Impressionen von der GeoPython 2019 an der FHNW in Muttenz

Die Programmiersprache Python hat sich definitiv als wichtiges Werkzeug in der Geoinformatik etabliert – es führt kaum mehr ein Weg an ihr vorbei. Eine schier endlose Anzahl von Bibliotheken steht für die Erfassung, Bearbeitung und Analyse von Geodaten zu Verfügung.

Auch an der Konferenz GeoPython 2019 gab es eine Vielzahl von spannenden Neuigkeiten und Beispiele von Anwendungen von Python in der Geoinformatik. Vor allem Aspekte des maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz waren ein dominantes Thema. Nicht nur in den Vortragsräumen, sondern auch in den animierten Gesprächen während der Kaffeepausen. Ich bin gespannt, wohin hier die Reise gehen wird. An der GeoPython 2020 werden wir sicher wieder etwas mehr erfahren.

Mich hat die Konferenz zunächst zu einem Blick in die Vergangenheit motiviert: 2008 hielt ich einen Vortrag zur Verwendung von Python, Eclipse und PyDev anlässlich einer Veranstaltung des ESRI User Forums. Verrückt, wie die Zeit vergeht.

Publikation: Das Schweizerische Gletscherinventar als Produkt des swissTLM3D

Das während den letzten Jahren aufgebaute neue Topografische Landschaftsmodell (swissTLM3D) der swisstopo löste das alte Modell VECTOR25 als Basis der topografischen Grundlagendaten der Schweiz ab. Neben der konsequenten Verwendung der dritten Dimension für alle Geometrien und die deutlich höhere Erfassungsgenauigkeit des swissTLM3D verglichen mit dem VECTOR25 ist der Wechsel zum Topografischen Landschaftsmodell zentral.

Im Gegensatz zum VECTOR25 welches sich historisch bedingt an der kartografischen Repräsentation orientierte, beschreibt das neue swissTLM3D die effektive Lage der Objekte im Raum. Aspekte der Generalisierung und Verdrängung für die kartografische Darstellung werden separat der Grundlagendaten beschrieben. Die strengen topologischen Regeln des swissTLM3D garantieren zudem eine zusätzliche Qualität der Daten.

Dieser Wechsel von einem kartografisch basierten Modell zum Landschaftsmodell ermöglicht es, einzelne Geometrietypen des TLM als Basis für weitere analytische Arbeiten zu verwenden. Im Rahmen des Aufbaus der neuen Datenbank für das Gletschermonitorings Schweiz (GLAMOS) wurde in Kollaboration zwischen swisstopo und der Glaziologie der ETH Zürich die Objekte «Firn und Eis» der Topic Bodenbedeckung des swissTLM3D als Basis für das laufend aktualisierte Schweizerische Gletscherinventar (SGI) spezifiziert und implementiert.

Ab dem Release 2019 des swissTLM3D könne die Objekte «Firn und Eis» als Gletscherinventar verwendet werden. Und mit dem geplanten Release 2020 und dem damit verbundenen Abschluss der Aufbauarbeiten des swissTLM3D wird ein weltweit einmaliges Gletscherinventar vollständig erfasst zu Verfügung stehen.

Die Publikation Das Schweizerische Gletscherinventar als Produkt des swissTLM3D von Yvo Weidmann, Hans Bärtschi, Stefan Zingg und Emanuel Schmassmann beschreibt ausführlich das Vorgehen welche für die Implementation des SGI in das swissTLM3D nötig war und gibt einen Ausblick über die Möglichkeiten und Zukunftsaussichten dieses Datensatzes.

Mehr Informationen zu diesem Thema, dem Gletschermonitoring und den Möglichkeiten findet man auch im Beitrag Gletscher in Echtzeit beobachten der ETH-News von 2018.

GIS Umsetzung von Tajikistan-Karten

Orell Füssli Kartographie AG
Eidgenössisches Departement für auswärtige Angelegenheiten (EDA)
2013

Die aktuellsten und vollständigsten Karten für die ehemalige Sowjetrepublik Tadschikistan sind das bekannte Kartenwerk 1:500’000 von Markus Hauser (Orell-Füssli Kartographie) mit den 3 Kartenblättern Nord, Süd und Pamirs. Sie dienen den meisten Reisenden wie auch lokalen und internationalen Organisationen als Basis für die Planung und Reise. Die Karten wurden als kartografisches Werk konzipiert und ausgeführt.

Damit die Daten aber auch in Geografischen Informationssystemen (GIS) verwendet werden können, mussten die Daten homogenisiert und in einer Geodatenbank abgelegt werden. Sie wurden dann weiter mit ArcMap kartografisch aufbereitet, um die Qualität der GIS-Darstellung an die der gedruckten Originale anzunähern.

Das Hauptziel der GIS Umsetzung war, dass die Daten digital genutzt werden können, d.h. kombiniert und angereichert werden können.

Beschreibung

Das Kartenwerk von Tadschikistan 1:500’000 erfüllt in seiner gedruckten Form die höchsten Anforderungen der Kartographie. Dafür werden die Daten spezifisch überarbeitet und angepasst. Diese Anpassungen stehen aber oftmals im Widerspruch zu den Anforderungen von Geografischen Informationssystemen (GIS). In einem GIS-System kommt es darauf an, die Daten möglichst homogen und in klaren Strukturen abzulegen.

Eine weitere Herausforderung bestand darin, dass sich das Kartenwerk von Tadschikistan über zwei Zonen von unterschiedlichen Kartenprojektionen erstreckt.

Für die Bereitstellung des Werks als GIS-Datensammlung mussten die gesamten Daten aus drei unterschiedlichen Paketen – den Teilwerken der Kartenblätter Nord, Süd und Pamirs – von einem grafischen in ein geografisches System überführt werden.

Basierend auf dieser homogenisierten Geodatenbank und den kartografischen Anforderungen und Spezifikationen der gedruckten Karten wurde ein ArcMap-Projekt erstellt, das die zusammengeführten Daten in möglichst optimaler Weise mit den kartografischen Werkzeugen von ArcMap darstellt.

Weiterführende Informationen

Bezugsort der gedruckten Karten: Geko Maps

Beleuchtungsmessung Standflächen Flughafen Zürich

Flughafen Zürich AG
2016 – 2018
Ein Projekt der Arbeitsgemeinschaft MovingSensors
(GeoIdee, KSL Ingenieure AG, MESSmatik AG)

Flughäfen müssen bei der Ausleuchtung von Flugzeugstandflächen die Richtlinien des Bundesamts für Zivilluftfahrt (BAZL) einhalten. Für die Nutzung dieser Standflächen muss regelmässig beim BAZL eine neue Bewilligung eingeholt werden. Am Flughafen Zürich wurde die dafür nötige Messung bislang manuell durchgeführt.

GeoIdee entwickelte im Verbund mit MovingSensors massgeschneiderte Messelektronik und -software zur gleichzeitigen Messung von Beleuchtungs- und Blendwerten. Mit einem ferngesteuerten Fahrzeug wurden die Ausleuchtungswerte in fünf Richtungen auf grossen Flächen innerhalb kurzer Zeit erfasst (1 ha/15 min). Die Rohdaten werden im Anschluss an die Messfahrt automatisch über eine Datenbank ausgewertet und grafisch sowie tabellarisch für die weiteren Arbeitsschritte aufbereitet.

Beschreibung

Der eigens für diese Anwendung entwickelte Messkopf misst in Kombination mit einem real-time-kinematischem GPS (RTK-GPS) und einer Frequenz von 10 Hz simultan das einfallende Licht von fünf Seiten (vorne, hinten, rechts, links und nach oben in Fahrrichtung des Fahrzeuges).

Die Daten des nach oben blickenden Sensors werden für die Ausleuchtung der Gesamtfläche verwendet. Die seitlich blickenden Sensoren werden für die Bewertung der möglichen Blendung der Piloten verwendet.

Zudem wird mit zwei Kameras, welche nach vorne und nach oben blicken, die Situation erfasst. So können nachträglich detaillierte Beurteilungen von Hindernissen oder Artefakten durchgeführt werden.

Fahrt entlang einer Messlinie und kontinuirliche Messung des einfallenden Lichts an allen fünf Sensoren.

Mit dem Fahrzeug und dem auf 2 m Höhe montierten Messkopf wird der vorgegebene Messraster von 5 x 5 m mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 2 m/s abgefahren. Dies entspricht einer Messung alle 20 cm in den fünf Richtungen sowie zwei Kontrollbildern in zwei Richtungen. Mit der gegebenen Geschwindigkeit und Rasterweite kann in rund 15 Minuten eine Fläche von einem Hektar erfasst werden.

Die Daten werden im Messkopf und in einer Datenbank auf einem Laptop gespeichert, wo sie im geografischen Raum dargestellt werden und der Navigation des Fahrers dienen. Die Darstellung der Messwerte erlaubt zusätzlich auch eine direkte Kontrolle der Daten während der Messfahrt.

Darstellung der Rohdaten des nach oben blickenden Sensors während der Fahrt (grün = dunkel, rot = hell).

Die erfassten Rohdaten werden im Anschluss an die Messfahrt automatisch über die Datenbank ausgewertet und grafisch sowie tabellarisch für die weiteren Arbeitsschritte zu Verfügung gestellt.

Weiterführende Informationen

Projektseite von MovingSensors

Release der GLAMOS-Webplattform

Das Gletschermonitoring Schweiz (GLAMOS) besitzt mit www.glamos.ch ein neues Webportal, das Gletscherdaten aus mehr als 100 Jahren online zur Verfügung stellt. Erstmals sind so diese wichtigen Daten in einfacher und ansprechender Form zugänglich.

Das Portal, unter der Leitung des Geograpischen Institut der Universität Zürich (Gruppe Glaciology and Geomorphodynamics) durch die Firma Meteotest in Bern realisiert, stellt die folgenden Parameter des Gletschermonitorings zur Verfügung: Längenänderung, Massenbilanz, Volumenänderung und das Gletscherinventar. Weitere Parameter wie Fliessgeschwindigkeiten und Firntemperaturen sind in der Planung, bzw. im Aufbau.

Im Hintergrund des Webportals steht eine umfassende PostgreSQL– und PostGIS-Datenbank, welche Yvo Weidmann im Rahmen seiner Arbeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Glaziologie an der VAW der ETH Zürich zwischen 2012 und 2018 konzipiert und aufgebaut hat.

Neben der Möglichkeit, Daten des Gletschermonitorings direkt als Download zu beziehen, stellt eine QGIS-Server-Instanz die verschiedensten räumlichen Daten als Web-Map-Service (WMS) und als Web-Feature-Service (WFS) zu Verfügung. So können sie direkt in jedes GIS-Programm eingebunden werden.

Zusammen mit dem Geoportal des Bundes können die gesamten räumlichen Geodaten des Gletschermonitorings auch direkt im Webbrowser dargestellt und geteilt werden. Mit dem Import der Adresse https://ogc.glamos.ch/sgi können die Daten individuell in den Kartenviewer eingebunden werden.

Vortrag: Geoinformatik in Tadschikistan

Ist die Arbeit als Geoinformatik im zentralasiatischen Staat Tadschikistan ein abenteuerlicher Traum – oder eher ein nerviger Alptraum?

Zwischen 2009 und 2012 wohnte ich mit meiner Partnerin in Duschanbe, der Hauptstadt Tadschikistans, und arbeitete als selbständiger Geoinformatiker in zahlreichen lokalen und internationalen Projekten.

Drei erlebnisreiche Jahre – geprägt von herzlichen Begegnungen mit Projektmitarbeitern und der spannenden Aufgabe, die Geoinformatik in den verschiedenen Disziplinen und Projekten der internationalen Zusammenarbeit zu etablieren. Doch es gab es auch immer wieder Rückschläge oder Enttäuschungen. Und Konfrontationen mit der noch immer anzutreffenden Sowjet-Mentalität.

Ein Bürgerkrieg, welcher einer ganzen Generation von jungen Ingenieuren und Wissenschaftlern um ihr Studium betrogen hatte, und die allgegenwärtige Korruption erschwerten eine erfolgreiche Durchführung von Projekten im Bereich der Geoinformatik. Doch die Erfahrung zeigte: Gerade kleinere Projekte in der Zusammenarbeit mit lokalen Organisationen konnten durchaus sehr erfolgreich implementiert werden.

Der Fachvortrag „Geoinformatik in Tadschikistan – Traum oder Alptraum?“ beim Geomatik-Alumni-Verein der ETH Zürich fasste drei Jahre Geoinformatik-Erfahrungen in Zentralasien zusammen.

Publikation: Temporale Metadaten swissALTI3D

Mit der immer besseren räumlichen Auflösung der Höhenmodelle der swisstopo werden auch die Begehrlichkeiten immer grösser. Das swissALTI3D mit einer Rasterweite von 2m hat eine solch eindrückliche räumliche Auflösung und Präzision, dass es immer interessanter wird, auch verschiedene Zeitstände dieses Höhenmodelles zu vergleichen. Wo hat sich die Oberfläche wie verändert? Gerade die Glaziologie ist sehr interessiert an möglichst genauen Veränderungen der Gletscheroberflächen.

Aber sind solche Vergleiche und Berechnungen mit dem swissALTI3D überhaupt zulässig? Wie weiss der Benutzer, aus welchem Jahr die zu analysierenden Gitterzellen stammen? Was sagt uns das Release-Jahr der Höhenmodelle?

Ohne sehr detaillierte Kenntnisse über die eigentliche Struktur des swissALTI3D, die Art der Herstellung und der Überarbeitung sowie die möglichen Fallstricke sind solche Analysen nicht durchzuführen. Oder sie führen schnell zu falschen Interpretationen und Schlüssen.

Zusammen mit den Verantwortlichen der swisstopo wurde eine Methodik entwickelt, wie der Faktor Zeit als zusätzliche Dimension bei der Arbeit mit dem swissALTI3D verwendet werden kann und sollte – nachzulesen in der Publikation Temporale Metadaten swissALTI3D von Y. Weidmann, F. Gandor, und R. Artuso im Geomatik Schweiz 10/2018.

Vortrag: QGIS als Lingua franca zwischen Produktion und Nutzung in der Glaziologie

Die Geodaten der Glaziologie an der VAW der ETH-Zürich stammen aus den unterschiedlichsten Quellen. Zum einen werden historische Quellen wie Karten und Beobachtungen ausgewertet, zum anderen werden Luftbilder der swisstopo und Privaten stereoskopisch ausgewertet. Dazu sind sehr spezialisierte Software-Pakete notwendig, welche oft auf ESRI ArcGIS aufbauen.

In einem heterogenen Umfeld wie der Forschung wird aber eine gemeinsame Plattform benötigt, welche die Nutzung der Daten für möglichst alle Forscher erlaubt. Gerade in diesem Umfeld sind Linux und Mac verbreitete Betriebssysteme und werden für aufwendige Modellberechnungen verwendet. Das auf allen drei Plattformen erhältliche QGIS kann dabei die Aufgabe als ideale Lingua franca übernehmen.

Im Rahmen des Workshops «ArcGIS im Zusammenspiel mit Drittprodukten» des ESRI User Forum Schweiz präsentierte ich die Verwendung von QGIS als Lingua franca in der Glaziologie.

Lichtmessungen bei 8 km/h in Delta Süd, Flughafen Zürich

Im Bereich Delta Süd (westlich der Werft-3) des Flughafens Zürich wurden rund 12 neue Flugzeug-Standplätze erstellt und mit neuen LED-Leuchtsystemen ausgestattet.

Bevor die Standplätze in den regulären Betrieb übergeben werden, muss jedoch geprüft werden, ob die international vorgeschriebenen Lichtmengen innerhalb der Standplätze eingehalten werden. Erst nach einer erfolgreichen Messung und Auswertung kann das Bundesamt für Zivilluftfahrt (BAZL) die Betriebsbewilligung erteilen.

Der geforderte Messraster mit einem Punktabstand von 5m umfasste für dieses Gebiet rund 3’600 Messpunkte. An jedem dieser Messpunkt musste die einfallende Lichtmenge von 5 verschiedenen Richtungen gemessen werden.

Um die 3’600 Messpunkte anzufahren, waren rund 10km Fahrstrecke nötig. Bei einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 8km/h benötigten wir für die gesamte Messfahrt knapp eine Stunde, während der an rund 50’000 Positionen die einfallende Lichtmenge aus allen 5 Richtungen gemessen und gespeichert wurden.

Das anschliessende Post-Processing analysierte die Messdaten und aggregierte die 50’000 Positionen auf die 3’600 Messpunkte. Schlussendlich wurden die Datensätze zusammengestellt, welche für die Betriebsbewilligung des BAZL nötig sind.

Vortrag: QGIS als Front-End von grossflächigen in-situ Beleuchtungsmessungen

Bei den Lichtmessungen von grossen Flächen (z.B. Flugzeug-Standplätzen) durch das Team von MovingSensors gilt es, die geforderten Messpunkte genau anzusteuern. Um die Messpunkte zusammen mit der Situation des Geländes, der aktuellen Position sowie der Positionsqualität und den aktuellen Messdaten anzuzeigen, hat sich QGIS als optimales Werkzeug herausgestellt.

Im Rahmen des Anwendertreffens 2018 der QGIS-Anwendergruppe-Schweiz konnten wir unser Konzept und die Verwendung von QGIS als Navigationssoftware präsentieren.