Auswertung von Klimadaten leicht gemacht: Von Insellösungen zum übergreifenden Auswertesystem mit dem DIAdem-DataFinder

Author(s):
Dipl.-Geologe, Dipl.-Ing.(FH) Winfried Grimmeisen - Bayerische Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft, Sachgebiet 22, Klima und Wasserschutz

Industry:
University/Education, Research

Products:
DIAdem

The Challenge:
Erstellung und Optimierung einer automatisierten Archivierungs- und Suchfunktion in einem systemübergreifenden Datenauswertesystem für die Erhebung von Messdaten und den dazugehörigen Metainformationen.

The Solution:
Durch die Verwendung der Suchfunktionen des DIAdem-DataFinders und des NI DataPlugins als Schlüsseltechnologie wurde eine erhebliche Reduzierung des Zeitaufwandes bei der Datenarchivierung und -suche erreicht.

Kurzfassung

An der Bayerischen Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft (LWF)  fallen durch das Umweltmonitoring viele Daten an: Messdaten und die dazugehörigen Metainformationen in Form von Binär- und ASCII-Dateien, LOG-Dateien, Protokollzettel und Wartungsprotokolle. Mit der Standardsoftware DIAdem und dem DataFinder wurde eine integrierte Lösung der Datenorganisation erreicht, die einen hohen Grad an Datensicherheit und kontinuierlicher Überwachung des Messbetriebes garantiert. 

Über DataPlugins können Fremdformate geladen und dem DataFinder zum Browsen und Suchen zugänglich gemacht werden. Entscheidend ist die Verknüpfung von Protokollinformationen (Messbedingungen, etc.) mit den zugehörigen Messdaten in TDM-Dateien. Durch den permanenten Zugang neuer Messdaten entstehen ständig neue Ordner, die dem Suchbereich des DataFinders automatisch zugeordnet werden und ein sofortiges Navigieren in den Daten erlauben.

Einleitung

Die Bayerische Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft (LWF) hat seit 1989 den Auftrag, zum Zweck des vorsorgenden Umweltschutzes 22 Waldklimastationen (WKS) einzurichten und einen kontinuierlichen Messbetrieb durchzuführen. Jede dieser Messstationen besteht aus einer Freiland- und einer Bestandesmessstelle. An den Messstation-Paaren werden die klimarelevanten Parameter der Meteorologie, der Hydrologie sowie Parameter zur Bilanzierung des Stoffhaushalts und der Bodenatmung erhoben. Die aktuelle Diskussion über Ursachen und Auswirkungen der Klimaveränderung machen deutlich, wie wichtig die Bereitstellung von geprüften, qualitativ hochwertigen Messreihen für die Modellrechnungen sind.

Messprogramm Meteorologie

An der Freilandmessstelle (Bild 1) werden die meteorologischen Parameter (Niederschlag, relative Luftfeuchte, Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Spitzenböe) erfasst, die von Außen auf das Kronendach der Waldbestände einwirken.

Messprogramm Bodenfeuchte

An sechs Waldklimastationen wird der Wassergehalt im Boden permanent gemessen. (Bild 2). Die Messungen mit der Time Domain Reflektrometry-Methode (TDR) geben in hoher zeitlicher Auflösung die Änderung des Wasseranteils am gesamten Bodenvolumen wieder. Nur durch diese aufwändigen Messungen kann der Wasserhaushalt exakt beschrieben werden.

Messprogramm Bestandesniederschlag

Der Bestandesniederschlag wird durch zwei Edelstahlrinnen mit je 1,6qm (10m x 16cm) Auffangfläche einer 100ml-Wippe mit Readcontact zugeführt (Bild 3). Die Ereigniszählung an den Kippwaagen wird mit einem Miniaturloggersystem für jede Wippe separat durchgeführt.

Messprogramm CO₂-Verluste

Um eine Bilanzierung des Kohlenstoffhaushaltes der Wälder vornehmen zu können, werden an sechs Schwerpunkt-Waldklimastationen die gasförmigen Kohlenstoffverluste gemessen (Respiration von Mikroorganismen bzw. Pflanzenwurzeln).

Dazu wird wöchentlich die CO₂- Anreicherung in neun geschlossenen Messkammern mit einem mobilen Infrarot-Gasanalysator (Bild 4) gemessen. Über eine lineare Regression wird anschließend die mittlere Anreicherung pro Minute berechnet.

Problemstellung

Bei der Durchführung der vier Teilmessprogramme kommen Hard- und Software verschiedener Firmen zum Einsatz. Folglich werden die Rohdaten in unterschiedlichen Formaten in mehreren Dateisystemen gespeichert, was bisher eine integrierte zeitnahe Auswertung verhinderte. Eine effektive Datenkontrolle bzw. ein effektives Qualitätsmanagement des Messbetriebes war bisher nicht möglich. Betriebsstörungen wurden durch die aufwändige manuelle Datenbearbeitung zu spät erkannt.

Problemlösung

Bei der Einrichtung des Teilmessprogramms Bodenfeuchte wurde für die Datenerfassung ein eigenes System entwickelt. Als Vorgabe für das Datenformat wurde das DIAdem-Format (*.DAT) verbindlich vorgegeben (heutzutage durch das TDM-Format abgelöst). Details über die Realisierung wurden bei der VIP2003 vorgestellt und sind im Begleitband unter dem Titel “Prozessorientiertes Daten- und Qualitätsmanagement mit DIAdem Bodenfeuchtemonitoring an den Bayerischen Waldklimastationen“ veröffentlicht. Die Datenhaltung und Auswertung der Bodenfeuchtemessungen dienen als Projektvorlage für die Integration der Messbereiche Meteorologie, Bestandesniederschlag-Stammablauf und CO₂-Verluste.

Integration der meteorologischen Daten

Die Meteorologiedaten der Freilandmessstellen müssen von Datenträgern mit Hilfe von Firmware der Fa. Thies ausgelesen werden. Da das binäre Format nicht bekannt ist, kann die DIAdem-DataPlugin-Technologie erst nach dem Ausleseprogramm angewandt werden. Um den Datenübernahme-Prozess kontrollieren zu können, wurde das Ausleseprogramm in ein umfangreiches, mit Dialogen gesteuertes DIAdem-Script eingebunden. Die erzeugten ASCII-Dateien (*.met) werden mit Hilfe eines DataPlugins geladen und als TDM-Datei mit mehreren Kanalgruppen im definierten Suchbereich abgelegt. Dieser Datenübernahmeprozess wird ausschließlich von Hilfskräften durchgeführt. Voraussetzung hierfür ist die konsequente automatisierte Ablaufsteuerung über das DIAdem-Modul SCRIPT.

Integration der Bestandesniederschlagsdaten

Die Messergebnisse des Bestandesniederschlags werden mit Hilfe von Ereigniszählern erfasst. Dabei werden Miniaturdatenlogger der Fa. Onset verwendet. Die via Shuttle eingesammelten Daten können ausschließlich mit Firmware der Fa. Onset ausgelesen, gespeichert und in ASCII-Dateien exportiert werden, da das Datenformat leider nicht offengelegt wurde. Die exportierten Dateien werden mit Hilfe eines DIAdem-DataPlugins geladen, ausgewertet, visualisiert und als TDM-Datei in das Rohdatenarchiv eingefügt (Bild 3).

Integration der CO₂-Messdaten

Nach Abschluss der wöchentlichen Messeinsätze werden die Daten in ASCII-Dateien (*anr.TXT) in einem nach Stationen gegliederten Ordnersystem des DIAdem-DataFinders abgelegt (Suchbereich). Mit Hilfe eines DataPlugins werden die eingegangen CO₂-Fremddateien aufgespürt, ausgewertet, visualisiert und letztendlich als TDM-Dateien archiviert. Das unkomplizierte sofortige Datensichten mit DIAdem ist hier besonders von Bedeutung, da die Funktionskontrolle der Messkoffer durch wechselndes Bedienpersonal durchgeführt werden muss. Die Ergebnisse der Regressionsanalyse werden an den Kanälen abgelegt (Bild 5).

Zusammenfassung

Nach den Erfahrungen mit DIAdem im Bodenfeuchtemonitoring und der einfachen Anwendung von DataPlugins konnten alle Messergebnisse aus unterschiedlichen Dateiformaten zu einem Rohdatenarchiv auf der Basis von TDM-Dateien zusammengeführt werden. Mit den Suchfunktionen des DIAdem-DataFinders ist es sehr einfach, in dem großen Pool von Dateien (ca. 10.000, wöchentlicher Zuwachs von 100 Dateien) den Überblick zu halten und das Archiv nach verwertbaren Ergebnissen zu durchsuchen. Die NI DataPlugin-Technologie nimmt dabei eine Schlüsselstellung ein: Sie erschließt Fremdformate in der Weise, dass in ihnen mit Hilfe des DataFinders recherchiert und nur relevante Daten geladen und in DIAdem ausgewertet werden können.

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Dipl.-Geologe, Dipl.-Ing.(FH) Winfried Grimmeisen
Bayerische Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft, Sachgebiet 22, Klima und Wasserschutz
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Tel: (+49) 081 61/71-4916
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