Reproducing the construction of a geoscientific model is a hard task. It requires the availability of all required data and an exact description how the construction was performed. In practice data availability and the exactness of the description is often lacking. As part of this thesis I introduce a conceptual framework how geoscientific model constructions can be described as directed acyclic hypergraphs, how such recorded construction graphs can be used to reconstruct the model, and how repetitive constructions can be used to verify the reproducibility of a geoscientific model construction process. In addition I present a software prototype, implementing these concepts. The prototype is tested with three different case studies, including a geophysical measurement analysis, a subsurface model construction and the calculation of a hydrological balance model.:1. Introduction 1.1. Survey on Reproducibility and Automation for Geoscientific Model Construction 1.2. Motivating Example 1.3. Previous Work 1.4. Problem Description 1.5. Structure of this Thesis 1.6. Results Accomplished by this Thesis 2. Terms, Definitions and Requirements 2.1. Terms and Definitions 2.1.1. Geoscientific model 2.1.2. Reproducibility 2.1.3. Realisation 2.2. Requirements 3. Related Work 3.1. Overview 3.2. Geoscientific Data Storage Systems 3.2.1. PostGIS and Similar Systems 3.2.2. Geoscience in Space and Time (GST) 3.3. Geoscientific Modelling Software 3.3.1. gOcad 3.3.2. GemPy 3.4. Experimentation Management Software 3.4.1. DataLad 3.4.2. Data Version Control (DVC) 3.5. Reproducible Software Builds 3.6. Summarised Releated Work 4. Concept 4.1. Construction Hypergraphs 4.1.1. Reproducibility Based on Construction Hypergraphs 4.1.2. Equality definitions 4.1.3. Design Constraints 4.2. Data Handling 5. Design 5.1. Application Structure 5.1.1. Choice of Application Architecture for GeoHub 5.2. Extension Mechanisms 5.2.1. Overview 5.2.2. A Shared Library Based Extension System 5.2.3. Inter-Process Communication Based Extension System 5.2.4. An Extension System Based on a Scripting Language 5.2.5. An Extension System Based on a WebAssembly Interface 5.2.6. Comparison 5.3. Data Storage 5.3.1. Overview 5.3.2. Stored Data 5.3.3. Potential Solutions 5.3.4. Model Versioning 5.3.5. Transactional security 6. Implementation 6.1. General Application Structure 6.2. Data Storage 6.2.1. Database 6.2.2. User-provided Data-processing Extensions 6.3. Operation Executor 6.3.1. Construction Step Descriptions 6.3.2. Construction Step Scheduling 6.3.3. Construction Step Execution 7. Case Studies 7.1. Overview 7.2. Geophysical Model of the BHMZ block 7.2.1. Provided Data and Initial Situation 7.2.2. Construction Process Description 7.2.3. Reproducibility 7.2.4. Identified Problems and Construction Process Improvements 7.2.5. Recommendations 7.3. Three-Dimensional Subsurface Model of the Kolhberg Region 7.3.1. Provided Data and Initial Situation 7.3.2. Construction Process Description 7.3.3. Reproducibility 7.3.4. Identified Problems and Construction Process Improvements 7.3.5. Recommendations 7.4. Hydrologic Balance Model of a Saxonian Stream 7.4.1. Provided Data and Initial Situation 7.4.2. Construction Process Description 7.4.3. Reproducibility 7.4.4. Identified Problems and Construction Process Improvements 7.4.5. Recommendations 7.5. Lessons Learned 8. Conclusions 8.1. Summary 8.2. Outlook 8.2.1. Parametric Model Construction Process 8.2.2. Pull and Push Nodes 8.2.3. Parallelize Single Construction Steps 8.2.4. Provable Model Construction Process Attestation References Appendix

Grundlage des Buches sind die Beiträge des 1. Dresdner Flächennutzungssymposiums. Dieses ist der Auftakt für eine zukünftig jährlich stattfindende Fachtagung, die Wissenschaft und Praxis zu Fragen der Erhebung, Entwicklung und Prognose der Flächennutzungsentwicklung zusammenführt. Das 1. Buch der beginnenden Reihe „Flächennutzungsmonitoring“ informiert über die amtliche Flächenstatistik einschließlich deren Datengrundlage und alternativer Datengrundlagen für die Flächenerhebung. In diesem Zusammenhang werden auch Indikatoren zur Beschreibung der Flächeninanspruchnahme und der Freiraumentwicklung vorgestellt. Da es hier auch immer wieder um Fragen der Visualisierung geht, werden Verfahren zur kleinräumigen Darstellung von Zustand und Entwicklung von Indikatoren auf verschiedenen räumlichen Ebenen bis hin zu Rasterkarten erläutert. Im abschließenden Beitrag geht es um die Konzeption eines Monitors der Siedlungs- und Freiraumentwicklung auf Grundlage von geotopographischen Basisdaten.

Für den im Aufbau befindlichen Monitor zur Siedlungs- und Freiraumentwicklung im Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung e. V. sollen im Teilsystem „Freiraumstruktur und Landschaftsfunktionen“ zur Beschreibung von Zustand, Entwicklung und Belastung der Freiräume geeignete Indikatoren entwickelt werden. Dazu werden in diesem Beitrag zunächst vorhandene oder konzeptionierte Indikatorensysteme auf Bundesebene hinsichtlich Ihrer Inhalte zum Freiraum untersucht und verglichen. Auf dieser Basis werden Überlegungen zu ergänzenden Indikatoren angestellt. Es werden Indikatoren u. a. zur Naturnähe und Störungsintensität der Flächennutzung, zu Schutzgebieten, zur Durchlässigkeit des Verkehrsnetzes, zur Dichte von kleinräumigen Landschaftselementen in der Offenlandschaft, zu Veränderungen der Siedlungs- und Verkehrsfläche in Überschwemmungsgebieten und zur Qualität von Erholungsgebieten vorgeschlagen. Deutlich wird aber auch, dass neben den ATKIS-Daten weitere Datengrundlagen herangezogen werden müssen, die derzeit teilweise noch nicht flächendeckend verfügbar sind.

Das Buch informiert über neueste Methoden und Datengrundlagen eines Flächennutzungsmonitorings sowie kleinräumigen Statistik- und Prognosemethoden. Grundlage sind die Beiträge des 3. Dresdner Flächennutzungssymposiums. Zwei Trends bestimmen die rasante Entwicklung: das stetig verbesserte Datenangebot sowie die Abstimmung von Liegenschafts- und Geotopographie im AAA-Projekt. Diese wird nun endlich die tatsächliche Flächennutzung harmonisieren und neue Perspektiven für ein genaueres Flächennutzungsmonitoring eröffnen. In der Analyse und Visualisierung ist der Trend zu Rasterkarten unübersehbar. Denn administrative Gebietseinheiten werden momentan immer größer und entziehen sich damit einem Monitoring. Sie müssen zwingend um kleinräumigere und zeitlich konstante Analyseeinheiten ergänzt werden; dazu eignen sich insbesondere quadratische geographische Gitterzellen.

Der vierte Band der Serie Flächennutzungsmonitoring fokussiert auf Methoden und Programme der Flächenerhebung. Vor diesem Hintergrund widmen sich die Beiträge des 4. Dresdner Flächennutzungssymposiums der Diskussion internationaler Entwicklungen, der Entwicklung von Indikatoren zur Beschreibung der Flächennutzungsstruktur, der Analyse von Gebäudebeständen, dem Angebot an kleinräumigen Daten und der Beschreibung von Analyse- und Prognoseverfahren. Das verbesserte Angebot amtlicher aber auch freier Geodaten (z. B. OpenStreetMap) und innovative Berechnungsverfahren der geographischen Informationswissenschaft führen zu noch genaueren Informationen für die Akteure der Raumentwicklung. Ein Beispiel dafür sind statistische Aussagen zum deutschen Gebäudebestand auf Basis von Gebäudegeometriedaten (Hausumringe/Hauskoordinaten).

Durch zunehmende Flächenkonkurrenzen und ambitionierte Flächensparziele in Politik, Raumplanung und Umweltschutz gewinnen die Themen Flächenentwicklung, -monitoring und -management sowie Flächenbedarfsprognosen an Bedeutung. Im fünften Band der Serie Flächennutzungsmonitoring sind aktuelle Beiträge von Experten aus Wissenschaft und Praxis vereint, die auf dem Dresdner Flächennutzungssymposium 2013 vorgestellt und diskutiert wurden. Sie geben Antworten zu Fragen nach Flächenerhebungsmethoden, zum fernerkundlichen Flächenmonitoring, zur indikatorenbasierten Beschreibung ausgewählter Aspekte der Flächennutzungsstruktur, zum Einsatz von Geobasisdaten und nutzererhobenen Daten (Crowdsourcing), zu Gebäudeerhebungen und -bestandsanalysen, zu kleinräumigen Datenangeboten und Analyseverfahren zur Siedlungsstruktur sowie zur Prognose der Flächenentwicklung.

Seit 2010 werden die Geobasisprodukte „Amtliche Hausumringe“ und „Amtliche Hauskoordinaten“ (auch georeferenzierte Adressdaten genannt) – geometrische Teilauszüge der Automatisierten Liegenschaftskarte (ALK) – von der Zentralen Stelle für Hauskoordinaten, Hausumringe und 3D-Gebäudemodelle (ZSHH) der Bezirksregierung Köln für länderübergreifende oder bundesweite Untersuchungen angeboten. Erstmals sind dadurch umfassendere Untersuchungen zum deutschen Gebäudebestand möglich und Ausdifferenzierungen nach Menge, geometrischer Eigenschaften (u. a. Gebäudetyp) sowie seiner Nutzung durchführbar. Das Analysepotenzial ist aber noch weitaus größer, da sowohl auf administrativer Ebene als auch auf Rasterebene räumliche Muster für unterschiedliche thematische Fragestellungen abbildbar werden. Das raumbezogene Informationsinstrument Monitor der Siedlungs- und Freiraumentwicklung (IÖR-Monitor) ist eine wissenschaftliche Dienstleistung des Leibniz-Instituts für ökologische Raumentwicklung und stellt seit 2012 auch Gebäudeindikatoren auf Grundlage dieser Katasterdaten bereit. In diesem Beitrag werden dazu erste Arbeitsergebnisse vorgestellt.

Historische Länderkarten, Stadtpläne und Ansichten gehören zu den wertvollsten Beständen großer europäischer Bibliotheken. Karten und Veduten dokumentieren die zeitgenössische topografische und thematische Struktur des Georaumes. Sie bilden damit eine zentrale Quelle für raumzeitlich forschende Wissenschaftsdisziplinen, die auf Basis der Karten zu Aussagen über die Genese, Struktur und Veränderung von Georäumen gelangen. Im deutschsprachigen Raum gehört die 180.000 Einzelblätter umfassende und bis in das 16. Jahrhundert zurückreichende Kartensammlung der Sächsischen Landesbibliothek – Staats- und Universitätsbibliothek Dresden (SLUB) zu den größten und wichtigsten ihrer Art. Mit der Einführung einer digitalen Kartensammlung in der SLUB lässt sich eine stetige Verschiebung der Nachfrage nach Karten von der analogen in die digitale Welt beobachten. Durch die digitale Verfügbarkeit der Sammlungen nimmt zugleich der potentielle und reale Nutzerkreis der Karten zu: Wissenschaftler und interessierte Laien aus aller Welt können leichter auf die Kartensammlung zugreifen und diese für eigene Forschungsfragen und Interessen nutzen. Gleichzeitig sind die physischen Bestände einem geringeren Verschleiß ausgesetzt, da die Nutzer vermehrt auf die Digitalisate anstelle der Originale zugreifen. Daneben bietet die Digitalisierung auch zahlreiche neue Möglichkeiten. Facettierte sowie raumzeitliche Suchansätze erlauben breitere Recherchemöglichkeiten, der direkte Zugriff auf das Digitalisat ermöglicht eine Einschätzung, ob die Karte sich zum gewünschten Zweck eignet, sowie auch einen bestandsübergreifenden Vergleich. [Aus der Einleitung.]

Das Buch informiert über neueste Methoden und Datengrundlagen eines Flächennutzungsmonitorings sowie kleinräumigen Statistik- und Prognosemethoden. Grundlage sind die Beiträge des 3. Dresdner Flächennutzungssymposiums. Zwei Trends bestimmen die rasante Entwicklung: das stetig verbesserte Datenangebot sowie die Abstimmung von Liegenschafts- und Geotopographie im AAA-Projekt. Diese wird nun endlich die tatsächliche Flächennutzung harmonisieren und neue Perspektiven für ein genaueres Flächennutzungsmonitoring eröffnen. In der Analyse und Visualisierung ist der Trend zu Rasterkarten unübersehbar. Denn administrative Gebietseinheiten werden momentan immer größer und entziehen sich damit einem Monitoring. Sie müssen zwingend um kleinräumigere und zeitlich konstante Analyseeinheiten ergänzt werden; dazu eignen sich insbesondere quadratische geographische Gitterzellen.:Aktuelle Trends der Flächennutzungsentwicklung Flächennutzungsentwicklung in Deutschland – Trendanalysen auf Basis der aktuellen amtlichen Flächenstatistik Gertrude Penn-Bressel............................................................................3 Flächenverbrauch und Landschaftszersiedelung – Wo steht Deutschland im internationalen Vergleich? Stefan Fina............................................................................................11 Aktuelle Ergebnisse des IÖR-Monitors zur Flächennutzung in Deutschland Tobias Krüger........................................................................................23 Methoden des Flächennutzungsmonitorings Fernerkundliche Erhebungen in Kombination mit Geo- und Statistikdaten – Mehrwert durch Datenverknüpfung Wieke Heldens, Hannes Taubenböck, Thomas Esch, Christian Geiß, Michael Wurm, Michael Thiel...................................................................39 Kleinräumige quantitative Abschätzung des deutschen Gebäudebestandes – Ausgangslage und Perspektive Martin Behnisch, Gotthard Meinel..........................................................47 Siedlungsflächenmonitoring in Rasterkarten Markus Dießelmann, Gotthard Meinel, Robert Hecht..............................61 Amtliche Flächenstatistik – ALK – IÖR-Monitor – Ergebnisse eines Vergleichs Gotthard Meinel, Ekkehard Scheffler......................................................71 Visualisierungs- und Bewertungsmethoden Visualisierung von Ergebnissen der Arealstatistik der Schweiz mit Kriging- und Mischrasterkarten Werner Meyer........................................................................................83 Monitoring- und Bewertungsmethoden von Problem- und Stadterneuerungs‑ gebieten – Realisierung im Stadtteilmonitor Dresden Nguyen Xuan Thinh................................................................................93 Raumbeobachtung und Flächenmanagement in der Metropolregion Rhein-Neckar Hans-Peter Hege.................................................................................107 Neue Analyse- und Visualisierungsmöglichkeiten im Monitor der Siedlungs- und Freiraumentwicklung (IÖR-Monitor) Jochen Förster.....................................................................................115 Amtliche Geodaten und -dienste als Grundlage eines Monitorings Das ATKIS Basis-DLM im neuen Gewand – was hat sich geändert Wolfram Kunze....................................................................................125 Das neue Geobasisprodukt 3D-Gebäudestrukturen Stephan Heitmann...............................................................................135 Informationsdienst „GeoDaten Dresden“ – informatorisches Instrument zum Flächensparen? Marcus Dora.........................................................................................141 Indikatoren und Monitoring des Freiraums Indikatoren und Monitoring der biologischen Vielfalt in Deutschland Werner Ackermann, Rainer Dröschmeister, Ulrich Sukopp...................149 Landschaftszerschneidung und Waldfragmentierung – Neue Indikatoren des IÖR-Monitors Ulrich Walz, Tobias Krüger, Ulrich Schumacher.....................................163 Prognosen der Flächeninanspruchnahme Das 30-Hektar-Ziel – Flächensparen auf Kosten sozialer und ökonomischer Belange? Stefan Siedentop.................................................................................173 Modellgestützte Projektion der Flächeninanspruchnahme in den Kreisen Deutschlands bis 2020 Martin Distelkamp, Philip Ulrich............................................................181 Gewerbeflächenprognosen – Methodische Zugänge und Forschungsbedarf Karsten Rusche, Alexander Mayr.........................................................189 Kleinräumige Statistik – Probleme und Lösungen Indikatorensysteme im Spannungsfeld zwischen europäischen Anforderungen und regionalem Informationsbedarf Hans-Dieter Kretschmann....................................................................199 „Äpfel mit Birnen vergleichen, aber nicht mit Zitronen“ – Überlegungen zu einer Erweiterung der regionalstatistischen Analyseeinheiten in der amtlichen Statistik Markus Sigismund................................................................................205 Möglichkeiten und Grenzen der Regionalisierung statistischer Erhebungen am Beispiel des Zensus 2011 Michael Bubik, Karsten Lamla...............................................................213 Das kleinräumige städtische Gliederungssystem AGK als Basis intrakommunaler Informationssysteme Rainer Schönheit..................................................................................219 Strategien der Geoinformationsnutzung Geoinformations-Nutzung durch Geodateninfrastrukturen: Das Beispiel GDI Metropolregion Hamburg Sascha Tegtmeyer...............................................................................229 Planungsraumbezogene Informationsbereitstellung für Monitoring und Analyse – Umsetzungsbaustein der Rahmenstrategie Soziale Stadtentwicklung Berlin Dietrich Bangert...................................................................................235 Kommunale Geodateninfrastrukturen und sozio-technischer Systemwandel: Entwicklungspfade in Deutschland Marc Wolfram.......................................................................................241 Autorenverzeichnis..............................................................................255

Der vierte Band der Serie Flächennutzungsmonitoring fokussiert auf Methoden und Programme der Flächenerhebung. Vor diesem Hintergrund widmen sich die Beiträge des 4. Dresdner Flächennutzungssymposiums der Diskussion internationaler Entwicklungen, der Entwicklung von Indikatoren zur Beschreibung der Flächennutzungsstruktur, der Analyse von Gebäudebeständen, dem Angebot an kleinräumigen Daten und der Beschreibung von Analyse- und Prognoseverfahren. Das verbesserte Angebot amtlicher aber auch freier Geodaten (z. B. OpenStreetMap) und innovative Berechnungsverfahren der geographischen Informationswissenschaft führen zu noch genaueren Informationen für die Akteure der Raumentwicklung. Ein Beispiel dafür sind statistische Aussagen zum deutschen Gebäudebestand auf Basis von Gebäudegeometriedaten (Hausumringe/Hauskoordinaten).