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2. Grundlagen

2.1. Ausführungen zum Begriff Boden

Der Boden ist die äusserste Schicht der Erdkruste, welche von Lebewesen geprägt wird. Im Boden finden viele langsam ablaufende Prozesse statt, bei welchen ein intensiver Austausch von Stoffen und Energie zwischen Luft, Wasser und Gestein stattfindet. Böden sind nach verschiedenartigen Gesichtspunkten gegeneinander abgrenzbare Bereiche der Pedosphäre, welche von der Erdoberfläche bis zum unverwitterten Gestein reichen. Die Kriterien der Abgrenzung können Eigentums-, Nutzungs- und Vegetationsbereiche oder Gesichtspunkte der wissenschaftlichen Bodenkunde sein. Eine zentrale Stelle nimmt der Boden in den lokalen und globalen Stoffkreisläufen ein. Boden besteht aus festen Partikeln, aus Wasser und aus Luft. Unter dem Einfluss von Klima und von Lebewesen verwittert das Gestein. Die mineralischen Teile werden verändert, mit organischen Stoffen angereichert und neu zusammengefügt. Das Bodenleben, d.h. Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen, wandelt dieses Gemisch in ein Gefüge aus Krümeln und durchgehend verbundenen Hohlräumen um. Steine, Sand, Schluff, Ton und Humus bilden das Gerüst des Bodens.
Mit der Zeit lassen sich im Boden verschiedene Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften und in der Regel charakteristischen Farbtönen unterscheiden:
Der Boden reicht so tief, wie Lebewesen, bzw. Anzeichen von Verwitterung feststellbar sind, oder wie er durch Pflanzenwurzeln erschlossen werden kann. Je nach Faktoren, welche die Bodenentwicklung bestimmen, entstehen verschiedene Bodenausprägungen. Böden sind durch bodenbildende Prozesse geprägt und verändern sich durch solche Vorgänge ständig weiter, solange sie an der Erdoberfläche liegen (REHFUESS, 1990:13-14).
Die Faktoren Klima, Relief, Gestein, Vegetationsgemeinschaften, Mensch und die Zeit steuern die Bodenbildungsprozesse. Zu den Funktionen des Bodens zählt nicht nur die Verankerungsmöglichkeit für die Pflanzen, sondern auch die Bildung, Speicherung und Nachlieferung von Nährstoffen an die Pflanzen sowie die Regulierung des Wasser- und Gashaushaltes im Wurzelbereich. Der Boden wirkt als Filter- und Puffersystem für Boden- und Grundwasser.
Ein gesunder Boden hat eine grosse Selbsterhaltungskraft. Bei genügender Fläche und ausreichendem Volumen bietet er den Lebensraum und die Regelfunktionen für Organismen. Der Boden ist unersetzbar als Standort für den Aufbau von Biomasse, für den Abbau organischer Stoffe und deren Umwandlung in dauerhafte Humusstoffe sowie als Filter für das Sickerwasser. Ungestörter Boden ist gegenüber Verdichtung und Erosion widerstandsfähig. Der Mensch nutzt Boden als Produktionsstandort für Nutzpflanzen und als Genreserve. Er braucht und verbraucht den Boden zur Gewinnung von Baustoffen, als Grundlage für Wohnen, Arbeit, Freizeit, Verkehr und auch als Deponie für Abfälle verschiedenster Art. Boden ist kulturelles Gut und unverzichtbarer Teil der Landschaft. Durch falsche und zu intensive Nutzung wird er beschädigt oder gar zerstört. Boden ist grundsätzlich nicht vermehrbar. (BGS, 1998) "Böden sind - anders als Minerale, Pflanzen, Tiere - nicht scharf abgrenzbare Naturkörper. Sie gehören als Grenzphänomen der Erdoberfläche an, in der sich Lithosphäre, Hydrosphäre, Atmosphäre und Biosphäre überlagern und durchdringen." (SCHROEDER, 1992:9) Die Erfassung des Bodens wird durch seine Eigenschaft als Grenzphänomen erschwert.

2.2. Theorie Bodenkartierung

Die Waldböden sind jene Ausschnitte der Pedosphäre, die von Wäldern oder waldähnlichen Lebensgemeinschaften besiedelt sind. Der Boden nimmt im Naturraum eine zentrale Stelle ein. Diesbezüglich stellt die Bodenkarte eine Grundlagenkarte von hohem Informationswert dar. Sie geben Auskunft über die Bodenverhältnisse einer bestimmten Region oder Landschaft. Neben wichtigen Bodeneigenschaften enthalten sie auch Angaben über das Ausgangsmaterial (Muttermaterial, Substrat), die Bodenentwicklungsprozesse oder die Bodenklassifikation. Die Anwendungsmöglichkeiten von Bodenkarten liegen in vielen verschiedenen Fachbereichen:
Der Massstab bestimmt, ob die Bodenkarten eine Gebietsübersicht oder parzellengenaue Informationen liefert. "Der Massstab bestimmt somit im wesentlichen die Variationsbreite der auf der Karte ausgeschiedenen Bodeneinheiten und ihre Aussagekraft. Je engräumiger die Bodenverhältnisse ändern und je grösser die Unterschiede sind, desto wichtiger ist es für viele nachfolgende Auswertungsarbeiten, auch kleinflächig auftretende Böden auszukartieren. Die spezifischen Anwendungsmöglichkeiten einer Bodenkarte sind also immer vom gewählten Massstab abhängig" (BUWAL, 1996:12).
Der Kartierablauf ist normalerweise vorgegeben und lässt sich in neun Teilschritte gliedern.

Abb. 1: Ablauf einer Bodenkartierung

2.3. Theorie Standortkarte

Die Erläuterung des Begriffes 'Standortkarte' setzt die Klärung des Begriffes 'Standort' voraus. Mit Standort ist derjenige Ort gemeint, an dem eine Pflanze allen Einflüssen der Umwelt ausgesetzt ist. Die Faktoren die den Standort beeinflussen sind im wesentlichen das Klima (Gross- und Lokalklima), die Geländeform, die Geologie, der Boden sowie die im und auf dem Boden lebenden Lebewesen. Eine Pflanzenart braucht entsprechend ihrer morphologischen und physiologischen Konstitution bestimmte Faktoren wie Lichteinfall, Wärme und Bodeneigenschaften. Je geeigneter für diese Pflanzenart die Faktorenkombination ist, desto besser ist für sie der Standort. Die Pflanze gedeiht nicht nur im Optimum, sondern sie vermag innerhalb einer Bandbreite dieser Standortfaktoren zu wachsen. Da Pflanzen meist unter Konkurrenz wachsen, stehen sie selten am optimalen Platz. Sie bevorzugen jenen Ort, an dem sie der kleinstmöglichen Konkurrenz ausgesetzt sind, auch wenn die Standortbedingungen nicht die besten sind. Je nach Zusammenspiel von Standortansprüchen und von der Konkurrenz besiedeln die meisten Pflanzenarten in der Natur nur den Teil der Biotope, auf welchem sie von ihrer physiologischen Konstitution her wachsen können. Pflanzen, die bei ihrem Wachstum auf ein spezielles Biotop beschränkt sind, werden Zeigerpflanzen genannt. Diese Zeigerpflanzen wachsen nur bei einem Zusammenwirken von ganz bestimmten Standortfaktoren. Ihr Auftreten weist somit auf ganz bestimmte Standortverhältnisse hin. Klare Zeigerpflanzen sind etwa die Heidelbeere, die immer auf sauren, rohhumusreichen Böden wächst, oder die Wald-Engelwurz, die auf feuchten bis nassen Böden vorkommt.

2.3.1. Pflanzengesellschaften

Eine Pflanzengesellschaft ist eine Gruppe von Zeigerpflanzen mit ähnlicher Aussage. Eine solche Gruppe wird Zeigerpflanzengruppe, kurz auch Artengruppe genannt. Bei gleichen Standortbedingungen finden sich immer wieder gleiche Kombinationen von Zeigerpflanzen. Diese entsprechen den 'Pflanzengesellschaften' oder im Wald den 'Waldgesellschaften'. In einer Landschaft, die nicht oder nur wenig anthropogen beeinflusst wird, kann man aus der vorkommenden Kombination von Artengruppen auf die natürliche Waldgesellschaft bzw. auf die unbeeinflussten Standortbedingungen schliessen. In Wäldern, in denen die Zusammensetzung der Bäume anthropogen beeinflusst worden ist, wird heute der Zusammenhang nicht ohne weiteres ersichtlich. Anhand der meist ungestörten Bodenpflanzen lassen sich an solchen beeinflussten Standorten dennoch Aussagen über die potentielle natürliche Vegetation machen.

2.3.2. Die vegetationskundliche Standortkarte

Die vegetationskundliche Standortkarte zeigt den Ort und die Ausdehnung der Waldgesellschaften. In dieser Karte wird die potentielle natürliche Vegetation kartiert. Die potentielle natürliche Vegetation ist diejenige Vegetation, welche wachsen würde, wenn die Standorte vom Menschen unbeeinflusst wären. Diese Vegetation ist Ausdruck der Standorteigenschaften. Die potentielle natürliche Vegetation ist eine sich über die Zeit ändernde Vegetationsdecke. Sie durchläuft die verschiedenen Sukzessionsstadien, vom Pionierwald zur Optimalphase der Baumentwicklung. Es handelt sich um einen geschlossenen Zyklus, in dem das Optimum wieder von Pionierpflanzen abgelöst wird. Diese Stadien gedeihen in einem unbeeinflussten Wald nebeneinander in einer mosaikartigen Verteilung. Diese Art der Sukzession wird als sekundäre Sukzession bezeichnet. Im Gegensatz zur primären Sukzession, die mit der Bodenentwicklung einhergeht (SCHMIDER et al., 1993: 11-15).

Geographische Informationssysteme

2.4.1. Definition

Ein geographisches Informationssystem (GIS) ist definiert als:
"An organized collection of computer hardware, software, geographic data, and personnel designed to efficiently capture, store, update, manipulate, analyze, and display all forms of geographically referenced information." (ESRI 1990:1-2)
Ein GIS besteht aus vier Elementen: der Hardware, der Software, den Daten und der Wartung der drei aufgeführten Elementen. Raumbezogene Daten können mittels eines GIS digital erfasst, gespeichert, modelliert und analysiert sowie alphanumerisch und/oder graphisch präsentiert werden (BILL und FRITSCH, 1991). Geographische Daten, bzw. raumbezogene Daten beschreiben unterschiedliche Eigenschaften desselben Ortes der Erdoberfläche. Die Speicherung dieser geographischen Daten in einem GIS kann man sich, nach der Thematik ihrer Sachdaten geordnet, folgendermassen vorstellen:



Abb. 2: Thematische Gliederung der Daten in einem GIS
Die raumbezogenen Daten werden durch ihre Geometrie der Form und ihrer relativen Lage von Punkten beschrieben, welche sich auf ein definiertes Koordinatensystem bezieht. Damit lässt sich der Raum als topologisches Modell auffassen, in dem jedes Objekt durch eine charakteristische Ausprägung seiner Geometrie, Topologie und Thematik beschrieben wird.
Die Abb. 3, S. 9 zeigt eine Gegenüberstellung der unterschiedlichen Repräsentationen räumlicher Objekte in den zwei verschiedenen Datenstrukturen. In hybriden Systemen (z.B. ARC/INFO) können vektorielle und rasterbasierte Datenformate verwendet werden.
Bei Vektordatensystemen sind die drei Grundtypen räumlicher Strukturen (Punkt, Linie und Fläche) aus den geographischen Elementen Punkt und Strecke abgeleitet. Die Strecken sind als Verbindungen zwischen verschiedenen Punkten definiert. Linien werden daher als Folge von Punkten und Flächen als geschlossene Linienfolgen betrachtet. In einem vektoriellen Raum stehen die Objekte und ihre Eigenschaften, insbesondere die Geometrie, im Vordergrund. Die Topologie muss zusätzlich und explizit definiert werden.
Für die Modellierung und Analyse von diskreten Objekten mit klar definierten Grenzen, deren Lage im Raum genau zu fixieren ist (z.B. Katasterpläne), eignen sich Vektordatenstrukturen. In Rasterdatensystemen wird jede räumliche Struktur aus kleinen diskreten Quadratflächen mit einheitlichem Attributwert (Rasterzelle, bzw. Pixel) aufgebaut. Die Topologie ist durch die Nachbarschaft der Zellen implizit gegeben. Rasterdaten sind besonders dann von grossem Nutzen, wenn für jeden beliebigen Punkt eine Information vorhanden und schnell abfragbar sein muss, oder wenn kontinuierlich variierende Phänomene ohne klar definierte Grenzen modelliert werden sollen (SCHÖNING, 1996). Ebenso eignen sich Rasterdaten für die Weiterverarbeitung von Eingangsdaten, die bereits in zellbasierter Form vorliegen, wie Scanner- und Satellitendaten.



Abb. 3: Vektor- und rasterorientierte Abbildung von geometrischen Elementen
Die Kombination von Objekten aus mehreren Vektorebenen erfolgt über rechenaufwendige Verschneidungen. Rasterdaten aus mehreren Ebenen lassen sich hingegen sehr leicht miteinander in Beziehung bringen, da auf die entsprechenden Zellwerte über die Raumkoordinaten sofort zugegriffen werden kann (SCHÖNING, 1996).

Bewertung von Vektor- und Rastermodell in GIS

Eine knappe, vergleichende Gegenüberstellung von Vektor- und Rastermodell verdeutlicht die nachstehende Tabelle. Es zeigen sich nicht eindeutige Vor- und Nachteile. Eine Bewertung ist vor dem Hintergrund des jeweiligen Einsatzbereiches vorzunehmen, um die Eignung des einen oder des anderen Modells zu bestimmen.
Tab. 1: Vergleichende Gegenüberstellung von Vektor- und Rastermodell
Vektormodell
Rastermodell
Vorteile
  • Hohe geometrische Genauigkeit
  • Eindeutige Objektbeschreibung möglich
  • Geringe Datenmenge
  • Geringer Aufwand bei Erfassung der Geometrie und Topologie (z.B. Scannen)
  • Verschneiden von Geoobjekten sehr einfach möglich (Durchschnitt von Pixel Mengen)
  • Auch andere Mengenoperationen (Buffern) sind möglich
Nachteile
  • Aufwendige Erfassung der Geometrie und Topologie
  • Verschneidung von Objekten zur Bildung neuer Geoobjekte sehr rechenintensiv
  • Neben der geometrischen Beschreibung muss stets auch explizit eine topologische Beschreibung der Geoobjekte erfolgen
  • Geoobjekte sind nicht formgetreu und lagetreu darstellbar
  • Für höhere Genauigkeitsansprüche muss die Pixelgrösse sehr klein gewählt werden
Hauptanwendungs-gebiete des Vektormodells:
  • Vermessungs- und Katasterwesen
  • Grossmassstäbige Untersuchungen (z.B. Stadtplanung)
  • Digitale Bildverarbeitung
  • Kleinmasstäbige GIS für grossräumige Überblicke (z.B. Immissionskataster NRW).
(Quelle: DE LANGE, 1997:26)

Die Analysefunktionen, die ein GIS ermöglicht, lassen sich in vier Hauptgruppen unterteilen:

2.4.3. Die geographische Informationssystems-Software ARC/INFO

Die GIS-Software ARC/INFO besteht aus
In der topologischen Datenbank werden die Geometrien der Objekte und ihre Beziehungen zu Nachbarobjekten verwaltet. In der Attributdatenbank sind die beschreibenden Daten gespeichert.
Zu ARC/INFO gehören diverse Module. Die unten aufgeführten kamen in der Diplomarbeit zur Anwendung:
Das Modul EDITTOOLS dient zur interaktiven Aufnahme und zum Editieren geometrischer raumbezogener Daten. Damit können die über einen Digitalisiertisch aufgenommenen Daten, einfach weiterverarbeitet werden. Mit dem Programm ArcView können die Daten, z.B. Berechnungen aus ARC/INFO, u.a. dargestellt und für die Plots vorbereitet werden. Beide Programme, ARC/INFO und ArcView, laufen auf dem Betriebssystem UNIX, welches am Geographischen Institut der Universität Zürich auf SUN-Workstations installiert ist.
Vektordaten werden in ARC/INFO durch ein topologisch-relationales Ebenenmodell verwaltet. Die geometrischen Elemente sind dabei in Datenebenen (Coverages) organisiert. Zur gleichen Thematik gehörende Objekte (z.B. Quellen, Flüsse, Geologie) werden dabei in einer Ebene verwaltet. Im Rastermodul unterscheidet ARC/INFO zwischen kontinuierlichen Grids (floating point grids) und kategorialen Grids (integer grids). In kategorialen Grids bilden alle Zellen, die derselben Klasse angehören, eine Zone. Da eine Klasse mehrere Eigenschaften haben kann, besitzt jede Zone einen Eintrag (value und items) in einer dem Grid zugeordneten Datenbanktabelle. Diese wird im GRID als VAT (Value Attribute Tabelle) bezeichnet.
Die hohe Funktionalität von ARC/INFO wird teilweise auf Kosten der Bedienungsfreundlichkeit erzielt, da auf die zahlreichen Befehle und Funktionen direkt via Kommandoaufrufe zugegriffen wird. Zur Erleichterung der Benutzung stellt das System daher eine interne Programmiersprache zu Verfügung. Diese Arc Macro Language (AML) besteht aus einem Prozessor, der sowohl Eingaben aus Makroprogrammen als auch Eingaben aus der Kommandozeile zeilenweise interpretieren kann. Nach der Ausführung von AML-spezifischen Anweisungen in einer Zeile werden die restlichen Teile ans aktive ARC/INFO-Modul übergeben (SCHÖNING, 1996).

2.5. Grundlagen Modell

Definition Modell nach FISCHER (1990:2):
"Ein Modell ist ein einfaches Abbild eines realen Systems, das in bestimmten interessierenden Eigenschaften mit dem realen System übereinstimmt oder ihm zumindest ähnlich ist.(...).Wenn das Modell mathematisch exakt und quantitativ beschrieben ist, kann es in einer Programmiersprache formuliert werden. Die Realisierung des Modells im Computer nennen wir Simulation".
Definition Simulation nach MÖLLER (1992:119):
"Die Reproduktion des statistischen und/oder dynamischen Verhaltens eines realen Systems, basierend auf einem materiellen oder immateriellen Abbild der Realität, dem Modell, welches diejenigen Aspekte des realen Systems beschreibt, die für den angestrebten Erkenntnisgewinn von Bedeutung sind, um aus den Simulationsergebnissen auf die Eigenschaften des realen Systems rückschliessen zu können.(...). Als Simulation (Verähnlichung) bezeichnet man eine Nachbildung, bei der nicht das reale System selbst, sondern ersatzweise das Modell des Systems untersucht wird".
Der Aufbau eines Modells ist zulässig, wenn die Elemente und Beziehungen auch quantifizierbar sind.
Die zwei wesentlichen Punkte eines Modells werden nachfolgend aufgelistet:
Ein Modell kann u.a. nur dann zu einem befriedigenden Ergebnis führen, wenn die Datengrundlage exakt ist. (BACHMANN, 1991:6) Eine Verhaltenssimulation kann auf zwei Arten erreicht werden:
Die Gründe für die Arbeit mit dem Computer ist in den folgenden Punkten aufgezählt:




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