Erdmessung, Kartografie und Geoinformatik von Gauß bis Google

Gottfried Konecny ist ein Studienkollege, mit dem ich mich im September 2013 in Stuttgart wiedertraf. Über unsere gemeinsame Studienzeit und die getrennten Lebenswege hatte ich in diesem Blog berichtet. Wir hatten einstmals beide auf dem Gebiet der gravimetrischen Erdmessung gearbeitet. In einem Beitrag über meinen Studienaufenthalt in Ohio hatte ich drüber berichtet. Soeben schickte mir Friedel (wie er aufgrund seines Rufnamens bei mir heißt) Unterlagen über ein Kartografie-Projekt, das er für die UNO durchführte. Das veranlasste mich, ihn um ein Interview zu allgemein interessierenden Fragen aus seinem Fachgebiet zu bitten.

Bertal Dresen (BD): Lieber Friedel, uns verbinden die Themen Erdmessung und Kartografie schon seit fast 60 Jahren. In moderner Sprechweise geht es dabei im weitesten Sinne auch um Geoinformatik. Darunter versteht man die Lehre vom Wesen und der Funktion raumbezogener Informationen (Geoinformation) sowie ihrer Erfassung, Speicherung, Analyse, Visualisierung, Interpretation und Verbreitung. Da Du auf diesem Gebiet selbst im Alter von über 80 Jahren noch aktiv bist, geniere ich mich nicht, Dir einige Fragen zu stellen. Die Leser dieses Blogs kommen zum großen Teil aus der (Kern-) Informatik. Beide Fächer leisten signifikante Beiträge zur modernen Welt und haben durchaus Berührungspunkte. Siehst Du das auch so?

Gottfried Konecny (GK): Als wir beide nach 1950 mit dem Studium des Vermessungswesens an einer deutschen Hochschule begannen (Du an der Uni Bonn und ich an der TH München), galt für das deutsche Vermessungswesen die Geodäsie als grundlegende Wissenschaft. Friedrich Helmert (1843-1917), der Begründer des Preußischen Geodätischen Instituts in Potsdam (1872) und der Begründer der Internationalen Erdmessungskommission (1886) hatte die Geodäsie definiert als Lehre von der Ausmessung und Abbildung der Erdoberfläche. Es war schon damals klar, daß neue Vermessungsmethoden (z. B. die elektronische Streckenmessung) die klassische Winkelmessung ersetzen oder zumindest ergänzen würden. Dazu zählte aber auch der Einsatz elektronischer Rechner, der um 1955 in der Geodäsie begann. Dieser rasanten Computerentwicklung ist es zu verdanken, dass aus der Bezeichnung "Vermessungswesen" heute "Geoinformatik" oder "Geomatik" geworden ist. Die Geoinformatik ist natürlich nur ein kleiner Teilbereich der Informatik, von der wir im Vermessungswesen enorm profitieren, weil sie uns erstmals eine Teilautomatisierung unserer Arbeitsprozesse ermöglicht.

BD: Seit Daniel Kehlmanns Bestseller ‚Die Vermessung der Welt‘ wissen viele Menschen, wer Carl Friedrich Gauß (1777-1856) war. Der zweite Held des Buches, Alexander von Humboldt, war der Nicht-Fachwelt schon eher bekannt. Kannst Du  ̶  so dass Laien dies verstehen  ̶  kurz skizzieren, welche Beiträge Gauß zur praktischen Erdmessung (oder angewandten Geodäsie) leistete. Welche Beziehung hat die Erdmessung zur Kartografie?

GK: Daniel Kehlmanns Buch ist zwar eine historische Fiktion, doch sie hat in der Tat Aufmerksamkeit für die von beiden Helden vertretenen Wissenschaften geweckt. Immerhin hat Alexander von Humboldt Gauß im Jahre 1826 in Göttingen besucht und 1828 war Gauß Gast bei Alexander von Humboldt in Berlin. Berühmte Naturforscher und Mathematiker hatten offenbar gemeinsame Interessen. Carl Friedrich Gauß war ein Universalgenie in der Mathematik, aber er war durchaus bemüht die Mathematik in praktischen Problemlösungen einzusetzen. In der Astronomie gelang ihm durch Berechnung einer elliptischen Umlaufbahn den Zwergplaneten Ceres zwischen Jupiter und Mars im Jahre 1801 wiederzufinden.

Im Jahre 1799 wurde er vom preußischen Oberstleutnant Lecoq angesprochen, ihn bei der trigonometrischen Aufnahme von Westfalen zu beraten. Aber seine wichtigen geodätischen Aktivitäten fanden ab 1818 statt, als er das Triangulationsnetz des Königreichs Hannover bei Lüneburg und Altona an die dänische Triangulation anschloss. Zwischen 1821 bis 1825 folgte die Hannoversche Gradmessung mit Anschluss an das holländische Netz und zwischen 1825 und 1845 die Hannoversche Landesvermessung, bei der Gauß 2600 geodätische Festpunkte neu berechnete. Die von Gauß angewandte Methodik basierte auf der Berücksichtigung von Messfehlern nach der Gaußschen Fehlerwahrscheinlichkeitskurve und deren Ausgleichung nach der Methode der kleinsten Quadrate, die wie schon bei der Auffindung von Ceres auch in der Geodäsie zu genaueren Resultaten führte. Seither gilt die Ausgleichung nach der Methode der kleinsten Quadrate zum Standard aller geodätischen Berechnungsmethoden.

BD: Du hast mir gerade eine Studie [1] geschickt, in der die Kartenabdeckung der Erde behandelt wird. Welche Rolle spielen zuverlässige Karten für die heutige Wirtschaft? Welche Kartentypen sind am wichtigsten?

GK: Topografische Karten, erstellt durch die Landesvermessungsbehörden der Staaten und Länder sind die Basisinformation zur geometrischen Erfassung der Objekte der Erdoberfläche. Dabei werden etablierte Genauigkeitsstandards eingehalten, die international normiert sind. Dies betrifft die Erfassungsgenauigkeit und den Raumbezug des geodätischen terrestrischen Referenzsystems, bis hin zum astronomischen Referenzsystem. Die Rolle und der Wert einer Karte ist offensichtlich eine Maßstabsfrage. Je größer der Maßstab desto aufwendiger ist die Erfassung der topographischen Detailobjekte (Häuser, Wege, Straßen, Objektsignaturen, Namen). Eine Karte ist ein Modell der Realität, welches eine verlässliche Grundlage für die Wirtschaft darstellen muss. Auf der Basis der geometrisch definierten Detailobjekte lassen sich thematische Attribute erfassen. Datenbanken, welche diese Informationen enthalten, ermöglichen die Ableitung einer Fülle thematischer Karten, welche für die Planung und die Verwaltung unentbehrlich sind.

BD: Schon seit unserer gemeinsamen Studienzeit war die Luftbildmessung (auch Photogrammetrie genannt) das vorherrschende Verfahren, um an die Basisdaten für die Kartenerstellung zu gelangen. Wie arbeitet die Digitale Photogrammetrie? Welchen Anteil haben heute Satellitenaufnahmen? Was sind heute deren Möglichkeiten und Grenzen? Wie erfolgt die Aktualisierung von Kartenwerken (auch Updates genannt)?

GK: Die Luftbildmessung gibt es seit dem 1. Weltkrieg, als 1915 ein Reihenmessbildner eingesetzt wurde. Im 2. Weltkrieg wurden die Karten für weite Teile der Erde (Europa, Asien) von kriegführenden Mächten mehrfach und unabhängig erstellt. Dies war nur durch Einsatz der Photogrammetrie möglich. In der Nachkriegszeit wurden auch viele Entwicklungsländer durch die Photogrammetrie kartiert. Seit etwa 25 Jahren werden die analogen Luftbildkammern mit Luftbildfilm durch leistungsstarke digitale Kameras ersetzt. Zudem gibt es seit etwa 15 Jahren hochauflösende Satellitenaufnahmesysteme, welche zusätzliche Kapazitäten bieten. Diese Möglichkeiten können eingesetzt werden, wenn die Staaten der Erde die Mittel für die Kartenherstellung und Nachführung der Karten besitzen und einsetzen wollen, wobei feststeht, dass eine Flächendeckung mit Karten einige Jahre braucht. Unsere Studie zeigt, dass eine ideale Situation für die Nachführung von Karten 1:25 000 etwa alle drei Jahre, nur in wenigen Ländern der Erde möglich ist.

Derzeitige Abdeckung der Erde im Maßstab 1:25 000 [1]

BD: Wieweit spielen staatliche Behörden (noch) die Hauptrolle bei Vermessung und Kartografie? Welchen Anteil haben private Unternehmen oder Einzelpersonen (Stichwort: Crowd Sourcing)?

GK: Es gibt keine echte Alternative für öffentliche Vermessungsbehörden, da es auf amtliche, also verlässliche Datenerfassung und Datenverwaltung ankommt. Ansonsten ist eine Raumdatenverwaltung oder ‚national spatial data infrastructure‘ (NSDI) nicht realisierbar. Nur wenige Länder beziehen Crowd Sourcing in die Datenerfassung ein. Falls sie es tun, muss die Qualitätskontrolle durch eine unabhängige öffentliche Institution oder Behörde erfolgen. Das Verfahren ist dann ähnlich wie bei Ländern, wo die gesamte Datenerfassung durch Ausschreibung an internationale Firmen erfolgt, wie z.B. in Saudi Arabien. Die Regierung führt die Ausschreibung, die Qualitätskontrolle und die Datenverwaltung durch.

BD: Das Militär hat ja immer ein besonderes Interesse an genauen Karten. Es ist daher kein Wunder. dass unsere Navigationssysteme das vom amerikanischen Militär entwickelte Global Position Sensing (GPS) nutzen. Auch das Internet hat seinen Ursprung in militärischer Forschung. Wie siehst Du diesen Zusammenhang? Überwiegen die Nachteile oder die Vorteile?

GK: Geodätische Genauigkeit, wie sie das GPS liefert. ist natürlich für den Abschuss und die Zielgenauigkeit von Raketen sehr wichtig, ebenso wie die Orientierung am Boden. Das Militär war schon in unserer Studienzeit ein "Driver". Schließlich ist unser Studienort an Ohio State eine Initiative des US-Militärs gewesen. Auch heute ist die schnelle Bereitstellung topografischer Karten in Krisengebieten der Erde, das militärisch bestimmte Geospatial Mapping (MGCP), eine zwar geheime aber effektive Maßnahme. Mehrere Firmen, wie etwa Eastview Geospatial in Minneapolis, MN, ermöglichen es Unternehmen und Privatleuten, geheime militärische Karten in großen Maßstäben von Indien, Pakistan, Russland oder Nordkorea zu kaufen.

BD: Bei den Darstellungen in Deinem Bericht zeigt es sich, dass die aktuelle Abdeckung der Welt mit Karten sehr unterschiedlich ist. Dass Afrika zurückhängt, überrascht mich nicht. Dass Sibirien voll erschlossen ist, wundert mich. Ist der Bedarf unterschiedlich oder scheitert die vollständige Abdeckung an den Kosten und den lokalen Fähigkeiten? Wo greifen internationale (zivile) Gremien wie die UNO ein?

GK: Das liegt einzig allein an den Prioritäten der Länder und ihrer Geldgeber. In Russland hat seinerzeit Lenin die Weichen gestellt, indem er sagte, Kartografie ist wichtig. In den Entwicklungsländern hat die technische internationale Zusammenarbeit bei der kartografischen Datenerfassung mitgeholfen den Stand der Datenerfassung zu verbessern. Insbesondere Frankreich und Japan haben sich sehr stark bilateral beteiligt. Deutschland hat sich bei der Zusammenarbeit mit Entwicklungsländern mehr multilateral engagiert, aber im allgemeinen vermieden die Geodateninfrastruktur rein technisch zu fördern.

BD: Ein spezielles Thema sind Katasterdaten und Katasterkarten. Dass Griechenland hier zurückhängt, ist bekannt. Aber auch Albanien, Serbien, Portugal, ja selbst die USA, Kanada und Brasilien haben nicht das Niveau, das wir gewohnt sind. Woran liegt das? Haben diese Länder Alternativen entwickelt? Ohne Grenzsteine kommt man in England und Irland aus. Hatten unsere deutschen Kollegen hier des Guten zu viel getan?

GK: Kaiser Josef II. von Österreich und Napoleon Bonaparte in Frankreich haben das Liegenschaftskataster im 18. und 19. Jahrhundert zur Besteuerung eingerichtet. Seit dem 20. Jahrhundert weiß man, dass das Liegenschaftskataster eine gute Basis darstellt, um auch topografische Daten nachzuführen. Topografische Daten, z.B. Gebäude, waren für die Verwaltung von Landflächen ebenso wichtig, wie die Flurstücksgrenzen. In England und Irland wurde der entgegengesetzte Weg gewählt. Dort lag das Hauptinteresse auf der Topografie, die Flurstücksgrenzen waren Nebensache. Die Entwicklungen in Mitteleuropa hatten Auswirkungen auf Osteuropa und die in England auf die Länder des ehemaligen Britischen Weltreichs, einschließlich der USA. Dort hat man die Fragen der Liegenschaftsverwaltung den Juristen und nicht den Geodäten überlassen.

Der peruanische Wirtschaftswissenschaftler Hernando de Soto (*1941) hat von den schweren Nachteilen eines solchen Systems gesprochen, denn Land, bei welchem die rechtlichen Verhältnisse nicht geklärt sind, ist totes Kapital. [De Sotos Buch 'Freiheit für das Kapital' hatte ich im September 2011 in diesem Blog besprochen]. Deshalb hat die Weltbank in den Transformationsländern der ehemaligen Sowjetunion ein mustergültiges Liegenschaftskataster in kürzester Zeit eingeführt. Diesem Beispiel folgend schlägt die Weltbank ein ähnliches Programm für die Länder Afrikas und Asiens vor mit der Bezeichnung Fit for Purpose, bei dem die neuen technischen Möglichkeiten unter Neufestlegung der Spezifikationen rasch und kostengünstig zum Einsatz kommen können. Die Internationale Föderation der Vermessungsingenieure (FIG) hat die wesentlichen Anforderungen für die Einrichtung eines Liegenschaftskatasters im Jahre 1989 unter dem Namen Kataster 2014 zusammengefasst. Leider haben erst etwa 40 bis 50 der 193 UNO-Mitgliedsländer solche Systeme.

BD: Dass Google bei elektronischen Karten die Nummer 1 ist, weiß jedes Kind. Wie weit erstellt Google die Karten selbst? Basieren Googles Karten auf offiziellen Daten? Wie verlässlich sind sie? Wie sieht es mit Microsoft (Bing Maps), Nokia und TomTom aus? Ging Google mit Street View zu weit?

GK: Google scheint die Anstrengungen der Vermessungsverwaltungen der Staaten und Länder überholt zu haben, aber nur scheinbar, denn eine Umsetzung der kartografischen Objektstruktur der Daten, einschließlich der Namen wäre ohne Einbeziehung gekaufter offizieller kartografischer Daten eine fast  nicht zu bewältigende Aufgabe gewesen. Wo gute kartografische Daten verfügbar sind, praktiziert Google das Ground-Truth-Modell, welches hilft, die Google-Maps-Karten durch Informationen aus Luft- und Satellitenbildern zu verbessern. Allerdings gelingt das nur mit begrenzter geometrischer Genauigkeit vom etwa 1 m bei Luftbildern und von 10 bis 100 m bei schräg aufgenommenen Satellitenbildern. Wo sie offiziell nicht nachgeführt sind, hilft Google Street View die Daten zu aktualisieren. Google Street View wird von Google übrigens auch dann für eigene Zwecke verwendet, wo die rechtliche Möglichkeit eines Street-View-Einsatzes nicht gegeben ist. Die Zukunft von Bing Maps ist derzeit nicht übersehbar, da Microsoft diese Projekt an Uber weitergegeben hat. Bei den Navigationssystemen Here (von Nokia) und TomTom stehen die Verkehrswege mit ihren Verkehrsbeschränkungen eindeutig im Vordergrund und nicht die Kartografie.

Herkunft des Kartenmaterials bei Google [2]

BD: Bei meiner Informatik-Vorlesung Ende der 1990er Jahre für Geodäten an der TU München war der Frauenanteil unter den Hörern rund 30%. Das war in meiner Studienzeit anders. Wird die Geodäsie ein Frauenberuf und warum?

GK: Der mühevolle Außendienst des Vermessungsingenieurs in den Zeiten von Gauß ist durch die technischen Erneuerungen leichter geworden, die Büroarbeit überwiegt jetzt. Die ist auch für Frauen leichter zu bewältigen. Deshalb ist der Beruf nun auch für Frauen interessant.

BD: Mir wurde damals gesagt, dass es auch die zunehmenden Aufgaben in der Umwelt- und Landschaftspflege seien, die Frauen besonders anzögen. Du machst  ̶  wie ich sehe  ̶   über 20 Jahre nach Deiner Emeritierung noch allerlei auf fachlichem Gebiet. Ist das Deine Methode, um geistig fit zu bleiben?

GK: Ich schätze mich glücklich meine Laufbahn im akademischen Sektor eingeschlagen zu haben, so wird man geistig nie arbeitslos. Auch das Internet ist eine gute Quelle, um die Fortschritte unseres Berufsstandes zu verfolgen, an Konferenzen teilzunehmen und einen gelegentlichen Beitrag zu leisten.

BD: Vielen Dank, Friedel. Wie Du weißt, habe ich meine berufliche Erfüllung außerhalb der Geodäsie gefunden. Umso mehr freut es mich, mal einen fachlichen Update zu bekommen über all das, was mir entgangen ist.

Referenzen:

1. Konecny, G., Breitkopf, U., Radtke, A., Lee, K.: The Status of Topographic Mapping in the World, a UNGGIM-ISPRS Project 2012 – 2014. Institute of Photogrammetry and GeoInformation, Leibniz University Hannover, Germany, and Eastview Geospatial, Minneapolis, MN, USA.

2, Google Maps basieren auf drei Arten von Daten (a) Offiziellen Karten (Ground Truth) in Nordamerika, Europa und Australien, (b) Auf vertraglich erworbenen privaten Daten (Map Maker) in Afrika, Mittlerem Osten und Indien und (c) auf Gegenleistungen zu Googles Bilddaten (Video Rental) in Russland und China.