Die Schulumgebung über Satelliten erkunden,
ein ganzheitlicher GIS-Ansatz beim Lernen mit Geodaten

von Robert Roseeu, Frühjahr 2005,
ursprünglich als Beitrag zum Themenheft "GIS für Anfänger" von geographie heute

Eines der am weitesten entwickelten Geo-Informations-Systeme liefert die Fernerkundung. GIS-Anwendungen auf der Basis flächendeckender Lichtmesswerte in der Form eines Raster-GIS bieten gerade für Schüler in der Sekundarstufe I einen sehr effizienten Weg um einige Möglichkeiten eines GIS kennen zu lernen.

Zuerst: Was hat Fernerkundung mit GIS zu tun?

Ein „Raster-GIS“ erzeugt aus Satellitenmesswerten der Fernerkundung Landschaftsansichten in Fotoqualität und thematische Karten zur Bodenbedeckung und Landnutzung.
Ein “Vektor-GIS“ erzeugt zu vorgegebenen beliebigen Daten abstrakte thematische Karten in fast jedem Maßstab.

Das Prinzip der Fernerkundung ist das des menschlichen Auges. Die Augen als Sensoren, das Gehirn als Auswertungssystem. Ein „Raster-GIS“ simuliert dabei einige Prozesse des menschlichen Gehirns. Jeder Bildpunkt in der Landschaft reflektiert in typischer Weise Sonnenlicht zum Auge. Viele Bildpunkte mit gleicher oder ähnlicher Reflexionseigenschaft werden vom Gehirn als Objekt erkannt. Im Gehirn entsteht ein ganzheitliches Bild von der individuell erlebten Umwelt. Strukturen und Texturen spielen dabei unterschiedliche Rollen beim Erkennen der Objekte.

Wir sehen reflektiertes Licht, wir interpretieren das Licht und entwickeln daraus eine virtuelle Landkarte, die uns bei der Orientierung hilft. Dieses Raumbewusstsein ist schon bei Kant neben dem Zeitbewusstsein ein Grundbaustein menschlichen Denkens und Handelns.

Die Fernerkundung erweitert diesen Ansatz der natürlichen menschlichen Raumerfahrung durch neue Wahrnehmungsbereiche. Sensoren auf Flugzeugen oder Satelliten tasten die Umwelt nach unterschiedlichem Licht ab. Das Sehen im infraroten Wellenlängenbereich und das Erfassen sehr großer Räume in sehr kurzer Zeit sind die eigentlichen Bereicherungen. Zur digitalen Auswertung der Lichtmesswerte benötigt man ein sog. „Raster-GIS“. Die Software „Pixel-GIS“ ist ein „Raster-GIS“ speziell zu Lichtmesswerten der Fernerkundung. Jeder Bildpunkt (Pixel) ist Träger unterschiedlicher Lichtinformationen, deshalb der Name „Pixel-GIS“. Der Vorteil dieser GIS-Anwendung ist die Tatsache, dass alle entstehenden GIS-Karten stets den gleichen festen Maßstab haben und wie Landschaftsfotos aussehen und deshalb auch von Kindern intuitiv genutzt werden können.

Das von Lehrern im BMBF-Projekt „SatGeo“ und im DBU-Projekt „Umweltspione“ entwickelte Software-Paket „Pixel-GIS“ zur Fernerkundung enthält vier wesentliche Komponenten, die nahtlos ineinander greifen und damit einen raschen Unterrichtserfolg aus inhaltlicher Sicht ermöglichen:
a) „Pixel-GIS“ bearbeitet Originaldaten aus der digitalen Kamera oder von Satelliten und exportiert die Arbeitsergebnisse auf Mausklick in ein Ordnersystem auf der Festplatte, auf das unterschiedliche Webtools simultan zugreifen.
b) „Pixel-GIS-Viewer“ erklärt die Arbeitsergebnisse von „Pixel-GIS“ hinsichtlich der Lichtbesonderheiten und gibt strahlungstypische Interpretationshilfen. Gleichzeitig kontrolliert es den Schüler bei der Nutzung der Pixel-GIS-Software. Die von „Pixel-GIS“ erzeugten Produkte werden in diesem Webtool automatisch angezeigt und erklärt. Über Word lassen sich die Bildprodukte in vorbereiteten Seiten direkt interpretieren.
c) „Pixel-GIS-Hilfe“ erklärt alle Funktionen von „Pixel-GIS“ und wichtige physikalische Zusammenhänge.
d) Eine Sammlung von Beispielen, Internetadressen, Tutorials und eLearning-Angeboten erschließt die Ressourcen zur Fernerkundung im Internet und bettet die eigene Arbeit in diesen Kontext ein. Ein digitaler Atlas bestehend aus Satellitenbildern und Aufgaben ergänzt das Angebot auf einer CD.

Eine Unterrichtsskizze soll zeigen, wie „Pixel-GIS“ den Geographieunterricht bereichern kann, denn viele Lehrplaninhalte lassen sich durch Satellitenbilder besonders gut darstellen. Zumeist reicht dazu die Verwendung fertiger GIS-Produkte aus dem Internet. Um diese GIS-Produkte jedoch fachgerecht benutzen zu können ist eine Einführung in die Arbeitswelt der Fernerkundung am Beispiel des schulischen Nahraums angebracht. Damit könnte man in der 7. Jahrgangsstufe beginnen. Die nachfolgenden 3 Unterrichtseinheiten ziehen sich über das ganze Jahr hin. Sie erheben nicht den Anspruch, damit in die Methodenvielfalt von GIS einzuführen. Sie wollen Tiefgang bei ausgewählten Lehrplaninhalten ermöglichen. Drei Kernthemen sollten im Laufe eines Schuljahres an geeigneter Stelle abgearbeitet werden.

1. Den Nahraum über Fotos, Orthofotos und Satellitenbilder erkunden
   Der Lehrer bereitet zusammen mit der Klasse das „einmalige“ Fernerkundungsprojekt zum Nahraum der Schule vor: Eine Fotoexkursion in die Schulumgebung ist ideal.
   - Vom Sehen mit künstlichen Augen: Welche Vorteile bieten Foto, Orthofoto und Satellitenbild? Wie gelangt man an diese speziellen Web-GIS-Produkte?
   - Zur Erkennbarkeit von Objekten im Bild bei unterschiedlicher Auflösung: Von oben sind alle Bäume rund, wie kann man sie unterscheiden?
   - Schüler und Lehrer präsentieren ihre Bilder und ihre Beobachtungsergebnisse.
   
2. Wir lernen im Nahraum wie Profis Satellitenmessdaten auswerten
   In einem Untersuchungsgebiet von „Pixel-GIS“ von der Größe 12km x 12km stehen in einem Originaldatensatz von Landsat 1,6 Millionen Lichtmesswerte zur Verfügung. Das handlungsorientierte Ziel ist es, aus diesen Messdaten in wenigen Minuten ein aussagekräftiges Bild herzustellen. Das Bild muss so aufbereitet sein, dass es leicht interpretierbar ist, d.h. auch in einem Bild mit dem infraroten Licht muss z.B. Wald grün aussehen.
   Die wichtigsten Werkzeuge von „Pixel-GIS“ werden über „Lernen durch Lehren“ von den Schülern selbst vorgestellt. Die Online-Hilfe und die verfügbaren „Memos“ stellen dafür ausreichend viele Infos zu Verfügung.
   Farbige Fotos und Orthofotos werden mit dem gleichen „Pixel-GIS“ bearbeitet wie die Satellitenmessdaten. Dies ermöglicht es dem Lehrer auch über Landschafts- oder Orthofotos einzusteigen.
   
3. Jeder lernt wie man unterschiedliche Fernerkundungsprodukte aus dem Internet interpretiert
   Zu den Bereichen Topographie, Wetter&Klima, Vegetationszonen gibt es im Lehr-/Lernmodul „Pixel-GIS“ ein umfassendes Web-Angebot an ständig aktualisierten Satellitenbildern. Die Aufgaben sind bereits integriert. Die GIS-Software wird hierzu nicht gebraucht, es reicht der Webbrowser.

Ein kurzer Überblick zu den Hauptwerkzeugen von „Pixel-GIS“ soll Leitschnur für die Arbeit im schulischen Nahraum sein. Die Inhalte bestimmt der Lehrer nach Lehrplan und Interesse der Schüler, die Kulturlandschaft bietet dazu viele Aufgabenfelder.

Die Werkzeuge von „Pixel-GIS“ ähneln jenen guter Fotosoftware, hier stehen jedoch z.T. physikalische bzw. naturkundliche Aspekte im Vordergrund. Zuerst geht es deshalb darum, dass Schüler ein Bewusstsein für Licht im sichtbaren und infraroten Bereich entwickeln. Das Beobachten und Messen steht im Mittelpunkt, das Messen im Gelände und das Auswerten unterschiedlicher Fernerkundungsdaten (Foto, Orthofoto, Satellitenbild). Auch die digitale Kamera wird für Messzwecke entfremdet.
Die Menüführung von „Pixel-GIS“ orientiert sich an der Zahl der auszuwertenden Messreihen, also daran, wie viele Kanäle/Bänder/Wellenlängenbereiche gleichzeitig benutzt werden.

Die hier benutzten Verfahren sind nur in einem Raster-GIS verfügbar.

EINKANAL: Flächendeckende Messwerteverteilungen werden untersucht. Besonderheiten müssen im räumlichen Kontext interpretiert werden. Die Physik und die Biologie sind hier auch stark gefragt, denn es geht um das spezifische Absorptionsverhalten von Bodenbedeckung. Zur Temperatur (Kanal 6), zum panchromatischen Licht (Kanal 8) und zum sichtbaren Licht (Kanal 1 bis 3) gibt es Experimente im Gelände.
ZWEIKANAL: Die Verknüpfung von 2 Messreihen erfolgt exemplarisch am Beispiel des NDVI (Normalisierter Differenzen-Vegetations-Index). Dies führt auf eine leicht zu interpretierende Messwertkarte zur Vitalität von Vegetation, die auch Vegetationsschäden erschließt.
DREIKANAL: Wie bei der digitalen Kamera entstehen aus 3 Graustufenbildern sog. Farbkomposite. Damit können auch Informationen des für das menschliche Auge unsichtbaren infraroten Lichts farbig dargestellt werden. Das beste Farbkomposit zur Landschaftsdiagnostik wird hier gesucht.
5 Kanäle: Bei der überwachten Klassifikation werden Pixel mit bekanntem Informationsgehalt (Mähwiese, Weide, Feuchtwiese) markiert. Das Programm sucht nach ähnlichen Strahlungswerten und erzeugt eine Verteilungskarte (Bodennutzungskarte).
Markieren erlaubt das Markieren, das Definieren von Profilen und die Bestimmung der Größe von Flächen.
Die Lupe dient als Orientierungshilfe, als Analysewerkzeug für Strahlungswerte und als Instrument zur Festlegung der Zielgebiete für vorbereitete Übungsaufgaben im Gelände.

Das Menü entstand am Gymnasium in Herborn in einer Schüler-AG zur Fernerkundung während der letzten 10 Jahre. Viele „Jugend forscht“-Arbeiten gingen daraus hervor.
Das Besondere an diesem Programm ist aber die Tatsache, dass jeder Klick auf einen der Buttons sofort, d.h. ohne technischen Black-Box-Umweg, das gewünschte Ergebnis anzeigt. Das macht keine Software aus dem Profi-Bereich. Die neuen Webtools zur Dokumentation folgen diesem Prinzip: Bild erzeugen - Interpretieren - Dokumentieren - Evaluieren.

Lehren über und mit GIS und Lernen mit GIS gehen bei Verwendung von „Pixel-GIS“ mit dem „Pixel-GIS-Viewer“ nahtlos ineinander über. Das gilt gleichermaßen für die Schüler-Einzelarbeit wie für die Gruppenarbeit. Eine besondere (zukünftige) Anwendung ist der Informationsaustausch zwischen entfernt liegenden Schulen auf der Basis von Satellitenbildern zum jeweiligen Nahraum der Schule. Zwei Klassen kommunizieren z.B. über eine Wiki-Plattform. Jede Klasse muss das Satellitenbild der fernen Schule interpretieren und zum eigenen Schulumfeld Auskunft geben können. Ohne Ortskenntnis ist da im fremden Satellitenbild meist nicht viel zu schaffen, die Partnerklasse muss helfen. Bei diesem Ansatz arbeitet jede Klasse mit zwei Satellitenbildern. „Was ist anders als bei uns?“ kann im Dialog behandelt werden.

Die Besonderheiten im Unterrichtseinsatz kurz zusammengefasst:
- Es kann mit einem intuitiv vermittelbaren ganzheitlichen Landschaftsbild begonnen werden.
- Es wird mit Techniken aus unserem Alltag gearbeitet, das sind digitale Fotobearbeitung und die Webtechnologie.
- Mit den selbst erzeugten GIS-Produkten (Karten) kann sofort weitergearbeitet werden im Sinne von Interpretation, Dokumentation oder Analyse, dazu wird nur Word gebraucht.
- Die Lupenfunktion von „Pixel-GIS“ weist den Weg in die praktische Geländearbeit, indem es dazu Detailkarten zusammen mit Aufgaben (zum Messen, Beobachten, Kartieren, Befragen, ...) generiert.
- Eine weltweit einheitliche und nahezu kostenfreie Datenbasis ermöglicht es, beliebige Landschaftsausschnitte der Erde mit dem Umgebungsbild der Schule vergleichen zu können.