschen leben wie in Großstädten werden Dinge also bis ins Detail erfasst und regelmäßig aktualisiert. Ländliche Gegenden werden weniger detailliert kartiert und Gebiete unberührter Wildnis werden lediglich rudimentär erfasst.

An dieser Vorgehensweise ist an sich nichts auszusetzen, allerdings impliziert These 1 einen Konflikt, da wir eine Landkarte verwenden, um uns über das Dargestellte zu informieren. Je weniger bekannt dieses ist, desto wichtiger und nützlicher ist die Karte für uns. Die weniger bekannten Dinge sind jedoch nicht diejenigen, denen bei der Kartierung Priorität zukommt.

Dieser Konflikt wird ein wenig abgemildert durch die Tatsache, dass die Detailliertheit der Daten bei Openstreetmap begrenzt ist – und zwar aufgrund technischer Grenzen (wie auch zum Teil durch Regeln und Konventionen in OSM). Sobald die erfassten Strukturen eine Größe im Meter- oder Sub-Meter-bereich erreichen, sind die primär in Openstreetmap verwendeten Verfahren (GPS sowie Luft- und Satellitenbilder) nicht mehr ausreichend genau und es müsste auf andere, aufwändigere Vermessungsverfahren zurückgegriffen werden, was im Allgemeinen nicht praktikabel ist. Sobald dieses Niveau an Detailliertheit erreicht ist, wird das Augenmerk bei der Kartierung also zwangsläufig auf andere Strukturen gelenkt, welche noch nicht derart detailliert erfasst sind.

Die weiter oben erwähnten Beispiele zeigen noch etwas Anderes: Es gibt einfacher und weniger einfach zu kartierende Dinge. Um eine Straße präzise zu kartieren, muss man lediglich ihrem Verlauf mit einem GPS-Gerät folgen. Bei einem Fluss lässt sich dies normalerweise nur dann analog umsetzen, wenn der Fluss schiffbar ist – in diesem Fall ist er jedoch im Allgemeinen bereits so groß, dass man beide Ufer des Flusses getrennt erfassen möchte (insbesondere da ein Fluss im Gegensatz zu einer Straße oft keine konstante Breite aufweist). Dies führt mich zu:

These 2: Von Menschen geschaffene oder geformte Strukturen lassen sich kartographisch durch Menschen wesentlich einfacher erfassen als natürliche Strukturen.

Diese These lässt sich auch auf das erwähnte Beispiel der Waldgebiete anwenden. Die Erfassung des Waldtyps stellt eine schwierige Aufgabe dar – man muss entweder vor Ort im Wald die Bäume in Augenschein nehmen oder man benötigt Luft- oder Satellitenaufnahmen aus unterschiedlichen Jahreszeiten – in jedem Fall ergibt sich jedoch immer das Problem, die Grenzen zwischen Laub-, Nadel- und Mischwald zu ziehen. Darüber hinaus sollte klar sein, dass die Zusammensetzung eines Waldes und der Verlauf eines Flusses gewöhnlich einer kontinuierlichen zeitlichen Veränderung unterliegen, so dass diese Informationen nicht nur einmalig erfasst, sondern regelmäßig aktualisiert werden müssen. Diese Probleme werden noch verstärkt durch:

Thesis 3: Die Erde ist sehr groß und der Teil von ihr, welcher primär von Menschen geformt wird, ist immer noch klein im Vergleich zu dem Teil, welcher in erster Linie von der Natur geformt wird.

Diese Tatsache wird oft übersehen, da die meisten von uns in Gegenden leben, in denen kaum noch etwas als unberührte Natur angesehen werden kann. Aber man sollte sich zum Beispiel klar machen, dass die Länge aller permanent Wasser führenden Flüsse der Erde zusammen genommen vermutlich ein Vielfaches der Länge aller Straßen beträgt. Die Erfassung aller kulturgeographichen Strukturen bis zu der durch die Erfassungstechniken in Openstreetmap definierten Genauigkeitsgrenze stellt ein realistisches langfristiges Ziel für Openstreetmap dar. Das Selbe für die natürlichen Strukturen zu erreichen ist unrealistisch.

Folglich ist am Ende die Prioritisierung gemäß These 1 eine sehr weise Entscheidung und wie ich glaube eine der wesentlichen Grundlagen für den Erfolg von Openstreetmap. Dennoch ist der beschriebene Konflikt real und es wäre von großer Bedeutung für den Nutzen der Karte, einen Mindeststandard an Genauigkeit und Vollständigkeit in Bezug auf alle in der Karte prinzipiell erfassten Strukturen sicherzustellen.

Empfehlungen

In einer Hinsicht hat Openstreetmap in diesem Zusammenhang bereits eine sehr mutige Entscheidung getroffen: In Bezug auf Reliefdaten. Mit Ausnahme von external linkHöhenangaben ausgezeichneter Punkte werden Höhendaten jeglicher Form in der Openstreetmap-Datenbank grundsätzlich nicht erfasst. Der Grund für diese Entscheidung lieft vermutlich darin, dass bei Beginn des Projektes (und in Wirklichkeit bereits lange davor) Reliefdaten fast ausschließlich durch Fernerkundungstechniken erfasst wurden, in den meisten Fällen durch automatisierte Prozesse. Als OSM in 2004 seine Arbeit begann waren hochauflösende Reliefdaten bereits für einen Großteil der Erdoberfläche ein einheitlicher Qualität frei verfügbar und zwar in Form der SRTM-Daten.

Reliefdaten sind also ein Spezialfall, der jedoch einiges mit anderen Daten der physischen Geographie gemeinsam hat: sie lassen sich oft besser in Rasterform als in Vektorform darstellen. Vergleichbares gilt für Daten zum Bewuchs. Wenn man sich anschaut, wie Informationen zu Landnutzung und Bewuchs in Openstreetmap gespeichert werden, findet man oft eine ziemlich chaotische Anordnung sich überlappender Polygone verschiedener Größe. Diese Polygone werden meist einfach dazu verwendet, gewisse Bereiche der Karte einzufärben, stellen aber jedes für sich genommen meist keine bedeutungsvolle Einheit dar, wie beispielsweise ein als Einheit bewirtschaftetes Stück Land. Diese Beobachtung führt mich zu meiner ersten Empfehlung:

Empfehlung 1: Manche für eine nützliche Landkarte notwendigen Informationen können mit den aktuellen Datenstrukturen von Openstreetmap nicht gut wiedergegeben werden so dass es wichtig wäre, diese explizit aus der normalen Datenbank herauszuhalten und statt dessen Mittel und Wege zu entwickeln, diese Daten in einer passenden Form entweder innerhalb des OSM-Projektes oder separat zu erfassen und zu verwalten.

Wie bereits bei den Reliefdaten könnte es bei manchen Datentypen sinnvoll sein, auf externe Datenquellen zurückzugreifen. Bei solch einer Entscheidung müsste natürlich von Zeit zu Zeit neu überprüft werden, ob diese Daten immer noch den Anforderungen des Projektes genügen.

Ich habe weiter Oben eine Reihe grundsätzlicher Unterschiede zwischen menschlichen und natürlichen Strukturen in Landkarten beschieben und möchte daraus zwei weitere Empfehlungen ableiten:

Empfehlung 2: Während bei der Erfassung von durch Menschen geschaffenen Strukturen gewöhnlich eine gewisse Genauigkeit implizit vorgegeben ist, ist dies bei natürlichen Strukturen nicht der Fall – folglich sollte bei deren Kartierung die Genauigkeit ihrer Erfassung immer angegeben werden, damit die Daten einen Nutzen haben.

Die implizite Genauigkeit bei von Menschen geschaffenen Strukturen bedarf vermutlich einer Erläuterung. Wenn beispielsweise die Form eines Gebäudes erfasst wird impliziert dies eine Genauigkeit von wenigstens einigen wenigen Metern – andernfalls wäre die Erfassung der Gebäudeform relativ sinnlos. Vergleichbares lässt sich für fast alle von Menschen geschaffenen Strukturen sagen. Aufgrund der fraktalen und skalenunabhängigen Formen in der Natur trifft dies jedoch nicht auf natürliche Strukturen zu.

Empfehlung 3: Strukturen der physischen Geographie unterliegen gewöhnlich einer kontinuierlichen Veränderung, weshalb ihre kartographische Erfassung immer mit einer Angabe des Erfassungsdatums versehen werden sollte.

Natürlich ist eine solche Angabe auch für menschliche Strukturen nützlich, jedoch weniger notwendig. Ein Gebäude oder eine Straße beispielsweise werden irgendwann gebaut, später vielleicht einmal verändert und irgendwann abgerissen. Dies sind diskrete Ereignisse, so dass es wesentlich einfacher ist, festzustellen, welchen der verschiedenen diskreten Zustände die Daten repräsentieren. Natürlich gibt es auch in der Natur diskrete Ereignisse wie Erdrutsche, Waldbrände oder Vulkanausbrüche. Diese stellen jedoch die Ausnahme und nicht die Regel dar.

Schließlich ergibt sich aus These 2:

Empfehlung 4: Bei der Erfassung natürlicher Strukturen mit Hilfe von Fernerkundungsdaten können automatisierte Techniken gegenüber einer manuellen Auswertung die Effizienz der Erfassung enorm steigern.

Mir ist klar, dass die Integration automatischer Verfahren in den Datenerfassungsprozess bei einem Kooperationsprojekt wie Openstreetmap eine enorme Herausforderung darstellt, wenn man diese nicht als einen einmaligen Datenimport verstehen möchte (was den Nutzen aufgrund der kontinuierlichen Veränderungen in der Natur erheblich einschränken würde).

Christoph Hormann, August 2012

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