Entwicklung von 2D- und 3D-Geoinformationssystemen für geologische Anwendungen im kommunalen Bereich am Beispiel der Stadt Straubing und des Landkreises Straubing-Bogen

Die Stadt Straubing und der Landkreis Straubing-Bogen sind bereits seit dem Geo-Kulturjahr 2006 Partner des Lehrstuhls für Ingenieurgeologie der Technischen Universität München bei der Erforschung naturräumlicher Gegebenheiten. Dabei steht die urbane Geologie im Stadtgebiet von Straubing im Zentrum der Erhebungen.

Diese geologische Situation ist von den quartären Terrassenschottern der Donau geprägt. Nördlich des Stadtgebiets im Landkreis erhebt sich der Bayerische Wald mit seinen Kristallingesteinen. Im Süden streichen die quartären Einheiten bis zum Tertiären Hügelland hin aus.

Die Implementierung geologischer Fachdaten in kommunale Geoinformationssysteme steht im Fokus der Untersuchungen. Dazu pflegt der Lehrstuhl für Ingenieurgeologie der TUM den intensiven Kontakt zu den Entscheidungsträgern in der Verwaltung der Stadt Straubing sowie im Landratsamt Straubing-Bogen. In diesem Kontext ist auch die vorliegende Arbeit zu sehen. Sie fasst die Daten aus einer achtjährigen Projektzeit zusammen. Im Zuge von zahlreichen Abschlussarbeiten, unter anderem auch der Diplomarbeit der Verfasserin, wurden in Kooperation mit der kommunalen Verwaltung Informationen vom geologischen Aufbau bis hin zur »Kulturgeologie« mit der Kartierung der Natursteinverwendung zusammengetragen. Bei Recherchen wurde deutlich, dass für das Stadtgebiet besonders aus hydrogeologischer Sicht noch kaum Daten verfügbar sind. Ähnliches gilt auch für die anthropogene Überprägung des Raumes. So war Straubing über Jahrhunderte Standort einer keramischen Produktion. Seit dem 19. Jahrhundert wurden in industriellem Maßstab Mauersteine und Dachziegel gefertigt. Basis dafür waren die reichen Vorkommen an Lösslehm. Die Rohstoffabbaue haben ebenso wie Auffüllungen oder die Ereignisse des Zweiten Weltkrieges Spuren in der urbanen Landschaft hinterlassen. Diese sind bis heute aus Sicht der Ingenieurgeologie von großer Wichtigkeit. Daher wurden detaillierte digitale Kartenwerke zu diesen Inhalten erstellt. Mit der Zusammenführung aller verfügbaren Daten aus dem geowissenschaftlichen Themenkreis soll nun erstmals für Straubing eine hochauflösende Darstellung der geologischen Situation gegeben werden. Dabei werden auch Fachdaten wie die Temperatur des Grundwassers miteinbezogen, die vor allem vor dem Hintergrund der Nutzung erneuerbarer Energien und speziell der Erdwärme von Interesse ist.

Die zeitgemäße Darstellung dieser Daten mit räumlichem Bezug erfolgt in geographischen Informationssystemen. Dabei geht das Funktionsspektrum derartiger Systeme weit über den geographischen Sektor hinaus. Sie stellen die Brücke dar zwischen der Abbildung der reellen Welt in Kartenanwendungen und Datenbanken, in denen die Eigenschaften von Objekten gespeichert sind. Die Bereitstellung von geowissenschaftlichen Informationen zur Unterstützung der kommunalen Verwaltung ist ein zentraler Forschungsbereich. Die Entwicklung von Datenmodellen zur interoperablen Nutzung von Geodaten ist im Zuge der INSPIRE-Richtlinie der Europäischen Union inzwischen eine viel diskutierte Fragestellung. So wird in dieser Arbeit eine Datenstruktur präsentiert, die alle wichtigen geowissenschaftlichen Datenbestände für kommunale Entscheidungsprozesse berücksichtigt. Dies wird auch ausführlich in Zusammenhang mit einer zweckmäßigen interoperablen Geodatenbereitstellung und der interkommunal-regionalen Zusammenarbeit in der Stadt Straubing und im Landkreis Straubing-Bogen diskutiert.

Abschließend wird auf die dreidimensionale Darstellung geologischer Sachverhalte im Zuge einer 3D-Kartierung der quartären Schotterterrassen im Stadtgebiet von Straubing eingegangen und Nutzungsbeispiele aus dem Tiefbau- und Umweltsektor in der kommunalen Planung mit Hilfe von 3D-GIS vorgestellt.

Danksagung 8
1. Einleitung und Zielsetzung 9
2. Methodik im Überblick 10
2.1 Datenerfassung 10
2.2 Datenaufbereitung und Auswertung 11
3. Geographischer und geologischer Überblick 11
3.1 Lage des Arbeitsgebiets 11
3.1.1 Geographische Situation 11
3.1.2 Eigenlogik von Städten 12
3.2 Geologische Einführung 13
3.3 Tektonik 13
3.4 Geologische Schichtfolge 15
3.4.1 Kristallin 15
3.4.2 Jura 15
3.4.2.1 Unterjura (Lias)? 17
3.4.2.2 Mitteljura (Dogger) 17
3.4.2.3 Oberjura (Malm) 17
3.4.3 Kreide 17
3.4.3.1 Cenoman 17
3.4.3.2 Turon 17
3.4.3.3 Coniac 18
3.4.3.4 Santon 18
3.4.3.5 Campan 18
3.4.4 Tertiär 18
3.4.4.1 Miozän 18
3.4.5 Quartär 19
3.4.5.1 Flussgeschichte der Donau 19
3.4.5.2 Forschungsgeschichte 19
Geologische Karte als PDF-Datei 20
3.4.5.3 Pleistozäne Terrassen 23
3.4.5.4 Holozäne Terrassen 30
3.4.5.5 Quartärbasis 34
3.4.5.6 Anthropogene Überprägung 35
4. Hydrogeologie 36
4.1 Hydrogeologischer Überblick über das Projektgebiet 36
4.1.1 Kristalliner Kluftgrundwasserleiter 36
4.1.2 Mesozoische Grundwasserleiter 36
4.1.3 Tertiärer Grundwasserleiter 36
4.1.4 Quartärer Porengrundwasserleiter 37
4.2 Quartärer Grundwasserleiter und Grundwasserdynamik in der Stadt Straubing 37
4.2.1 Grundwassergleichen und Grundwasserflurabstand 37
4.2.1.1 Grundwassergleichenplan 38
4.2.1.2 Grundwasserflurabstand 39
4.2.2 Quellaustritte im Stadtgebiet 39
4.2.3 Durchlässigkeitsbeiwerte 42
4.3 Grundwassertemperaturen und geothermische Nutzung 42
4.3.1 Geothermische Anlagen in der Region Straubing 42
4.3.2 Genehmigung von Grundwasserwärmepumpen 43
4.3.3 Temperaturmessungen 45
4.3.3.1 Temperaturmessstelle 1 45
4.3.3.2 Temperaturmessstelle 2 46
4.3.3.3 Temperaturmessstelle 3 48
4.3.3.4 Temperaturmessstelle 4 50
4.3.3.5 Temperaturmessstelle 5 50
4.3.3.6 Temperaturmessstelle 6 54
4.3.3.7 Temperaturmessstelle 8 55
4.3.3.8 Temperaturmessstelle 9 56
4.3.3.9 Temperaturmessstelle 10 57
4.3.3.10 Temperaturmessstelle 11 59
4.3.3.11 Temperaturmessstelle 12 60
4.3.3.12 Temperaturmessstelle 13 62
4.3.3.13 Interpretation der Messwerte 63
4.3.4 Wärmeleistung des Grundwassers 66
4.4 Chemische Zusammensetzung des Grundwassers 67
5. Implementierung geowissenschaftlicher 2D-Basisdaten in kommunale Geoinformationssysteme 67
5.1 Implementierung selbstgenerierter geologischer Basisdaten 67
5.1.1 GIS und Geologie – Stand der Technik und der Wissenschaft 67
5.1.2 Datenbestand 69
5.1.2.1 Geobasisdaten 69
5.1.2.2 Geologische Fachdaten 70
5.1.2.3 Hydrogeologische Fachdaten 71
5.1.2.4 Anthropogene Überprägung 71
5.1.2.5 Fachdaten zur Verwendung von Natursteinen 72
5.1.3 Konzeptioneller Ansatz 72
5.1.3.1 Geodatenbank mit ingenieurgeologischen und hydrogeologischen Inhalten 72
5.1.3.2 Datenmodell mit kulturgeologischen Inhalten 74
5.1.4 Geo-Datenbanken für geowissenschaftliche Analysen und Untersuchungen 75
5.1.4.1 Amtliche und kommunale Geobasisdaten 75
5.1.4.2 Geologische Basisdaten 75
5.1.4.3 Bohrungs-, Messstellendatenbank 78
5.1.4.4 Natursteinkartierung 78
5.1.5 GIS-gestützte geowissenschaftliche Anwendungen 79
5.1.5.1 GIS-Anwendung »Quartärgeologie« 80
5.1.5.2 Hydrogeologisches GIS 80
5.1.5.3 GIS-Anwendung »Ingenieurgeologie« 80
5.1.5.4 GIS-Anwendung »Natursteinkartierung« 83
5.1.6 Datenaktualität und mobiles GIS 83
5.1.7 Ergebnisse 84
5.1.8 Bewertung der Ergebnisse 84
5.2 Nutzung weiterer Geodaten 86
5.2.1 Kommerzielle Dienste 86
5.2.2 WMS-Dienste 86
5.2.2.1 Bodenkundliche Daten 87
5.2.2.2 Geologische Daten 87
5.2.2.3 Hydrogeologische und hydrologische Informationen 87
5.2.2.4 Weitere WMS-Dienste 87
5.2.3 Download-Dienste 91
5.2.4 Geodaten-Viewer 91
6. Trends in der Geodatenbereitstellung und im Umweltdatenmanagement im Kontext kommunaler Geoinformationssysteme 92
6.1 Umfrage zur Nutzung von Geoinformationen 92
6.1.1 Nutzung von Geoinformationssystemen 93
6.1.2 Geodatennutzung 93
6.2 Potenzial von Geoinformationssystemen in der kommunalen Nutzung 94
6.3 Interoperabilität durch Geodateninfrastrukturen für geowissenschaftliche Fachdaten 95
6.3.1 Begriffserklärung 95
6.3.2 Gesetzliche Vorgaben 95
6.3.3 Geodateninfrastrukturen für Kommunen in Bayern 96
6.3.4 Private und wirtschaftliche Nutzung 97
6.3.5 Entwicklungspotenzial 98
7. 3D-Untergrundmodell des Stadtgebiets von Straubing 99
7.1 Stand der Entwicklung in der dreidimensionalen geologischen Kartierung und Visualisierung 99
7.2 Software für geologische 3D-Szenarien 100
7.2.1 Methodik der Software GSI3D 100
7.2.2 Methoden der 3D-Visualisierung in ArcScene 102
7.3 Ergebnisse der 3D-Kartierung und Integration in das 3D-Stadtmodell der Stadt Straubing 105
7.3.1 GSI3D 105
7.3.2 ArcScene 107
7.3.3 Praxisbeispiele 107
7.4 Diskussion 109
7.4.1 Limitationen bei der Bearbeitung 109
7.4.2 Genauigkeit der erzeugten Karten 110
7.4.3 Bewertung beider Ansätze 112
7.5 Zusammenfassung 113
8. Schlussbemerkung und Ausblick 114
9. Quellen 115
9.1 Literatur 115
9.2 Unveröffentlichte Arbeiten 118
9.3 Karten 119
9.4 URL-Quellen 119
9.5 Gesetze und Richtlinien 119
9.6 Erstellte Geodatenbanken 120
9.7 GIS-Glossar 120
Anhänge 121
Anhang 1: Messwerte der Grundwassertemperatur und spezifischen elektrischen Leitfähigkeit 122
Anhang 2: Datenstruktur der »Feature Classes« des »Datasets« »Geologie_gesamt« 124
Anhang 3: »Feature Dataset« »Kuenstliche_Ueberpraegungen« 126
Anhang 4: »Feature Dataset« »Hydrogeologie« 128
Anhang 5: Domänen in der »Geodatabase« »Geologische_Basisdaten_Projektgebiet_Straubing.mdb« 129
Anhang 6: »Topologies« in der Geodatenbank »Geologische_Basisdaten_Projektgebiet_Straubing.mdb« 129
Anhang 7: Aufbau der »Feature Classes« und der »Topol« der Datenbank »Natursteinkartierung_Straubing« 130
Anhang 8: »Domains« der »Geodatabase« »Natursteinkartierung_Straubing« 131
Anhang 9: »Relation Table« «Klassifizierung_Außen« (Kiechl 2009) 132
Anhang 10: »Relation Table« »Klassifizierung_Innen« (Kiechl 2009) 132
Anhang 11: »Relation Table« »Oberflächenbearbeitung« (Kiechl 2009) 132
Anhang 12: Symbole in der Style-Datei aus den Bereichen Geologie, Hydrogeologie und anthropogene Überprägung für die zweidimensionalen Kartendarstellungen 133
Anhang 13: Formblatt zur Aufnahme von Baugruben 134
Anhang 14: Fragebogen zur Geodatennutzung in der Stadt Straubing, analog wurde ein Fragebogen für den Landkreis Straubing-Bogen entwickelt 135
Anhang 15: Auszug aus dem Anhang 2 der INSPIRE-Richtlinie (Verordnung (EU) Nr. 1253/2013). Darstellung des Datenmodells ausgewählter Objektarten, wie sie auf das Arbeitsgebiet um Straubing anwendbar sind 136