Methoden und Standards
  • Dr. Sven Harten
  • Dr. Gerald Leppert
  • Kai Rompczyk

Geodaten in Monitoring und Evaluierung

Mit Geodaten lassen sich räumliche Dimensionen von Vorhaben und Strategien erfassen und abbilden. Die Methode gewinnt in der Steuerung und Evaluierung von Entwicklungszusammenarbeit an Relevanz. Gleichwohl besteht bei unerfahrenen Anwender*innen Unklarheit über den Mehrwert der innovativen Methodik und darüber, welche Tools, Kompetenzen und Ressourcen in der Anwendung benötigt werden. Ausgehend von den Erfahrungen des DEvals liefert dieser Blogbeitrag eine Orientierungshilfe, um den Einstieg in die Nutzung georäumlicher Analysen zu erleichtern. Zielgruppe des Beitrags sind Evaluator*innen sowie Organisationen der Entwicklungszusammenarbeit, die Ihre Vorhaben evaluieren oder monitoren wollen.

Wann ist der Einsatz von Geodaten sinnvoll?

Nawrotzki, 2019

Mit Geodaten wird das bisherige Analyserepertoire für Monitoring und Evaluierung in der Entwicklungszusammenarbeit durch den Blick aus der Vogelperspektive erweitert.

Mittlerweile liegen aufbereitete Geodaten zu zahlreichen Themengebieten vor, wie etwa landwirtschaftlicher Entwicklung, Gesundheit, Infrastruktur, Bevölkerung, Klimaschutz, Konflikten oder ökonomischer Entwicklung. Fernerkundungsdaten, beispielsweise Aufnahmen von Satelliten, sind für die meisten Regionen seit Jahren in hoher Auflösung verfügbar.

Die Vorteile von Geodaten zeigen sich speziell dann, wenn die Erhebung von relevanten Informationen zu aufwendig (zum Beispiel bei besonders großen Projektgebieten) oder aufgrund der begrenzten Zugänglichkeit zum Terrain nur bedingt möglich wäre (zum Beispiel in Krisenregionen, bei Naturkatastrophen).

Geodaten erleichtern das Monitoring und die Steuerung aus der Ferne sowie über große Flächen hinweg. Zugleich können mit ihrer Hilfe objektive Indikatoren über lange Zeiträume dargestellt werden. Dies dient der Erfassung des Projektfortschritts, aber ebenso der Bedingungen vor Projektbeginn (Baseline).

Um zu klären, ob Geodaten im spezifischen Anwendungsfeld einer Evaluierung nutzbar sind, hat das DEval eine, auch im Kontext des Monitorings nützliche, Entscheidungshilfe entwickelt (Nawrotzki, 2019).

Welche Typen von Geodaten gibt es?

Geodaten gehen aus einer Vielzahl unterschiedlicher Quellen hervor, sodass zwischen geokodierten Daten, Fernerkundungsdaten und vorklassifizierten Sekundärdaten differenziert werden kann. 

  • Bei geokodierten Daten werden aus unterschiedlichen Datenquellen die zur Verfügung stehenden Standortdaten aufbereitet und verwendet. Dies können beispielsweise Adressdaten aus Surveys, GPS-Daten aus Projekten, Datensätze zu Konflikten oder Social-Media-Analysen sein.
  • Für Fernerkundungsdaten werden Flugobjekte (vor allem Satelliten, Flugzeuge oder Drohnen) eingesetzt, die mit Kameras und/oder speziellen Sensoren (zum Beispiel Radarsystem, Multispektralkameras) ausgestattet sind. Sie generieren Bilder beziehungsweise messen bestimmte Charakteristika der Erdoberfläche (zum Beispiel Höhe, reflektierte Strahlung).
  • Für Monitoring und Evaluierung gibt es zudem eine Vielzahl von vorklassifizierten Sekundärdaten, die sowohl aus geokodierten als auch aus fernerkundeten Daten aufbereitet werden. Dafür werden zum einen standortbasierte Informationen aus geokodierten Daten extrapoliert, um deren Verteilung in der Fläche abzubilden (zum Beispiel Unterernährung, Bevölkerungsdichte), zum anderen Bilder oder Spektralinformationen aus der Fernerkundung genutzt, um daraus Indikatoren abzuleiten, wie einen Vegetationsindex (NDVI), die Entwicklung der Reisproduktion, die Klimavulnerabilität oder die Bewaldung. Durch die verstärkte Nutzung von Machine-Learning-Algorithmen nimmt die Anzahl an klassifizierbaren Indikatoren stetig zu.

Für die anschließende Verarbeitung und Analyse von Geodaten lassen sich Datentypen unterscheiden, die in ihrer Funktion, ihrer Form und ihrem Informationsgehalt variieren. 

Typen von Geodaten

© DEval

Punktdaten sind in der Regel eine einfache Kombination aus Längen- und Breitengrad und können zum Beispiel die Lage von Dörfern, Projektstandorten, Adressdaten von Befragten oder Konflikten anzeigen.

Liniendaten bestehen aus zwei oder mehr verbundenen Punkten und werden zur Darstellung geografischer Merkmale wie Straßen, Kanälen oder Distanzen verwendet.

Polygondaten bestehen aus unregelmäßigen Formen und können Grenzen oder Umrandungen von Gebieten darstellen, zum Beispiel von Schutzgebieten, Projektgebieten oder Verwaltungseinheiten.

Rasterdaten sind Bilder aus Gitterzellen, in denen Informationen pro Pixel gespeichert werden, zum Beispiel Temperatur, Niederschlag oder Prozentsatz des Baumbestands je Bildpunkt.

Vorklassifizierte Vektordaten bilden die kontinuierliche Verteilung eines Indikators (innerhalb eines Polygons) ab, zum Beispiel das Höhenprofil oder ein berechnetes Klimarisiko (nicht abgebildet).

Von wo lassen sich Geodaten beziehen?

Um den Projektfortschritt darzustellen und die Auswirkungen von Maßnahmen zu untersuchen, werden georeferenzierte Projektinformationen sowie Daten zu den Effekten und zum Kontext der Interventionen benötigt.

Projektdaten

Für die Identifikation der Standorte von Maßnahmen können Projektteilnehmende und externe Berater*innen vor Ort mit GPS-gestützten Systemen beziehungsweise Smartphones ausgestattet werden. Dies ermöglicht die standortbasierte Mitteilung von Informationen zum Projekt oder auch das Teilen von Bildern aus der Projektregion (zum Beispiel KoBoToolbox, OpenDataKit ).

Je nach Anwendungsfeld kann es sinnvoll sein, nicht nur Punktdaten zu erheben, sondern Liniendaten oder Projektpolygone (siehe Abbildung), die es ermöglichen, die Ausdehnung des Projekts darzustellen (zum Beispiel Bewässerungsgebiete). Dafür braucht es gegebenenfalls Unterstützung durch professionelle Anbieter.

Bilder aus Fernerkundung und aufbereitete geografische Daten

Zur Ermittlung von Kontextbedingungen und möglichen Wirkungen gibt es zahlreiche kostenfreie Anbieter, die in Datenbanken sowohl Bilder aus der Fernerkundung wie vorprozessierte Vektor- und Rasterdaten bereitstellen. Damit können individuelle Polygone gezeichnet werden, um für die relevanten Gebiete standardisierte Analysen von Rasterdaten durchzuführen oder Animationen von Veränderungen zu generieren (zum Beispiel EOS Landviewer, Sentinel Hub EO Browser).

Um den Projektfortschritt in regelmäßigen Abständen abzubilden, können zahlreiche frei verfügbare Satellitendaten genutzt werden (unter anderem Sentinel, MODIS, Landsat). Diese Bilder liegen bei den Sentinel-2-Bildern beispielsweise in einer Auflösung von bis zu zehn Metern vor und werden in regelmäßigen Abständen von circa zwei bis 16 Tagen aktualisiert. Auf dem Markt treten regelmäßig neue Anbieter auf, wie Planet Labs, die etwa 200 CubeSat-Satelliten installiert haben und Satellitenbilder in einer Auflösung von bis zu drei Metern der nicht-kommerziellen Nutzung zur Verfügung stellen.

Für hochauflösende (30 Zentimeter bis ein Meter) tagesaktuelle Satellitenbilder gibt es eine Reihe von kommerziellen Anbietern. Die Preise für die Aufnahmen schwanken je nach Flächengröße, Auflösung und Aktualität. Als Richtwert können zwischen zehn und 30 US-Dollar pro Quadratkilometer kalkuliert werden.

Drohnenaufnahme von San Martin Canyon Baños de Agua Santa (Ecuador) © Ammit Jack / Shutterstock.com

Bei kleineren Projektgebieten bieten sich alternativ immer günstiger werdende Drohnenflüge an, die gegebenenfalls selbst durchgeführt werden können und mitunter insgesamt weniger kosten als hochauflösende Satellitenbilder. So gewonnene Aufnahmen haben den weiteren Vorteil, immer geokodiert zu sein, sodass sie mit anderen Geodaten zusammen genutzt werden können.  

Inzwischen gibt es mehrere Portale, in denen Geodaten gebündelt und spezifisch nach Typus, Region oder Thema gefiltert werden können. Eines der größten Portale ist ArcGIS Hub. Für den Bereich der Entwicklungszusammenarbeit sind unter anderem die Datenbank GeoQuery von AidData sowie die Initiative der KfW MapMe von Bedeutung; der Open-Source-Idee folgend, werden hier frei verfügbare Daten und Programmiercodes veröffentlicht. Zu beachten ist ebenso die Big-Data-Initiative der Vereinten Nationen GlobalPulse, in der in Zukunft unter der Plattform PulseSatellite ein Mapping- und Analysetool zur Verfügung gestellt wird.

Zunehmend entstehen darüber hinaus Onlineplattformen, die die Nutzung von Geodaten ohne vertiefte Expertise ermöglichen. Dabei werden Datenbanksysteme, Erhebungs- und Analysetools sowie Monitoringanwendungen ineinander integriert (zum Beispiel openforis der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen, welche vom BMU mitfinanziert wird).  

Validierung von Daten

Wenngleich ein großer Vorteil in der Anwendung von Geodaten darin liegt, große Projektflächen in kürzerer Zeit aus der Ferne analysieren zu können, bedarf es für qualitativ hochwertige Analysen stets einer Validierung der Daten vor Ort. Dieser Validierungsprozess, das sogenannte ground truthing, liefert ergänzendes Material zu den Fernerkundungsdaten, etwa Fotos oder Bodenproben des Geländes, und wird in der Regel durch lokale Consultants durchgeführt.

So kann es notwendig sein, die Korrektheit der klassifizierten Fernerkundungsdaten zu überprüfen oder Datenmaterial für die Klassifikation mithilfe von Machine-Learning zu liefern.. Dabei ist zu beachten, dass nicht alle Indikatoren uneingeschränkt aus Fernerkundungsdaten erkannt werden (zum Beispiel die Qualität des Grundwassers). Bei laufenden Projekten kann hier eine Zusammenarbeit mit Akteuren vor Ort erfolgen. Herausfordernder gestaltet sich dieser Prozess, wenn Beobachtungen aus zurückliegenden Projektzeiträumen validiert werden müssen.

Wie lassen sich Geodaten verwalten, analysieren und visualisieren?

Voraussetzung für die Nutzung von Geodaten in Monitoring und Evaluierung ist eine Infrastruktur, die die Erhebung, die Aufbereitung, die Validierung, die Auswertung sowie die Visualisierung des Datenmaterials ermöglicht. Dafür steht eine Reihe von kommerziellen und frei verfügbaren Datenbanken, Tools und Softwaresystemen zur Verfügung. Während kostenlose Softwaresysteme bereits umfassende Funktionen bieten, zeichnen sich kommerzielle Lösungen häufig durch eine bedienerfreundlichere Nutzung aus. Nachfolgend sind einige nützliche Programme und Tools gelistet.

  • Die Nutzung von Datenbanken (zum Beispiel SpatialLite oder PostgreSQL/PostGIS) vereinfacht die Verwaltung von Geodaten.
  • Für tiefergehender Analysen und Aufbereitungen werden klassische geografische Informationssysteme (GIS-Software) verwendet, wie etwa die quelloffenen Programme QGIS, GRASS GIS und gvSIG oder kommerzielle Programme wie ArcGIS. Sie ermöglichen auch Schnittstellen zu statistischer Analysesoftware wie R oder Python. Um die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Akteur*innen zu erleichtern, wurden zudem cloudbasierte Lösungen entwickelt (zum Beispiel ArcGIS Online). Eine Reihe von frei verfügbaren Codes erleichtern außerdem die Aufbereitung und die Analyse. Sie werden über Open-Source-Softwarerepositorien veröffentlicht (zum Beispiel MapMe). 
  • Da hochauflösende Bilder enorme Speicherkapazitäten beanspruchen, lassen sich rechenintensive Aufbereitungs- und Analyseschritte über Cloud-Computing-Dienste durchführen (zum Beispiel GEE – Google Earth Engine).
  • Zur Darstellung von aufbereiteten Karten im eigenen Onlineauftritt bieten einige der genannten Tools Programmierschnittstellen (API) an. Damit lassen sich etwa Karten von externen Anbietern oder Projekten wie OpenStreetMap auf der eigenen Website integrieren. Viele kommerzielle Anbieter wie Google Maps stellen eine kostenfreie Anzahl an Kartendarstellungen pro Tag zur Verfügung (circa 20.000 Besuche pro Monat). 

Fazit

Der wachsende Markt an verfügbaren Geodaten und nutzerfreundlicheren Analysetools bietet Evaluator*innen und Organisationen der Entwicklungszusammenarbeit die Möglichkeit, räumliche (und zeitliche) Dimensionen von Projekten zu erfassen, zu monitoren und zu analysieren.

Die Nutzung von Geodaten erweist sich besonders bei großen oder unzugänglichen Projektregionen, aber auch in der Messung kausaler Effekte als hilfreich. Vorteilhaft ist, dass kleinräumige Daten zu immer mehr Themenbereichen sowie Analysesoftware kostenlos zur Verfügung stehen.

Bevor der Entschluss fällt, sich die innovative Methodik für das eigene Projekt zu Nutze zu machen, ist es wichtig den konkreten Mehrwert sowie die Verfügbarkeit geeigneter Daten zu eruieren. Dabei ist besonders in der Zusammenarbeit mit Mitarbeiter*innen vor Ort die Nutzung von Geodaten ein wertvolles Tool, welches das Repertoire von Organisationen der Entwicklungszusammenarbeit und Evaluator*innen sinnvoll erweitern kann.

Autor*innen

Portrait Sven Harten
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Dr. Sven Harten

Leiter Kompetenzzentrum Methoden / Stellvertretender Direktor

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Kai Rompczyk

Evaluator

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