Die Herstellung eines geoökologischen Geoinformationssystems und digitaler geoökologischer Karten für das Gebiet der Arktis

Abstract

Das Ziel der Forschung ist die Herstellung eines geoökologischen Geoinformationssystems und digitaler geoökologischer Karten für das Gebiet der Arktis. Als Resultat sind geoökologische Karten der Arktis herzustellen, die den jetzigen Zustand des Polargebiets zeigen. Forschungsschritte: 1) Bearbeitung der vorhandenen bathymetrischen Karten; 2) Datenanalyse (geomorphologische, geologische, ozeanographische und klimatische, biologische, physisch-chemische Daten); 3) Modellierung; 4) Geoökologische Kartierung.

Full text

Die Herstellung eines geoökologischen Geoinformationssystems
und digitaler geoökologischer Karten für das Gebiet der Arktis
Detaillierter Forschungszeitplan (Research Proposal)
Appendix for the DAAD Scholarship Application
∗
Lemenkova Polina
May 20, 2006
Abstract
Beilage: Detaillierter Forschungszeitplan für ein DAAD Stipendium.
Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung,
Bremerhaven, Deutschland, unter Betreuung von Dr. Hans Werner Schenke.
1 Institution and Location
Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung,
Bremerhaven, Germany.
2 Zeit
01.10.2007 bis 31.03.2008
3 Forschungsziel
Das Ziel der Forschung ist die Herstellung eines geoökologischen Geoinformationssystems und digitaler
geoökologischer Karten für das Gebiet der Arktis. Diese Forschung ist in Rahmen der Diplomarbeit und ak-
tueller Doktorarbeit an der Moskauer Lomonosov-Universität bereits angefangen, und während der Aufen-
thalt im Alfred-Wegener-Institut (weiter AWI) werden die Daten und bereits hergestellte Karten benutzt,
um die Forschung der Arktis weiter fortzusetzen und zu vertiefen.
4 Arbeitsplan
Als Resultat sind geoökologische Karten der Arktis herzustellen, die den jetzigen Zustand des Polargebiets
zeigen. Im Arbeitsplan sind folgende wissenschaftliche Herausforderungen hervorgehoben:
∗zur Kenntnisnahme des DAAD
1

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Forschungszeitplan (Research Proposal). Lemenkova Polina: May 20, 2006
5 Bearbeitung der vorhandenen bathymetrischen Karten
01.10.2007 – 31.10.2008. Bearbeitung der vorhandenen bathymetrischen Karten; hier nutzt man sowohl
digitale Karte in ArcGIS Formaten (u.a. die Karten aus dem GEBCO Digital Atlas - GDA) als auch von ges-
cannten Karten, die vektorisiert werden müssen (Programm der automatischen Vektorisierung Autotrace
- unter Linux OS) und im Projekt benutzt werden können.
Dabei werden die Isobathen in mehreren Arbeitsschritten bearbeitet: zuerst werden Höhen- bzw. Tiefen-
linien als Linienvektoren digitalisiert und dann auf systematische Fehler überprüft. Weiter werden sie nach
geomorphologischen Kriterien manuell editiert, verbessert und (wo es nützlich ist) interpoliert und zum
Schluss für die Editierung ins aktuelle GIS–Projekt eingelesen.
Dadurch, dass geplante Arbeit in der Abteilung für Bathymetrie AWI durchgeführt wird, wird die Verar-
beitung von batymetrischen Daten in Kooperation mit anderen Mitarbeitern zusammengeführt und die
Problemen der geomorphologischer Interpretation von Bodenreliefs besprochen.
Bathymetrische Karten sind Grundlage für die geoökologischen Karten, da sie den Meeresboden mit der Bo-
dentopographie und damit die geomorphologischen Grundformen des Bodenreliefs widerspiegeln. Deswe-
gen ist es wichtig, die genaue bathymetrische Grundlage vorliegen zu haben (vor allem die Karten von
GEBCO und IBCAO für das gesamte Arktisgebiet in Maßstab 1:6 000 000, plus zusätzliche bathymetrische
Karten in möglichst größeren Maßstäben im einzelne Regionen, Meeren und Buchten).
6 Datenanalyse
01.11.2007 – 31.12.2008. In diesem Arbeitsschritt werden alle verfügbaren Daten aus AWI-Datenbanken
gesammelt und in der aktuellen Datenbank gespeichert; dann werden auf Grundlage dieser Datenbank
thematische Karten hergestellt (s.u.).
Aufgrund der von Polarstern-Expedition ANT/XXIII-4 angeknüpften persönlichen Kontakten und Bekan-
ntschaften mit Geowissenschaftlern aus AWI werden neue thematische Daten bekommen, um sie zu er-
forschen, weiter zu verarbeiten und im Projekt zu benutzen, wobei die Daten, die in AWI-Datenbanken
gespeichert sind, ins Projekt hinzugefügt werden. Wissenschaftliche Artikel.
Es ist auch geplant, während des geplanten Aufenthaltes in AWI an den Konferenzen und Seminaren, die
im Rahmen des Internationalen Polarjahr 2007-2008 in AWI stattnden werden, teilzunehmen, um wis-
senschaftliche Zusammenarbeit und Kooperation zu vertiefen und mit den aktuellen Problemen der Arkt-
isforschung besser kennen zu lernen.
Neue thematische Daten von Polarstern-Expeditionen werden aus den Bereichen der Biologie, Geowis-
senschaften (besonders Fachbereiche Geophysik und Marine Geologie), Glaziologie, Ozeanographie und
Klimaforschung bekommen und im Projekt weiterverarbeitet.
Die Modellierung des Ökosystems setzt detaillierte und komplexe Kenntnisse von deren Struktur, Funktion
und Regulation voraus. Deswegen wird die Wechselbeziehung zwischen verschiedenen Faktoren, die den
gesamten Zustand des Ökosystems streng beeinussen, analysiert. Die Arbeit konzentriert sich auf:
Geomorphologische Faktoren (Meeresboden des Arktisgebietes und geomorphologische Formen der
angrenzenden Küstenregionen). Sie sind für Ökosystem von besonderer Bedeutung, weil die geomorpholo-
gischen Formen des Meeresbodens eine Auswirkung auf die Meeresströmung und den Meeresspiegel haben
und dadurch alle Prozesse der Stoübertragung (einschließlich radioaktiver Stoe und Verschmutzungen)
steuern und regulieren. Mit Hilfe der Karten sind die geomorphologischen und tektonischen Strukturen
genau festzulegen und zu beschreiben, so dass sie als Gerüst für die Begrenzung der Ökoregionen dienen.
Die aktuellen Daten der arktischen Bodenreliefs werden aus den letzten Polarstern-Expeditionen dank der
intensiven Kooperation mit Kollegen aus AWI bekommen und im Projekt weiterverarbeitet. Im Laufe der

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Arbeit werden folgende Karten hergestellt: Moderne Grundformen des Meeresreliefs; Geomorphologie der
arktischen Küsten.
Geologische Faktoren (Meeresgrundsstruktur, Bodenbeschaenheit an den Küsten, usw.) Sie beein-
ussen vor allem die Standfestigkeit und Stabilität der Komponenten von Ökosystemen gegenüber nega-
tiven Einwirkungen. Die Morphologie und Struktur des Meeresbodens steht in einem engen Zusammen-
hang mit Sedimentationsraten, Erosionsabläufen, Strömungsvorgängen und Transportmechanismen, so
dass diese Informationen wichtige Parameter für Ökosystemsmodellierung sind. Die Geologie des arktis-
chen Meeresbodens weist höchst uneinheitliche und komplexe Formen auf und hat einen strengen Einuss
auf den Zustand des Ökosystems, deswegen werden die geologischen Karten im Projekt als Arbeitsgrund-
lage benutzt. Neue Forschungen aus Arktis-Expeditionen werden von Kollegen aus Bereichen Marine Ge-
ologie und Paläontologie bekommen und weiterverarbeiten. Als Grundlage im aktuellen GIS-Projekt wer-
den folgende geologische Karten benutzt: Geologische Karte der Arktis, Tektonik des arktischen Meeres-
bodens, Geologie der arktischen Küsten.
Ozeanographische und klimatische Faktoren In den Polargebieten hat der Klimawandel besonders
deutliche Auswirkungen auf Meeresökosysteme, deswegen steht in diesem Arbeitsschritt die Studie der
klimatischen V eränderungen und Klimamechanismen in der Arktis in den letzten Jahren im Mittelpunkt:
Rückgang der Schelfeise und Gletscher, Temperatur- und Meereisänderungen, Austausch von Wasser-
massen, Abkühlung- und Erwärmungsereignisse und andere klimatische Schlüsselprozesse im Ozean und
im Eis der Arktis. Um dynamische klimatischen Veränderungen genauer festzustellen, werden dabei die
Luftaufnahmen aus verschiedenen Zeitperioden verarbeitet, wobei die Programme GRASS und Erdas Imag-
ine mit Bildverarbeitungsmodulen genutzt werden. Insbesondere wird die derzeitige globale Erwärmung
analysiert, die zu einer Verringerung des polaren Meereises und damit einhergehend zu Änderungen in
der Biosphäre führt. Folgende klimatische Karten werden hergestellt: Rückgang von Schelfeisen und
Schmelzen von Gletschern in der Zeitperiode 1955-1980-2005; Auftauen des nordpolaren Permafrostes im
Zeitraum 1955-1980-2005; Entwicklung der Austausches von Meerwasser zwischen dem Nordpolarmeer
und dem Atlantischen Ozean; Verringerung des polaren Meereises in den letzten Jahren (bis 2005).
Biologische Daten Weil die verschiedenen Komponenten der Biosphäre auf Belastbarkeit extrem un-
terschiedlich reagieren, werden die Biomassegröße, Lebensareale, Lebensbedingungen, Artenverbreitung,
biologische Vielfalt von Schelf- und Tiefsee-Biodiversität von verschiedenen Arten der arktischen Flora
und Fauna analysiert, festgestellt und kartiert. Dabei wird die Nahrungskette bzw. das Ökosystem als
Ganzes betrachtet und alle Komponenten des Meeresökosystems berücksichtigt; Als Folge werden die bio-
geographischen Karten der arktischen Fauna und Flora als thematische Teile der Serie hergestellt, in de-
nen dargestellt wird, in welchen Gebieten besonders schwere ökologische Situationen vorherrschen. An-
fertigung biogeographischer Karten: Klimabedingter Biodiversitätswandel in den Jahren 1955-1980-2005;
Einschränkung der Lebensareale in Jahren 1955-1980-2005; Einschränkung der Anzahl der Polarfauna in
ökologisch nicht stabilen Regionen; Biomassengröße in verschiedenen Gebieten der Arktis (Phyto- und
Zooplankton); Veränderungen in der zeitlichen Variabilität und der genetischen Vielfalt der Polarfauna
und Polarora im Zeitraum 1955-1980-2005 (am Beispiel der verschiedenen Arten).
Physisch-chemische Messdaten Es werden alle mögliche Folgen menschlicher Einüsse auf die Ökosys-
teme beurteilt, u.a. der gemessene Einuss der Emissionen von Industriebetrieben und Fabriken; Verkehr-
swege, Kernexplosionen im Gebiet Arktis usw. Im Laufe der Arbeit werden folgende ökologische Karten
hergestellt: Emissionen von Schwermetallen, chemischen (chlororganische Verbindungen, Pestizide, usw.)
und radioaktiven Stoen mit Luft-, Gewässer- und Strömensübertragung in verschiedenen Zeitperioden.

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Alle geplanten thematischen Karten werden jeweils im Maßstab 1:6.000.000 in stereographischer Projek-
tion in Rahmen des ökologischen GIS-Projekts hergestellt und sind deswegen miteinander vergleichbar und
korrelierbar. In Rahmen dieser Arbeitsschritte ist es geplant, bereits existierende Karten und statistische
Informationen mit ökologischen Daten (in .xls - Format) aus diesen Themen (s.o.) zu analysieren und zu
dem aktuellen Projekt im ArcGIS hinzuzufügen, so dass alle vorhandenen Karten und andere Daten eine
Datenbank mit geographischer und ökologischer Information darstellen können.
7 Daten
Die Datenbank mit der geographisch-ökologischer Information der Ökosystems der Arktis berücksichtigt
sowohl thematischen Karten als auch Messdaten in Tabellen von verschiedenen Arten von Ökosystem-
skomponenten und wird auf der Festplatte im aktuellen Hauptprojekt gespeichert. Sie ist die umfangreiche
ökologische Datenbank für das gesamte Umweltsystem der Arktis mit Angaben zu über 70 Charakteris-
tiken aus den thematischen Bereichen (u.a. Messdaten von Geologie, Tektonik, Geomorphologie, Klima,
physisch-chemischer Messdaten und Biologie der Arktis). Die Daten zur Datenbank werden von folgenden
Forschungsinstitutionen zu Moskau, St.-Petersburg und Bremerhaven zur Verfügung gestellt:
•P.P.Shirshov Institute of Oceanology
•Arctic and Antarctic Research Institute (AARI)
•Geological Institut RAS
•Laboratorium für Nordforschung Moskauer Lomonossov-Universität
•Alfred-Wegener Institut für Polar- und Meeresforschung
Die Informationsquellen werden jeweils angegeben. Diese Daten dienen als Rohmaterial zur Weiterverar-
beitung und zur Kartenherstellung und deswegen werden sie überprüft, damit Fehler vermieden werden.
Jüngere Daten weisen eine größere Zuverlässigkeit auf als ältere, da sie aktuelle Information enthalten
und mit genaueren Messverfahren erhoben werden. Während dieses Arbeitsteils sollen die komplexen
Zusammenhänge in polaren Geo- und Ökosystemen detailliert untersucht werden.
8 Modellierung
01.01.2007 – 31.01.2008. Analyse und Modellierung der Veränderung des arktischen Meeresökosystems in
verschiedenen Epochen: Langzeitbeobachtung der Veränderungen der vergangenen und jetzigen Umweltbe-
dingungen in der Arktis werden auf der Basis mit Karten von verschiedenen Daten durchgeführt, um eine
Rekonstruktion der V eränderungen des arktischen Geosystems, einen dynamischen Trend in der Entwick-
lung des polaren Meeresökosystems festzustellen und um eine Prognose der Weiterentwicklung aufstellen
zu können. Hier werden alle aus verschiedenen Zeitperioden vorhandene Daten (z.B. Karten, Tabellen
mit ökologischer Statistik, Schaubilder und grasche Darstellungen, usw.) analysiert und miteinander
verglichen, um tiefere Einblicke in die Struktur, Funktion und Regulation des Systems zu bekommen.
Dazu müssen die Karten aber vergleichbar sein, d.h. sie müssen passende Maßstäbe und Projektionen
haben, um sie im aktuellen Projekt in sog. Schichten darstellen zu können. In der Ökosystemmodellierung
geht es vor allem um die Herstellung eines Szenariums, welches darstellt, wie sich die ökologische Situ-
ation weiter entwickeln wird. Deswegen werden bestimmte Module benutzt, die in der software GRASS
verfügbar sind, z.B. Hydrologische Analysen, Landschaftsstrukturanalyse, zusätzlich Tools von ArcGIS,
z.B. Spatial Analyst, usw. Durch die Kombination der vorhandenen Daten mit allen geomorphologischen,
physikalischen und biochemischen Klima- und Ökosystemkomponenten werden Eis-Ozean-Atmosphäre-
Modelle hergestellt.

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9 Geoökologische Kartierung
01.02.2008 – 31.03.2008. Die Bestimmung des jetzigen Zustandes der Umwelt in der Arktis (auf der Grund-
lage aller vorhandenen Daten in der Datenbank).
Dieser Arbeitsschritt ist der wichtigste in diesem Forschungsvorhaben, da hier die geoökologischen Karten
der Arktis und ausgewählte ökologische Regionen im Gebiet Arktis als Resultat der Arbeit hergestellt wer-
den. Eine umfassende geowissenschaftliche Interpretation der Veränderungen des Ökosystems mit Rück-
sicht auf die Komplexität und Vielfältigkeit pelagischen Ökosysteme ist nur auf der Grundlage ergänzen-
der geomorphologischer, klimatischer, physisch-chemischer und biologischer Messdaten möglich, weil
die Teilsysteme Atmosphäre, Geosphäre, Hydrosphäre, Kryosphäre und Biosphäre in enger Verbindung
zueinander stehen und sich gegenseitig beeinussen. Dafür werden komplexe funktionale Zusammen-
hänge in arktischen Geo- und Ökosystemen, insbesondere zu deren Belastbarkeit detailliert untersucht.
Auf Grundlage dieser Studie werden die ökologischen Regionen unter Nutzung aller vorhandenen und
bearbeiteten Daten, die in der Datenbank gespeichert sind, festgestellt und in geoökologischen Karten der
Arktis kartiert. Die Denierung und Begrenzung dieser Regionen wird jeweils je nach der gesamten ökol-
ogischen Situation mit Rücksicht auf alle Komponenten des Ökosystems und deren Zustand bestimmt.
10 Kartenherstellung
Im Projekt werden folgende Software/GIS-Programme genutzt. Als Hauptprogramm für aktuelles Projekt
ist GRASS GIS gewählt, da es mit diesem Programm möglich ist, sowohl die Vektor- als auch die Rasterdaten
zu verarbeiten. Das ermöglicht auch eine komplexe Kartenherstellung, inkl. verschiedener und umfan-
greicher Visualisierungsmöglichkeiten: Animationen, 3D- Oberächen, Bildschirm-Kartenausgabe, Far-
bzuweisung, Histogramme, Kartenüberlagerung, usw. Das Programm läuft unter Linux OS und stellt auch
oene Austauschformate zur Verfügung (die Dateien können auch als .dxf oder ASCII-format gespeichert
werden, so dass das Projekt auch in anderen Programmen geönet sein kann). Um die Forschung in AWI
weiter zu führen werden die Daten aus GRASS-Formaten in die von ArcGIS (durch .dxf-Austauschformaten
ins .mxd-Format) importiert und weiter wird die Arbeit in ArcGIS durchgeführt. Als zusätzliche Programme
werden ArcGIS, (inkl. ArcMap, ArcInfo, ArcExplorer und andere aus der ESRI- Palette), Erdas Imagine
(für Digitale Bildverarbeitung) benutzt. Für manche Arbeitsschritte, z.B. um eine zusätzliche Illustration
anzufertigen, werden auch die graschen Programme benutzt, wie z.B. Gimp oder Corel Draw. Die Karten,
deren Herstellung in Rahmen dieser Arbeit geplant ist, stehen in der Tabelle Arbeitsplan (s.u.). Das vor-
rangige Ziel dieser Arbeit ist es:
•auf Basis der Untersuchungen und der verschiedenen Messdaten ein umfassendes, ökologisches GIS-
Projekt zu erschaen, um ein Verständnis des arktischen Meeresökosystems zu erlangen
•eine Serie von geoökologischen Karten des arktisches Meeresökosystems herzustellen, die die heutige
ökologische Situation widerspiegeln
•allgemeingültige ökologische Muster und Prinzipien aufzudecken, also theoretische Konzepte der
Ökosystemmodellierung, die auch für andere Meeresökosysteme relevant sind (nicht nur für arktis-
che Gebiete).
11 Aktualität und Bedeutung
•Die Polargebiete sind Schlüsselregionen für die Entwicklung des Weltklimas: physikalische Prozesse
in der Arktis beeinussen nachhaltig das Klima in niederen Breiten, die Ausdehnung oder die Re-

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Forschungszeitplan (Research Proposal). Lemenkova Polina: May 20, 2006
Table 1: Arbeitszeitplan
No Zeitraum Vorhaben Karten, deren Herstellung geplant ist
1
2 Oktober 2007 Verarbeitung der
bathymetrischen und
hypsometrischen Karten
als Grundlage für die
Arbeit
Bathymetrie der Arktis (gesamtes Gebiet in Maßstab 1:6 000 000) in .dxf-
Format.
3 November
2007
Kartenherstellung The-
matische Karten aus
Bereichen Geomor-
phologie, Ozeanogra-
phie, Klima für ver-
schiedene Gebiete der
Arktis (Maßstäbe: 1:6
000 000, 1:3 000 000 je
nach Region, Projektio-
nen: stereographische,
azimutale (für russische
Teil der Arktis)
Geomorphologie 1) Moderne Grundformen des Meeresreliefs; 2) Geomorpholo-
gie der arktischen Küsten. (nur für Grenzgebiet Barents-Petschora See, beide
in Maßstab 1:3 000 000): 3) Geomorphologie der Meeresreliefs 4)Geomor-
phologische Typen der Küsten. Ozeanographie und Klima. 1) Rückgang von
Schelfeisen und Schmelzen von Gletschern in der Zeitperiode 1955-1980- 2005;
2) Auftauen des nordpolaren Permafrostes im Zeitraum 1955-1980-2005; 3)
Entwicklung der Austausches von Meerwasser zwischen dem Nordpolarmeer
und dem Atlantischen Ozean; 4) Verringerung des polaren Meereises in den
letzten Jahren (bis 2005). (auf gesamtes Gebiet in Maßstab 1:6 000 000)
4 Dezember
2007
Kartenherstellung
Thematische Karten
aus Bereichen Bi-
ologie,Chemie für
verschiedene Gebiete
der Arktis (Maßstäbe:
1:9 000 000, 1:6 000
000 und 1:3 000 000 für
Barents- und Kara See;
für Gebiete, auf denen
nicht genug Daten
sind werden Maßstabe
kleinerer.
Chemie: 1) Emissionen von Schwermetallen; 2) Emissionen von verschiedenen
chemischen Stoen (CO2, N2O- Emissionen, persistente organische Schad-
stoe - POP, chlororganische Verbindungen, Pestizide, sonstige anorganische
Stoe) (jeweils auf das ganze Gebiet in 1:9 000 000); 3) Emissionen von radioak-
tiven Stoen. Biologie: 1) Klimabedingter Biodiversitätswandel in den Jahren
1955-1980-2005; 2) Einschränkung der Lebensareale in Jahren 1955-1980-2005;
3) Einschränkung der Anzahl der Polarfauna in ökologisch nicht stabilen Re-
gionen; 4) Biomassengröße in verschiedenen Gebieten der Arktis (Phyto- und
Zooplankton); 5) Veränderungen in der zeitlichen Variabilität und der genetis-
chen Vielfalt der Polarfauna und Polarora im Zeitraum 1955- 1980-2005 (jew-
eils auf ganzes Gebiet in Maßstab 1:6 000 000)
5 Januar 2008 GIS-basierte Analyse des
Meeresökosystems
Veränderungen des arktischen Meeresökosystems im Zeitraum 1955-1980-
2005 (gesamtes Gebiet in Maßstab 1:6 000 000)
6 Februar 2008 Ökosystemmodellierung 1) Meeresökosystemen der arktischen Gebieten (Maßstab 1:6 000 000) 2)
Ökosystemen der Barents und Petschora See (Maßstab 1:3 000 000)
7 März 2008 Feststellung der
geoökologischen Re-
gionen
Geoökologische Regionen der Arktis (gesamtes Gebiet in Maßstab 1:6 000 000)
duktion des Meereises haben entscheidenden Einuss auf den Wärmehaushalt der Erde und können
drastische Einwirkungen auf das globale Klima haben.
•Die Rolle der Arktis für die Entwicklung der globalen Prozesse im System Erde und die Wechsel-
beziehungen zwischen dem Klimasystem, der Geosphäre und der Stratosphäre ist außerordentlich
groß.
•Zugleich gehören die Polargebiete (insbesondere die Arktis) und deren Eisschilde, Landmassen und
Ozeane zu den Regionen der Erde, die bis heute nur sehr eingeschränkt erforscht sind.
•Aus diesem Grund ist die Erforschung des polaren Ökosystems besonderes wichtig und aktuell.

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