Einleitung Der digitale, GIS-basierte HAÖ verfolgt folgende spezifische Zielsetzungen: Homogene Darstellung von hydrologischen und wasserwirtschaftlichen Informationen auf bundesweiter Ebene Die Kompilation von hydrologischen Analysen und Statistiken, um damit dem Planer im Bereich der Hydrologie und Wasserwirtschaft Grunddaten zur Verfügung zu stellen Die Vermittlung hydrologischen Wissens auf unterschiedlichen Ausbildungsebenen. Die zentrale Darstellungsform des HAÖ ist die thematische Karte, die durch damit verknüpfte tabellarische, textliche und graphische Darstellungen ergänzt wird. Das technische Konzept sieht eine weitgehende Bearbeitung der Inhalte mit geographischen Informationssystemen (GIS) und die Ablage aller Inhalte in einer GIS-Datenbasis vor. Davon werden die vorgesehenen analogen und digitalen Präsentationsformen abgeleitet. Analoge, gedruckte Ausführung und digitale, GIS-basierte Version sind nicht als voneinander unabhängige, selbstständige Produkte zu verstehen. Vielmehr sollen die beiden Präsentationsformen einander ergänzen. Die gedruckte Ausgabe ist als erweiterbare Kartensammlung im Ringordner konzipiert, mit einem Haupt-Kartenmaßstab von 1 : 1 000 000. Ein erster Prototyp der digitalen Ausgabe, die eine Reihe von interaktiven Möglichkeiten bietet, basierte auf gängiger, PC-basierter GIS-Software (ArcView). Eine mit dem HAÖ ohne zusätzliche Lizenzkosten zu vertreibende Darstellungssoftware (HAÖ Viewer) für den HAÖ, die auf gängigen PC ohne besondere Voraussetzungen einsetzbar ist, basiert auf dem Entwicklungswerkzeug MapObjects LT 2 von ESRI. Ausführungskonzept des HAÖ Das generelle Bearbeitungsschema des HAÖ ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Aufbereitung der Inhalte und die Vorbereitung für die kartographische Umsetzung (maßstabsgerechte Generalisierung, kartographische Verdrängung) erfolgen mithilfe von GIS (ArcView, ArcGIS) und führen zu einer GIS-Datenbasis, in der alle geographischen Inhalte des HAÖ in verschiedenen Bearbeitungsstufen vorliegen und von der daher alle kartographischen Präsentationsformen abzuleiten sind. Nicht alle angeführten Präsentationsformen werden - zumindest nicht sofort - realisiert, allerdings stellen die gedruckte Ausgabe als Kartensammlung im Ringordner und die GIS-basierte Ausgabe auf CD-ROM die primären Produkte dar, die nur gemeinsam vertrieben werden und die sich im Sinne einer dualen Kartographie (KELNHOFER 2001, SIEBER & BÄR 1997) gegenseitig ergänzen. Abb. 1: Bearbeitungskonzept des HAÖ Anforderungen an die GIS-basierte Ausgabe des HAÖ Im digitalen HAÖ werden die Inhalte des Atlasses nicht nur rein graphisch präsentiert, sondern den Nutzern Datensätze zur Verfügung gestellt, die eine weitere Analyse, Abfrage und auch Einbindung in eigene Anwendungen ermöglichen. Die Datenbasis des HAÖ, die aus GIS-Datensätzen (ESRI Shape-Dateien), Datenbanktabellen, Texten und Bildern besteht, liegt auf CD-ROM dem HAÖ bei, gemeinsam mit Software (digHAO) zur einfachen Darstellung. Wie die im Rahmen der Machbarkeitsstudie für den HAÖ durchgeführte Nutzeranalyse (FÜRST & NACHTNEBEL, 1997) und die Diskussionen bei öffentlichen Vorstellungen des Prototypen ergaben, ist der Zugang zu den weiter verwendbaren GIS-Datensätzen eine der größten Erwartungen der zukünftigen Nutzer des HAÖ. Ein Atlas-Informationssystem für den HAÖ sollte darüber hinaus folgende Kriterien erfüllen: Einfache Darstellung der in der gedruckten Ausgabe enthaltenen Kartenthemen, Darstellungen und Erläuterungen. Die Benutzung des digitalen HAÖ setzt keine Erfahrung im Umgang mit GIS voraus. Beibehaltung der kartographischen Identität des Produktes sowohl in der Benutzeroberfläche als auch in der Gestaltung der Karten (Gliederung, Leitfarben, Symbolisierung und Klassifikationen, Farbgebung, ...) Benutzerdefinierte raum- und/oder attributbezogene Abfrage und Darstellung von ausgewählten Inhalten: Die Art der verfügbaren Abfragen und Darstellungen (Legenden) kann (und soll), da die Datenbasis statisch ist, von den Entwicklern vorgegeben werden. Verknüpfung von Karten und tabellarischen, graphischen und textlichen Inhalten: Die für jede Karte verfügbaren Verknüpfungen können vordefiniert sein. Allgemeine analytische Funktionen brauchen nicht implementiert werden, dazu muss ein Anwender bei Bedarf eigene GIS Software verwenden. Auswahl vordefinierter, graphischer Überlagerungen durch einfaches Ankreuzen. Dynamisch an jede Karte angepasste Benutzeroberfläche: Neben den Standardwerkzeugen, die für jede Karte verfügbar sind (Zoom, Pan, Hilfe), werden jeweils nur jene Funktionen bereitgestellt, die für die gerade angezeigte Karte anwendbar sind (Zeitreihendarstellung bei Messstellen, Auszug aus tabellarischen Daten, Abfrage vordefinierter Statistiken, etc.). Kartographische Darstellungsqualität: Die hohe graphische Darstellungsqualität einer gedruckten Karte ist auf den heutigen Bildschirmen nicht erzielbar. Es können aber die nach kartographischen Gesichtspunkten im GIS aufbereiteten Datensätze für die Darstellung verwendet werden. Maßstabsabhängige Generalisierung für die Darstellung: Eine dynamische Generalisierung aus einem Basis-Datensatz beim Maßstabswechsel ist derzeit noch in keinem System realisiert. Man behilft sich mit explizit - unter individueller Kontrolle - für verschiedene Maßstabsbereiche bereitgestellten Datensätzen, zwischen denen tabellengesteuert bei der Darstellung umgeschaltet wird. Da dem digitalen HAÖ eine statische Datenbasis auf CD-ROM zugrunde liegt, können solche Datensätze bereitgestellt werden, ohne dass eine inkonsistente Anwendung durch die Benutzer zu befürchten ist. Kontrolle der kartographisch sinnvoll darstellbaren Maßstabsbereiche (Mindestausschnitt). Vertriebsmöglichkeit ohne zusätzliche Lizenzkosten. Modulares Softwarekonzept: Es soll möglichst wenig kartenspezifischer Programmcode verwendet werden. Die Gliederung des Atlasses sowie der Aufbau und die Darstellung jeder Karte sind in Tabellen und Konfigurationsdateien definiert, die leicht (z.B. mit MS Access oder Editor) bearbeitet werden können und Veränderungen der Darstellungen ohne Eingriff in die Programme ermöglichen. Metadaten: Zu den Karten gibt es wie in der gedruckten Ausgabe umfangreiche Erläuterungen zur Methodik und zur Interpretation der Karten. Darüber hinaus sind Ursprung, Inhalte, Bearbeitungen, Attribute, Nutzungs- und Urheberrechte jedes für eine Karte verwendeten Datensatzes in einer Metadatenbank dokumentiert. Funktion auf gängigen PC: Im Hinblick auf die Marktdurchdringung von Microsoft Windows und die limitierten Kosten wurde auf eine Plattformunabhängigkeit (Apple, Linux) verzichtet. Ein diesem Anforderungskatalog entsprechendes Softwareprodukt kann am ehesten als GIS-basiertes Informationssystem mit statischer Datenbasis, dynamischen, benutzergesteuerten Abfrage- und Darstellungsfunktionen, aber ohne analytische GIS-Funktionen (Pufferung, Verschneidung, etc.) charakterisiert werden. Es entspricht damit einem "Multimedia in GIS" Ansatz (BÄR & SIEBER 1999). Realisierung mithilfe von MapObjects LT Da das Vorhandensein einer Lizenz für ArcView bei vielen Anwendern des HAÖ nicht vorausgesetzt werden kann, war eine Lösung zu finden, die den Vertrieb des HAÖ Viewers ohne zusätzliche Lizenzkosten ermöglicht. Fertige GIS-Programme sind entweder nicht ohne erhebliche Lizenzkosten verfügbar oder weisen nicht den geforderten Funktionsumfang auf und sind nicht ausreichend anpassungsfähig. Es war also eine Eigenentwicklung notwendig, für die ein Entwurfs- und Programmieraufwand von nur etwa 3-4 Personenmonaten angesetzt werden konnte. Diese Einschränkung setzt die Verwendung von Entwicklungswerkzeugen und Bausteinen voraus, die dem Programmierer eine Bibliothek hoch entwickelter Bausteine zum Zugriff auf die Datensätze, die Darstellung, insbesondere als thematische Karten, sowie für die Benutzeroberfläche zur Verfügung stellt. Als allgemeine Programmierumgebung für diese Art von Anwendungen hat Microsoft Visual Basic eine führende Position erreicht. Für die GIS-spezifischen Funktionen sind eine Reihe leistungsfähiger Produkte auf dem Markt (z.B. von ESRI, Autodesk, Blue Marble Geographics), die als Objektbibliotheken in Visual Basic Programmen eingebunden werden können. Die Wahl fiel aus folgenden Gründen auf MapObjects LT 2 von ESRI: Direkter Zugriff auf die aus Shape-Dateien bestehende GIS-Datenbasis. Die Objekte zur Darstellung thematischer Karten weisen die den Entwicklern und auch vielen Endbenutzern vertraute und bewährte Funktionalität und graphische Umsetzung von ArcView auf. Die Darstellung einer Karte kann in ArcView erprobt und dann einfach im HAÖ Viewer umgesetzt werden. Dem HAÖ ähnliche Produkte wurden damit bereits erfolgreich realisiert (z.B. Wasser- und Bodenatlas Baden-Württemberg, LFU 2001). Eine spätere Implementierung als Internet-Version ist mit erweiterten Produkten desselben Herstellers möglich. In der Programmierumgebung von Visual Basic ist die nahtlose und effiziente Integration von thematischen Karten mit graphischen Darstellungen (Zeitreihen, Histogramme), Texten, relationalen Datenbanken, Bildern und Tondokumenten in einer weitgehend frei gestaltbaren Benutzeroberfläche problemlos möglich. Benutzeroberfläche Die Benutzeroberfläche des digitalen HAÖ hat das Ziel, die Inhalte des Atlasses effizient zu präsentieren. Die GIS-Funktionalität wird nur zur Abfrage und Darstellung bereits vorhandener Information in den von den Entwicklern vorgesehenen Darstellungsformen genutzt. Auf die umfangreichen Möglichkeiten, die digitale Datenbasis auch für weitergehende hydrologische Analyse- und Modellierungsaufgaben zu nutzen, kann zum gegenwärtigen Zeitpunkt nur hingewiesen werden. Bei der Entwicklung der Benutzeroberfläche wurde großer Wert darauf gelegt, dem Nutzer ein leichtes Navigieren durch den Atlas zu ermöglichen. Es sollte gewährleistet sein, dass der Nutzer stets im Bilde ist, wo er sich räumlich und thematisch im Atlas befindet. Die Ansicht des Atlasses besteht aus drei Hauptelementen. Für die Kartenauswahl ist zunächst das Kapitel zu wählen und dann in einer "drop-down" Liste die gewünschte Karte. Der Hauptteil des Bildschirms enthält die Kartenansicht zur Darstellung der Karten mit Legende im Stil von ArcView, sowie eine Übersicht, die anzeigt, wo der in der Kartenansicht angezeigte Kartenauschnitt liegt. Die Wahl des Kartenausschnittes erfolgt entweder mithilfe der Maus im Kartenfenster, im Übersichtsfenster, oder durch Auswahl vordefinierter, benannter Gebiete (z.B. Bundesländer, Landschaftsräume o.ä.) in einer Liste. Abb. 2: Benutzeroberfläche Der Vorteil einer GIS-basierten Ausführung des HAÖ kommt durch die Verknüpfung von Karten mit tabellarisch vorliegenden Daten (relationale Datenbanken), Texten und Grafiken besonders gut zum Tragen. In Abbildung 3 werden diese Möglichkeiten anhand einer Messstellenkarte demonstriert. Zusätzlich zu den Eigenschaften der Messstellen sind auch Tabellen verschiedener Zeitreihendaten an allen oder ausgewählten Messstellen vorhanden. Ist das entsprechende Thema in der Kartenansicht aktiviert, kann durch Anklicken einer Messstelle die zugehörige Ganglinie dargestellt werden. Abb. 3: Verknüpfung von Karten und tabellarischen Daten am Beispiel einer Messstellenkarte Neu in der 2. Lieferung: Spezielle Funktionen für Einzugsgebiete Grundlagen - Eigenschaften des GIS-Datensatzes im digHAO Objektorientierte Topologie Zur automatisierten Vergabe der HAOGK-Codes war die Baumstruktur des Gewässernetzes im Datensatz abzubilden. Gewässernetz (Linien), Einzugsgebiete (Flächen) und Flussmündungen (Knotenpunkte) liegen in GIS traditionell in getrennten Ebenen vor. Um die ebenenübergreifenden Beziehungen abzubilden, wurde der objektorientierte Ansatz des ArcHydro Modells für ArcGIS 9 Maidment, 2002) gewählt. Im Hinblick auf die Verwendung im digHAO, wo das Vorhandensein objektorientierter GIS-Software nicht vorausgesetzt werden kann, wurden diese Strukturen vereinfacht in der Folge auf die Attributtabellen der entsprechenden Shape-Dateien übertragen. Die Beziehungen sind in Abbildung 4 dargestellt. Sie ermöglichen u.a. das einfache Auffinden von Ober- und Unterliegern zu jedem Punkt. Abb. 4: Für Shape-Dateien adaptiertes ArcHydro Modell: Beziehung zwischen Einzugsgebieten (Watershed), Fließgewässern (HydroEgdes) und Mündungen (Knoten, HydroJunctions) Gewässernetz, Einzugsgebiete und Flussmündungen liegen in den Shape-Dateien - in Übereinstimmung mit der Benennung im ArcHydro-Modell - mit den Namen HydroEdge (Gewässernetz), Watershed (Einzugsgebiete),bzw. auf der CD-ROM als Shape-Dateien wasserbilanz und wasserbilanz2 bezeichnet, und HydroJunction (Knotenpunkte, einschließlich der Pegel) vor. Jedes Element in diesen Datensätzen weist eine eindeutige Identifikationsnummer, die HydroID, auf. Zur leichteren Orientierung werden 7-stellige Nummern verwendet, wobei die erste Ziffer die Art des Objekts bezeichnet (1...Einzugsgebiete, 2...Gewässerabschnitte, 3...Knotenpunkte). Die Beziehung der drei Ebenen zueinander wird durch Verweise auf diese HydroID hergestellt. Die Attributtabellen aller Datensätze ermöglichen über das Attribut NextDownID die Navigation zum jeweiligen Unterlieger. Die Netzstruktur des Gewässernetzes ist in der Attributtabelle von HydroEdge abgebildet. Die Attribute FromJct (from Junction) und ToJct (to Junction) verweisen auf die HydroID in HydroJunction und geben Start- und Zielknoten eines Gewässerabschnittes an. Das Attribut Wshid (Watershed ID) verweist auf die HydroID des zugehörigen Einzugsgebietes. Das Attribut HAOGK gibt die HAÖ Gebietskennzahl an, die identisch mit der HAOGK des zugehörigen Einzugsgebietes ist. Aus der numerischen HAOGK leitet sich ein alphanumerischer HydroCode ab, indem bei Gewässerabschnitten ein "F", bei Einzugsgebieten ein "E" vor die HAOGK gesetzt wird. Ist ein Gewässerabschnitt durch Pegel unterteilt, werden die Abschnitte im HydroCode durch nachgestellte fortlaufende ungerade Nummern gekennzeichnet (.01, .03, .05, usw.). Die Einzugsgebiete sind über die JunctionID (Verweis auf HydroID des Gebietsauslasses) mit den Knotenpunkten verknüpft, über die EdgeID mit den Gewässerabschnitten. Pegeleinzugsgebiete Pegel und deren Zwischeneinzugsgebiete wurden in den Datensatz des digHAO mit aufgenommen, um pegelbezogene Gebietsauswahlen durchführen zu können. Da Pegel keine "natürliche" Position in der Gewässerhierarchie haben, ihre Lage kurz vor oder nach natürlichen Knoten zu sehr kleinen Zwischeneinzugsgebieten führen kann und Pegel jederzeit aufgelassen oder neu eingerichtet werden können, wurde auf die Darstellung der Pegel und ihrer Einzugsgebiete in der gedruckten Karte verzichtet. Anwendungbeispiel: Auswahl des Einzugsgebietes zu einem Gewässerknoten Wird ein beliebiger Gewässerknoten, z.B. durch Anklicken in der Karte, ausgewählt, kann sein Einzugsgebiet nur durch Auswahl anhand der HAOGK bzw. des HydroCodes gefunden werden: Auswahl aller Watersheds, die dieselbe JunctionID wie die HydroID des Knotens haben. Für jedes dieses Watersheds: Niedrigste (rechte) HAOGK-Ziffer ist gerade: wähle alle Watersheds, die diesen Code enthalten. Niedrigste (rechte) HAOGK-Ziffer ist ungerade (Zwischeneinzugsgebiet): finde niedrigste Ordnung mit gerader Ziffer (=Identifikation des Zubringers). Wähle alle Watersheds, die den Code dieses Zubringers enthalten UND deren Stellen rechts davon kleiner oder gleich wie die rechten Stellen des ausgewählten Watersheds sind. Hotlinks Die Karten 1.3, 2.3, 3.3, 5.7 und 7.1 weisen jeweils - neben anderen Layern - auch die drei aufeinander abgestimmten Layer mit den HydroJunctions, HydroEdges und Watersheds auf, mit denen jeweils eigene Hotlink-Funktionen verknüpft sind. (Im Legendeneintrag lauten die Bezeichnungen Knoten bzw. Fließgewässer. Der Layer mit den Einzugsgebieten trägt i. A. die Bezeichnung der dargestellten Variablen.) Hotlinks zum Layer der Einzugsgebiete Ist der Layer der Einzugsgebiete aktiv, erscheinen drei spezifische Buttons: . Der linke davon, ist das eigentliche Hotlink-Tool, das mit der Auswahl-Option konfiguriert werden kann. Folgende Optionen sind möglich, die in einer Dropdown Liste oder im Dialog ausgewählt werden können: oder Mit der Voreinstellung "EZG ermitteln" klickt man mit dem Hotlink-Tool ein Teileinzugsgebiet an, worauf das gesamte Oberliegergebiet ausgewählt wird (wird durch rote Rasterung hervorgehoben). Im Kontextmenü (rechte Maustaste) oder durch Anklicken der Statuszeile kann nun eine Auswertung von Gebietswerten vorgenommen werden. Die angezeigten Werte können auch als CSV Datei für Excel abgespeichert werden. Eine grafisch orientierte Auswahl beliebiger Gebiete kann mit den übrigen Optionen vorgenommen werden: Durch Klicken in ein Gebiet wird dieses ausgewählt, durch weiteres Klicken bei gleichzeitig gedrückter "Strg" Taste wird die Auswahl erweitert. Die Optionen "Containing" und "Area Intersect" ermöglichen die Auswahl mittels eines beliebigen, mit der Maus am Schirm gezeichneten Polygons. Durch Klicken werden die Eckpunkte eingegeben, mit Doppelklick wird das Polygon fertiggestellt und die Auswahl gestartet. Mit der Option "Containing" werden nur vollständig innerhalb des Auswahlpolygons liegende Einzugsgebiete ausgewählt, mit "Area Intersect" alle, die sich mit diesem schneiden. Der Button ermöglicht schließlich die Auswahl von Einzugsgebieten in einer Explorer-ähnlichen hierarchischen Liste. Die Auswertung dieser Auswahl ist ebenfalls möglich. Hotlink zu Fließgewässern Im Layer Fließgewässer der o.a. Karten kann mit dem Hotlink-Tool die Baumstruktur der Fließgewässer dargestellt werden. Für einen beliebigen Gewässerabschnitt kann das flussaufwärts (und/oder flussabwärts) liegende Gewässernetz visuell hervorgehoben werden: Hotlink zu Knoten Ist der Layer "Knoten" aktiv, können mit dem Hotlink-Tool die Oberlieger-Einzugsgebiete ausgewählt werden. Die Funktion gilt für jeden Knoten, empfiehlt sich aber vor allem für die Pegel.