<p>Most of the largest databases currently available have a strong geospatial component and contain potentially useful information which might be of value. The discipline concerned with extracting this information and knowledge is data mining. Knowledge discovery is performed by applying automatic algorithms which recognise patterns in the data.</p><p>Classical data mining algorithms assume that data are independently generated and identically distributed. Geospatial data are multidimensional, spatially autocorrelated and heterogeneous. These properties make classical data mining algorithms inappropriate for geospatial data, as their basic assumptions cease to be valid. Extracting knowledge from geospatial data therefore requires special approaches. One way to do that is to use visual data mining, where the data is presented in visual form for a human to perform the pattern recognition. When visual mining is applied to geospatial data, it is part of the discipline called exploratory geovisualisation.</p><p>Both automatic and visual data mining have their respective advantages. Computers can treat large amounts of data much faster than humans, while humans are able to recognise objects and visually explore data much more effectively than computers. A combination of visual and automatic data mining draws together human cognitive skills and computer efficiency and permits faster and more efficient knowledge discovery.</p><p>This thesis investigates if a combination of visual and automatic data mining is useful for exploration of geospatial data. Three case studies illustrate three different combinations of methods. Hierarchical clustering is combined with visual data mining for exploration of geographical metadata in the first case study. The second case study presents an attempt to explore an environmental dataset by a combination of visual mining and a Self-Organising Map. Spatial pre-processing and visual data mining methods were used in the third case study for emergency response data.</p><p>Contemporary system design methods involve user participation at all stages. These methods originated in the field of Human-Computer Interaction, but have been adapted for the geovisualisation issues related to spatial problem solving. Attention to user-centred design was present in all three case studies, but the principles were fully followed only for the third case study, where a usability assessment was performed using a combination of a formal evaluation and exploratory usability.</p>

Die Fähigkeit, in Luft- und Satellitenbildern Objekte wiederzuerkennen, kann folgendermaßen erklärt werden: Aus der Kenntnis einer Landschaft und ihrer Abbildung im Bild werden Interpretationsregeln entwickelt, die bestimmten Kombinationen von Bildmerkmalen wie Farbe, Form, Größe, Textur oder Kontext festgelegte Bedeutungen zuordnen. Kommt es nicht auf das Wiedererkennen mit festen Wahrnehmungsmustern an, stellt sich die bislang offene Frage nach einer wissenschaftlichen Kriterien genügenden Methode, wie der gedankliche Zusammenhang zwischen den Sinneswahrnehmungen erfasst werden kann. Die Erfahrung von Umkehrbildern und optischen Täuschungen führt zur Frage nach dem festen Element bei der visuellen Interpretation von Fernerkundungsdaten. Galileis Antwort, Messwerte als Ausgangspunkt naturwissenschaftlicher Erkenntnis zu nehmen, löst die Mehrdeutigkeiten und Unsicherheiten gedanklicher Interpretationen nicht auf, denn zu jeder Zahl gehört bereits eine gedankliche Bestimmung darüber, was sie bedeutet: Äpfel, Birnen, Höhendifferenzen … Daher muss für die begriffliche Interpretation der Wahrnehmungen ein anderer Ausgangspunkt bestimmt werden: Weder kann der Mensch beobachten oder wahrnehmen, ohne seine Erlebnisse gedanklich zu fassen und zu ordnen, noch ist die Sinnesempfindung ein subjektives, vom Gegenstand abgespaltenes, nur persönliches Erlebnis. Wahrnehmung realisiert sich als Einheit von Wahrnehmendem und Wahrgenommenen. Demzufolge gibt es keine binäre Unterscheidung von objektiver Tatsache und subjektiver Interpretation. Wahrnehmung findet zwischen den Polen reiner Empfindung eines gegebenen und sinnlichkeitsfreien Denkens statt. Die reinen Erlebnisqualitäten der Sinnesempfindungen (warm, kalt, hell, rau) stellen sich als die am wenigsten von der subjektiven gedanklichen Interpretation abhängigen Elemente des Erkenntnisprozesses dar. Diesem Verhältnis von Beobachtung und gedanklicher Deutung entspricht ein phänomenologischer Untersuchungsansatz. Mit ihm bekommen Erfahrungen als absolute Elemente der Wahrnehmung primäre Bedeutung, gedankliche Interpretationen werden zu Abhängigen. Daher werden in der Untersuchung Ergebnisse phänomenologischer Arbeiten bevorzugt. Auch die eigene Bearbeitung des Themas geht von einer konsequent empirischen Position aus. Um einen Sachverhalt zu verstehen, genügt es nicht, bei den Sinnesempfindungen stehen zu bleiben, denn zu ihrem Verständnis fehlt der gedankliche Zusammenhang, die Erlebnisse müssen begrifflich interpretiert werden. Dabei ist die Doppelrolle der Begriffe von entscheidender Bedeutung: In der Analyse grenzen sie innerhalb des Erfahrungsfeldes Teilaspekte gegeneinander ab, welche in der Synthese durch dieselben Begriffe gedanklich verbunden werden. Diese Funktion der Begriffe wird ausgenutzt, um Wiedererkennen und Bildung von Verständnis zu differenzieren: Die Interpretation der Erfahrung nach a priori vorgegebenen Mustern zielt auf das Wiedererkennen. Im Gegensatz dazu emergiert Verständnis im Prozess der Begriffsbildung aus den Beobachtungen: Man sucht erst nach einer Gliederung, welche eine gedankliche Synthese plausibel erscheinen lässt. Das Konzept der Selbstorganisation hat in der Ökologie mechanistische Vorstellungen weitgehend abgelöst und im letzten Jahrzehnt auch in die Technik Eingang gefunden. Mit den Worten dieses Konzeptes kann die Begriffsbildung als Erkenntnisprozess beschrieben werden, in welchem sich gedankliche und nichtgedankliche Wahrnehmungen selbst organisieren. Sinnesempfindungen haben auch in anderen Zugangsweisen zur Natur eine dominierende Stellung. Daher können Goetheanismus, wissenschaftliche Ästhetik und Kunst zu einer voraussetzungslosen Naturerkundung beitragen. Die nahe Verwandtschaft von Phänomenologie, Ästhetik und Kunst lässt künstlerisches Schaffen als Vervollkommnung des in der Natur Veranlagten erscheinen. Weitere Querbeziehungen ergeben sich aus der Interpretation topografischer oder thematischer Karten oder sonstiger visualisierter raumbezogener Daten. Parallelen und Unterschiede werden herausgearbeitet. Moderne Naturwissenschaft ist quantitativ. Daher ist zu klären, was mathematische Modellierung zur Verständnisbildung beiträgt. In diesem Teil der Arbeit ist es der folgende Gedanke, welcher über die hinlänglich bekannte Nützlichkeit mathematischer Modellierungen, Vorausberechnungen und Simulationen hinausgeht: Die Mathematik überzeugt durch ihre logische Strenge in der Ableitung und Beweisführung: Aus Obersatz und Untersatz folgt die Konklusion. Eine Beobachtungsmethode, bei welcher eine Beobachtung an die nächste gereiht wird, so dass sich das Eine aus dem Anderen ergibt, wobei kein Sprung die Folge unterbricht, käme der Notwendigkeit eines mathematischen Beweises gleich. Diese strenge Folge des Einen aus dem Anderen tritt in der wissenschaftlichen Argumentation an die Stelle der spontanen Intuition mit Verifikation, Falsifikation und bestätigendem Beispiel. Auf diese Weise kann durch die Anwendung der mathematischen Methode eine realitätsnahe Begriffsbildung erreicht werden. Die bis hierher dargelegten Aspekte der Wahrnehmung, der Ästhetik, der Kunst und der Mathematik werden in der Methode einer voraussetzungslosen Begriffsentwicklung zusammengefasst. Damit ist das Hauptziel der Untersuchung, die Entwicklung einer auf das Verständnis gerichteten erfahrungsbasierten Beobachtungsmethode, erreicht. Die Abhandlung wird mit der Anwendung der entwickelten Methode auf einen Grundbegriff der Geoinformatik in folgender Weise fortgesetzt: Für die Geoinformatik ist der Raumbegriff von grundlegender Bedeutung. Daher bietet es sich an, diesen Begriff unter Anwendung der entwickelten Methode zu untersuchen. Unter phänomenologischen Gesichtspunkten stehen Raum und Zeit in einem engen Zusammenhang. Beide werden in der Bewegung erfahren. Interpretiert man Bewegung mit den Begriffen des Nebeneinander und des Nacheinander, entsteht Wissen von Raum und Zeit. Mit anderen Worten: Die am Leib erfahrene Bewegung wird durch Interpretation mit dem Raumbegriff zur Vorstellung durchlaufener Orte. Je nachdem, welche Sinneserfahrungen, allgemeiner: Beobachtungen, zugrunde gelegt werden, hat der Raum unterschiedliche geometrische Eigenschaften. Die Erfahrungen des Tastsinnes begründen euklidische Beobachtungen. Die Begriffe Raum und Zeit haben für die Verständnisbildung eine fundamentale Bedeutung. Mit ihrer Hilfe können die Erlebnisse als zugleich und nebeneinander oder als nacheinander geordnet werden. Sie ermöglichen Erkenntnis durch Analyse und Synthese. Wesentliches Motiv der Untersuchung ist die Frage nach der Bildung von Verständnis im Rahmen der visuellen Interpretation. Das Erkennen von Objekten stellt sich als synästhetische Synthese der Sinnesempfindungen und gedanklicher Inhalte dar. Unterschiedliche Gewichtungen der Gedankeninhalte lassen zwei Vorgehensweisen unterscheiden: 1, Für das Erkennen von Neuem ist es von grundlegender Bedeutung, dass die gedanklichen Inhalte den nichtgedanklichen Sinnesempfindungen untergeordnet sind, das heißt von diesen modifiziert werden können. Vorgewussten Begriffen kommt die Rolle von Hypothesen zu. 2, Beim Wiedererkennen haben gedankliche Inhalte eine dominierende Rolle – anhand von Interpretationsmerkmalen sollen Bildinhalten Bedeutungen zugewiesen werden. Das Bild wird hierzu nach Bildflächen mit solchen Kombinationen von Farben, Formen, Mustern, Texturen und räumlichen Anordnungen durchsucht, die dem zu suchenden Begriff entsprechen können. Oder das Bild wird, bei Verwendung einer Art Beispielschlüssel, nach Übereinstimmungen mit kompletten Bildmustern durchsucht. Auch das ist eine Form des Wiedererkennens. Um ein Phänomen zu verstehen, kommt es darauf an, in der Regelmäßigkeit der äußeren Form den Zusammenhang zu entdecken, der den verschiedenartigen Ausgestaltungen als regelndes Element zugrunde liegt. Dazu muss über eine Klassifizierung von Interpretationsmerkmalen hinausgegangen werden. Die gedankliche Auseinandersetzung mit den visualisierten Repräsentanzen der Phänomene unterstützt die Bildung eines solchen ideellen Zusammenhangs, welcher das in aller Mannigfaltigkeit der natürlichen Erscheinungen Gleichbleibende, Ruhende darstellt, aus welchem die Einzelphänomene hervorgegangen sein könnten. Die Funktionen beschreiben die Wechselwirkungen zwischen den räumlichen Elementen, welche sich in Austauschprozessen von Energie, Material und Stoffen ausdrücken. Überall dort, wo räumliche Anordnung ein Ausdruck funktionaler Beziehungen ist, unterstützt die visuelle Wahrnehmung der räumlichen Beziehungen die Einsicht in die sachlichen. In den Schlussfolgerungen wird die Visualisierung von Geodaten als Mittel zur Sichtbarmachung des Zusammenhanges zwischen den Erscheinungen charakterisiert. Die Bezugnahme zur Fernerkundung führt zu der Feststellung, dass die Anwendung der vorgeschlagenen Forschungsstrategie im Bereich der Geofernerkundung nur eingeschränkt möglich ist.

Das ATKIS-Basis-DLM der Vermessungsverwaltungen der Bundesländer dient einer Vielzahl von Anwendungen als Grundlage. Neben seiner Funktion als Basis zur Herstellung topographischer Karten bietet es die Möglichkeit, geographisch verortbare Sachverhalte zu analysieren und Rückschlüsse auf deren räumliche Verteilungsmuster zu ziehen. Durch seine einheitlich definierte Modellstruktur bietet sich das Basis-DLM auch zur GIS-gestützten Flächenerhebung, d. h. zur flächendeckenden Quantifizierung der Flächeninanspruchnahme durch verschiedene Nutzungsarten, an. Die Daten zeichnen sich durch gesetzlich gesicherte Fortführungszyklen und eine zunehmende Aktualität aus und bieten damit gute Voraussetzungen für die Verwendung im Flächenmonitoring. ATKIS-Daten der Version 3.2 sehen ausdrücklich die Möglichkeit der gegenseitigen Überlagerung bestimmter Grundflächenarten vor (AdV 2003, 3). Die Herausforderung, die sich daraus ergibt, besteht darin, die Informationen des Basis-DLM zu einem konsistenten Modell im Sinne einer lückenlosen und redundanzfreien Beschreibung der Erdoberfläche zu verarbeiten. Dies erfordert, zunächst die Relevanz der Objektarten bzgl. der Flächennutzung zu definieren und daraus eine Priorisierung abzuleiten, um Doppelbilanzierungen bei der Flächenerhebung sich überlagernder Objekte zu vermeiden. Die neue Version 6.0 der ATKIS-Modellierungsvorschriften sieht ohnehin in diesem Sinne vor, die "Erdoberfläche lückenlos und überschneidungsfrei" durch Objekte des Objektartenbereichs Tatsächliche Nutzung abzubilden (AdV 2008b, 40). Der Beitrag beschreibt die Nutzung von ATKIS-Daten (Version 3.2) zur Flächenerhebung im Rahmen des Monitors der Siedlungs- und Freiraumentwicklung (IÖR-Monitor). Dabei wird insbesondere auf die Flächenwirkung von linienhaft modellierten Objekten (Verkehrswege, Wasserläufe) hingewiesen und deren GIS-technische Verarbeitung durch Pufferung beschrieben.

Der Beitrag stellt erste Ergebnisse des Monitors der Siedlungs- und Freiraumentwicklung (IÖR-Monitor) für die Bereiche Freiraum sowie Landschafts- und Naturschutz vor. Hier geht es um die quantitative Beschreibung des Zustands, der Entwicklung und Belastung von Freiräumen durch Kernindikatoren. Der Fokus liegt dabei auf den Schutzgütern Biodiversität und Boden (mittelfristig) sowie der Erholungseignung der Landschaft. Auf Basis von Flächennutzungsinformationen verschiedener Zeitschnitte werden Analysen über die Ausstattung und Struktur der Freiräume in Deutschland einschließlich ihrer Nutzungsänderungen auf Landes-, Kreis- und Gemeindeebene durchgeführt. In der Kategorie Freiraumstruktur werden raumbezogene Kennzahlen zum Wald, zum Grünland und zu Streuobstwiesen vorgestellt. Dabei ergeben sich durch die bundesweite Auswertung von topographischen Geobasisdaten (ATKIS Basis-DLM) prinzipiell neue Möglichkeiten. Daneben werden aber auch Grenzen des aktuellen Bearbeitungsstandes dieser Daten sichtbar, wie sich beispielsweise bei Informationen zum Streuobst zeigt. In der Kategorie Landschafts- und Naturschutz werden drei aggregierte Indikatoren vorgestellt: zu den Schutzgebieten insgesamt, zu Gebieten des Natur- und Artenschutzes und zu Gebieten des Landschaftsschutzes. Die kartographische Darstellung und statistische Auswertung von Geofachdaten verschiedener Schutzgebiete liefert wichtige Informationen für die Landschaftsplanung. Raumbezogene Analysen auf dieser Basis geben zielgerichtete Hinweise auf den anthropogenen Nutzungsdruck in geschützten Landschaften sowie die Dynamik dieser Entwicklung.

Finding an optimal route for a new highway alignment is a task which requires a lot of resources. In the planning phase, choosing the location of a new highway alignment is very important as it will heavily affect the total construction cost. However, the perfect location of a new highway alignment is ambiguous depending on many parameters. The objective of this study is to explore the use of Geographical Information Systems when designing candidate locations, in the planning phase of the construction, of new highway alignments. This will be executed by finding least-cost corridors in a raster space known as a cost map based on stated criteria. The least-cost corridors are calculated using a Least-Cost Corridor algorithm (Shirabe, 2015) and will represent an area of the optimal location. The study is based on calculations performed in an area containing parts of the E4-highway in Jönköping, Sweden. The study area is approximately 50,000 hectares, containing features such as water bodies, urban areas, fields, forests, hills and more. Lantmäteriet provides the datasets available at the Swedish University of Agricultural Sciences. All feature layers are converted to raster in ArcMap, which allows the use of ArcGIS Spatial Analyst tools and to assign values to different fields in a layer. Due to limitations of the algorithm, the study area is divided into two sections and the raster layers are aggregated from a cell size of 2 meters to a cell size of 20 meters. By assigning scoring to the different feature layers, and allocation of criterion weights between the layers, cost criteria maps will be calculated. Three cost maps are calculated with three different allocations using Analytical Hierarchy Process (AHP). Finally, to generate the optimal candidate highway alignments using the algorithm, the corridor width is set to 400 meters which is 20 pixels in the raster space. In conclusion, what we found is that GIS works well as a tool for the purpose of designing candidate locations of alternative routes of existing highways. However, the results are suggestive which means that the computer cannot be left alone to choose a final alignment. Instead, it facilitates the work and perfects a problem based on human conceptualizations of the real world. The limitations of GIS for this purpose is mainly the cost assessment and allocation of weights between criteria. It is difficult to establish the significance of one layer to another since all criteria do not have an actual cost. It is important to note that any weights will be subjective, further reinforcing GIS as a means for getting suggestive results for highway alignment problems.

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Zum Aufbau eines flächendeckenden Monitors der Siedlungs- und Freiraumentwicklung in Deutschland werden geeignete Geodaten benötigt. Ausgehend von den raum- und umweltplanerischen Zielstellungen eines Flächenmonitorings in Verbindung mit dem Anliegen der laufenden Raumbeobachtung ergeben sich dafür grundlegende Anforderungen. Verfügbare Datenquellen werden im Hinblick auf ihre potenzielle Eignung vorgestellt und verglichen: das Amtliche Topographisch-Kartographische Informationssystem ATKIS (insbesondere das Basis-DLM), das Amtliche Liegenschaftskataster-Informationssystem ALKIS (basierend auf der automatisierten Liegenschaftskarte ALK und dem Liegenschaftsbuch ALB) sowie klassifizierte Luft- und Satellitenbilddaten. Erkennbare Datenprobleme werden im Hinblick auf die Berechnung von Indikatoren diskutiert und mit Fallbeispielen illustriert. Außerdem wird eine Lösung für die administrative Bezugsgeometrie des Monitors vorgestellt.

In dem Beitrag werden das Konzept und erste Realisierungsergebnisse eines Monitors vorgestellt, der Zustand und Entwicklung von Siedlungs- und Freiraumstruktur in Deutschland beschreibt. Grundlage ist das ATKIS Basis-DLM, dessen Geobasisdaten einer gesetzlichen Fortschreibung unterliegen. Dieses digitale Landschaftsmodell ist der aktuellste und genauste topographische Datensatz, der flächendeckend für Deutschland vorliegt. Die hochauflösenden GIS-Daten ermöglichen erstmals die Berechnung sehr kleinräumiger Kennzahlen und Indikatoren der Flächennutzung für die gesamte Fläche der Bundesrepublik Deutschland. Das geplante Indikatorensystem umfasst die Themenbereiche Siedlung, Freiraum, Bevölkerung, Landschafts- und Naturschutz sowie Verkehr. Es soll, in Ergänzung zu bestehenden flächenstatistischen Berichtssystemen, den urbanen Nutzungswandel und den damit einhergehenden Druck auf Freiräume und Schutzgebiete, insbesondere unter Nachhaltigkeitsaspekten, beschreiben. Die Ergebnisse der komplexen Berechnungen werden im Internet bereitgestellt. Ein Überblicks- und ein Detail-Viewer ermöglichen eine einfache Visualisierung der raumbezogenen Indikatoren und Entwicklungsphänomene. Der Monitor und die damit verbundenen methodischen Entwicklungen sind Aufgabe des Forschungsbereichs „Monitor der Siedlungs- und Freiraumentwicklung“ des Leibniz-Instituts für ökologische Raumentwicklung.

Die zunehmende Verfügbarkeit adressbezogener Daten im Zusammenhang mit der Nutzung geometrischer Raster zur Raumuntergliederung haben die Voraussetzungen für kleinräumige Analysen deutlich verbessert. Bei der Verwendung personenbezogener Daten müssen datenschutzrechtliche Vorgaben eingehalten werden, falls die Rasterzellen zu wenig Fallzahlen enthalten. Vielfach werden diese Rasterzellen ausgeblendet, wodurch Informationen in der Karte verloren gehen. Eine datenschutzkonforme Alternative stellt die Aggregation von Rasterzellen dar, bis die Fallzahlen einen vorgegebenen Grenzwert überschreiten. In diesem Beitrag werden Möglichkeiten vorgestellt und bewertet, nach denen sich datenschutzkonforme Mischrasterkarten erzeugen lassen. Besonderes Augenmerk wird auf die Auflösungsverluste der erzeugten Mischrasterkarten gelegt, um geeignete Datengrundlagen für kleinräumige Analysen zu schaffen.

Für die kleinräumige Modellierung und Analyse von Prozessen im Siedlungsraum spielen gebäudebasierte Informationen eine zentrale Rolle. In amtlichen Geodaten, Karten und Diensten des Liegenschaftskatasters und der Landesvermessung werden die Gebäude in ihrem Grundriss modelliert. Semantische Informationen zur Gebäudefunktion, der Wohnform oder dem Baualter sind in den Geobasisdaten nur selten gegeben. In diesem Beitrag wird eine Methode zur automatischen Klassifizierung von Gebäudegrundrissen vorgestellt mit dem Ziel, diese für die Ableitung kleinräumiger Informationen zur Siedlungsstruktur zu nutzen. Dabei kommen Methoden der Mustererkennung und des maschinellen Lernens zum Einsatz. Im Kern werden Gebäudetypologie, Eingangsdaten, Merkmalsgewinnung sowie verschiedene Klassifikationsverfahren hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Generalisierungsfähigkeit untersucht. Der Ensemble-basierte Random-Forest-Algorithmus zeigt im Vergleich zu 15 weiteren Lernverfahren die höchste Generalisierungsfähigkeit und Effizienz und wurde als bester Klassifikator zur Lösung der Aufgabenstellung identifiziert. Für Gebäudegrundrisse im Vektormodell, speziell den Gebäuden aus der ALK, dem ALKIS® oder dem ATKIS® Basis-DLM sowie den amtlichen Hausumringen und 3D-Gebäudemodellen, kann mit dem Klassifikator für alle städtischen Gebiete eine Klassifikationsgenauigkeit zwischen 90 % und 95 % erreicht werden. Die Genauigkeit bei Nutzung von Gebäudegrundrissen extrahiert aus digitalen topographischen Rasterkarten ist mit 76 % bis 88 % deutlich geringer. Die automatische Klassifizierung von Gebäudegrundrissen leistet einen wichtigen Beitrag zur Gewinnung von Informationen für die kleinräumige Beschreibung der Siedlungsstruktur. Neben der Relevanz in den Forschungs- und Anwendungsfeldern der Stadtgeographie und Stadtplanung sind die Ergebnisse auch für die kartographischen Arbeitsfelder der Kartengeneralisierung, der automatisierten Kartenerstellung sowie verschiedenen Arbeitsfeldern der Geovisualisierung relevant.