Applications of new information technologies for the preparation and efficient transmission of geographic information - the example of map-based systems on the Internet

Für die Bearbeitung sowohl praktischer als auch wissenschaftlicher Fragestellungen gewinnt der Einsatz kartengestützter Online-Systeme heute zunehmend an Bedeutung und führt zu einer außerordentlich großen Aufwertung der klassischen Funktion der Kartendarstellung in raumbezogenen Arbeits- und Forschungsprozessen. Dies bezieht sich nicht nur auf das Fach Geographie, sondern auch auf andere geowissenschaftliche Disziplinen. Alle Raumwissenschaften greifen auf räumliche Modelle in Form von Karten oder kartenverwandten Darstellungen zurück, um Zugang zur räumlichen Realität zu erhalten und theoriegeleitet arbeiten zu können.Wie bei Fernerkundungstechniken oder statistischen Analyseverfahren, die in zahlreichen geographischen Forschungsprozessen oder praktischen Auswertungstätigkeiten angewandt werden, ist es auch im Bereich der Online-Informationsvermittlung heute erforderlich, über hinreichende Kenntnisse der Wirkungsweise der eingesetzten Techniken (Verfahren) zu verfügen. Gerade im Hinblick auf die optische Perfektion, die mittlerweile kennzeichnend für die digitalen Produkte raumbezogener Visualisierungstechniken ist, erscheint es notwendig, technische Zusammenhänge und Grundlagen aufzuzeigen.Die Analyse der Konstruktions- und Distributionsweisen und die Herausstellung der informationstheoretischen Vorzüge kartengestützter Online-Systeme wurde dabei um eine empirische Überprüfung ergänzt, um eine umfassendere Bewertung des tatsächlichen Vermittlungserfolges von geographischen Informationen erreichen zu können. Mit diesem Ansatz wurde der Versuch unternommen, die These von der größeren Effizienz von Webkarten zu überprüfen und aufzuzeigen, ob und ggfs. in welchem Umfang sich die mit einer Web-Karte verfolgte Intention, einen Raumausschnitt thematisch oder topographisch wiederzugeben, im Vergleich zu konventionellen Printkarten unterschiedlich umsetzen lässt. Die Datenerhebung erfolgte über eine Befragung von zwei unterschiedlichen Versuchsgruppen, deren Wahrnehmungsleistungen als Indikator für die Wirkung der unterschiedlich codierten Rauminformationen gewertet wurden.Insgesamt belegen die Ergebnisse des kartographischen Experiments die Annahme, dass der Vermittlungserfolg von kartengestützten Rauminformationen, die über das Internet übertragen werden, größer ist als bei konventionellen Printkarten. Der Anteil an korrekten Antworten, der bei der vergleichenden Befragung erzielt wurde, ist bei den mit der Web-Technologie visualisierten Karten durchschnittlich um rund 15% größer als bei den normalen Printkarten. Insbesondere bei komplexeren Rauminformationen, bei denen es um vergleichende Betrachtungen oder das Erfassen von kausalen Zusammenhängen geht, besitzen interaktive und multimedial unterstützte Raumdarstellungen, wie sie das World Wide Web ermöglicht, eindeutig Vorteile. Die Möglichkeiten zum räumlich, zeitlich und inhaltlich nahezu unbegrenzten Informationsabruf und zur Variation der Datenwiedergabe von Webkarten kommen dem jeweils unterschiedlich ausgeprägten Wahrnehmungsvermögen der Kartennutzer zugute und verbessern offensichtlich die individuelle Informationsaufnahme

Usability-Patterns für Webanwendungen in Geodateninfrastrukturen: Usability-Patterns für Webanwendungen in Geodateninfrastrukturen

Die Usability von Webanwendungen in Geodateninfrastrukturen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Eine große Anzahl von Webanwendungen stellt einem heterogenen und wachsenden Nutzerkreis Geoinformationen auf verschiedene Weise über das Web zur Verfügung. Diese Nutzergruppen benötigen robuste und nutzerfreundliche User-Interfaces. Die Usability der verfügbaren Webanwendungen variiert stark, wobei sich eine unzureichende Usability nicht nur auf die Akzeptanz der Webanwendung, sondern vielfach auf die Akzeptanz der bereitgestellten Geoinformationen bzw. auf die der ganzen Geodateninfrastruktur auswirkt. Die Behebung von Usability-Problemen aus Webanwendungen in Geodateninfrastrukturen (GI-Webanwendungen) ist derzeit mit einem hohen Aufwand verbunden. Ein Grund dafür ist die fehlende Strukturierung wiederkehrender Usability-Probleme, die zur Folge hat, dass Usability-Probleme stets durch Usability-Evaluierungen neu erkannt werden müssen. Strukturierte Usability-Probleme lassen sich durch Lösungsmuster beheben. Die Vielzahl der verfügbaren GI-Webanwendungen lässt darauf schließen, dass für die grundlegenden wiederkehrenden Probleme bereits Lösungen in anderen GI-Webanwendungen existieren. Bisher werden die Lösungen jedoch für jede Anwendung neu entwickelt und implementiert. Es fehlt an Methoden und Konzepten die (häufig) auftretenden Usability-Probleme in GI-Webanwendungen strukturiert zu erfassen und durch Lösungsmuster zu beheben. Die Beiträge der vorliegenden Arbeit bestehen unter anderem in einer Auseinandersetzung mit dem Themengebiet der Usability für Webanwendungen in Geodateninfrastrukturen. Ein Ergebnis der Arbeit besteht in der interdisziplinären Grundlagenbetrachtung zur Usability im Softwareentwicklungsprozess und zu Kernaspekten von Geodateninfrastrukturen und darin verfügbaren Webanwendungen. Im Rahmen der Arbeit erfolgte ebenfalls eine Systematisierung bisheriger Forschungsarbeiten zur Usability in GI-Webanwendungen. Diese zeigte, dass das Bewusstsein für die Bedeutung der Usability in der GI-Domäne bereits vorhanden ist, es zum Teil aber noch an detaillierten Untersuchungen fehlt. Daher wurden in verschiedenen eigenen Usability-Studien Untersuchungen zur Usability in der GI-Domäne durchgeführt. Die daraus resultierende strukturierte Sammlung von Usability-Problemen in GI-Webanwendungen bildet ein Usability-Grundwissen für zukünftige Neuentwicklungen oder Überarbeitungen von GI-Webanwendungen. Die gesammelten Usability-Probleme lassen sich teilweise auch in anderen Anwendungen der Domäne finden, und bilden somit auch für deren Entwicklung bzw. Redesign eine sinnvolle Wissensbasis. Für die strukturierte Erfassung von Usability-Problemen aus GI-Webanwendungen und entsprechende Lösungsvorschläge wird das Konzept der Usability-Patterns für GI-Webanwendungen vorgeschlagen. Durch die Integration des GIDomänenwissens in die Patternstruktur, können Usability-Probleme der Domäne entsprechend spezifischer beschrieben und passende Lösungen aufgefunden werden. Neue Patterntypen und -relationen mit Regeln zur Kombinierbarkeit der Typen und Relationen ermöglichen die Vermeidung mehrfach auftretender Usability-Probleme, wie z. B. des Mangels eines konsistenten Design- und Interaktionskonzepts. Aufbauend auf einem komplexen Anwendungsfall wird die Umsetzbarkeit des Konzepts der Usability-Patterns für GI-Webanwendungen gezeigt. In einer selbst entwickelten Anwendung zur Exploration und Visualisierung wissenschaftlicher GI-Ressourcen werden dazu Beispielpatterns umgesetzt und evaluiert. Die Anwendung implementiert neuartige Visualisierungs- und Interaktionskonzepte für die Exploration von GI-Ressourcen, zeigt aber auch die Übertragbarkeit von Lösungskonzepten aus anderen Domänen. Ein sogenannter Patternbrowser veranschaulicht, wie die Recherche und Exploration von Patterns einer Patternsammlung auf Basis der Patternmerkmale erfolgen kann. Die Webanwendung stellt damit ein Werkzeug für die projektübergreifende Arbeit interdisziplinärer Teams dar. Eine Formalisierung der wesentlichen Patternmerkmale bildet die Grundlage für die vielfältige Nutzung des neuen Konzepts, z. B. in verschiedenen Softwareanwendungen wie GUI-Buildern, und damit verbundene weiterführende Forschungsarbeiten.:1 Einleitung 9 1.1 Motivation 9 1.2 Forschungsfragen 11 1.3 Aufbau der Arbeit 13 2 Usability und Webanwendungen in Geodateninfrastrukturen 16 2.1 Usability und Usability-Evaluierungsmethoden 16 2.2 Webanwendungen in Geodateninfrastrukturen 25 3 Untersuchungen zur Usability in Geodateninfrastrukturen 34 3.1 Abgrenzung der Usability in GI-Webanwendungen 35 3.2 Usability-Evaluierungsmethoden für GI-Webanwendungen 36 3.3 Konzeption und Durchführung von Usability-Inspektionen für GIWebanwendungen 41 3.4 Usability-Probleme in GI-Webanwendungen 57 4 Patterns in der Softwareentwicklung 61 4.1 Patterns und Design-Patterns 61 4.2 Mensch-Computer-Interaktions-Patterns 63 4.3 Usability-Patterns 65 4.4 Organisationsprinzipien von Patterns 70 4.5 Formalisierung von Patterns 73 5 Konzeption von Usability-Patterns für GI-Webanwendungen 76 5.1 Anwendbarkeit der Usability-Patterns auf GI-Webanwendungen 76 5.2 Allgemeine Anforderungen und Patternbeispiele 80 5.3 Integration von Hilfsstrukturen zur Patternnutzung und des GIDomänenwissens in die Patternstruktur 82 5.4 Modellierung eines konsistenten Design- und Interaktionskonzepts 88 6 Umsetzung und Evaluierung des Konzepts 100 6.1 Fallstudie: GLUES – Suchen wissenschaftlicher GI-Ressourcen 100 6.2 Exemplarische Umsetzung von Usability-Patterns 106 6.3 Usability-Studie zur Umsetzung der Usability-Patterns 111 7 Unterstützung bei der Nutzung des Patternkonzepts 132 7.1 Patternbrowser zur Suche nach Usability-Patterns 132 7.2 Formalisierung von Usability-Patterns für GI-Webanwendungen 134 8 Zusammenfassung 144 8.1 Diskussion und Beantwortung der Forschungsfragen 144 8.2 Ausblick und zukünftige Arbeiten 148 9 Anhang 152 9.1 Modelle 152 9.2 Usability-Studien 153 9.3 Eyetracking-Studie 159 10 Verzeichnisse 185 10.1 Abbildungsverzeichnis 185 10.2 Tabellenverzeichnis 188 10.3 Listingverzeichnis 190 10.4 Literaturverzeichnis 19

Google Earth in der Stadtplanung : Die Anwendungsmöglichkeiten von Virtual Globes in der Stadtplanung am Beispiel von Google Earth

Der Bereich der Geoinformationswissenschaften hat in den letzten Jahren einen starken Aufschwung erfahren. Gerade Programme wie Google Earth haben den Bereich der Geoinformation und Kartografie für eine breite Masse erschlossen. Eine zukunftsweisende Form der Webmapping-Tools sind Virtual Globes – digitale Abbildungen der Welt. Auf Grundlage echter Luftbilder ermöglichen sie die dreidimensionale und zunehmend realistischere Darstellung von Städten und auch Topografie. Dank ihrer vielfältigen Funktionen entwickeln sie sich zunehmend zu leistungsstarken WebGIS, die leicht bedienbar und kostengünstig sind. Damit werden sie zunehmend für fachliche Anwendungen interessant. In dieser Arbeit wird untersucht, welche Möglichkeiten Virtual Globes für die Disziplin der Stadtplanung bieten. Die Arbeit beschränkt sich dabei auf das Programm Google Earth als den populärsten Vertreter. Nach einem Exkurs über die veränderte Weltsicht durch die allgegenwärtige Verfügbarkeit von Luftbildern, wird eine Übersicht über die aktuellen Entwicklungen in den Bereichen der Kartografie, 3D-Stadtmodellen und Webentwicklung gegeben, welche eng miteinander verwoben sind. Anschließend werden die vielfältigen Funktionalitäten von Google Earth dargestellt und anhand von Praxisbeispielen zeigt, dass das Programm bereits jetzt Anwendung findet. Nach einem Ausblick auf zukünftige Anwendungsmöglichkeiten schließt die Arbeit mit dem Fazit, dass Programme wie Google Earth das Potential haben, viele neue Entwicklungen für die (Stadt-)planung zu ermöglichen. In dieser Arbeit wird anhand des Programms Google Earth aufgezeigt, welche vielfältigen Möglichkeiten Virtual Globes bereits jetzt für die Disziplin der Stadtplanung bieten. Zudem wird ein Blick in die Zukunft gewagt und neue kartografische Methoden zur Stadtanalyse dargestellt. Online im Universitätsverlag der TU Berlin erschienen

Die KFMplus: Integriertes kommunales Flächen- und Ressourcenmanagement

Mit Förderung aus dem BMBF-Programm "KMU innovativ: Ressourceneffizienz und Klimaschutz" entsteht derzeit ein neues Werkzeug der digitalen Planungsunterstützung, die sogenannte KFMplus (Kommunales Flächen- und Ressourcenmanagement plus). Die KFMplus führt Aufgaben des Flächenmanagements mit stadtökologischen, sozialräumlichen und städtebaulichen Aspekten zusammen. Auf Basis von OpenSource-Technologien und modernen Visualisierungsmethoden erhalten Kommunen somit eine integrierte Informationsgrundlage mit einer Vorbewertung für Entwicklungsoptionen einzelner Flurstücke in der Innenentwicklung. Das Konzept baut auf wissenschaftlichen Erkenntnissen und Handlungsempfehlungen von Expert*innen auf und nutzt als Basis bestehende Werkzeuge, die in Süddeutschland bereits im Einsatz sind. Die Benutzeroberfläche der KFMplus ist für gängige Webbrowser konzipiert und ermöglicht die flexible Einbindung administrativer Geodaten. Eine Testphase in zwei Kommunen stellt die Anwendbarkeit des Instruments sicher

Ist-Analyse des Geoinformationswesens im Freistaat Sachsen

Der Wandel der Industriegesellschaften von gestern hin zu Informationsgesellschaften ist allgemein bekannt. Die Anwendung moderner Kommunikationsmittel und neuer Technologien gehören bereits zum Alltag. Die Wichtigkeit von Geoinformationen als Wirtschaftsgut und Informationsressource ist in Politik und Gesellschaft ebenfalls angekommen. Das Geoinformationswesens stellt einen wachsenden Markt dar, der die Zukunft von Arbeit und Wohlstand zukünftig mit sichern kann. Der Aufbau der Geodateninfrastruktur im Freistaat Sachsen befindet sich noch am Anfang. Trotzdem sind bereits viele Aktivitäten im IT-Bereich durch eGovernment Projekte erfolgreich umgesetzt worden. Auch eine Vielzahl an Bestrebungen auf kommunaler Ebene haben den Prozess weiter voran gebracht. Durch die Gründung der gdi.initiative.sachsen ist eine weitere positive Entwicklung beim Aufbau der Geodateninfrastruktur in Sachsen möglich. Dem Hauptziel des einfachen Zugangs zu Geodaten und einem transparenten Geoinformationswesen kommt man schrittweise näher. Die Diplomarbeit gibt einen Überblick über das Geoinformationswesen und die vorhandenen Aktivitäten in Sachsen. Eine so umfassende Betrachtung des gesamten Bereiches lag bisher noch nicht vor. Die in der Aufgabenstellung geforderte detaillierte Datenerhebung konnte aufgrund des begrenzten, zeitlichen Umfangs nicht durchgeführt werden. Für diese ausstehende umfangreiche Ist-Erhebung beschreibt die Arbeit anzuwendende Methoden und nutzbare Datenquellen. Die Erstellung eines Portals des Geoinformationswesens in Sachsen und die Einbindung vorhandener Komponenten als Grundlage für eine umfassende Analyse sollte dabei Ziel sein. Die Diplomarbeit stellt somit die Diskussionsgrundlage für die weiteren Aktivitäten dar. Ein besonderes Augenmerk wurde auch auf vergleichbare Erhebungen anderer Bundesländer gelegt. Aus den Ergebnissen lassen sich Ziele und Thesen für die Untersuchungen im Freistaat Sachsen ableiten. Da eine detaillierte Ist-Analyse eine enge Kommunikation aller Akteure erfordert, würde automatisch der Aufbau einer Geodateninfrastruktur in Sachsen beflügelt. Darüber hinaus könnte die viel geforderte Transparenz des Geoinformationswesens und der Verwaltung Wirklichkeit werden. Die technischen und organisatorischen Voraussetzungen sind weitestgehend geschaffen, sodass dem erfolgreichen Aufbau einer Geodateninfrastruktur im Prinzip nichts entgegensteht

Risswerkführung zwischen analoger Karte und WebMap

Das Risswerk in analoger Form erfüllt die Anforderungen der Markscheider-Bergverordnung, wird jedoch immer weniger den betrieblichen und behördlichen Bedürfnissen gerecht. Die digitale Verfügbarkeit und Aktualität der Dokumentationen sowie der Daten bestimmen zunehmend die betrieblichen Prozesse für Planungen und Genehmigungen. Bei der Mitteldeutschen Braunkohlengesellschaft mbH wurde deshalb ein GIS-System etabliert, welches den Anforderungen nach Markscheider-Bergverordnung gerecht wird und darüber hinaus den Ansprüchen einer modernen, flexiblen und digitalen Betriebsführung genügt.The German Risswerk (mine mapping) in analog form complies with the requirements of the Markscheider-Bergverordnung (a special German regulation for mining ordiance). Yet, it decreasingly meets the operational and administrative needs. The operational proceedings for planning and approvals are increasingly determined and defined by the digital availability and timeliness of the documentation and data. Therefore, MIBRAG has established a GIS system which not only complies with the Markscheider-Bergverordnung but also meets the demands of a flexible, up to date, and digital operational management

Alternative Analysemöglichkeiten geographischer Daten in der Kartographie mittels Self-Organizing Maps

Die Kartographie ist eine Wissenschaft, die in ihrem Charakter starke interdisziplinäre Züge aufweist. Sie zeigt sich in den verschiedensten Facetten und wird darum in den unterschiedlichsten Wissenschaften angewandt. Markantester Charakter ist, schon per Definition, die Modellierung von geowissenschaftlichen Ereignissen und Sachverhalten. „A unique facility for the creation and manipulation of visual or virtual representations of geospace – maps – to permit the exploration, analysis, understanding and communication of information about that space.“(ICA 2003) Aus dieser Definition wird die Charakteristik einer Kommunikationswissenschaft (Brassel) deutlich. Gerade seit dem Paradigmenwechsel der 1970er Jahre fließen zahlreiche weitere Aspekte wie Informatik, Semiotik und Psychologie in das Verständnis von Kartographie ein. Dadurch wird die Karte nicht mehr als reines graphisches Mittel verstanden, sondern als Träger und Übermittler von Informationen verstanden. Der Kartennutzer und dessen Verständnis von Karten rücken dabei immer weiter in den Vordergrund und werden „Ziel“ der kartographischen Verarbeitung. Aus diesem Verständnis heraus, möchte ich in der folgenden Arbeit einen relativ neuen Einfluss und Aspekt der Kartographie vorstellen. Es handelt sich um das Modell der Self-Organizing Maps (SOM), welches erstmalig Anfang der 1980er Jahre von Teuvo Kohonen vorgestellt wurde und deshalb auch, von einigen Autoren, als Kohonenmaps bezeichnet wird. Dem Typus nach, handelt es sich dabei um künstliche neuronale Netze, welche dem Nervensystem des menschlichen Gehirns nachempfunden sind und damit allgemein als eine Art selbständiger, maschineller Lernvorgang angesehen werden können. Im Speziellen sind Self-Organizing Maps ein unüberwachtes Lernverfahren, das in der Lage ist völlig unbekannte Eingabewerte zu erkennen und zu verarbeiten. Durch diese Eigenschaft eignen sie sich als optimales Werkzeug für Data Mining sowie zur Visualisierung von hochdimensionalen Daten. Eine Vielzahl von Wissenschaftlern hat diesen Vorteil bereits erkannt und das Modell in ihre Arbeit einbezogen oder auf dessen Verwendbarkeit analysiert. Deshalb möchte in dieser Arbeit, einige dieser Verwendungsmöglichkeiten und den daraus resultierenden Vorteil für die Kartographie aufzeigen.:1.) Einleitung ...........................................................................................2 2.) Aufbau und Funktionsweise von SOM ............................................ 5 2.1.) Was sind Self-Organizing Maps? ................................................5 2.2.) Funktionsweise ............................................................................7 2.3.) Visualisierung des trainierten Kohonen-Netz .......................... 11 2.4.) Software ..................................................................................... 12 3. Möglichkeiten für die Kartographie................................................ 14 3.1 Geowissenschaftliches Data Mining ........................................... 15 3.2 Visualisierung von Daten............................................................. 17 4. explorative Datenanalyse geographischer Daten .......................... 19 4.1 SOM als Geovisualisierung .......................................................... 19 4.1.1 U-Matrix-Darstellung .............................................................22 4.1.2 Projektionen (Netzdarstellungen) ........................................26 4.1.3 2D & 3D-Plots .........................................................................28 4.1.4 Komponentenebenen ...........................................................29 4.2 Geo-SOM & andere Möglichkeiten zur Verarbeitung von geowissenschaftlichen Daten ................................................... 32 4.2.1 Hierarchische SOMs ...............................................................33 4.2.2 Geo-enforced SOM ................................................................34 4.2.3 Geo-SOM ................................................................................35 4.3 SOM & GIS .................................................................................... 38 5. Datenverarbeitende Anwendungen ............................................... 40 5.1 Klassifizierung von Fernerkundungsdaten................................. 40 5.2 Kantendetektion in Satellitenbildern......................................... 43 5.3 Auswertung von Zeitreihen & Monitoring................................. 47 5.4 Klassifikation von SAR-Daten...................................................... 49 5.5 Generalisierung............................................................................ 50 5.6 Problem des Handlungsreisenden (Travelling Salesman Problem)..................................................................................... 52 6. SOM als Kartenmetapher zur Visualisierung nicht-geographischer Daten .............................................................................................. 54 7. Zusammenfassung............................................................................ 62 X. Quellenverzeichnis ........................................................................... 63 X.I Literaturnachweise ....................................................................... 63 X.II Lehrinhalte aus dem Internet ..................................................... 69 X.III Softwarelösungen ...................................................................... 6